哈佛研發出蛇形柔性機器人，複雜地面無腳行走關鍵在「人工皮膚」

蛇，可謂最具創造力的動物之一。它們能夠快速行動，悄然前進，攀越山地，擠進很小的洞內，甚至可以稍微滑翔一會兒。而且儘管外觀與蜥蜴有些相似，但蛇類完全沒有四肢。

蛇的創造力給研究人員帶來想像力。長期以來，機器人專家們一直致力於蛇形機器人的研究，這主要是為了解決受限空間中的多功能機動性這一難題。考慮到這一點，目前市面已經擁有各種能夠很好模仿蛇類「步態」的無肢機器人。然而，蛇類之所以特別，絕不單純是因為其不具備四肢——蛇鱗同樣居功至偉。

上周末，哈佛大學研究人員發表了一篇關於新型機器人的論文，利用蛇鱗結構的「各向異性摩擦特性（anisotropic frictional properties）」，從剪紙藝術找到設計靈感，能夠製造出一種充氣式柔性機器人，通過充氣與放氣的循環動作實現爬行。

哈佛大學希望這樣的柔性機器人用於探索棘手且危險的地形、進行勘探或執行探索及救援，或者將該項技術小型化以執行人體內的醫療任務——這意味著，將改善過於複雜的機器人結構這一大缺陷。

這款機器人實現運動的關鍵在於「皮膚」。在拉伸時，機器人的外表面採用更具抓地力的三維紋理——剪接式鱗片皮膚的應用，為機器人提供了向前移動所必需的穩定抓地力。

哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院的Ahmad Rafsanjani表示，「我們已經證實，剪紙工藝原理可以被納入柔性機器人當中，從而以遠簡單于先前技術的方式更快、更便宜地實現運動能力。」這種簡化效果，體現在該機器人只需要一台電機即可驅動——而原有柔性機器人往往需要多套驅動裝置。

具體設計方面，研究人員們利用激光切割機在塑料片上刻下多個微型切口，而後將該材料纏繞在可膨脹與放氣的硅膠管周圍。在充氣時，切口會彈起並抓住地面。而在放氣時，機器人即可向前移動。該膠管本身還包裹有凱夫拉爾纖維，用以保持機器人的固有形狀。

全部蛇鱗都指向相同的方向，從而提到可利用的摩擦力，使蛇體更容易向前移動而非向後移動。雖然這會使蛇很難向後移動，但同時亦意味著蛇類可以首先將全部鱗片張開以獲得向前的動勢，而後沿腹部收攏以推動身體後退。如此一來，只要蛇鱗在前後移動的過程中摩擦力相等，其即可略微退後。再有，由於蛇鱗存在朝向，因此其一側光滑而另一側粗糙。這意味著只要蛇類能夠停留在表面，其即可順利向前移動。值得一提的是，這也正是bristlebots的工作原理。

為了製造與蛇鱗類似的鱗片皮膚，該團隊製造了各種可伸縮的塑料片，嘗試了多種不同的切口形狀，且每一片鱗片都通過激光蝕刻刻有獨特的圖案。這種結構使得機器人在軀體膨脹並拉伸鱗片材料時，原本平均的鱗片會變形並從機器人體內彈出，進而抓住地面並將軀體的反覆膨脹轉化為向前運動。這種方式簡單、成本低廉且非常有效。

經過三角形與圓形切割之後，該團隊最終發現梯形鱗片最適合這款特定蛇形機器人，不是因為梯形能夠產生更大的摩擦力，恰恰相反，梯形允許鱗片得以充分伸展，從而幫助機器人在膨脹自身軀體時得以產生更長的「步幅」。只要鱗片設計能夠在機器人向前移動時有效將自身錨定在地面上（提供更強大的抓地力），那麼機器人即可將向前移動快速轉換為原地拉伸。而如果對三角形鱗片進行過度拉伸，那麼塑料表層會略微出現永久變形，這意味著即使機器人處於放氣階段，鱗片也仍然稍為張開。

然而，研究人員注意到，鱗片設計存在一項缺點，即在機器人處於放氣狀態時，鱗片所能產生的摩擦力將顯著降低——這是因為鱗片在此階段會被收回。要解決這個問題，他們需要確保機器人不可進行充分放氣——當供氣量在0到12毫升之間循環變化時，該爬行機器人的運行效率最佳，相較於採用純柔性剪接皮膚建立的履帶式設計，前者的運動效率高出約22%。

該團隊還試驗了繩狀與非繩狀系統設計原型。在繩狀設計當中，繩索用於向履帶提供充氣用的空氣。但為了實現最終版本的完全自動化，其尾部需要充斥各種電源、控制器、執行器以及感測器。

這不是機器人首次從蛇身上找靈感設計。斯坦福大學所開發的救援機器人與Eelume公司的水下維修機器人同樣與蛇類相關。同時，也已經出現了剪紙式設計在太陽能電池與石墨烯納米技術領域的應用。不過據我們所知，哈佛大學的蛇形機器人是首次將二者設計研究加以結合。

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