1）星壤采样探测机器人

多功能星壤采样（测试）构型创新设计（图 1）：针对多样性的星壤采样探测任务需求，应用所提出的设计方法，构建出进给、回转、冲击、断芯、取芯、夹紧、打捞、抓取、转移、动密封等功能模块单元，通过模块单元组合和拓扑构态变换实现了钻探、接卸、排屑、取样、放样、工位转换及对样品进行存储转移、体积测量、密封加热、挥发物测量等复杂序列运动，从而设计出系列星壤采样（测试）构型，如面向“嫦娥”五号大动载月面深层采样多工位钻取测试构型、小天体“锚定附着”式采样及原位分析一体化机器人、提钻取芯和绳索取芯多杆接卸式深层钻探采样构型、受风力搬运原理启发的“一触即走”气体激励式采样构型、多功能表层星壤钻采构型和高带宽主动力控制抛磨构型。

图 1 多功能星壤采样（测试）构型：（A）月面深层采样多工位钻取测试构型；（B）星壤采样及原位分析一体化机器人；（C）多杆接卸式深层钻探采样构型；（D）多功能采样末端：“一触即走”气体激励式星壤采样构型（上）、多功能表层星壤钻采构型（中）、高带宽主动力控制抛磨构型（下）。

小尺度低功耗星壤掘进机器人构型创新设计，主要包括：①盾构式深层星壤掘进机器人（图2A）：针对自潜入深层星壤探测需求，创新融合了螺旋钻高效破土与气体高效排屑优势，提出了少自由度盾构式掘进和气体内循环排屑方法，设计出孔壁自适应、多功能、盾构式深层星壤掘进机器人，能够完成回转、下钻、孔壁被动自适应、切屑快速输送等系列功能，具有低反作用力、低功耗和高能效的特点。②仿鼹鼠趾齿复合式星壤掘进机器人（图 2B）：受鼹鼠前肢脚掌和头部牙齿破土的原理启发，提出了仿鼹鼠趾齿复合式星壤掘进机器人构型仿生设计方法，构建了基于阻力理论的仿鼹鼠前肢构型优化模型，研制出多模态仿鼹鼠星壤掘进机器人样机：在松软土层中可用前肢脚趾将土壤挤压至侧边进行掘进，在密实土层中可用锋利的门齿咬碎土壤并通过四肢排出土屑实现掘进。

图 2 星壤掘进机器人：（A）盾构式掘进机器人；（B）仿鼹鼠趾齿复合式掘进机器人。

2）空间构型测试装置

提出了星壤采样构型综合性能测试方法，解决了热真空和微重力条件下的星壤采样综合性能测试难题。主要包括：①提出了月面钻探采样钻具综合性能测试方法（图 3A）：针对“嫦娥”五号深层钻探采样钻具真空高低温环境下的测试需求，考虑采样钻具狭小空间的复杂几何约束，提出了多模式传感综合性能测试和多物理系统协同设计方法，攻克了真空热环境下运动、力载、温度、密封多参变量综合测控技术。②提出了微重力条件下变刚度触探采样力学性能测试方法（图 3B）：针对小天体“一触即走”气体激励式采样构型测试需求，提出了水平和竖直工况下的触探采样力学性能测试方法，设计了悬吊随动式低重力模拟构型和钢丝交叉编网式变刚度测试构型，进行了常压和真空条件下的变刚度触探采样力学性能测试，获得了微重力条件下气动采样构型与模拟星壤作用过程中各向力载变化规律。③提出真空低温条件下水冰月壤采样封装水损失性能测试方法（图 3C）：针对“嫦娥”七号月球南极水冰月壤钻采水损失率测量需求，提出了模拟环境内封装样品和模拟环境外测算水损失率的方法，设计了样品接取构型、密封面除尘构型和储存罐封装构型，进行了真空和深低温条件下的样品水损失性能测试试验，获得了模拟月球极区环境下水冰钻取工况的水损失规律。

图 3 星壤采样构型综合性能测试：（A）月壤深层采样构型综合性能测试方法（左）和多传感测试系统（右）；（B）微重力条件下变刚度触探采样力学性能测试方法：大气环境下（左）和真空条件下（右）的水平/竖直测试；（C）真空低温条件下水冰月壤采样封装水损失测试方法。

针对星壤采样探测机器人设计及测试过程中面临的关键科学和技术难题进行了长期攻关，与北京卫星制造厂有限公司进行了深入合作，取得了一系列创新性研究成果，解决了国家重大科技工程中的多项关键技术难题。成果应用于多个国家航天重大型号工程任务，如探月工程“嫦娥”五号和六号月面深层钻取采样任务等，有力地支撑了我国的航天强国建设。申请人作为核心成员参与研制的月面环境模拟及月壤钻取采样试验装置（图 4）应用于我国探月工程三期“嫦娥”五号（我国首次月球表面采样返回）和探月工程四期“嫦娥”六号（世界首次月球背面采样返回）深层钻取采样任务，优于美国NASA同类装置。

图 4 月面环境模拟及月壤钻取采样试验装置应用：（A）测试装置实物；（B）月面钻取采样图像；（C）月面钻取采样运动和力载参数；（D）钻取采样处地质：探月雷达数据解析图；（E）钻取采样取芯软袋剖面图。

3）水下仿生机器人

水下仿生机器人创新设计，主要包括：①提出了一种基于伞状柔性主体与嵌入式偏心凸轮驱动系统的仿生水母机器人（图5A）：整机质量仅287 g，结构紧凑且能耗极低。实验结果显示，该机器人最高游速可达7.5 cm/s（约0.47 BL/s），在不依赖螺旋桨或舵面的情况下实现了最高200°的转向幅度与22.7°/s的转向角速度。相比现有仿生水母机器人，本系统在生物式转向控制、轻量化设计与推进能效方面实现了显著提升，证明不对称触手驱动机制在水下高机动仿生推进领域的可行性与优势。本文系统介绍了其结构设计、力学模型与实验验证，并探讨了其在水下生态探测、隐匿巡航与柔性水下平台等方向的应用前景。②提出了一种基于多关节耦合波状推进的仿生魟鱼机器人（图5B）：魟鱼的柔性骨骼结构和波动推进机制，为开发高机动性、轻量化水下机器人的新型结构设计提供了重要的生物学灵感。深入分析了魟鱼运动过程中身体柔性扭转与鳍部波动协同推进的特征，设计并实现了一种微型仿生魟鱼机器人。该机器人采用刚柔耦合驱动轴和多关节波动推进构型，实现了轻量化与高机动性的统一。

图5 水下仿生机器人创新设计：（A）仿生水母机器人；（B）仿生魟鱼机器人。