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。蛇機器人有一天可能會幫助我們探索地震后無法進入的地形，例如建筑廢墟。但是，機器人蛇能與生物蛇的驚人運動相匹敵嗎？約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員已經(jīng)接近實現(xiàn)這一目標(biāo)。
通過研究生物蛇的運動方式，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)定地爬大臺階的蛇形機器人，該機器人比以前的設(shè)計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《實驗生物學(xué)雜志》和《皇家學(xué)會開放科學(xué)》上，推動了搜索和救援機器人的創(chuàng)建和發(fā)展，這些機器人可以成功地在險惡的地形上行進。
“我們希望從這些令人毛骨悚然的生物中獲得靈感，因為它們已經(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機器人可以利用其細(xì)長的身體進入狹窄的空間并爬上障礙物，并且對于檢查狹窄的空間以及在災(zāi)難現(xiàn)場進行搜救操作非常有效，但是，由于它們具有許多致動器，因此很難控制它們的精確運動。這導(dǎo)致蛇形機器人一直局限于平地和實驗室。
Chen Li說，因為以前的研究主要觀察到蛇在平坦表面上的運動，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)實生活中的大型障礙物，例如瓦礫和碎屑，但搜救機器人必須這樣做，例如爬過一堆地震后的建筑殘骸。
Li的團隊首先研究了眼鏡蛇，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實驗室中研究他們是如何在爬上臺階的。Li的實驗室將機器人，生物學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域融合在一起，研究動物運動的技巧和竅門，以構(gòu)建更多用途的機器人。
Li說：“這些蛇必須定期穿越巨石和倒下的樹木；它們是運動的大師，我們可以從中學(xué)習(xí)到很多東西。”為此，李和他的團隊進行了一系列實驗，例如改變了臺階的高度和臺階的表面摩擦力，以觀察蛇對這些障礙的扭曲運動方式。
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)可以蛇在運動時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階上來回擺動，而中體部分則保持僵硬，同時就這樣固定，以架起大臺階，尾巴蠕動的部分則提供了穩(wěn)定性，可以防止蛇翻倒。
隨著蛇越來越靠近臺階，三個身體部分沿著每個身體部分向下移動。隨著越來越多的蛇到達臺階，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。如果臺階變得更高且更滑，則蛇將移動得更慢，并且前后晃動的次數(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驗室中如何爬上臺階之后，實驗室的研究人員傅啟遠(yuǎn)創(chuàng)建了一個模仿動物運動的機器人。
起初，機器蛇難以在大踏板上保持穩(wěn)定，經(jīng)常會擺動，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)）插入每個車身部分，以便在需要時可以壓在表面上。此后，蛇形機器人的晃動度降低了，變得更加穩(wěn)定，爬升的步伐高達其身體長度的38％，成功率接近100％。
與其他研究中的蛇形機器人相比，Chen Li的蛇形機器人比除一個以外的所有蛇形機器人都更快，更穩(wěn)定，甚至接近于模仿蛇的實際速度。但是，增加的車身懸架系統(tǒng)的缺點之一是機器人消耗了更多的電力。
“動物仍然優(yōu)越得多，但是這些結(jié)果對于可以跨越較大障礙物的機器人領(lǐng)域很有希望，”李補充說。
接下來，該團隊將測試并改進蛇機器人，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。
