可以像蛇一樣爬行的機器人 秘訣在於哈佛研究的人造蛇皮

智東西 編 | 白鴿

智東西2月22日消息，據IEEE Spectrum報道，近期，哈佛大學的研究人員展示了其最新的研發成果，即通過使用具有kirigami感應結構的可變形材料來模擬蛇鱗，從而製造出一種軟機器人，該機器人能夠像蛇一樣，通過反覆的充氣、放氣來爬行。

長期以來，機器人專家一直致力於研究蛇形機器人，其側重點在於研究機器人在受限空間中的多功能移動性。從這點出發，我們可以看到各種能夠很好的模仿蛇的「步態」的機器人。而蛇之所以特殊，不僅僅是因為其沒有四肢，更因為它們的鱗片。

蛇的鱗片都是指向一個方向，這就使其在爬行過程中產生很大的摩擦力，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，這有助於向前爬行。而如果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，進行快速的移動。這也是bristle bots的工作原理。

來自Katia Bertoldi小組的哈佛大學研究人員通過利用蛇鱗的「各向異性摩擦」的特性，可將充氣式軟機器人的重複性脈衝運動轉變為向前運動。而為了測試鱗片皮膚，研究人員製作了多種不同的可拉伸塑料片，並在每片上用激光刻上不同的扁平鱗片圖案。這種結構能夠在機器人充氣並拉伸塑料片時，使其扁平的鱗片變形並從機身上彈出來，抓住地面並通過不斷的充氣、放氣向前移動。

（雕刻的不同圖案的鱗片皮膚）

研究人員為找到最好的模式，也嘗試了一系列不同的比例模型，包括線性比例尺、圓形比例尺、三角比例尺以及梯形比例尺。

（具有不同形狀的爬行機器人）

事實證明，對於這個特定的機器人來說，最有效的設計是梯形的。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。這意味著當機器人處於充氣狀態時，它能夠進行伸展，這就使得機器人在其移動過程中，能夠產生更長的「步幅」。當機器人向前推動時，只要鱗片設計能夠有效的將自己錨定在地面上，就可以以拉伸的形式進行快速移動。

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這個問題，同時研究人員也在嘗試使用不同的技術。

研究人員也表示，這種可變的塑料性皮膚可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，其性能提高了約22%。

雖然這項研究主要集中在皮膚和鱗片上，但哈佛大學的研究人員指出，他們的方法很簡單，價格適中，而且該皮膚還具有很強的伸縮性。此外，它還可適用於微型機器人或更大的機器人，甚至可能像行星探測器一樣大。除此之外，在非移動性領域也可以得到很好的應用，例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。

原文來自：IEEE Spectrum

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