By studying snakes, engineers learn how to build better robots

蛇生活在各种各样的环境中，从难以忍受的炎热的沙漠到茂密的热带森林。但不管它们的栖息地在哪里，它们都能轻松地爬上树、岩石和灌木丛。通过研究这些生物是如何移动的，约翰·霍普金斯大学的一个工程师团队创造出了一种可以灵活、稳定地爬上大台阶的蛇机器人。

该研究小组的新发现发表在《实验生物学杂志》和《英国皇家学会开放科学》上，它可能会推动能够成功穿越危险地形的搜索和救援机器人的发明。

“我们从这些令人毛骨悚然的生物身上寻找运动灵感，因为它们已经非常善于在日常生活中稳定地跨越障碍，”约翰霍普金斯大学机械工程助理教授、该论文的资深作者陈力说。“希望我们的机器人能学会像蛇一样在平面上上下下地穿梭。”

李说，以前的研究主要是观察蛇在平面上的运动，但很少研究它们在3D地形下的运动，除了在树上。这些研究并没有考虑到蛇在现实生活中遇到的巨大障碍，比如碎石和碎片，而搜索和救援机器人同样需要爬过去。

李的团队首先研究了变量大家庭中的一种,通常可以发现一条蛇生活在沙漠和pine-oak森林,爬在李的Terradynamics实验室步骤。李的实验室将领域工程,生物学,物理学研究动物运动技巧来构建更多样化的机器人。

“这些蛇必须定期穿越巨石和倒下的树木;他们是运动大师，我们可以从他们身上学到很多东西，”李说。

李和他的团队进行了一系列改变台阶高度和表面摩擦的实验，以观察蛇是如何扭曲它们的身体来应对这些障碍物的。他们发现，蛇把它们的身体分成三个运动部分:前后部分在水平台阶上来回扭动，就像波浪一样，而中间部分仍然僵硬，只是盘旋着，以架起台阶的高度。他们注意到，扭动的部分提供了稳定性，防止蛇翻倒。

当蛇移动到台阶上时，这三个身体运动部分沿着蛇的身体向下移动。当越来越多的蛇爬到台阶的顶端时，它的前身体部分会变长，后身体部分会变短，而中间身体部分则保持台阶的高度，垂直悬挂。

如果台阶变得更高、更滑，蛇就会移动得更慢，为了保持稳定，它们前后扭动的身体也会更少。

在分析了他们的视频并注意到蛇是如何在实验室里爬上台阶后，李实验室的研究生傅启元(音)创造了一个模仿动物动作的机器人。

起初，机器蛇很难在大台阶上保持稳定，经常摇摆、翻转或被卡在台阶上。为了解决这些问题，研究人员将一个悬架系统(就像汽车上的一样)插入到每个身体部分，这样当需要时它就可以压缩到表面。在这之后，蛇机器人不再那么摇晃，更加稳定，爬上高达身体长度38%的台阶，成功率接近100%。

与其他研究中的蛇形机器人相比，李发明的蛇形机器人速度更快、更稳定，甚至接近于模拟真实的蛇的速度。然而，增加的车身悬挂系统的一个缺点是，机器人需要更多的电力。

李补充说:“这种动物仍然要优越得多，但这些结果对机器人领域来说是有希望的，它们可以跨越巨大的障碍。”

下一步，该团队将测试和改进蛇形机器人，使其能适应更复杂的三维地形和更大的非结构化障碍。

新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://hub.jhu.edu/2020/02/18/snake-robots-799-em1-art1-rel-science/