The Innovation | 蛇形机器人在社会发展中扮演着重要角色

导 读

随着生活水平的提高和科学技术的发展，人们越来越追求生活的便利和效率，智能化机器人系统在社会服务和军事方面的运用愈发普遍，例如，它可以协助人类完成复杂且危险的工作。为此，以生物蛇为灵感，科学家研制出了蛇形机器人。蛇形机器人作为一种多自由度的仿生机器人，在人类的公共生活和军事需求中扮演着重要角色。

蛇形机器人造价低、小巧灵活；运动方式多样，可适应多种复杂地形环境；可携带多种装备实现灾后救援和军事侦察活动等诸多优势，世界上许多国家的学者对其研究产生了浓厚的兴趣。

目前，蛇形机器人在海洋探索、深海作业、精准医疗、灾害消除和军事侦察等领域发挥着不可替代的作用（图1）。

图1 图文摘要

海洋占地球表面的70%以上，而人类对海洋的探索却只有5%。危险海域虽然灾害频发，却蕴含着丰富的动植物和矿物资源。设计一种可用于海洋探索的机器人非常重要。传统的海洋探索作业机器人受限于体积大、效率低等问题，而水下蛇形机器人具有修长的体型和灵活的运动姿态，突破了传统水下机器人的瓶颈。此外，深海工作的潜水员需要在海平面以下300 m或更深处完成作业。如果潜水深度过大，巨大的水压可能会危及生命，而目前投入使用的水下蛇形机器人可以很好地避免该危害。另外，在精准医疗方面，传统医疗技术所采用的有创操作方法可能会引起感染、出血等并发症。而等比例缩小后的医学蛇形机器人可以进入血管和内脏，有助明确病因，并提供更加安全的治疗。在灾害救援方面，地震、火灾发生的区域多地形复杂，难以执行搜索和救援等工作，尤其是二次倒塌很可能造成救援人员伤亡，利用蛇形机器人进行搜救更具优势。在军事活动方面，复杂且危险的战场环境给军事行动带来许多困难，危及士兵生命安全，而蛇形机器人可代替士兵执行危险的作战任务。

针对以上领域，蛇形机器人能够把人从繁重、危险和单调乏味的工作中解脱出来，代替人在危险场合完成复杂作业。随着科学技术的不断突破，蛇形机器人为人类社会带来了越来越多的服务与便利，在人类社会中扮演着不可或缺的角色。

蛇形机器人带来的社会便利

挪威科技大学与Kongsberg Martitme海事公司首先开发了水下蛇形机器人Eelume，用于取代传统大型维修设备。Eelume可完成水下设备检查与清洁、阀门调节与管道清理等工作，代替人类完成深水作业。且在空闲状态下，可使用海底基座进行自动充电，有效降低设备维护成本、提高水下工作效率。此后，Eelume衍生公司开发了一款进阶版的蛇形机器人EELY500。与以往的机器人不同，EELY500配有照明灯、摄像头以及可拆卸的机械手，通过推进装置实现水下的高速运行，在深海天然气工业设备的维护和大范围海洋管道的检查等方面发挥重要作用。值得注意的是，Eelume实现了二氧化碳的零排放，推动了海洋事业的绿色可持续发展。

随着电动汽车的普及，美国特斯拉汽车公司推出了一款蛇形汽车充电器。当车辆入库后，蛇形充电器可根据三维运算自动感应充电插口，移动到特定位置为其充电。    

诺丁汉大学开发的蛇形机器人COBRA可以用于航空发动机的检查与维修，以及核电站的安装和维护。该机器人长5 m，直径约9 mm，通过远程操作，可在狭窄的机器部件内穿行。

改造后的COBRA机器人可用于医学治疗，凭借其灵活的弯曲结构和位置保持能力，为医生提供高清的医学影像，减轻喉部疾病患者的治疗疼痛，提高治疗效率。除此之外，麻省理工大学研发了一种可疏通脑血管血栓的磁控蛇形机器人。该机器人可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。

蛇形机器人的出现帮助我们解决了很多社会难题。但目前的机器人精度较低，尤其在高精度的医学领域，这种不足更为明显。未来如何进一步提高蛇形机器人的运动精度还有待研究。

蛇形机器人对灾害援救的帮助

蛇形机器人在许多国家的突发灾害救援中发挥了不可替代的作用。像日本和澳大利亚等自然灾害频发的国家，在灾难来临之际只能通过人力来应对房屋塌陷、火灾等问题。在狭窄环境下执行搜索和救援等任务时，蛇形机器人凭借其修长的体型和特殊的运动方式，极大地保障了人类财产和生命安全。日本是一个地震频发的国家，自2020年以来，因地震导致的房屋损坏率高达56%，人员伤亡高达30万。为此，日本科学家研制了一种可在废墟中灵活运动的绒毛蛇形搜救机器人，全长8 m，直径5 cm，可轻易进入有塌陷风险的危房中探查。此外，美国科学家研制出履带蛇形救灾机器人和OmniTreadOT4蛇形机器人。其中，履带机器人可在废墟中穿梭，探测还有生命体征的被困人员。OmniTreadOT4蛇形机器人可以穿越洞穴，勘测未知地形，到达人类难以抵达的洞穴深处实施救援。在澳大利亚，因山林野火导致的经济损失超过10亿美元，5亿野生动物因此丧生，带来巨大的社会经济损失。挪威科技大学研发的蛇形机器人Anna-Konda可快速到达火源，限制火势蔓延。在蛇形救灾机器人的帮助下，山林火灾的发生率下降27%，显著降低了经济损失和人员伤亡率。

蛇形机器人虽然在灾害救援中发挥了重要作用，但由于救援环境的复杂性，蛇形机器人对各类环境的适应性仍有待提高，需要进一步优化其运动姿态。

蛇形机器人在军事侦察中的作用

为适应未来复杂多变的战争，蛇形机器人的军事用途已成为多国研究的热点。其中，侦察是军事行动的重要环节，美国卡内基梅隆大学研制出能够盘踞在树上的蛇形机器人“山姆大叔”。利用头部安装的摄像机，这种机器人能够悄无声息地在隐蔽环境下执行侦察任务。Sacos公司设计的蛇形机器人Guardian S可持续运动4小时，执行18小时的监视工作。在探头和传感器协助下，操作员可以控制机器人的位置与方向，协助完成拆弹任务。另外，军事用途的蛇形机器人还常被用于执行爆破任务。以色列科学家研发了一种身长2 m的 “机器蛇”，它不仅外形上与真蛇极为相似，而且可以携带爆炸物到达指定地点执行任务。可以预见，随着科技水平的不断提高，蛇形机器人在军事领域中的应用将越来越广泛，这将代替士兵执行危险的作战任务，有效减少人员伤亡。

然而，军事任务通常比较紧迫且执行时间不定，这需要进一步提升蛇形机器人的机动性，尽可能延长其运行时间。

总结与展望

蛇形机器人在社会服务与军事需求中扮演着不可或缺的角色。蛇形机器人把人类从危险、繁琐的工作环境中解放出来，为人类的生活提供便利、提高工作效率，也为各国提供军事保障。此外，凭借耗能低、无碳排放等特点，蛇形机器人不仅推动绿色可持续发展，还能够带来巨大的经济效益。未来，可以集中研究蛇形机器人的有效载荷与运动效率等问题，使其能够更好地为人类服务。

责任编辑

程   曌    剑桥大学

莫晓冬   北京大学人民医院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00129-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“Snake robots play an important role in social services and military needs” (投稿: 2022-08-09；接收: 2022-09-29；在线刊出: 2022-10-03)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100333

引用格式：Li D., Zhang B., Xiu Y., et al. (2022). Snake robots play an important role in social services and military needs. The Innovation. 3(6),100333.

作者简介

李东方，福州大学电气工程与自动化学院讲师/硕导。长期从事蛇形机器人运动建模、控制与实验的研究。获得北京市海淀区“海英之星”称号，近五年以第一/通信作者在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Cybernetics、IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems等杂志发表学术论文16篇，授权国家发明专利3项。主持中国博士后科学基金面上（一等）项目。

邓宏彬，北京理工大学机电学院教授/博导，长期从事小型无人系统驱动控制和智能变形自适应控制研究。近五年共主持、参与国家自然基金、国防专项和横向科研项目10余项。以第一或通讯作者发表SCI、EI论文37篇，申报专利30项，授权专利9项，软件著作权24项。获部级技术发明二等奖1项，科技进步二等奖1项，技术发明三等奖1项。

吴 奇，上海交通大学教授/博导，长期从事航空人因工程与脑科学研究。研究工作面向军机对抗博弈重大战略需求开展基础性研究，聚焦对抗过程中的人机交互机理。近五年以第一作者在IEEE Transactions on Cybernetics、IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems、IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems等杂志发表17篇IEEE Trans. 汇刊长文。主持包括叶企孙重点项目等5项国家自然科学基金和5项中央军委预研基金等。任上海神经科学学会理事、航空神经认知分会主任。

朱广宇，北京交通大学教授/博导，麻省理工学院（MIT）访问学者。研究方向为交通运输智能自动化、智慧应急与安全大数据。主持国家自然科学基金“面上”项目3项，主持或参与科技部重点研发项目、铁路总公司及发改委重点研究课题、省部级前沿攻关重点课题、北京市地铁运营公司、北京市交通研究院等行业横向合作研究课题70余项。发表学术论文60余篇，发明专利及软件著作权20余项，作为主要完成人获中国交通运输协会科技进步奖一等奖、第三届中国城市轨道交通科技创新创业大赛创新奖。

朱利民，上海交通大学教授/博导。上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室副主任、国家杰出青年科学基金获得者。担任国际纳米制造学会会士，国家自然科学基金委员会机械设计与制造学科十四五规划“高性能智能化制造”领域负责人，科技部面向2035年的先进制造技术领域科技发展战略研究编写组组长。长期从事智能精密制造研究，主持国家重点研发专项项目、国家自然科学基金重点项目（3项）、国家科技重大专项课题等科研项目30余项。由科学出版基金资助出版专著1部，发表SCI论文250余篇，授权发明专利20余项。以第一完成人获教育部自然科学一等奖1项，作为主要完成人获国家自然科学二等奖和国家科技进步二等奖各1项。

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