文 | 中史华纳

编辑 | 中史华纳

随着科技的迅速发展，水下机器人技术已经成为一个备受关注的领域。研究人员们不断探索如何通过仿生学原理来改进水下机器人的设计与性能，其中蛇类动物的自然流体运动成为了一个备受研究的焦点，因为它们展现了极高的适应性和机动性。

这种仿生方法的关键在于模仿蛇类动物在水中的流畅运动，借鉴其骨骼肌肉系统、步态和运动学原理，通过精确地操纵机器人的参数，研究人员能够揭示动物运动的复杂性和多样性，从而为机器人技术的不断进步提供了灵感和指导。

几何形状——刚体替换法

这项研究的设计灵感源自使用RBR（刚体替代）方法研究真实蛇的运动，RBR方法基于引入合成蛇的柔性模块（FM）来构建肌肉骨骼体。

研究者提出了FM的等效性，以确定阻尼、刚度、截面积和二次惯性矩等参数的大小，这些参数将用于未来的建模和仿真工作。

该研究从对蛇的脊椎、椎骨和肋骨尺寸的解剖学研究开始，根据每个物种的椎骨和蛇身体直径进行缩放，研究团队提出了一种基于通用柔性接头设计的创新技术来形成蛇体的形状。

蟒蛇的X射线图显示了由椎骨组成的脊柱，这些椎骨在形状上相对相似，但其尺寸沿着蛇身轴线逐渐变化，为了简化建模，研究中使用了带有机械止动件的万向节来模拟椎骨之间的运动。

实际运动可以被视为球窝关节与机械止动件（用于弯曲和轻微扭转）以及滑动关节（用于轻微伸长）的组合，所提出的运动设计由相互关联的可顺应的万向节组成，并在单个整体部件中通过3D打印实现。

为了模拟真实椎骨运动，机械止动椎骨的角度（侧向、背侧和侧向）从颈部到身体逐渐减小，而从身体到尾部则逐渐增大，这种变化在蛇的颈部和尾部不仅用于游泳，还用于各种其他运动，如盘绕和机动性变化。

该研究使用X射线测量了蛇的颈部、中部身体和尾部的最大角度，以了解其运动范围，然后，通过ImageJ软件提取了椎骨的角度和长度，以计算其扫过面积，用于获得最大扫掠面积的计算。

通过在死蛇身上测量刚度，并将其应用于柔性关节，以复现机械行为，例如韧带、肌腱、肌肉和椎骨的相互关联，这些实验是通过选择近期被杀死的蛇来完成的，以确保其状态完好。

这项研究的结果为深入了解蛇体运动提供了有价值的数据，同时也提供了设计柔性机器人的参考，特别是那些需要模仿蛇体运动的机器人。

仿生蛇机器人骨架

这种方法的连续步骤导致了无需驱动的蛇形机器人骨架的开发，这个细长的机器人骨架被视为一种惰性体，它能够准确地再现以死皮蛇为代表的蛇体的弹性特性。

蛇形机器人骨架由45块椎骨组成，所有这些椎骨都已连接在一起并可以作为一个整体打印出来。

然而，由于打印机尺寸的限制，蛇形机器人骨架被分成了四个可打印的部分，为了进行打印，蛇形机器人采用了HP®的MJF（多喷射融合）技术，并使用尼龙材料。

需要注意的是，每个椎骨都具有不同的特征，包括扭转梁的直径、机械止动件和椎骨的长度。

实际上，蛇形机器人骨架的长度在研究中考察的蛇的长度范围内，并且与刚性连接的蛇形机器人不同，这意味着机器人具备适应不同长度的能力。

蛇形机器人的身体与活蛇的身体进行了比较，研究的目标是生成类似的运动行为，包括相同输入条件下的波数、波长、振幅和频率。

实验材料

为分析惰性蛇的运动，专门开发了一个游泳测试台，这个测试台使用步进电机来驱动线性轴，并使用Arduino进行控制，以允许重复地控制蛇头的振幅和速度。

蛇的头部通过一个被动枢轴连杆连接到线性轴上的关节，这个关节使得身体波纹可以沿着蛇形机器人的身体传播，同时尽量减少能量损失。

这些蛇模型被放置在有机玻璃桌子上，桌子被倾斜以帮助模拟蛇的起伏运动，并且使用甘油来减少身体和桌子之间的摩擦。

运动数据是从在游泳跑道上游泳的活体蛇获得的，因此这些蛇受到全身肌肉的驱动，3D打印的蛇身是惰性的，没有安装执行器。

与真实蛇游动锥体相比，仿生蛇形机器人的波纹锥体表现出更接近真实蛇体的模式，头部的振幅高于中体和尾部，但中体的两个节点和腹部轮廓清晰可见，这可能是由于扭转梁的弹性特性所致，此外，测量结果未显示出塑性变形。

从头部到身体中部，横向速度急剧下降，但从身体中部到尾部则保持稳定，通过减小头部振幅并增加头部频率，同时保持相同输入的头部速度，可以引起波纹锥体和沿蛇体的速度分布发生显著变化。

这会导致两个节点和腹部轮廓明显可见，头部、身体中部和尾部的运动表现出不同的特性，与之前的测试不同，速度的变化更加显著，尾部的速度高于中体速度，不出所料，由于受到设备线性轴的驱动，头部的速度仍然是最高的。

结果讨论

使用活体游泳蛇与惰性蛇以及非驱动机器人获得的游泳锥和波纹锥，提供了一种比较波浪如何沿身体轴传播的直接方法。

活体鳗鱼游动产生的游动锥包括两个节点和位于身体中部的腹部，振幅从头到尾逐渐增大，拐点沿身体从头到尾变化，这种放大模式是由于连续的身体运动肌肉驱动所引起的。

横向速度从头部到尾部逐渐增加，在身体中部达到最大值，这表明在尾部之前的身体第二部分具有最大的肌肉力量。

通过仅驱动惰性蛇的头部，也观察到了波动的传播，观察到幅度减小的模式，真蛇产生的波纹锥体与游动锥体差异很大。

这可能是因为蛇的身体上没有肌肉驱动传播波动，幅度的变化在机器人获得的波纹锥体中表现出中庸之道，介于活蛇获得的游动锥体和死蛇获得的波纹锥体之间。

由于弯矩的增加，机器人的身体刚度高于惰性蛇，因此需要更高的输入头部频率才能产生起伏的锥体，节点和中体腹部的数量在机器人中与活蛇中观察到的数量相同，但机器人获得的减小模式与活蛇的增加模式形成鲜明对比，机器人尾部产生的波动幅度明显大于身体中部的波动幅度。

这表明机器人的弹性在这种中间模型的生成中发挥了重要作用，生物蛇或麻醉蛇的身体非常灵活，因为它们的身体可以紧密盘绕并采取极其可变的位置。

运动肌肉可能对骨骼施加微调的张力，这在不同的运动模式下（例如攀爬、爬行或游泳）可能表现出不同的模式。

研究侧重于直线游泳，机器人的弹性可能部分模仿了活蛇整个身体的张力，与活蛇相比，死蛇和机器人的头部振幅较大，特别是与Natrix maura相比。

与活蛇相比，惰性机器人的振幅明显更高，应用在惰性物体（死蛇和机器人）上的头部速度，以生成具有两个节点和中体腹部的模式，明显高于在生物蛇上测量的头部速度（0.9 m/s），而生物蛇在游泳时的头部速度为0.1 m/s。

通过比较活蛇、死蛇和机器蛇，可以得出结论，鳗鱼状的游泳运动似乎是身体刚度和肌肉驱动序列相结合的结果，刚度似乎是刚度/肌肉驱动比的重要因素。

为了最大限度地减少游泳过程中的能量消耗，有必要减少执行器的数量并调整其位置，以优化波动并以相对适中的蛇头速度和幅度来模仿游泳锥，然后逐渐放大波动幅度（伴随着更大的横向加速度），至少在身体中部之前。

蛇形机器人骨架的弹性允许通过头部的单个执行器粗略地模仿游泳锥体，这为未来的研究提供了一个有希望的起点，实际上，通过优化骨骼刚度，可以减少执行器的数量，最终目标是实现类似鳗鱼状的游泳运动。

未来的作品

蛇形机器人的设计是基于广泛收集的活蛇和死蛇数据的精确分析，这个机器人的人工“骨架”能够生成类似于活蛇身体的横向波动，但只需最小的驱动力（仅头部驱动）。

研究将采用Cosserat杆理论，结合用于电缆驱动的Lighthill模型，以改进蛇形机器人作为参数变化函数的形状变形，这个模型还将被用来优化蛇形机器人的刚度，以便根据执行器的位置来正确生成波动。

由于仿生骨架由不同的CU关节组成，因此需要安装等效的柔性梁来模拟体积内的变形，观察结果表明，当生物蛇在一定体积内游动时，身体会在两个正交平面（本质上是水平面）上波动，通过尺寸优化方法来确定在具有恒定杨氏模量的体积内变形的等效非线性弹性梁的尺寸。

研究结果明确表明，鳗鱼状的波动不能简化为仅由头部驱动，相反，大部分推力是在身体中部产生的，这也是蛇直径较大的地方，因此也是大部分肌肉存在的地方。

在将执行器和电缆附件放置在蛇形机器人内部之前，将进行实验研究，以确定高度简化的人造肌肉组织的最佳位置，这个过程将包括分析、实验、生物学分析和测试，这项研究将完善BIM方法。

研究未解决阻力或浮力问题，因为蛇形机器人的波动是在倾斜的桌子上研究的，为了研究蛇体在水面和水下的变形，需要涉及防水涂层（即人造皮肤），计划研究蛇体和水之间表面边界的特性，并开发相应的皮肤，然后，计划在水中测试蛇形机器人的性能。