【蛇年特辑】蛇形机器人的样式？能干什么？

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蛇形机器人的定义与特点
蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。其具有以下显著特点：
一、外形细长且灵活：蛇形机器人形如其名，像蛇一样细长，这使得它可以转动灵活，能伸能屈，有着很高的灵活性和实用性。例如美国马萨诸塞州东北大学研究团队的蛇形机器人COBRA ，由11个高灵活性的关节组成，可以在沙地、草地甚至是岩石地形上灵活移动，还能不太费力地抓起和放下物体，展示了其身形的灵活性与功能性。
二、多种运动形式：它能像生物蛇一样实现无肢运动，例如可以完成蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。像日本教授Hirose研制的蛇形机器人通过正交关节与单元体组成高冗余度结构体，轻松模仿蛇类复杂运动形式。
三、适应多种地形：能够适应各种复杂地形，这得益于它可以平均分配自己的体重，还具有自封闭的结构等特点。如在灾难救援场景中，可进入废墟、穿越洞穴等复杂的非结构环境进行搜救工作，无论是狭窄的缝隙还是崎岖不平、充满障碍物的路段都有较好的通过性。
四、结构的内置与多样性：主要由类似蛇头的端部结构件及能够活动的多个关节组成，内部通常集成微型电脑、传感器（如应变传感器、摄像机）、控制系统等部件，这样的构造有助于根据环境变化和任务需求，借助电机或其他驱动装置带动关节运动，从而灵活调整运动姿态和方向。
蛇形机器人的应用领域
蛇形机器人有着广泛的应用领域：
一、搜索救援领域
1、地震灾害救援：在大规模地震等自然灾害发生后，建筑物倒塌形成了大量的瓦砾堆，传统救援设备和人员难以快速有效地搜索到被困人员。而蛇形机器人能够轻松地在狭小空间、瓦砾缝隙中穿梭，它的细长身形可以深入到废墟的深处。例如，蛇形搜救机器人全长约8米，直径约5厘米，重约3公斤，能通过振动马达振动尼龙纤毛驱动前进，且前端可喷射空气抬高跨过20厘米的台阶，可搭载摄像机，用于搜索倒塌建筑物内的被困人员，扩大了灾害发生时的搜索范围。
2、山林火灾救援：山林发生火灾时，火势凶猛且地形复杂，危险系数高。蛇形机器人可以凭借其灵活的运动能力接近火源，挪威科技大学研发的Anna - Konda蛇形机器人，能快速到达火源，限制火势蔓延，减少经济损失和人员伤亡率。
3、洞穴救援：某些洞穴内部环境复杂，可能存在狭窄通道、裂隙和不稳定的地质结构。OmniTread OT4蛇形机器人能够穿越洞穴，勘测未知地形，到达人类难以抵达的洞穴深处实施救援。
二、医疗领域
1、微创手术：医用蛇形机器人被插入患者口中后，医生通过操纵杆控制机器人移动，利用机器人搭载的摄像机观察患者体内情况。机器人的各个关节安装的压力传感器能够感知力度，自行调节前行路径，并且头部还可搭载微型手术器械，可以在不开刀的情况下到达普通手术器械难以到达的区域进行手术，这样能有效降低手术成本和时间，减轻患者的创伤痛苦。
2、体内检查：小型的蛇形机器人可用于等比例缩小后的医学领域，进入人的血管和内脏协助检查病因等工作，例如麻省理工大学研发的磁控蛇形机器人可清理脑血管血栓，通过一个小切口爬进大脑组织内部，利用机载传感器为患者清理血栓，大大减轻病人的疼痛且缩短了恢复时间。
三、军事领域
1、侦察任务：仿生蛇形机器人在军事侦察方面具有独特的优势。相对传统侦察机器人因依靠履带或滚轮等方式运动而导致必须有较大体型、在复杂地形通过性差且容易被发现等局限性，蛇形机器人轻巧、灵活，即便在复杂环境下也能快速机动，可以提高军事侦察效率并降低被发现的风险，蛇形机器人凭借其灵活的身形和隐身能力接近敌方军事目标，获取情报并传输回指挥中心，例如美国卡内基梅隆大学研制的“山姆大叔”蛇形机器人，躯体能模仿树枝形态，还能自适应调整颜色和纹理，隐匿于自然之中执行侦察任务。
2、爆破任务：军事用途的蛇形机器人可被用于执行爆破任务，不过具体的操作细节与案例还需要根据军事行动的实际保密情况确定。
3、监视警戒：如GuardianS蛇形机器人搭载高效能电池与先进的能量管理系统，一次充电能持续运动4小时，并可以稳定的速度穿梭于指定区域执行监视任务。它独特的低功耗设计及智能的任务规划算法的支持下，能够累计执行18小时的监视任务，通过远程操控系统配合高精度探头和先进传感器可灵活调整位置方向开展工作。
四、工业领域
1、航空制造方面：可用于完成飞机部件内腔的检测、密封以及飞机表面喷涂等任务。一些蛇形机器人还可以安装不同的末端执行器完成如标准间紧固、制孔、去毛刺、异物清除、清理金属屑或废液、飞机部件内腔的穿线等复杂操作任务。弗朗霍夫研究所研发的蛇形机器人，携带有单个臂，总重60公斤（机械臂长2.5m，有8个铰链结构，重15公斤，电机产生500N.m扭矩驱动臂关节）就可应用于航空制造领域作业。
2、其他工业作业方面：传统的机器人常常受空间限制，而蛇形机器人能够轻松穿越狭窄空间，完成如管道内部检测与维护等复杂操作任务，并在一些危险或人力难以到达的生产环节替代人力完成作业，提高工业生产的效率和安全性，降低人力成本，适应不同工作环境的灵活性。
蛇形机器人的工作原理
蛇形机器人的工作原理基于多方面的协同配合：
一、结构组成方面
蛇形机器人主体大多由多个模块构成。这些模块之间通过类似于铰链的结构链接，形成连续的链条状结构，且这些模块有一个中心脊骨连接，例如有的蛇形机器人由约30个相同的模块组成，以实现整体的运动协调。每个模块中含有独立的电子设备，这包括小型计算机、传感器、马达等部件，能够进行局部的控制和处理，而整个机器人由中心计算机统一控制，确保所有模块协同工作。 关节设计在模仿蛇运动方面起到重要作用。比如部分蛇形机器人利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，两个正交的关节组成一个单元体，单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，众多这样的单元体组合整体形成一个高冗余度的结构体，使蛇体具有向任何方向弯曲的能力，进而模仿实现蛇的各种运动姿态如蜿蜒向前等。为了减少运动中的摩擦阻力，有的还会在机器蛇两侧安装从动轮提升灵活性和机动性。
二、控制系统方面
配备一个中央计算机与一系列微型控制器共同作用。中央计算机承担处理来自操作者的指令信息以及传感器获取的环境数据等工作，并根据这些信息做出决策。每个模块上的微型控制器负责接收中央计算机发出的信号，然后解读该信号用于控制本模块内的部件动作，像控制马达的启动和停止，同时微型控制器也能够搜集传感器数据，反馈给中央计算机，实现自适应控制能力，让机器人可以根据不同环境做出不同动作反应。
三、感官系统方面
多种传感器是蛇形机器人重要组成部分。应变传感器能够检测机器人身体与外部环境的接触情况，可以判断是否遇到外部障碍物，以及障碍物的位置和硬度等信息；配备的照相机则提供实时视觉信息，为机器人在未知环境中进行导航和执行任务提供必要的帮助。像在一些危险环境中检测周围情况或者在前进过程中判断通道是否堵塞等状况都能依靠这些传感器数据，从而确定运动路径或者调整运动姿态以便能够顺利通行。
四、运动机制方面
独特的模块化设计使蛇形机器人像真正的蛇一样能够弯曲和扭转。其一个模块与邻近模块之间一般通过球形连杆连接，当组成的一个部分开始移动时，连杆会拉动与之相邻的部分跟随移动，以这种方式使得整个机器人的结构能进行连续的波浪式运动，进而实现诸如在崎岖地形上爬行、翻越障碍等类似蛇的爬行动作。并且不同的设计可让蛇形机器人完成钻进、盘绕、滑行等不同的动作模式，以适用于更多的任务需求，如检测狭小管道内部情况等就可采取钻进或者滑行的运动形态进入管道内部进行检测工作。
蛇形机器人的发展历程
蛇形机器人的发展历程是一个从生物观察逐步走向高科技仿生应用的过程：
一、生物蛇研究起步阶段
在20世纪40年代，相关研究人员就开始对生物蛇进行研究分析， 将生物蛇的运动形态分为蜿蜒运动、直线运动和侧移运动等。蜿蜒运动在传播过程呈现侧波的特征，这种运动方式相应的让蛇在平坦地形中能够实现较为高效的形态移动；直线运动需要借助肌肉以及肋骨的交替性运动，运动效率相比更低，并且常常与其他运动形式（如蜿蜒运动）相结合使用，适用于狭窄区域前行的情况，这种对于生物蛇运动形式的研究是蛇形机器人诞生的基础。
二、国外早期探索与研制阶段
国外对蛇形机器人的研究起步较早，日本东京工业大学的Hirose教授早在1972年就研制了第一台蛇形机器人（ActiveCordMechanism - ACMIII），其速度可达40厘米/秒，这开启了蛇形机器人研制的先河。此后许多国家开始重视蛇形机器人的研发工作，例如美国在2000年10月于加利福尼亚装备研制中心展示了一种用于外太空探险的蛇形机器人，能够在复杂外星地形行走自如且具有探测、侦探等功能，展示了当时美国在蛇形机器人领域的先进研究水平。
三、国内研制起步阶段
与国外相比，国内对蛇形机器人的研究起步相对较晚，但随着技术发展在逐步向着国际先进水平靠近。例如上海某大学对适用于爬行的CRS机器人（总长为1.5m，总重量约为3kg）进行研制；国防科技大学研制出的全长为1.2m、总重量为2kg的蛇形机器人，可实现蜿蜒运动，最高时速能达到1.2km且在头部安装视频采集装置；北京信息科技大学研发新型蛇形机器人（全长为1.2m，总重量为2.5kg，躯干单元数量为9个）；中国科学院的自动化研究团队通过与日本研究团队合作研制出巡视者二代（金属材质躯干单元，长度2m左右，总质量8kg，单元间万向节连接能完成多类型转动动作，单元上有体轮减小阻力，头部有视觉传感系统和GPS定位系统且能实现无线操作）和探查者三代（能适应水陆两栖，主体为九节躯干单元，长度1m左右，总重量为7kg）等，国内这些研制成果归功于在蛇形机器人的形态、运动学模型等方面所开展的研究，这些理论与实践研究为蛇形机器人的进一步发展与技术优化奠定了一定的基础。
蛇形机器人的优缺点分析
一、优点
1、灵活性与适应性高
蛇形机器人能够适应各种复杂地形。无论是在地震后的废墟，还是狭窄崎岖的洞穴内部，又或是规则的工业管线内部，无论是崎岖的越野地形、瓦砾堆积的废墟场景，还是有着精密仪器设备的航空部件内部狭小空间，它凭借灵活的身形和多样化的运动模式都能够很好地适应。例如日本研发的用于搜救的蛇形机器人，能够在废墟环境中进行有效的搜索工作，充分展示了其适应复杂、狭窄环境的能力，为救援工作提供了极大的帮助。
2、任务多样性
由于其可搭载多种装备，如在医疗领域搭载手术器械就可以进行手术操作，在军事侦察方面搭载高清摄像机便可获取情报，在救援场景搭载各种检测和通信工具可以实现救援功能。并且，可根据任务不同而调整自身运动状态，实现不同功能。像对不同形状的航空部件内腔检查或者不同危险等级环境下完成救援任务时都可机动性适应任务需求，可根据需求选择合适的运动方式在复杂形状物体间穿梭执行任务。
3、安全性高
在许多危险场景下可以替代人类进行作业。例如在危险海域的水下探索任务中可有效避免潜水员面临的巨大水压危害。在高温、高压、有毒或者辐射的工业环境里，可以保障人员安全地完成如管道检测、环境检测等任务；在军事场景的危险区域（如接近敌方布置的炸弹区域），通过蛇形机器人操作处理可减少军事人员伤亡风险。
4、扩展人的操作能力
一些蛇形机器人能够进入到人类难以到达的地方工作，并带回信息。比如，微型蛇形机器人能够进入人体血管和内脏等极小的部位辅助治疗和检查疾病，这大大扩展了医疗人员对人体内部病情的检查手段；在一些极小的工业缝隙管道中蛇形机器人也可进入检测内部状况。
二、缺点
1、制作与控制复杂
从结构设计角度来看，为了实现其灵活性和多种运动形式，蛇形机器人在机械结构构造和关节设计等方面需要较为复杂的设计。比如其需要精确设计众多模块间的连接结构、关节的旋转与弯曲角度和方向等才能实现良好的运动性能，像一些高性能的蛇形机器人需采用正交关节、万向节结构并配置多个自由度才能拟和蛇类复杂运动，而且众多关节需要多个电机等设备进行驱动与控制。同时在控制系统方面，由于要实现整体协同运动，中心计算机与众多微型控制器之间的指令传递和反馈机制建立难度大，对控制算法和软件编程要求高。
2、精准度有限
目前，蛇形机器人特别是在一些需要高精度操作的任务场景下，难以达到像工业机械臂或者专业手术仪器一样的高精度要求。例如，在微创手术场景下，虽然蛇形机器人可以到达某些人体内部较难到达的区域，但手术操作时，精确进行切割、缝合等操作的精准度还难以与传统高精度的医疗设备相比，在航空部件制孔或者工业部件之间极精密的连接作业时也会有类似情况，这受机器人自身结构、传感器精度、控制系统性能等多方面因素的限制。
3、易受攻击
蛇形机器人在某些场景下防御能力较差，容易受到外界破坏干扰。如在充满碎石或者尖锐物体的灾难废墟环境中，它的柔性结构可能被划伤、划破；在军事对抗场景下，若被敌方发现，因其本身结构难以具备坚固防御性容易被破坏，而导致任务失败；并且，如果面对电子干扰时，其复杂的电子元件和控制系统之间的信号传输可能受到干扰影响正常任务执行。

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