月球，這顆距離地球最近的天體鄰居，不僅承載著人類對宇宙的無限遐想，更藏著解讀宇宙起源的科學密碼，其豐富的自然資源和獨特的空間環(huán)境，使其成為深空探測的關(guān)鍵跳板。在月球眾多神秘特征中，由地下空洞坍塌形成的坑洞和洞穴，被認為是未來人類長期駐月的理想選址——它們能天然抵御宇宙輻射、微隕石撞擊和極端溫差的侵襲，為人類提供安全的“天然避難所”。然而，這些坑洞多呈漏斗狀，內(nèi)壁陡峭、地形復雜，如何安全進入并開展探測，一直是困擾航天界的技術(shù)難題。

此前，各國航天機構(gòu)提出過多種探測方案，但這些方案普遍依賴復雜的重型設(shè)備，不僅增加了任務(wù)成本，更存在部署風險高、適應(yīng)性差等問題。在崎嶇的坑洞環(huán)境中，繩降設(shè)備的固定和回收都可能引發(fā)坍塌，而傳統(tǒng)探測車的剛性車輪則難以應(yīng)對陡峭坡度和障礙。

傳統(tǒng)探測車的機動性瓶頸，核心在于車輪設(shè)計。剛性可變形輪的裸露關(guān)節(jié)易受機械沖擊和環(huán)境污染，在月球風化層的侵蝕下難以長期可靠工作；而傳統(tǒng)軟輪為保證接地面積需采用超大輪徑，無法適配緊湊型探測車；因此，研發(fā)一種緊湊、堅固、抗沖擊且無需復雜關(guān)節(jié)的軟輪系統(tǒng)，成為月球洞穴探測的關(guān)鍵點。

▍創(chuàng)新方案：軟質(zhì)可展開無氣輪登場

據(jù)探索前沿科技邊界，傳遞前沿科技成果的X-robot投稿，近期，國際機器人權(quán)威期刊Science Robotics報道了一種專為月球熔巖管探測設(shè)計的軟質(zhì)可展開無氣輪，為解決這一難題提供了創(chuàng)新性方案。

其核心創(chuàng)新在于采用了交叉螺旋形的彈性鋼條結(jié)構(gòu)，通過材料的形狀變換實現(xiàn)輪徑的伸縮，不僅避免了傳統(tǒng)接頭部件的機械脆弱性，還實現(xiàn)了應(yīng)變均勻分布——這一設(shè)計在月球極端環(huán)境中極具優(yōu)勢，不僅減少了故障點，還降低了在高機械載荷或沖擊下失效的風險。

輪結(jié)構(gòu)和螺旋機構(gòu)的幾何描述

這種交叉螺旋結(jié)構(gòu)具有獨特的“互易特性”：條帶之間相互交織、相互支撐，在儲存狀態(tài)下可緊湊收縮，而在承受垂直載荷時則能抵抗變形，避免坍塌。當需要部署時，輪子可從230毫米的收縮狀態(tài)自動展開至500毫米的最大直徑，無需額外執(zhí)行器驅(qū)動，依靠材料自身的彈性勢能即可完成形態(tài)轉(zhuǎn)換，平衡了緊湊性和機動性。

這種“變形能力”背后，是嚴謹?shù)脑O(shè)計原理支撐。

輪子的展開與收縮由輪轂兩側(cè)的反向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，通過調(diào)整條帶的邊緣和輻條比例，實現(xiàn)條帶間的順暢滑動。科研團隊采用大撓度懸臂梁模型，對車輪的存儲扭矩、承載能力等關(guān)鍵性能進行了系統(tǒng)分析，最終確定了最優(yōu)設(shè)計參數(shù)：輪轂半徑30毫米，采用10條長度200毫米、寬度30毫米、厚度0.4毫米的彈性鋼條。

車輪結(jié)構(gòu)分析

測試顯示，該輪子展開比（最大直徑與收縮直徑之比）超過2，能輕松穿越200毫米高的障礙，在模擬月球土壤中表現(xiàn)出優(yōu)異的抓地力，其沖擊耐受力更是相當于從100米高空在月球重力下墜落，完全滿足極端環(huán)境下的探測需求。

月球極端的熱環(huán)境，是對探測設(shè)備的另一大考驗。月球白晝表面溫度可達400開爾文（約127攝氏度），月夜則驟降至100開爾文（約-173攝氏度），巨大的溫差易導致設(shè)備熱脹冷縮、部件失效甚至冷焊。為驗證新輪的熱穩(wěn)定性，科研團隊為馬里烏斯山坑外緣的42天任務(wù)周期建立了熱環(huán)境模型，模擬月球風化層的熱物理特性和太陽輻射變化。

熱分析條件及輪子結(jié)果

結(jié)果顯示，輪子獨特的幾何結(jié)構(gòu)能形成自然陰影區(qū)，雖會產(chǎn)生高達150開爾文的溫度梯度，但由于設(shè)計時預留了足夠的幾何公差，可有效吸收熱應(yīng)變，避免部件卡滯；同時，彈性鋼條在寬溫度范圍內(nèi)能保持機械完整性，配合輪轂與電機間的隔熱墊片，可防止電機過熱。而針對月夜的極低溫，團隊提出采用“僅白天運行”的策略，在月球日照的熱有利窗口內(nèi)完成探測任務(wù)，無需額外搭載主動加熱器，有效降低了能耗和系統(tǒng)復雜度。

▍硬核性能實測：攀坡、抗沖擊、抓地樣樣行

嚴苛的實驗驗證，進一步證明了該輪子的可靠性。

科研團隊制造了5個原型輪，先后進行了熱真空測試和沖擊測試：在423開爾文、10?1托爾的真空環(huán)境中放置24小時后，輪子性能無明顯衰減；隨后，將9.3公斤的載荷（含輪子）從770毫米高度垂直墜落，模擬月球重力下100米落差的沖擊，輪子仍保持完好。在模擬月球風化層的牽引測試中，配備該輪子的探測車能穩(wěn)定攀爬10°坡度，滑移比控制在0.5以下，展現(xiàn)出優(yōu)異的地形適應(yīng)性。

任務(wù)情景可行性的實驗驗證

為全面評估實際探測能力，科研團隊搭建了配備該軟輪的兩輪模擬探測車系統(tǒng)，整合了電源、通信、控制和驅(qū)動模塊，并搭載攝像頭和燈光以適應(yīng)洞穴黑暗環(huán)境。實地測試中，這輛探測車表現(xiàn)出色：在布滿塵土和沙坑的模擬月壤上平穩(wěn)行駛，不易陷車；從4米高度墜落（地球重力下）后仍能正常運行；成功攀爬200毫米高、坡度34°的階梯障礙；在陸地洞穴的不規(guī)則巖石地形上也能靈活穿梭，充分驗證了其在復雜環(huán)境中的機動性和耐用性。

探測車系統(tǒng)配置與現(xiàn)場測試

這款軟質(zhì)可展開無氣輪的研發(fā)，為月球洞穴探測提供了全新思路。其模塊化設(shè)計可輕松適配各類微型探測車，無需對主探測器進行大幅改造，能實現(xiàn)多輛微型探測車的協(xié)同部署——這種“集群探測”模式可分散任務(wù)風險，即便單臺探測車故障，也不會導致整個任務(wù)失敗。更重要的是，它摒棄了復雜的重型部署設(shè)備，依靠自身的變形能力和抗沖擊特性，可直接從坑緣墜落進入洞穴，大幅降低了任務(wù)復雜度和成本。

隨著機器人等前沿技術(shù)的推進，人類重返月球并建立長期駐留基地的目標日益臨近，月球洞穴的探測價值愈發(fā)凸顯。這些洞穴不僅能為宇航員提供安全庇護，其內(nèi)壁暴露的分層基巖還能反映月球火山活動和撞擊歷史，永久陰影區(qū)更可能儲存水冰等關(guān)鍵資源。這款軟質(zhì)可展開無氣輪的出現(xiàn)，不僅為月球洞穴探測的機動性難題提供了解決方案，更拓展了軟機器人技術(shù)在深空探測中的應(yīng)用邊界。

未來，科研團隊將進一步優(yōu)化輪子的材料性能，探索采用更輕量化的航天級材料如聚醚酮（PEEK），在保證剛度的同時降低重量，并推動該技術(shù)與太空級微型探測車系統(tǒng)的集成。

▍關(guān)于X-robot

X-robot是中關(guān)村機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心與機器人大講堂聯(lián)手打造的權(quán)威性信息發(fā)布品牌專欄，集前沿探索、產(chǎn)業(yè)研究、知識普及于一體，致力于積極推動新質(zhì)生產(chǎn)力的生成與發(fā)展，助力我國乃至全球機器人行業(yè)的蓬勃繁榮。X-robot立足國際化視野，通過全方位、多角度的挖掘與追蹤，生動展現(xiàn)機器人前沿技術(shù)與尖端成果，為學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界及公眾提供一個洞見未來、共享科技的重要窗口。