蛇结合垂直与侧向弯曲以穿越不平地形
生物物理
2025-09-15 v5 定量方法
摘要
陆地运动需要产生适当的地面反作用力，这些力取决于基底的几何形状和物理特性。在三维世界中，地形特征的位置和朝向丰富多样，使得像蛇这样能够弯曲身体的无肢动物具有利用不同接触区域产生推进力的灵活性。尽管此前已有许多关于蛇如何在具有侧向接触点的相对平坦表面上利用侧向身体弯曲进行推进的研究，但对于蛇在三维地形中是否在多大程度上将垂直身体弯曲与侧向弯曲结合使用，人们知之甚少。这一缺失导致蛇形机器人在穿越复杂三维环境时，在稳定性、效率和灵活性方面劣于生物。为此，为初步阐明该问题，我们研究了广义锦蛇如何穿越高度随机变化达其身体高度5倍的块状不平场地。该动物通过沿身体向下传播三维弯曲且横向运动极小（滑移角11°）而以完美稳定性穿越不平地形。尽管该动物偏好穿过邻近块体更高的谷地，但其并不偏好侧向弯曲。在可能提供推进力的身体-地形接触区域中，52%由垂直身体弯曲形成，48%由侧向弯曲形成。垂直与侧向弯曲的结合可通过利用三维地形中各种粗糙面，极大拓展无肢运动者可用推进力的来源。需直接测量接触力以进一步理解蛇如何通过感觉反馈协调全身三维弯曲以在三维地形中推进。这些研究将为蛇形机器人开辟新的推进机制路径，有望提升其在三维地形中的性能与灵活性。
引用
@article{arxiv.2112.08474,
title = {Snakes combine vertical and lateral bending to traverse uneven terrain},
author = {Qiyuan Fu and Henry C. Astely and Chen Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:2112.08474},
year = {2025}
}