科学家研究出蜈蚣机器人 有望在田间穿行清除杂草

很多人看到巨大的蜈蚣会吓得发抖，而美国乔治亚理工学院生物物理学家Daniel Goldman实验室却研究出了这些无脊椎动物如何擅长在人脚、沙土、岩石甚至水中欢快地奔走。在最近一次学术会议上，他们报告称已经研发了一种蜈蚣机器人，有望在田间穿行以清除杂草。

蜈蚣身长腿多，能进行各种运动。这种节肢动物拥有工程师羡慕的“速度、优雅和效率”。尽管如此，它们如何移动尚不清楚。

未参加这项工作的美国弗吉尼亚理工大学生物力学专家Jake Socha表示，该研究表明灵活性使动物有广泛的行为能力，这些发现揭示了此前未知的蜈蚣运动原理。

Goldman一直以来对蜈蚣很着迷，但分析它们的运动几乎是不可能的，因为它们有太多的身体节段和腿需要追踪。他的博士后Yasemin Ozkan-Aydin此前在《科学—机器人》上发表研究，把两个或三个四足机器人连接在一起时，更长的机器可以跨越更宽的间隙并爬过更大的障碍物。这次，他们共同研究蜈蚣运动。

另一位乔治亚理工学院本科生Eva Erickson研究了蜈蚣如何改变自己的奔跑方式。Erickson利用一个名为DeepLabCut的复杂视频跟踪程序发现，六棘盲蜈蚣会改变步态，以适应地形的挑战。

正常情况下，六棘盲蜈蚣的腿像手指在桌子上敲击一样摆动，但有时波的方向会改变。在平面上，波从最后一段开始向前移动。当情况变得“艰难”时，波就会反转。蜈蚣前腿首先移动以建立立足点，此后每条腿也跟着做，落在与前一条腿完全相同的位置。障碍物越高，蜈蚣越有可能采取这种所谓的逆行运动。

如果蜈蚣掉进水里，它们也可以“游泳”自救。乔治亚理工学院研究生Kelimar Diaz在研究这种行为时，发现蜈蚣会根据环境调整自己的动作。它们通过摆动腿开始“游泳”，但随后迅速将身体从一侧扭转到另一侧，然后向前移动。“身体的波动产生了正确的力量”。

另一名研究生Baxi Chong分析了腿和身体不同的波是如何同步的。为了预测哪种组合效果最好，他使用数学建模技术，该模型产生了大量腿波和体波的组合，之后在一个蜈蚣机器人上进行了测试。

Chong给蜈蚣机器人编程，让它的腿和身体同步移动。但他很快发现，当两个波之间存在滞后时，机器人的速度更快。进一步测试显示，一些组合使机器人向后移动。

Goldman实验室随后的研究发现，如果机器人的腿是关节相连的，而且身体各部分柔韧，那么它的工作效果会更好。“柔软对动物和机器人有很多好处。”Socha说，“又长又瘦的动物可以利用波的组合移动。”

Goldman的新机器人非常灵活，下一步是训练它们完成实际任务，比如识别和根除杂草。他与杜克大学植物发育生物学家Philip Benfey合作，计划为该机器人配备人工智能软件，可以识别出单个杂草。两人设想机器人可以通过注射除草剂、使用激光或放电来除草。

或许有朝一日，成群结队的机器蜈蚣将帮助人类完成任务：种植和收获作物、搬运货物、监测环境，甚至太空探索。(作者：王方)

标签： 蜈蚣机器人 清除杂草 监测环境 太空探索