探秘仿生机器蛇的研究与应用

随着科学技术的日益进步和人们生活水平的不断提高，机器人作为20世纪人类的伟大发明之一，已经逐步进入了日常的生产和生活领域，例如海洋勘探领域中的水下机器人（见图1-1），太空探索领域中的火星探测车（见图1-2），流水线上代替工人生产的工业机器人（见图1-3）。现在研制的机器人与传统的机器人相比，发生了质的变化，不仅仅只是简单地把人类从繁重、危险、枯燥、重复的劳动中解放出来，而是它们越来越像“人”，具有了很高的智能（见图1-4）。

图1-1　水下机器人

图1-2　火星探测车

图1-3　工业机器人

图1-4　步行机器人

目前，人们对机器人的研究重点已经从在制造环境下使用的工业机器人转向在非结构环境下使用的自主作业机器人，例如星际探索机器人、军事侦察机器人、管道疏通机器人、疾病治疗机器人、抢险救灾机器人等的开发[1]。为了提升机器人的工作能力和应用范围，科学家和工程师们纷纷把目光转向了自然界中形形色色的生物。地球上的各种生物种类难以详计，其数量更是难以尽数。每种生物个体在长期进化中形成了各自独特的生命体态。例如展翅高翔的鸟类、自在巡游的鱼类、尽展生命活力的昆虫等。同时，每个生物物种都可以适应自己所处的环境，并不停地向着完美的生命体系进化[2]。于是将一些对人类颇有助益的生物特征与机器人功能需求相互结合的方法就成为促进现代机器人技术不断创新的重要途径，各国的科学家和工程师们研制出许许多多性能独特的仿生机器人，其中就有仿鱼机器人、仿壁虎机器人、仿蛇机器人，等等。

仿生机器人的研究主要集中在以下两个方面：(www.xing528.com)

一是为了仿造人类自身功能而研制的机器人，例如模仿人手功能研制的灵巧手（见图1-5），这种灵巧手可以像人手一样灵巧、准确、可靠地抓取物品；模仿人脑功能研制的智能机器人，这种机器人具有感觉要素、思考要素和决策要素，可以实现自主运动。

二是模仿某些生物特质的仿生机器人，此类仿生机器人的研制难度并不亚于仿人机器人，例如能够在水里自由游动的仿鱼机器人（见图1-6）、能够在多种地形下自由运动的仿狗机器人（见图1-7）、能够在复杂环境中协同作业的仿蚁机器人（见图1-8）等[3-4]。

图1-5　灵巧手

图1-6　仿鱼机器人

图1-7　仿狗机器人

图1-8　仿蚁机器人

通过对比各类生物的生存环境和运动特性，人们不难发现：蛇类的生存环境丰富多样，森林、沙漠、山地、平原、石堆、草从、沼泽、湖泊都能见到蛇的踪影。蛇类的独特爬行方式使其在各种生态条件下都能随遇而安，且运动迅速自如，比如爬树、游水、钻洞、潜行、绕过障碍、穿越沙漠等[3]。蛇的身体虽然只不过像一条华彩斑斓的绳子，但其功能极其强大，前行的时候可以当“腿脚”，尤其是在平坦地面爬行时更是行动如飞；攀爬的时候可以当“手臂”，在不同树木间上下爬行、穿梭往来；在攫取东西的时候又可以当“手指”，准确无误、迅捷无比。蛇在复杂多变环境中的杰出适应能力引起众多学者的青睐，使得仿蛇机器人的研究与探索变得日益兴旺起来。