本文是IEEE Journal Watch系列的一部分，与IEEE Xplore合作发布。
微型尖刺是机器人抓附墙壁、天花板等表面的多种方式之一。如今，加拿大的机器人研究人员正将这种微型尖刺技术应用于无人机，使其能够降落在更具挑战性的偏远表面——冰山。
像蜘蛛一样，Ice Dart无人机能够降落并牢牢抓附在冰山和冰川等陡峭、光滑的表面上。随着北极地区活动日益增加，这一能力的实用价值愈发凸显。该无人机能够抓附近60度的冰坡，远超大多数人在没有专业装备时所能应对的极限。
在最近发表的一项研究中，研究人员介绍了Ice Dart无人机的研发过程。该机型配备了特殊起落架，既能吸收硬着陆的冲击力，又能通过刺入冰面的微型尖刺将无人机固定在原位。
该研究发表于《IEEE机器人现场作业学报》，详细描述了Ice Dart在冰岛东南部的冰山和冰川上完成降落的过程。测试在持续风力和0至10°C的温度环境下进行，地点位于壮美险峻的Fjallsjokull冰川（发音为"FYATLS-yuh-kuutl"）——该冰川流入一片布满冰山的泻湖。无人机最终实现了以每秒最高三米的速度、最大58度的坡面成功降落，即便在时速30公里的风速下，成功率依然达到100%。
研究人员的初衷是让无人机几乎能在全球任何地方降落，因为安全降落地点的匮乏是制约无人机作业范围和方式的主要因素之一。该团队此前已有丰富的研发经验，曾开发出能降落在高速行驶的卡车、拖车、船只及陡峭屋顶上的无人机。
研究报告的共同作者、加拿大魁北克省舍布鲁克大学工程学教授阿列克西·吕西耶·德斯比恩斯表示："能够降落而非持续悬停，从根本上改变了无人机在野外的使用方式。一旦降落，无人机的能耗将大幅下降，使小型飞行器能够实现更长时间的观测。此外，降落后的无人机会变得完全静音，甚至可以通过关闭主要机载系统来降低乃至消除热成像和射频信号特征。"
专门降落在冰山上，能让无人机对其进行数天乃至数月的持续监测，比短暂的航空侦察任务提供更为详尽的观测数据。研究人员认为，这有望简化冰山追踪工作，替代直升机投放、仪器布设或飞镖式追踪装置等传统方式，并为基于卫星和船只的冰山探测系统提供额外的数据维度。它还有望成为追踪那些以往无法监测的冰山的有效手段。
Ice Dart无人机采用碳纤维材质，整机重量仅2.65公斤，机身下方配有四条呈X形排列的支腿，通过旋转关节与机体相连。这套起落架曾应用于该团队此前的无人机研究，能够分散冲击能量，并攻克了多项工程难题。摩擦减震器由38个圆盘组成，在支腿受冲击上下运动时产生摩擦力矩，从而降低无人机的重心、分散着陆时的动能。而真正的关键在于每只"脚"上的两根可伸缩尖刺——一根用于上坡方向抓附，一根用于下坡方向抓附。较大的尖刺在受力较重的下坡侧支脚上发挥作用，较小、较细的尖刺则在上坡侧支脚上轻松咬合，即便在陡坡上承载极小时同样有效。尖刺仅在悬挂系统受压时才刺入冰面，既能产生抓附力，又能避免高冲击力对其造成损坏。
论文第一作者、舍布鲁克大学机械与机器人工程博士后伊萨克·图尼介绍："可伸缩尖刺的设计灵感来自对猫爪的观察——猫爪能够在需要时才伸出。我希望设计出一种脚部结构，能够在正确的时机自然、被动地将尖刺插入冰面，无论无人机的姿态、表面形态或冰面状况如何，都能如此。"
威廉·D·哈考特是英国阿伯丁大学的研究员，专注于北极冰川、积雪和海冰研究，以及遥感与机器学习技术的应用。哈考特虽未参与本研究，但他认为该技术具有多项潜在的有价值应用场景。
"在潮水冰川前缘，这类系统可以实现应力-应变测量，帮助我们理解冰山崩解过程，"哈考特说，"无人机还可以作为移动GPS使用，直接充当冰面上的信号接收器，但该系统需要解决倾斜问题，因为三维变化测量通常要求天线保持水平。不过，如果这些问题能够解决，它就可以用于追踪冰山运动。"
研究团队希望继续推进Ice Dart技术的实际应用开发，包括自主选择降落点以及紧急起飞功能——后者将在冰山翻转或断裂时启动。今年8月，该无人机将随加拿大北极考察任务一同出发，在冰山上完成降落、采集数据，并协助验证基于船只的冰山探测系统。
Q&A
Q1：Ice Dart无人机是如何抓附在冰山上的？
A：Ice Dart无人机通过特殊起落架实现冰面抓附。每只"脚"上配有两根可伸缩微型尖刺，分别负责上坡和下坡方向的抓附。当支腿受冲击压缩时，尖刺才会刺入冰面，既产生足够的抓附力，又避免被高冲击力损坏。此外，38个圆盘组成的摩擦减震器能分散着陆动能，帮助无人机稳稳固定在近60度的冰坡上，在时速30公里的风速下成功率仍达100%。
Q2：Ice Dart无人机在冰山上长期驻留有什么实际价值？
A：降落后无人机能耗大幅降低，可对冰山进行数天乃至数月的持续监测，获得比短暂航拍更详细的数据。这有助于简化冰山追踪工作，替代直升机投放或仪器布设等传统方式，同时为卫星和船只探测系统提供补充数据，还能监测此前完全无法追踪的冰山，对北极科学研究具有重要意义。
Q3：Ice Dart无人机未来还有哪些计划和应用方向？
A：研究团队计划进一步开发自主选择降落点的能力，以及在冰山翻转或断裂时触发的紧急起飞功能。2025年8月，Ice Dart将随加拿大北极考察任务正式出海，在真实冰山上完成降落、采集科学数据，并协助验证船载冰山探测系统，迈出从实验室走向实际应用的重要一步。