蛇生活在各種各樣的環(huán)境中，從難以忍受的沙漠到茂密的熱帶森林，它們每天都在穿過樹上，巖石和灌木叢。蛇機(jī)器人有一天可能會(huì)幫助我們探索地震后無法進(jìn)入的地形，例如建筑廢墟。但是，機(jī)器人蛇能與生物蛇的驚人運(yùn)動(dòng)相匹敵嗎？約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
通過研究生物蛇的運(yùn)動(dòng)方式，約翰·霍普金斯大學(xué)的工程師們創(chuàng)造了一種可以靈活，穩(wěn)定地爬大臺(tái)階的蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人比以前的設(shè)計(jì)能夠更好地穿越較大的障礙物。
該小組的新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《實(shí)驗(yàn)生物學(xué)雜志》和《皇家學(xué)會(huì)開放科學(xué)》上，推動(dòng)了搜索和救援機(jī)器人的創(chuàng)建和發(fā)展，這些機(jī)器人可以成功地在險(xiǎn)惡的地形上行進(jìn)。
“我們希望從這些令人毛骨悚然的生物中獲得靈感，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)非常擅長穩(wěn)定地解決日常生活中的各種障礙。希望我們的機(jī)器人能夠?qū)W習(xí)如何像蛇一樣在樹表面上跳躍和纏繞，” 約翰·霍普金斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)助理教授，論文的第一作者Chen Li說。
在此前，許多研究人員發(fā)現(xiàn)像蛇一樣的鉸接式移動(dòng)機(jī)器人可以利用其細(xì)長的身體進(jìn)入狹窄的空間并爬上障礙物，并且對(duì)于檢查狹窄的空間以及在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行搜救操作非常有效，但是，由于它們具有許多致動(dòng)器，因此很難控制它們的精確運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致蛇形機(jī)器人一直局限于平地和實(shí)驗(yàn)室。
Chen Li說，因?yàn)橐郧暗难芯恐饕^察到蛇在平坦表面上的運(yùn)動(dòng)，但是在3D地形中除了在樹上之外很少見，并且沒有考慮到現(xiàn)實(shí)生活中的大型障礙物，例如瓦礫和碎屑，但搜救機(jī)器人必須這樣做，例如爬過一堆地震后的建筑殘骸。
Li的團(tuán)隊(duì)首先研究了眼鏡蛇，這條蛇通常在沙漠和松橡樹林中生活，他們捕獲了這些蛇，并在李的Terradynamics實(shí)驗(yàn)室中研究他們是如何在爬上臺(tái)階的。Li的實(shí)驗(yàn)室將機(jī)器人，生物學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域融合在一起，研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的技巧和竅門，以構(gòu)建更多用途的機(jī)器人。
Li說：“這些蛇必須定期穿越巨石和倒下的樹木；它們是運(yùn)動(dòng)的大師，我們可以從中學(xué)習(xí)到很多東西。”為此，李和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，例如改變了臺(tái)階的高度和臺(tái)階的表面摩擦力，以觀察蛇對(duì)這些障礙的扭曲運(yùn)動(dòng)方式。
圖源：Patrick Ridgely，Dave Schmelick，Len Turner /約翰·霍普金斯大學(xué)傳播學(xué)院
經(jīng)過研究，他們發(fā)現(xiàn)可以蛇在運(yùn)動(dòng)時(shí)理解為其將身體分成三部分：前后身體像波浪一樣在水平臺(tái)階上來回?cái)[動(dòng)，而中體部分則保持僵硬，同時(shí)就這樣固定，以架起大臺(tái)階，尾巴蠕動(dòng)的部分則提供了穩(wěn)定性，可以防止蛇翻倒。
隨著蛇越來越靠近臺(tái)階，三個(gè)身體部分沿著每個(gè)身體部分向下移動(dòng)。隨著越來越多的蛇到達(dá)臺(tái)階，其前身部分將變長，而后身部分將變短，而中身部分則保持大致相同的長度，垂直懸掛在兩步之上。如果臺(tái)階變得更高且更滑，則蛇將移動(dòng)得更慢，并且前后晃動(dòng)的次數(shù)更少，以保持穩(wěn)定性。
在分析了他們的視頻并注意到蛇在實(shí)驗(yàn)室中如何爬上臺(tái)階之后，實(shí)驗(yàn)室的研究人員傅啟遠(yuǎn)創(chuàng)建了一個(gè)模仿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。
起初，機(jī)器蛇難以在大踏板上保持穩(wěn)定，經(jīng)常會(huì)擺動(dòng)，翻倒或卡在踏板上。為了解決這些問題，研究人員將懸架系統(tǒng)（如您的汽車中的懸架系統(tǒng)）插入每個(gè)車身部分，以便在需要時(shí)可以壓在表面上。此后，蛇形機(jī)器人的晃動(dòng)度降低了，變得更加穩(wěn)定，爬升的步伐高達(dá)其身體長度的38％，成功率接近100％。
與其他研究中的蛇形機(jī)器人相比，Chen Li的蛇形機(jī)器人比除一個(gè)以外的所有蛇形機(jī)器人都更快，更穩(wěn)定，甚至接近于模仿蛇的實(shí)際速度。但是，增加的車身懸架系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一是機(jī)器人消耗了更多的電力。
“動(dòng)物仍然優(yōu)越得多，但是這些結(jié)果對(duì)于可以跨越較大障礙物的機(jī)器人領(lǐng)域很有希望，”李補(bǔ)充說。
接下來，該團(tuán)隊(duì)將測(cè)試并改進(jìn)蛇機(jī)器人，使其具有更復(fù)雜的3-D地形以及更多非結(jié)構(gòu)化大型障礙物。
