研究人员构建了一种带有电机驱动可伸缩防滑钉的机器人脚，能够根据地面的可穿透性自动调整防滑钉深度，使双足机器人能够在沙地或砾石等陡峭的颗粒斜坡上行走。这项工作表明，动物脚爪中常见的主动地面操控（防滑钉）可以迁移到人形机器人上，为在松散、流动表面上的可靠运动打开了大门。
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研究内容
研究团队设计并测试了一种新型机器人脚，可以根据地面的硬度伸缩防滑钉——小型叶片状突起。脚部通过监测电机电流来判断地面可穿透性：当防滑钉遇到阻力（坚硬地面）时，负电流信号使其缩回；当陷入颗粒介质（松软沙地）时，正电流信号将其完全展开。
实验使用了两个机器人：BLUEY是一个小型双足平台（脚长15厘米，鞋底有13条缝），用于系统测试不同防滑钉间距（1、4、12厘米）和深度（1–3厘米）的效果。HECTOR是一个全尺寸自主双足机器人（高85厘米，重15公斤），腿部有5个自由度，脚部尺寸17厘米×10厘米，其防滑钉采用3D打印并集成在脚部。两个机器人在最大25°的斜坡上使用罂粟籽（一种安全的颗粒模拟物）进行测试。
关键成果
没有防滑钉时，BLUEY在20°的颗粒斜坡上停滞——仅靠摩擦力无法克服重力向下的拉力。而添加密集、深度的防滑钉（间距1厘米，深度3厘米）后，BLUEY能够稳定爬升同一斜坡。相反，稀疏的防滑钉（间距4厘米，深度2厘米）反而降低了性能：后部防滑钉拖拽材料，使土壤流化，导致机器人向后倾斜。
HECTOR在15°斜坡上验证了原理的可扩展性。使用间距1厘米的防滑钉时，机器人自主行走无打滑。当防滑钉过于稀疏（间距16厘米）时，机器人难以保持前进。
双板侵入装置的定量力测量显示，在30°斜坡上，密排版（间距1厘米）产生的颗粒阻力比疏排版（间距5厘米）高达1.8倍，这与直觉一致——密集防滑钉能接触更多颗粒材料，产生更大的反作用力。
工作原理
防滑钉在颗粒介质上行走的物理原理取决于脚部与流动土壤的相互作用。当脚部下陷并向后推时，防滑钉像小叶片一样剪切颗粒材料。紧密排列的防滑钉（约1厘米）形成近乎连续的刀刃，动员大量颗粒，产生高阻力。而宽间距防滑钉则允许材料从每个叶片周围流过，降低有效摩擦力。
研究人员使用粒子图像测速（PIV）技术观察行走过程中防滑钉周围的土壤流动。他们发现，后部防滑钉（特别是浅防滑钉）会像拖板一样使相邻材料流化，形成低密度区，无法支撑机器人重量。较深的防滑钉（≥3厘米）切入流化层以下，接触更致密、更强度的材料。
主动伸缩机制采用简单的控制律：监测驱动防滑钉伸出的电机电流。在坚硬表面上，电机遇到阻力，电流变为负值；控制器缩回防滑钉，避免失速或损坏脚部。在松软颗粒斜坡上，正电流表示防滑钉正在下陷，此时完全展开。这使机器人能够在坚硬和松散地形间无缝过渡。
BLUEY在20°斜坡上的实验结果总结：
| 防滑钉间距 | 防滑钉深度 | 结果 |
|---|---|---|
| 无防滑钉 | – | 停滞（失败） |
| 4厘米 | 2厘米 | 向后倾斜（失败） |
| 1厘米 | 3厘米 | 成功爬升 |
对机器人领域的重要性
目前人形机器人仅限于结构化硬地面。这项研究提供了一种低成本、机械简单的方法，将双足运动扩展到户外地形，如海滩、建筑工地和灾害废墟——这些地方颗粒土壤很常见。防滑钉方法模仿了生物解决方案（例如鸟爪、沙漠蜥蜴），并可集成到任何腿式机器人中。
对于使用人形机器人进行搜救或户外物流的操作者来说，这项技术意味着机器人现在可以穿越倾斜的沙地、松散砾石和冰面积雪，无需定制履带或不断调整步态。主动缩回功能还能防止在室内行走时造成损坏，使防滑钉脚成为“一次设置，长久使用”的解决方案。
仓库机器人的制造商可以将此概念应用于在不平整颗粒地面上运行的轮式或履带平台，尽管论文主要关注双足机器人。
局限性与待解问题
实验仅使用一种颗粒材料（罂粟籽），在固定坡度和行走速度下进行。真实土壤在粒度、湿度和压实度上各异——每种可能都需要调整最优防滑钉间距和深度。主动伸缩控制器基于电机电流的启发式方法，可能在混合地形上因可穿透性快速变化而失效。
扩展到更重、更快的机器人尚未验证。论文的力测量表明，防滑钉几何形状必须根据每个机器人的重量和脚部尺寸仔细调整。最后，可伸缩防滑钉在多次撞击硬表面后的长期耐久性未知。
常见问题解答
为什么防滑钉在颗粒斜坡上有用，在坚硬地面上则不然？ 防滑钉穿透松散颗粒并利用摩擦力，但在坚硬表面上无法嵌入，反而成为凸起物，减小接触面积和稳定性。主动伸缩机制通过自动缩回防滑钉解决了这个问题。
机器人如何知道伸出还是缩回防滑钉？ 它监测驱动防滑钉执行器的电机电流。在坚硬地面上，电机遇到阻力，电流为负；在松软地面上，正电流表示防滑钉正在下陷。
颗粒行走的最佳防滑钉间距是多少？ 论文发现1厘米间距（密集）对BLUEY和HECTOR都有效。更宽的间距（4厘米及以上）会使后部防滑钉流化土壤，降低牵引力。
这种方法能在湿沙或泥浆中工作吗？ 实验使用干燥罂粟籽作为颗粒模拟物。湿沙具有粘聚力，可能改善或阻碍防滑钉穿透——需要进一步研究，但原理很可能适用，只需重新调整防滑钉几何参数。
结论
这项工作表明，可伸缩防滑钉能使双足机器人在陡峭颗粒斜坡上行走，同时不影响在平坦硬地面上的性能。通过结合精心设计的防滑钉间距和深度，以及简单的地面感知机制，研究人员在全地形人形运动方面迈出了实用的一步。
主动地面操控能否取代传统步态适应，让人形机器人在软地上行走？
本文由Robot Overflow24团队撰写，作为年度机器人技术评论系列的一部分。