蛇生活在各种各样的环境中，从难以忍受的沙漠到茂密的热带森林，它们每天都在穿过树上，岩石和灌木丛。蛇机器人有一天可能会帮助我们探索地震后无法进入的地形，例如建筑废墟。但是，机器人蛇能与生物蛇的惊人运动相匹敌吗？约翰·霍普金斯大学的研究人员已经接近实现这一目标。
通过研究生物蛇的运动方式，约翰·霍普金斯大学的工程师们创造了一种可以灵活，稳定地爬大台阶的蛇形机器人，该机器人比以前的设计能够更好地穿越较大的障碍物。
该小组的新发现发表在《实验生物学杂志》和《皇家学会开放科学》上，推动了搜索和救援机器人的创建和发展，这些机器人可以成功地在险恶的地形上行进。
“我们希望从这些令人毛骨悚然的生物中获得灵感，因为它们已经非常擅长稳定地解决日常生活中的各种障碍。希望我们的机器人能够学习如何像蛇一样在树表面上跳跃和缠绕，” 约翰·霍普金斯大学机械工程学助理教授，论文的第一作者Chen Li说。
在此前，许多研究人员发现像蛇一样的铰接式移动机器人可以利用其细长的身体进入狭窄的空间并爬上障碍物，并且对于检查狭窄的空间以及在灾难现场进行搜救操作非常有效，但是，由于它们具有许多致动器，因此很难控制它们的精确运动。这导致蛇形机器人一直局限于平地和实验室。
Chen Li说，因为以前的研究主要观察到蛇在平坦表面上的运动，但是在3D地形中除了在树上之外很少见，并且没有考虑到现实生活中的大型障碍物，例如瓦砾和碎屑，但搜救机器人必须这样做，例如爬过一堆地震后的建筑残骸。
Li的团队首先研究了眼镜蛇，这条蛇通常在沙漠和松橡树林中生活，他们捕获了这些蛇，并在李的Terradynamics实验室中研究他们是如何在爬上台阶的。Li的实验室将机器人，生物学和物理学领域融合在一起，研究动物运动的技巧和窍门，以构建更多用途的机器人。
Li说：“这些蛇必须定期穿越巨石和倒下的树木；它们是运动的大师，我们可以从中学习到很多东西。”为此，李和他的团队进行了一系列实验，例如改变了台阶的高度和台阶的表面摩擦力，以观察蛇对这些障碍的扭曲运动方式。
图源：Patrick Ridgely，Dave Schmelick，Len Turner /约翰·霍普金斯大学传播学院
经过研究，他们发现可以蛇在运动时理解为其将身体分成三部分：前后身体像波浪一样在水平台阶上来回摆动，而中体部分则保持僵硬，同时就这样固定，以架起大台阶，尾巴蠕动的部分则提供了稳定性，可以防止蛇翻倒。
随着蛇越来越靠近台阶，三个身体部分沿着每个身体部分向下移动。随着越来越多的蛇到达台阶，其前身部分将变长，而后身部分将变短，而中身部分则保持大致相同的长度，垂直悬挂在两步之上。如果台阶变得更高且更滑，则蛇将移动得更慢，并且前后晃动的次数更少，以保持稳定性。
在分析了他们的视频并注意到蛇在实验室中如何爬上台阶之后，实验室的研究人员傅启远创建了一个模仿动物运动的机器人。
起初，机器蛇难以在大踏板上保持稳定，经常会摆动，翻倒或卡在踏板上。为了解决这些问题，研究人员将悬架系统（如您的汽车中的悬架系统）插入每个车身部分，以便在需要时可以压在表面上。此后，蛇形机器人的晃动度降低了，变得更加稳定，爬升的步伐高达其身体长度的38％，成功率接近100％。
与其他研究中的蛇形机器人相比，Chen Li的蛇形机器人比除一个以外的所有蛇形机器人都更快，更稳定，甚至接近于模仿蛇的实际速度。但是，增加的车身悬架系统的缺点之一是机器人消耗了更多的电力。
“动物仍然优越得多，但是这些结果对于可以跨越较大障碍物的机器人领域很有希望，”李补充说。
接下来，该团队将测试并改进蛇机器人，使其具有更复杂的3-D地形以及更多非结构化大型障碍物。
