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任何試圖跑上沙丘的人都會告訴你這不容易。 顆粒狀表面隨著每一步笨拙的步伐而移動。 幸運的是，諸如響尾蛇等常年生活在沙質環境中的生物，都配備精良，能夠穿越這樣的表面。 然而，它們從 A 點到 B 點，特別是穿越傾斜沙丘的確切動態，一直是個謎。
至少直到一個由物理學家、動物學家和工程師組成的團隊仔細觀察了鱗片與沙子接觸時究竟發生了什麼。 他們的發現解釋了很多關於無腿移動性和顆粒狀表面物理學的知識。 它們也可能推動側向移動成為在這個星球和其它地方的機器人運動的一種手段。
側向移動似乎是一種看起來很複雜的步態，但“實際上，它基本上相當於沿著水平面的身體向下波動，以及沿著垂直面的身體向下波動，”佐治亞理工學院物理學院副教授Daniel Goldman說。 Goldman 和來自佐治亞理工學院、卡內基梅隆大學、俄勒岡州立大學和亞特蘭大動物園的同事在 10 月 10 日的《科學》雜誌上報告了他們的發現。
蛇透過增加身體與它們正在攀爬的顆粒狀表面接觸的面積來穿越沙坡。 它們透過調節身體的波動來應對海拔的變化。 “如果你改變垂直波的幅度，你可以增加機器人的接觸長度，幫助機器人在坡上爬升時儘量減少滑動，”Goldman 說。 研究人員發現，儘管與沙子接觸的身體面積有所不同，但即使山坡角度增加，蛇仍然保持相同的基本側向移動步態。
研究人員透過觀察亞特蘭大動物園的一個特殊的裝滿沙子的圍欄中的有毒響尾蛇（Crotalus cerastes）瞭解到了這一點，該圍欄是在動物園研究主任 Joe Mendelson 的幫助下建造的。 圍欄可以升高以在沙子中形成不同的角度。 在研究完每條蛇後，從下方吹入腔室的空氣使沙子變得光滑。
這項為期三年的研究還證明，並非所有蛇都像響尾蛇一樣能夠控制在顆粒狀表面上的運動。 Goldman 說，當研究人員在同一個沙質飛地中測試動物園的蝮蛇時，這些蛇沒有使用側向移動運動，而且即使在表面平坦時，大多數蛇的移動性也很差。 該團隊繼續研究響尾蛇的波動運動的變化究竟如何影響其機動性。
除了僅僅是關於蛇如何進行滑行活動的另一個有趣的事實之外，對響尾蛇移動性的研究正在幫助機器人專家改進現有裝置，這些裝置旨在模仿蛇狀運動。 機器人設計師通常根據他們尋求的功能，對他們的發明採取仿生方法。 例如，波士頓動力公司正在為美國國防部開發的腿式班組支援系統機器人，旨在幫助部隊在狹窄、崎嶇的地形上運輸裝備，這種地形不適合輪式設計。 其他機器人已經模仿了跳躍的蜥蜴和攀爬牆壁的壁虎。
對於響尾蛇的研究，研究人員對卡內基梅隆大學機器人學教授 Howie Choset 開發的模組化、94 釐米長的蛇形機器人進行了程式設計，使其能夠以響尾蛇身上發現的獨特波動運動滑行。 Choset 的機器人蛇已經具有以改進的側向移動方式移動的能力，但它不太擅長攀登顆粒狀斜坡。 該團隊使用從他們的響尾蛇實驗中收集的資訊，對機械蛇（其身體直徑為 5 釐米，由 16 個關節組成）進行了重新程式設計，並將其釋放到動物園圍欄中。 新的程式設計使 Choset 的波動機器人能夠攀登以前未能攀登的沙坡。
受蛇啟發的機器人可以發揮多種功能。 除了在地下管道中蠕動以尋找損壞，以及在礦井中蠕動以尋找被困工人外，工程師們希望蛇形機器人有一天會被送往探索其他行星，沿著火星輪式漫遊者（如好奇號、機遇號和勇氣號）的足跡前進。 後者在經過多年的良好服務後，自 2009 年以來一直陷在一片柔軟的火星土壤中，並且不再執行。 然而，好奇號和機遇號仍在繼續前進。
影片由佐治亞理工學院提供