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。
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。
