Grip as Needed, Glide on Demand: Ultrasonic Lubrication for Robotic Locomotion

📄 arXiv: 2602.15608v1 📥 PDF

作者: Mostafa A. Atalla, Daan van Bemmel, Jack Cummings, Paul Breedveld, Michaël Wiertlewski, Aimée Sakes

分类: cs.RO, physics.app-ph

发布日期: 2026-02-17

备注: Accepted for publication in the 2026 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) in Vienna

💡 一句话要点

提出超声润滑主动控制摩擦力，实现高效仿生机器人运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 超声润滑 主动摩擦控制 机器人运动 仿生机器人 摩擦力 压电陶瓷

📋 核心要点

  1. 传统机器人运动中，摩擦力通常被视为由表面材料和条件决定的被动属性，缺乏主动控制。
  2. 该研究提出利用超声润滑技术，通过超声振动动态切换接触界面的摩擦状态，实现主动摩擦控制。
  3. 实验结果表明，该方法在多种表面上均能有效降低摩擦，并成功应用于仿生机器人，实现超过90%的运动效率。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种利用超声润滑主动控制机器人运动摩擦力的方法。通过在超声频率下激励谐振结构，接触界面可以在“抓握”和“滑动”状态之间动态切换，从而实现运动。研究人员开发了两种摩擦控制模块：一种用于管腔环境的圆柱形设计，另一种用于外部表面的平板设计，并将它们集成到模仿尺蠖和黄蜂产卵器运动的仿生系统中。两种系统都实现了双向运动，且运动效率接近完美，超过90%。摩擦特性实验进一步证明，在各种表面（包括刚性、柔软、颗粒状和生物组织界面）上，在干燥和潮湿条件下，以及在具有不同粗糙度的表面上，摩擦力都显著降低，证实了超声润滑在运动任务中的广泛适用性。这些发现确立了超声润滑作为机器人运动中一种可行的主动摩擦控制机制，具有降低设计复杂性和提高机器人运动系统效率的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人运动系统通常依赖于材料本身的摩擦特性，难以根据环境变化进行动态调整，导致运动效率受限，尤其是在复杂或未知的表面上。如何实现对摩擦力的主动控制，以提高机器人运动的适应性和效率，是本文要解决的核心问题。

核心思路：本文的核心思路是利用超声润滑技术，通过在接触界面引入超声振动，在微观层面改变表面的接触状态，从而动态调节摩擦力。具体而言，通过控制超声振动的频率和幅度，可以在“抓握”和“滑动”两种状态之间切换，实现对摩擦力的主动控制。这种方法无需改变材料本身，而是通过外部激励来改变摩擦特性。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1）超声摩擦控制模块的设计与制造，包括圆柱形和平面两种结构，分别适用于不同的应用场景；2）将超声摩擦控制模块集成到仿生机器人系统中，模仿尺蠖和黄蜂产卵器的运动方式；3）进行摩擦特性实验，评估超声润滑在不同表面上的摩擦降低效果；4）进行运动实验，评估仿生机器人的运动效率和性能。

关键创新：该研究最重要的技术创新点在于将超声润滑技术应用于机器人运动控制，实现了对摩擦力的主动控制。与传统的被动摩擦控制方法相比，该方法具有更高的灵活性和适应性，可以根据环境变化动态调整摩擦力，从而提高机器人运动的效率和性能。此外，该研究还设计了两种不同结构的超声摩擦控制模块，适用于不同的应用场景。

关键设计：超声摩擦控制模块的关键设计包括：1）谐振频率的选择，需要根据材料的特性和结构的尺寸进行优化，以实现最佳的振动效果；2）压电陶瓷的驱动电压和频率的控制，需要根据实际的摩擦特性进行调整，以实现最佳的摩擦降低效果；3）接触表面的材料选择，需要考虑材料的硬度、粗糙度和耐磨性等因素，以保证模块的稳定性和可靠性。

📊 实验亮点

实验结果表明，超声润滑技术在多种表面上均能有效降低摩擦力，包括刚性、柔软、颗粒状和生物组织界面。集成了超声摩擦控制模块的仿生机器人实现了超过90%的运动效率，远高于传统机器人。此外，该方法在干燥和潮湿条件下，以及在具有不同粗糙度的表面上，均表现出良好的性能，验证了其广泛的适用性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种机器人领域，如医疗机器人（微创手术、体内导航）、工业机器人（精密装配、表面处理）、以及探索机器人（复杂地形、恶劣环境）。通过主动控制摩擦力，可以提高机器人的运动效率、精度和适应性，使其能够在更广泛的应用场景中发挥作用。未来，该技术有望进一步发展，实现更智能、更高效的机器人运动控制。

📄 摘要（原文）

Friction is the essential mediator of terrestrial locomotion, yet in robotic systems it is almost always treated as a passive property fixed by surface materials and conditions. Here, we introduce ultrasonic lubrication as a method to actively control friction in robotic locomotion. By exciting resonant structures at ultrasonic frequencies, contact interfaces can dynamically switch between "grip" and "slip" states, enabling locomotion. We developed two friction control modules, a cylindrical design for lumen-like environments and a flat-plate design for external surfaces, and integrated them into bio-inspired systems modeled after inchworm and wasp ovipositor locomotion. Both systems achieved bidirectional locomotion with nearly perfect locomotion efficiencies that exceeded 90%. Friction characterization experiments further demonstrated substantial friction reduction across various surfaces, including rigid, soft, granular, and biological tissue interfaces, under dry and wet conditions, and on surfaces with different levels of roughness, confirming the broad applicability of ultrasonic lubrication to locomotion tasks. These findings establish ultrasonic lubrication as a viable active friction control mechanism for robotic locomotion, with the potential to reduce design complexity and improve efficiency of robotic locomotion systems.