2018年02月03日 | 一文看懂最接近全面商用的仿生机器人——机器蛇

既然狗年马上就要到了，咱们来聊聊机器蛇吧。

在这个非常尴尬的开头之后，我们来进入今天的正题：大家都知道，无人驾驶在2017年不可谓不火，各种车开始上路，各种计划开始实行，一些关键性技术也有突破。但是，这些都跟今天的内容有关系吗？当然没有！

……

其实我想说的是，无人驾驶这么火热，是否大家有种感觉：汽车将会是我们最先看到进入商业化的无人机器人呢？如果真这么想，很可能就错了哦。

我们注意到这样一个件事：在跟相关领域的工程学专家讨论无人机器人现状的时候，专家们往往会列举几个自己认为目前比较成功的方向，其中最大比率跟无人驾驶汽车放在一起的，居然是机器蛇。

一般来说，类似人体的两足机器人可能会更符合消费者的心理预期。但机器蛇那么恐怖，还有点恐怖片的感觉，怎么会被认为离普通人的生活很近，并且进展很成功呢？

那可就说来话长了，嘶嘶嘶嘶……

机器蛇简史

机器蛇最早的根源，大概是来自人类的一个疑问：到底怎么样才能让机器走的又快又稳？

这可是个大课题，人类足足研究了几千年。最开始，人类发明了轮子，轮子比较快又稳定，但是没法在复杂路况通行。于是人类发明了履带，这东西通过性好，但是速度下降了，对环境的适应性也下降了。于是人类又开始琢磨仿生足，像哺乳动物一样走路的机器人适应性比较好，但是速度奇慢，能耗太大。

饶了一个圈又转回来之后。在1946年，科学家发现蛇这种动物，是自然界中运动形式最多，能通过最复杂环境的动物。它们的骨骼结构，可以支持蜿蜒运动、鼓风琴运动、直线运动和侧移运动四种运动形式，无论是障碍物、泥泞、沙土、墙壁甚至深水，都挡不住蛇的“脚步”。

收到生物学的启发，机械界开始了对仿生蛇的研究。

1972年，日本东京大学的 Hirose教授团队成功研制了第一台蛇形机器人，被其命名为ACM。当时第一代ACM的速度可达40厘米每秒，能进行崎岖路面的移动通过。随后ACM进行了多代的更新研发，到ACM-R5的时候，已经发展到了水陆两栖，并且可以进行探雷应用。

ACM-R5 仿生蛇机器人

此后，日本NEC公司的Takanash 开发研制了一种由刚体关节连接而成的蛇形机器人。由于每个关节都可以独自驱动，这条机器蛇实现了三维空间的运动。虽然还不能真正模仿蛇的运动方式，但已经可以进行攀爬、翻阅运动，并开始投入搜救等场景的应用。

到了1995年到2000年间，机器蛇迎来了井喷式的发展周期。这段时间里，各国争相开始机器蛇的研究。比如德国国家信息技术研究中心开发了著名的GMD-Snake机器蛇，首次将传感器放在了机器蛇身上，实现了机器蛇的探知作用。

美国的卡耐基梅隆大学，是机器蛇研究的国际重镇，1999年该校团队发布了一种硅铝复合材料的机器蛇皮肤，正式让机器蛇可以在沙土、泥塘中穿行。后来这一技术被NASA采用并改进。2002年NASA发布了一种用于外太空探测的机器蛇。至此机器蛇的应用维度开始广泛增长，并成为机械工程学中的普遍研究反向。

我国在机器蛇上也有很多突破，哈尔滨工业大学机器人研究所，上海交通大学等单位、国防科学技术大学、中科院等院校和研究机构都在持续发布机器蛇研究成果。

纵观整个机器蛇的发展史，其实不难发现，这个领域的研究水准远比我们想象的更超前。到今天就更是如此了。

魔法与蛇：机器蛇的研究现状

去年6月，日本东北大学等组成的研究团队，发布了一款可以通过喷射空气抬高配备摄像头，能穿越较高障碍物，在废墟内部自由展开搜索的机器蛇。

这条机器蛇采用了大量的软性材料，混合了多种动力，穿越能力非常之高。并且直径很小，即使是废墟也能钻进去，堪称救援搜救领域的神器。

之所以开发出这种机器蛇，是因为之前日本福岛核电站泄露之后，参与调查的机器蛇无法穿越较高障碍物，并且拍摄的视野不够。于是干脆开发出了这个超细、超能爬、还能用喷气抬升镜头的“新物种”。

从中可以想见，在今天的特种需求里，超高灵活度和感知力的定制版机器蛇，已经不在话下了。

相较于搜救蛇，更强悍的当然是军用的“侦查蛇”。

2012年，以色列理工大学曾展示过他们研发的军用机械蛇。这种采用了迷彩的机器蛇，乍看之下跟真蛇没什么区别。能够攀爬、伪装、潜水，并且携带了摄像头和窃听装置，最令人毛骨悚然的，是这条蛇还是款武器，可以携带爆炸物进行暗杀。

而作为机器蛇的传统重镇，美国也不甘示弱，2014年卡耐基梅隆大学机器人研究所的研究团队展示了一款最像真蛇运动方式的机器蛇。它的特点是基本可以做到所有蛇的运动轨迹，甚至能像真蛇一样，缠绕住人的大腿爬上去。

总体而言，在今天我们能想象的所有机器蛇的技术能力，都已经被科学家全部或者部分攻克了。很多机器蛇研究成果绝对堪称魔法级别的技术作品。当然，缺点是机器蛇的动力装置和结构材料都造价太高，难以出产消费级产品。当然了，让人随便买一条能窃听，能攀爬，能钻洞的机器蛇，感觉也挺危险的。

在目前的机器蛇研究中，还主要将面对四大问题：更好的结构和材料研究；动力模式及续航能力研究；环境感知与自主判断能力研究；嵌入式操作系统研究。

可以说，对比无人驾驶汽车来说，机器蛇的技术成熟度一点都不差。更重要的是，相比于其他只能卖萌和秀空翻的仿生机器人来说，机器蛇是今天距离商用最近的一种仿生机器人。

最接近全面商用的仿生机器人

在仿生机器人里，机器蛇是最接近全面商用的，没有之一。

因为相比较来说，仿昆虫机器人的作用太小，仿生足机器人目前还非常不成熟。只有机器人，从上世纪70年代就已经投入使用，直到今天。

今天机器蛇的商用主要来自于四个领域：

1。救灾、废墟探测、考古发掘

依旧是来自卡内基梅隆大学的机器蛇，目前已经尝试过参与埃及吉萨金字塔考古，对奥地利的废弃发电站进行内部探测，并且参与探测和维修过学校所在地匹兹堡的下水道。就目前来看，高水准的机器蛇已经可以完美使用各种城市环境，在探测和基础设施修复上完全没有问题。

同时，机器蛇也在参与地震后搜救等工作，但这些工作对感知系统和操作系统的要求更强，商业应用还处在发展中。

2。医疗手术

很难让人想到的是，同样运用机器蛇运动以及材料技术的超小型机器蛇，正在努力向人体内部爬去。比如美国一家叫做Medrobotics的公司，已经获得了美国食品药物管理局的批准，同意其技术参与微创手术治疗。这家公司的解决方案，是让机器蛇爬进直肠里进行手术，最大的优点当然就是不留疤痕。

更酷的手术机器蛇，正在努力参与心脏手术。据说很快会有能够爬进人类新房里的手术机器蛇诞生。

3。太空探索

以NASA为代表机器蛇研究，是机器蛇进太空的第一势力。其机器蛇技术，可以参与空间站维护、外星探测等多种宇航需要。而欧洲太空总署，正在支持挪威科技工业研究院研究开发用户火星表面探测的机器蛇，最初版本已经对外发布。

4。安全防控，排爆，军事侦查

以色列理工代表的机器蛇军用派，这些年也在努力将机器蛇技术面向商用推广。不仅用于安防、排爆的机器蛇广泛投入使用。从军用机器蛇衍生出的无人驾驶和无人机技术更是在不同领域带来影响。

说不定某一天，我们会在街上随处可见机器蛇来完成各种工作。到那时候，不知道怕蛇的孩子们会有什么感想……