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蛇腹鳞
结构
特点
及其
摩擦
行为
蛇是广泛生存于各种环境的古老生物,四肢退 化,没有脚,依靠脊柱两侧的肌肉组有节律地收缩 和舒张使蛇体弯曲,产生波浪式运动。陆生和树栖 的蛇,表面披着细小的鳞片,其腹面有一列特别大、呈覆瓦状排列的鳞片(腹鳞)能在肌肉作用下作前 后运动,是陆生和树栖种类蛇爬行的主要工具。蛇 的身体细长,周身有鳞片覆盖。在狭小的空间有很 好的通过能力。具有这种运动能力的机器人在灾难 搜救,狭小空间侦察等领域均有明确的需求。图(1)是美国密歇根大学的Johann Borenstein等设计的长度为1.2m的履 带式蛇形机器人原型,由5个模块单元 组成,在模块单元的四个表面上都设 置有履带,履带覆盖了机器人表面积 的80%。图(1)该机器人具有翻越障碍物的能力,甚至可以爬楼梯。但履带式还是不能 充分实现运动的灵活性。图(2)是国防科技大学张代兵等研制的蛇形机器人,该机器 人长1.2m、直径0.06m、重1.8kg,能像蛇一样运动身躯,在 地面或草丛中自主地蜿蜒运动,运动动力来源于蛇身的摆动,蛇身下面的轮子没有动力,只是用来改变蛇体横向和纵向的摩 擦系数比,最大运动速度为20m/min。图(2)图(3)图(3)是美国Adobe公司的Gavin Miller博士设计的S5型蛇形机器人,该 机器人和生物蛇具有相同的比例,可以 实现蜿蜒运动。这类机器人运动灵活,可以再凹凸不平的 道路上行走,提高了对松软地面的适应能 力,具有良好的地面适应性和运动稳定性。蛇在陆地上运动方式一般有四种:见图 4 图 4 蛇类的四种运动方式(a)蜿蜒运动:蛇在平坦宽阔的地面上采用的运动方式,是最常见的 运动方式依靠腹部表皮与地面之间的摩擦推动自身快速前进。在蜿蜒运 动过程中,蛇将身体摆成S形,身体各部分具有相似的运动轨迹。这种 运动的特点是效率高,所占空间大,但不适于在光滑表面运动,也不适 于体态庞大的蛇的运动。(b)伸缩运动:蛇在狭小空间的运动方式。当蛇进入狭小空间时,蛇 体的一部分在垂直面内蜿蜒成S形与地面接触,靠与地面的摩擦力推动 自身运动。其运动特点可以在狭小空间运动,运动效率低。(c)直线运动:体形较大的蛇的运动方式。借助腹部与地面的摩擦力 进行驱动,每次伸缩移动的距离非常小。其运动特点是适于笨重的蛇 的运动,运动效率低。(d)侧向移动:一种很好的适应沙漠环境的运动形式。从头部开始,身体部分顺次接地、抬起,完成前进运动,借助腹部与地面之间的摩 擦力移动,这种运动方式可以避免沙漠的炎热,保持蛇体较低的温度。其运动特点是效率相对较高,适于柔软地面,不适于狭小空间。另外,蛇类还有其他的运动形式,如跳跃、滑行冲击等。生物学研究表明,蛇类爬行动物的腹鳞还具有保护蛇体免于受到 损伤以及保持蛇体温度的作用,有不沾泥土、保持蛇体清洁并防止细 菌侵入的作用。蛇皮的组织结构 蛇皮表面具有不通色彩、不同式样的花纹。用光学显微镜 对菜花蛇、大王蛇蛇皮纵向切片的研究表明,蛇皮结构和 其他动物的相似,可分为三层,即表皮层、真皮层和皮下 组织层,如图 5所示 图 5 光学显微镜下蛇皮结构图 A-表皮层,B-真皮上层,C-真皮下层,D-角质层,E-色素细胞 图 6 扫描电镜下蛇腹鳞结构图 图 7 原子力显微镜下蛇腹鳞结构图 实验材料及方法 实验对象为菜花蛇3条,平均长(1.20.1)m,宽度在1520mm之间,重约(60050)g。忽略蛇头与蛇尾各20cm,将蛇的腹部分为10段,每段10cm,含有12个鳞片。实验前采用乙醚腹腔注射实施麻醉;待测试 的腹鳞部分先后用生理盐水和酒精清洗鳞片,自然风干。实验在多功能材料力学性能综合实验台上 完成(图 8(a))。实验机上的二维力传感 器能够同时测定法向力和切向力。图 8(b)表示摩擦副的组成,图中ETH指上试样相 对蛇腹鳞从尾向头运动,HTE指由头向尾。测试位置选在蛇的腹鳞和侧鳞。法向力通 过试验测定,使蛇在嵌入了传感器的平面 上自由运动,测得平均支撑力为160 mN,据此试验机设置到法向载荷自反馈状态,并设定法向力范围16010 mN。每试验段 往复测量3次。图 8 图 9 沿不同方向的鳞片摩擦因数图 图9为典型的摩擦因数曲线。可见,上 试样从尾向头运动(ETH,相当于蛇向 前运动的驱动状态)时,摩擦因数显著 高于上试样从头向尾运动(HTE,相当 于蛇向前运动的滑移状态)时的摩擦因 数,平均值高约2倍。实验中测得的摩 擦力的变动和上试样在鳞片上的通过 时刻具有很好的对应性。表明蛇在运动 中鳞片是形成驱动力的关键,这种效果 类同于“冰刀效应”。图中ETH运动方式的平均摩擦因数高于HTE运动方式,反映了腹鳞微观 织构对摩擦性能的影响,大量组织观测表明在微纳尺度表面织构具有非 对称性,这种非对称性使其摩擦因数也表高度的非对称。在非鳞片区,ETH运动方向的摩擦同样高于HTE方向的结果。上述结果是在蛇麻醉 状态下获得的。在蛇自主运动条件下,腹鳞会在肌肉的驱动下收缩和 舒张,改变躯体与地面间的接触面积,调整蛇体与地面间 相互作用力的分布。本实验中鳞片在一定载荷的作用下引 起的蛇皮及其皮下组织的变形与蛇自主运动中的变形可能 不同,主要原因是神经控制下,表皮的组织刚度会发生显 著变化。推测神经调控下的鳞片位置和刚度的变化会迸一 步调节鳞片的机械锁合状态,在蛇的运动中获得更好的驱 动性能。另外,鳞片在ETH方向表现出来的摩擦因数最大 值的位置与HTE方向的位置不同,这样蛇在前进时在获得 较大动力的同时尽量地减少运动阻力,从而获得高的运动 效率。图10 蛇腹鳞和侧鳞的最大摩擦因数 图11蛇腹鳞和侧鳞的摩擦因数与方差 由图10和图11分析:ETH运动方向的最大摩擦因数、平均摩擦因数均显著高于HTE运动方向的值;其中 ETH方向腹鳞摩擦因数的最大值稍高于侧鳞的值,但HTE方向侧鳞的值明显低于腹鳞的值。提示腹鳞 和侧鳞在驱动方面具有相近的贡献,而运动中腹鳞 的阻力可能影响较大。生物学研究揭示,蛇在高速 运动时往往仅依靠身体的形成S型的波峰区域接触,该区腹鳞和侧鳞起到相近的作用。S型的非波峰区不 处于接触状态可能是蛇在百万年进化中减阻的办法。低速,特别是攀缘状态下,蛇体的腹鳞和侧鳞均处 于接触状态,以便产生较大的地面作用力,保障蛇在 复杂、危险环境下运动的可靠性。仿生蛇型机器人运动过程中,为形成有效的驱动,必须 保持接触部位摩擦力位于摩擦锥之内,使机器人不至于 产生滑动现象,这是蛇型机器人设计和控制的主要问题。提高机器人接触驱动部位的摩擦因数,有利于保障接触 摩擦力处于摩擦锥中,实现有效的机器人有效驱动。现 有蛇型机器人采用的辅助轮结构,驱动接触为轮子和地 面形成的点接触,摩擦因数有限,这增加了控制的难度,降低了有效驱动力和驱动效率。本文的实验初步揭示了 生物蛇的腹鳞和侧鳞设计具有高的驱动摩擦性能和低的 摩擦阻力。采用几何仿生的办法,为仿生机器蛇研制具 有蛇腹鳞和侧鳞摩擦特性的驱动“皮肤”可提高机器蛇的 驱动效率和越障能力。