提到蛇，大家会联想到成语“杯弓蛇影”，蛇的形象给人一种厌恶和畏惧的感觉。然而，随着对蛇的了解逐渐深入，人们发现了它的美妙与神奇之处——画蛇无须添足。三千万年的进化造就了蛇细长柔顺的身体，它没有脚却能在地面快速穿梭，没有腿却能在沼泽、沙漠、枝叶纵横或乱石密布的地形中畅行无阻，它不仅可以游泳还可以爬树。蛇的身体结构及“无肢运动”展现出极强的地形适应能力，可以说自然界中没有多少地形能阻挡蛇的前行。蛇的美妙点燃了人类灵感的火花，设计蛇一样的机器代替人类钻入地震后的残垣断壁、潜入矿难后水淹的巷道搜寻幸存者，甚至暗入敌方阵地执行侦察是多么恰到好处而且有价值啊。因此，越来越多的科学家踏上研制仿生蛇形机器人(snake-like robot)这一充满梦想和激情的征途。

　　机器蛇先驱ACM-III

图1 ACM-III蛇形机器人

　　世界上第一台机器蛇ACM-III在1972年诞生，它的研制者是东京工业大学的S.Hirose（广濑茂男）。最初机器蛇被称为“能动索状机械”，它形象地描绘出机器蛇多关节串联的细长结构。ACM-III拥有20个运动模块，总长2m，质量为28kg（图1）。每个模块通过一个旋转轴与相邻模块连接，每个模块的旋转轴都垂直于地面。模块内部舵机通过旋转轴带动相邻运动模块偏转，各个轴的偏转动作相互配合能让机器蛇扭动身体。

　　蛇是怎样爬行的呢？

图2 蛇的蜿蜒运动

　　Hirose通过细致观察发现蛇最常用的运动形式是S形蜿蜒运动，这一运动可由正弦曲线来描述。正弦波从头部开始沿着蓝色箭头方向传播，地面作用于蛇的摩擦驱动力沿红色箭头方向，这些摩擦驱动力就是推动蛇前进的力量。蛇前进的距离正好与波形向后传播的距离相等。以固定视角看，蛇的每段身体都在沿着黑色箭头方向滑动（图2），蛇身体覆盖的鳞片能使这种滑动产生的摩擦阻力很小，而使前进方向产生的摩擦驱动力很大，在学术上将这种特性称为“摩擦各向异性”。蛇身体结构的这些特异性和蜿蜒运动完美结合，使蛇能以每小时十几公里的速度爬行。细心的读者会发现蛇将位于波峰波谷位置(P点)的身体抬起，这能进一步减小前进时的摩擦阻力。

　　用小轮代替鳞片

图3 蛇形机器人运动机理

　　上述分析表明蛇形机器人需要具备“摩擦各向异性”才能高效率地蜿蜒前进。Hirose通过在每个运动模块下面安装两个小轮的方式模拟这种特性。这些没有驱动装置的小轮只能在地面摩擦力作用下转动，由此得名“被动轮”（图3）。根据Hirose推导出的蜿蜒运动算法控制每个运动模块上舵机转角及角速度就能实现蜿蜒运动，ACM-III最快前进速度为0.5m/s。ACM-III头部和身体侧面带有碰撞开关，能在人工神经网络控制下走迷宫。

图4 瑞士AmphiBot II

　　与ACM-III结构类似的蛇形机器人有很多，例如瑞士Alessandro Crespi博士研制的AmphiBot II（图4），它能够在水中蜿蜒游动；Gavin Miller博士在家中研制S系列蛇形机器人，其中S7头部带有触须(弯曲传感器)、眼睛(红外测距仪)和摄像头，能通过遥控器操控（图5）。上海交大于1999年研制的我国第一台微小型机器蛇以及国防科大5名研究生2001年研制的机器蛇(图6)都属于这种类型。

图5 S7蛇形机器人

图6 国防科大的机器蛇

　　会爬树的机器蛇

图7 各种各样的蛇形运动

　　ACM-III只能在平滑的地面蜿蜒前行，而蛇类动物除了采用蜿蜒运动外，还能进行侧滑运动、伸缩运动、蠕动前进（图7），这些运动形式要求机器蛇具有三维空间运动能力。为实现这一目标，卡内基·梅陇大学生物机器人实验室开发出新型机器蛇“Uncle Sam(山姆大叔)”（图8），它巧妙地将关节轴正交（垂直）的两个运动模块串联在一起，若一个关节能上下摇摆时，与之相连的关节就可以左右摇摆，使蛇形机器人能挣脱地面的束缚在三维空间运动。“Uncle Sam”能通过运动模块外表的压力传感器感知与自身接触的环境信息，在复杂的自适应算法控制下能爬树、翻滚、爬楼梯、越障。类似的机器蛇有Hirose研制的ACM-R3（图9），ACM-R3能以1m/s的速度进行蜿蜒运动。

图8 Uncle Sam”

图9 ACM-R3

　　会游泳的机器蛇

图10 ACM-R5

　　为了使蛇形机器人具备水下搜索能力，Hirose于2001年研制出世界上第一种两栖蛇形机器人ACM-R5（图10），它由6个运动模块通过两自由度万向节串联组成，关节外侧用橡胶波纹管密封。这种万向节关节结构紧凑，有助于提高蛇形机器人运动灵活性。鉴于这些优点，美国国防高级研究计划局研制的TSD蛇形机器人（图11）也采用万向节关节。ACM-R5运动模块外安装有一圈带有被动轮的“鱼鳍”，使之不仅可以进行蜿蜒、侧滑和翻滚运动，还能在水下用螺旋扭动身体的方式游泳，“鱼鳍”可提高水下运动的速度和稳定性。ACM-R5水下和陆地最快行进速度都是0.4m/s 。操作者通过遥控器控制机器蛇前进方向，具体动作由机器蛇自身电路控制。ACM-R5头部安装的摄像头和LED灯使操作者能看到蛇前方的环境。

图11 美国TSD

　　会钻洞的机器蛇生物蛇可以借助腹肌、鳞片的相互作用在岩石缝隙中直线前进。机器蛇要钻入地震后残垣断壁下寻找幸存者也需要具备直线运动能力。美国密歇根大学近年来研制出新颖的气动关节机器蛇Omni Tread，这种机器蛇相邻两个运动模块之间通过四个气囊连接，气泵产生的压缩空气沿着气路分别对四个气囊充气就可以推动关节偏转。

图12 美国Omni Tread

　　气体的可压缩性使这种机器蛇具有一定的抗过载、抗冲击能力，动作更加柔顺。Omni Tread运动模块外表四面覆盖有主动履带，这些履带在电机驱动下绕同一方向旋转，履带与环境接触就能提供前进动力，使机器蛇在狭窄的石缝间缓慢穿行。美国陆军认为Omni Tread比以往任何蛇形机器人都具有更强的复杂地形通过能力。

　　机器蛇家族的新成员

图13（a）Souryu

　　2012年Hirose展示了多种轮式机器蛇Souryu（图13a），每个运动模块上带有主动车轮，运动模块可在两条或四条钢丝绳牵引下偏转。这种机器人即具备蛇形机器人运动灵活、越障能力强的优点，又有轮式机器人的快速性以及履带式机器人的松软地面运动能力，其运动控制方式相比蛇形机器人也简化很多。

图13 （b）蛇形机械臂

　　2010年卡内基·梅陇大学电气与计算机工程系研制出用于微创手术的蛇形机械臂（图13b），与以往的机器蛇不同，蛇形机械臂固定在一个底座上面，可以弯曲但不能移动。机械臂由数十个NiTi超弹性合金关节串联而成，在4条钢丝绳牵引下做出弯曲运动，钢丝绳驱动机构和控制系统都安装在底座内，底座内有一个直线导轨，机械臂可以沿着导轨伸缩。

图13 （c）韩国管道检测机器蛇

　　2010年韩国研制出一系列管道检测机器蛇KAEROT-snake（图13c），直径8cm，由11个运动模块串联构成，每个模块含有两台直流减速电机，能做出俯仰和偏转运动。较大的电机减速比带来较大的输出力矩，使得KAEROT-snake能抬起多个运动模块巡视周围环境。以色列经常面临小规模军事冲突，事发地点环境复杂，特别需要一种地形适应能力强的侦察机器人。2008年以色列理工学院研制出一款长2m、带有摄像头的机器蛇用于军事侦察，它在笔记本电脑遥控下能蜿蜒前进，随时抬起头部观察周围环境（图14）。

图14 以色列侦察机器蛇

　　机器蛇的未来蛇形机器人在地震搜救、矿难救援、军事侦察和行星探险等领域展现出美好的应用前景，在世界各地掀起研究热潮。目前国际上主要蛇形机器人研究中心有美国的卡内基·梅陇大学、密歇根大学；日本的东京工业大学、冈山大学；欧洲的挪威科技大学和瑞士洛桑理工大学。令人欣慰的是在这一高科技领域，我国沈阳自动化研究所在国际上占有重要一席。自从第一台机器蛇诞生距今已有四十多年历史，时至今日却鲜有机器蛇被真正用于灾害搜救或侦察领域。实际工作环境是复杂、恶劣和多变的，如何让机器蛇自主识别周围环境并做出最佳的动作、如何设计更加灵活有力的关节机构、如何提高机器蛇在恶劣环境下的抗侵蚀能力是目前科学家着力解决的问题。

　　奋斗就会有艰辛，但是艰辛也意味着新的发展，相信在科学家的努力和大众的关注下，蛇形机器人研究必将取得进展造福社会。