蛇，可謂最具創(chuàng)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(nèi)，甚至可以稍微滑翔一會兒。而且盡管外觀與蜥蜴有些相似，但蛇類完全沒有四肢。

蛇的創(chuàng)造力給研究人員帶來想象力。長期以來，機器人專家們一直致力于蛇形機器人的研究，這主要是為了解決受限空間中的多功能機動性這一難題?？紤]到這一點，目前市面已經(jīng)擁有各種能夠很好模仿蛇類“步態(tài)”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(fā)表了一篇關(guān)于新型機器人的論文，利用蛇鱗結(jié)構(gòu)的“各向異性摩擦特性（anisotropicfrictionalproperties）”，從剪紙藝術(shù)找到設計靈感，能夠制造出一種充氣式柔性機器人，通過充氣與放氣的循環(huán)動作實現(xiàn)爬行。

哈佛大學希望這樣的柔性機器人用于探索棘手且危險的地形、進行勘探或執(zhí)行探索及救援，或者將該項技術(shù)小型化以執(zhí)行人體內(nèi)的醫(yī)療任務——這意味著，將改善過于復雜的機器人結(jié)構(gòu)這一大缺陷。

這款機器人實現(xiàn)運動的關(guān)鍵在于“皮膚”。在拉伸時，機器人的外表面采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(wěn)定抓地力。

哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院的AhmadRafsanjani表示，“我們已經(jīng)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(shù)的方式更快、更便宜地實現(xiàn)運動能力。”這種簡化效果，體現(xiàn)在該機器人只需要一臺電機即可驅(qū)動——而原有柔性機器人往往需要多套驅(qū)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，而后將該材料纏繞在可膨脹與放氣的硅膠管周圍。在充氣時，切口會彈起并抓住地面。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后移動。雖然這會使蛇很難向后移動，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，而后沿腹部收攏以推動身體后退。如此一來，只要蛇鱗在前后移動的過程中摩擦力相等，其即可略微退后。再有，由于蛇鱗存在朝向，因此其一側(cè)光滑而另一側(cè)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。

為了制造與蛇鱗類似的鱗片皮膚，該團隊制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(jié)構(gòu)使得機器人在軀體膨脹并拉伸鱗片材料時，原本平均的鱗片會變形并從機器人體內(nèi)彈出，進而抓住地面并將軀體的反復膨脹轉(zhuǎn)化為向前運動。這種方式簡單、成本低廉且非常有效。

經(jīng)過三角形與圓形切割之后，該團隊最終發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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），那么機器人即可將向前移動快速轉(zhuǎn)換為原地拉伸。而如果對三角形鱗片進行過度拉伸，那么塑料表層會略微出現(xiàn)永久變形，這意味著即使機器人處于放氣階段，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，即在機器人處于放氣狀態(tài)時，鱗片所能產(chǎn)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(huán)變化時，該爬行機器人的運行效率最佳，相較于采用純?nèi)嵝约艚悠つw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(tǒng)設計原型。在繩狀設計當中，繩索用于向履帶提供充氣用的空氣。但為了實現(xiàn)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(zhí)行器以及傳感器。

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(fā)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(guān)。同時，也已經(jīng)出現(xiàn)了剪紙式設計在太陽能電池與石墨烯納米技術(shù)領(lǐng)域的應用。不過據(jù)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(jié)合。