与战场蛇形机器人和爬墙蜗牛机器人的发明者对话

以色列国防军正准备部署一条身披伪装、携带摄像头的机器蛇。这款间谍机器人利用源自真实蛇的运动原理，在裂缝和洞穴中穿行，这只是机器人专家阿米尔·夏皮罗基于动物生理学的巧妙设计之一。我们参观了内盖夫本·古里安大学的夏皮罗博士实验室，以便近距离观察。

这位发明家的指导原则是世界各地的工程师都熟悉的：“KISS：保持简单，愚蠢。”但他设计的机器人原型的应用绝非常规：除了可以携带军用爆炸物或带着摄像机潜入倒塌建筑物搜寻幸存者的蛇形机器人外，还有成对行走以纠正彼此错误的隧道测绘机器人，以及使用磁轮检查水线以下船只的机器人，或使用粘性履带像蜗牛一样攀爬垂直墙壁的机器人。

与波士顿动力公司的“Big Dog”等多功能机器人原型相比，你们的机器人都是使用简单的解决方案来解决特定的移动性问题而设计的。你们的理念是“低技术”吗？

并非如此——事实上，我们设计和制造零部件的某些方法，比如 3D 打印，都是非常高科技的。但我们确实采用自下而上的方法。我们目前处于这样的阶段：每个机器人都有特定的任务，我们为该任务设计一些东西。这就是科学的艺术，把复杂的任务分解成更容易处理的小部分，然后将它们组合在一起。简单通常就是好的。最伟大的发明是最简单的发明——比如轮子。

您想用蛇形机器人解决什么问题？

像蛇一样移动的机器人并不新鲜；我添加的是通过与环境产生“滚动接触”来推进蛇的想法。滚动接触就是轮子的功能：以连续的方式与环境接触。在蛇形机器人中，滚动接触由通过身体上的链接的行进波保持。我称之为“可变形轮”，因为每个链接都在地面上滚动，当接触到达链接的末端时，下一个链接就会出现并继续滚动。

滚动接触有两个用途：第一，用于测量机器人前进的距离——你可以像从车轮上获取里程信息一样获得里程信息。行波让我们可以测量机器人中每个连杆相对于环境的角度，这样我们就可以估算出它爬行的距离。将来，我们可以在每个连杆上安装倾斜传感器和加速度计，以获得更准确的测量结果。第二个原因是攀爬——你希望接触是连续的，以便保持与环境的接触力，这样机器人就可以支撑自己。

“2D”蛇形机器人只能向前和向后移动，因为它的链接中只使用一个行波，但它也可以在两个刚性表面之间爬行。在“3D”蛇形机器人中，两个垂直波（一个水平，一个垂直）通过链接传播，叠加会产生螺旋状运动。它的用途更广泛，可以通过改变波之间的速度和相位差来向左或向右操纵。它应该也能爬行，但我们还没有测试过。

成对工作的隧道测绘机器人的原理是什么？

基本上就是纠错。以色列国防军中有一个单位负责寻找加沙和以色列之间的隧道，他们要求我们设计一个可以开进这些隧道的单位，以便安全地绘制隧道地图。显然，那里没有 GPS，所以你需要依靠里程计来绘制地图。但是对于一个机器人来说，如果在旋转或转弯过程中出现任何滑动，那么就会给机器人的角度带来误差，经过一定距离后，定位就会出现很大的误差。

使用两个机器人，除了里程表之外，您还可以获得有关这对机器人相对配置的更多信息。连接它们的手臂有六个被动关节，记录两者之间的相对位置信息，当发生滑动时，这些冗余数据可用于纠正错误。手臂还可以在两个机器人之间传递力：一个机器人可以推或拉另一个机器人，以帮助它克服障碍，这在隧道等狭窄空间中特别有用。

您的另外两个原型设计用于在移动时附着在特定表面上。您针对每个问题采取了什么方法？

第一个解决方案是由两名海军军官学生提出的，他们希望能找到一种方法来评估水下船体的损坏情况，而无需派出潜水员。我们需要一个可以附着在金属结构上的机器人，因此将磁铁放在机器人的轮子上是最简单、最容易的解决方案。问题是，它通常需要越过铆钉和接缝等障碍物。因此，我们将所有磁铁都安装在弹簧上，这样它们就可以适应地形。

第二个问题的灵感来自大约二十年前发生的一起事件，当时一名士兵被绑架并被关押在一栋建筑的二楼。拥有一个可以悄悄爬上外面墙壁并勘察内部的机器人将非常有用。吸力通常不合适，因为墙壁表面粗糙或未密封，所以我们研究了蜗牛，它只需分泌一种粘合剂就可以爬上几乎任何表面。我们发现，在机器人的每个踏板上安装一把热胶枪可以很好地模仿这一点，而且它的强度足以承受远超机器人重量的物体。

您对未来的研究工作有什么计划？

我想研究更动态的移动过程。所有这些原型都依赖于我们所谓的准静态运动：机器人始终保持稳定。我认为未来将研究更具动态的过程——可以利用惯性、跳跃甚至跌倒。毕竟，当我们走路时，我们实际上是向前跌倒的。所以我想研究这些动态运动的应用。