前方爬來一條紅皮蛇！哈佛為蛇形機器人家族再添新成員

自然界的動物千姿百態、風姿綽約

總會引來人們的喜愛

而單單在提到蛇時

可能更多人的第一反應是恐懼

當看到它的身體迅速的蜿蜒前行時

總是有種毛骨悚然的感覺

而像蛇這樣有特色的動物

當然也是仿生機器人研究者的研究重點

比如

他們研發出下圖那樣模塊化的蛇形機器人

但不得不承認

像上圖這樣的機器人

雖然打著蛇形機器人的幌子

離我們真正現實中的蛇還是有一定距離的

從恐怖程度上就遜色了很多

而最近哈佛的機器人團隊

研發出的最新款蛇形機器人

著實讓我震驚了不少

當蛇向前移動時，

它們能如此自如移動的關鍵其實在於它們腹部的鱗片！

腹部皮膚所發生的收屈會遠遠大於皮膚在胸腔和背部的收屈。

腹部鱗片的作用就像是輪胎的花紋，

當肌肉帶動骨結構讓蛇呈波浪形前進時，

腹部鱗片就提供了和地面的摩擦力。

快速移動時，這個動作流暢至極！

（恐蛇的朋友別擔心！下文沒有自然界中的蛇咯~）

哈佛大學的科研人員用古老的剪紙方式，

模仿蛇鱗的工作原理，

開發了一種能屈能伸的「蛇皮」機器人。

成果發表在了《科學·機器人學》(Science Robotics)上。

就是下面這隻~

這些科學家利用激光切割技術將聚酯皮膚裁剪成了鱗狀，

鱗狀包括圓形、三角形、梯形等不同形狀，

將裁剪好的鱗狀塑料片捲起，就誕生了這個蛇形的管狀機器人！

這個過程是不是很像一件簡單的手工製作！

這些鱗片可以緊抓地面，就像冰鎬一樣。

當管中注入了空氣，整個結構便會向前擴展，

這樣一來，機器人便會伸長或縮短~

它能夠依靠摩擦力將自身向前拖拽，

在充氣和放氣的交替過程中優雅地發生位移。

而寬度幾乎保持不變。

這個工作原理利用到的就是蛇的運動機理。

蛇的鱗片其實都是指向一個方向，

這就使其在爬行過程中能產生很大的摩擦力，

從而令蛇能夠更容易的向前移動，而不是向後移動。

在移動時，其鱗片很滑，這有助於它向前爬行。

而當蛇想要向另一個方向移動時，

其腹部的鱗片又具有粘性，能夠使其抓住地面，進行快速移動。

這個蛇形機器人的機制雖然看起來很簡單，

但實際上研究者們花了一年半的時間才得以完善。

在全部問題得到解決之前，

他們曾製作了數百個皮膚和約50個軟體機器人。

最終才決定採用一種具有kirigami感應結構的可變形材料來模擬蛇鱗。

這種可變的塑料性皮膚可以在兩個方面影響系統反應。

一方面，它增加了爬行機器人在剛開始充氣時的延伸長度。

另一方面，在整個驅動過程中，

其永久的方向紋理結構可以產生高度的「各向異性摩擦」特性。

因此，當供氣量在0到12毫升之間循環變化時，

該爬行機器人的運動效率最佳。

與其他具有kirigami皮膚的爬行機器人相比，其性能還提高了約22%。

值得一提的是，

蛇皮機器人的移動能力和鱗片的形狀有關。

研究人員在測試了多種形狀的鱗片之後，

發現其中表現最好的梯形鱗片恰恰與蛇鱗最為相似。

比起圓形和三角形，

梯形鱗片可以讓機器人在每次充氣後產生更大的位移！

不是因為梯形能夠產生更多的摩擦力，

而是其允許皮膚能夠伸展的更多。

所以使機器人在其移動過程中，能夠產生更長的「步幅」。

在實驗過程中，研究人員還注意到，

其研究的鱗片彈出尺度有一個缺點，

那就是當過度拉伸三角形鱗片設計時，會使塑料表皮過度伸長，

其造成的結果就是即使機器人處於放氣狀態時仍會彈出鱗片，

這也就意味著機器人的摩擦力會大大減小。

當然，這可以通過不完全放氣來解決，

所以研究人員也在嘗試使用不同的技術。

從軟體機器人的移動方式來看，

剪紙結構或許是一種新鮮的思路。

這種蛇皮機器人依靠油或空氣便能運動起來，

而不像大多數軟體機器人一樣需要使用電機。

雖然，這個基於蛇鱗原理開發的機器人在速度上不佔優勢，

不過速度也並不是這類機器人最重要的屬性。

它們更加擅長的，或許是進入狹小空間執行觀察、搜索等任務。

此前，斯坦福大學發布過能夠無限伸長的可充氣機器人，

同樣擁有蛇一般的曼妙姿態。

由於形態靈活多變，

它能從狹窄的空隙中輕鬆穿過，完成滅火等危險任務。

而卡耐基梅隆大學開發的蛇形機器人，

曾經在去年墨西哥城7.1地震發生後，協助人類執行搜救任務。

而今天這個蛇皮機器人據說還可以抵抗像瀝青和混凝土這樣的粗糙表面。

科學家們表示，這個機器人還能適用於微型機器人或更大的機器人，

另外，在非移動性領域也能夠得到很好的應用，

比如將這種類型的皮膚應用在充氣式機器人的手指上，

以根據它們的需要調整握力。