蛇，可謂最具創(chuàng)造力的動(dòng)物之一。它們能夠快速行動(dòng)，悄然前進(jìn)，攀越山地，擠進(jìn)很小的洞內(nèi)，甚至可以稍微滑翔一會(huì)兒。而且盡管外觀與蜥蜴有些相似，但蛇類(lèi)完全沒(méi)有四肢。

 

　　蛇的創(chuàng)造力給研究人員帶來(lái)想象力。長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)器人專(zhuān)家們一直致力于蛇形機(jī)器人的研究，這主要是為了解決受限空間中的多功能機(jī)動(dòng)性這一難題。考慮到這一點(diǎn)，目前市面已經(jīng)擁有各種能夠很好模仿蛇類(lèi)“步態(tài)”的無(wú)肢機(jī)器人。然而，蛇類(lèi)之所以特別，絕不單純是因?yàn)槠洳痪邆渌闹?mdash;—蛇鱗同樣居功至偉。

 

　　上周末，哈佛大學(xué)研究人員發(fā)表了一篇關(guān)于新型機(jī)器人的論文，利用蛇鱗結(jié)構(gòu)的“各向異性摩擦特性（anisotropic frictional properties）”，從剪紙藝術(shù)找到設(shè)計(jì)靈感，能夠制造出一種充氣式柔性機(jī)器人，通過(guò)充氣與放氣的循環(huán)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)爬行。

 

　　哈佛大學(xué)希望這樣的柔性機(jī)器人用于探索棘手且危險(xiǎn)的地形、進(jìn)行勘探或執(zhí)行探索及救援，或者將該項(xiàng)技術(shù)小型化以執(zhí)行人體內(nèi)的醫(yī)療任務(wù)——這意味著，將改善過(guò)于復(fù)雜的機(jī)器人結(jié)構(gòu)這一大缺陷。

 

　　這款機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在于“皮膚”。在拉伸時(shí)，機(jī)器人的外表面采用更具抓地力的三維紋理——剪接式鱗片皮膚的應(yīng)用，為機(jī)器人提供了向前移動(dòng)所必需的穩(wěn)定抓地力。

 

　　哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Ahmad Rafsanjani表示，“我們已經(jīng)證實(shí)，剪紙工藝原理可以被納入柔性機(jī)器人當(dāng)中，從而以遠(yuǎn)簡(jiǎn)單于先前技術(shù)的方式更快、更便宜地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力。”這種簡(jiǎn)化效果，體現(xiàn)在該機(jī)器人只需要一臺(tái)電機(jī)即可驅(qū)動(dòng)——而原有柔性機(jī)器人往往需要多套驅(qū)動(dòng)裝置。

 

　　具體設(shè)計(jì)方面，研究人員們利用激光切割機(jī)在塑料片上刻下多個(gè)微型切口，而后將該材料纏繞在可膨脹與放氣的硅膠管周?chē)?。在充氣時(shí)，切口會(huì)彈起并抓住地面。而在放氣時(shí)，機(jī)器人即可向前移動(dòng)。該膠管本身還包裹有凱夫拉爾纖維，用以保持機(jī)器人的固有形狀。

　　

 

　　全部蛇鱗都指向相同的方向，從而提到可利用的摩擦力，使蛇體更容易向前移動(dòng)而非向后移動(dòng)。雖然這會(huì)使蛇很難向后移動(dòng)，但同時(shí)亦意味著蛇類(lèi)可以首先將全部鱗片張開(kāi)以獲得向前的動(dòng)勢(shì)，而后沿腹部收攏以推動(dòng)身體后退。如此一來(lái)，只要蛇鱗在前后移動(dòng)的過(guò)程中摩擦力相等，其即可略微退后。再有，由于蛇鱗存在朝向，因此其一側(cè)光滑而另一側(cè)粗糙。這意味著只要蛇類(lèi)能夠停留在表面，其即可順利向前移動(dòng)。值得一提的是，這也正是bristlebots的工作原理。

 

　　為了制造與蛇鱗類(lèi)似的鱗片皮膚，該團(tuán)隊(duì)制造了各種可伸縮的塑料片，嘗試了多種不同的切口形狀，且每一片鱗片都通過(guò)激光蝕刻刻有獨(dú)特的圖案。這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人在軀體膨脹并拉伸鱗片材料時(shí)，原本平均的鱗片會(huì)變形并從機(jī)器人體內(nèi)彈出，進(jìn)而抓住地面并將軀體的反復(fù)膨脹轉(zhuǎn)化為向前運(yùn)動(dòng)。這種方式簡(jiǎn)單、成本低廉且非常有效。

 

 

 

　　經(jīng)過(guò)三角形與圓形切割之后，該團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)梯形鱗片最適合這款特定蛇形機(jī)器人，不是因?yàn)樘菪文軌虍a(chǎn)生更大的摩擦力，恰恰相反，梯形允許鱗片得以充分伸展，從而幫助機(jī)器人在膨脹自身軀體時(shí)得以產(chǎn)生更長(zhǎng)的“步幅”。只要鱗片設(shè)計(jì)能夠在機(jī)器人向前移動(dòng)時(shí)有效將自身錨定在地面上（提供更強(qiáng)大的抓地力），那么機(jī)器人即可將向前移動(dòng)快速轉(zhuǎn)換為原地拉伸。而如果對(duì)三角形鱗片進(jìn)行過(guò)度拉伸，那么塑料表層會(huì)略微出現(xiàn)永久變形，這意味著即使機(jī)器人處于放氣階段，鱗片也仍然稍為張開(kāi)。

 

　　然而，研究人員注意到，鱗片設(shè)計(jì)存在一項(xiàng)缺點(diǎn)，即在機(jī)器人處于放氣狀態(tài)時(shí)，鱗片所能產(chǎn)生的摩擦力將顯著降低——這是因?yàn)轺[片在此階段會(huì)被收回。要解決這個(gè)問(wèn)題，他們需要確保機(jī)器人不可進(jìn)行充分放氣——當(dāng)供氣量在0到12毫升之間循環(huán)變化時(shí)，該爬行機(jī)器人的運(yùn)行效率最佳，相較于采用純?nèi)嵝约艚悠つw建立的履帶式設(shè)計(jì)，前者的運(yùn)動(dòng)效率高出約22%。

 

　　該團(tuán)隊(duì)還試驗(yàn)了繩狀與非繩狀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原型。在繩狀設(shè)計(jì)當(dāng)中，繩索用于向履帶提供充氣用的空氣。但為了實(shí)現(xiàn)最終版本的完全自動(dòng)化，其尾部需要充斥各種電源、控制器、執(zhí)行器以及傳感器。

 

　　這不是機(jī)器人首次從蛇身上找靈感設(shè)計(jì)。斯坦福大學(xué)所開(kāi)發(fā)的救援機(jī)器人與Eelume公司的水下維修機(jī)器人同樣與蛇類(lèi)相關(guān)。同時(shí)，也已經(jīng)出現(xiàn)了剪紙式設(shè)計(jì)在太陽(yáng)能電池與石墨烯納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。不過(guò)據(jù)我們所知，哈佛大學(xué)的蛇形機(jī)器人是首次將二者設(shè)計(jì)研究加以結(jié)合。