Snake and Snake Robot Locomotion in Complex, 3-D Terrain
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
蛇可以通过弯曲它们细长的身体在3D中与地形互动来穿越几乎所有类型的环境。同样，蛇形机器人是一个很有前途的平台，可以在各种环境中执行关键任务。了解3D身体弯曲如何有效地与地形相互作用以获得推进力和稳定性，不仅可以告知蛇如何穿越自然环境，还可以让蛇机器人实现类似的性能。蛇和蛇机器人如何在平面上移动已经被很好地理解了。然而，这种理想的地形是罕见的，在自然环境中，很少有人知道如何产生推进力和保持稳定的3-D地形，除了一些研究树蛇运动和机器人使用几何规划。为了弥合知识差距，我们在三个代表性的环境中整合了动物实验和机器人研究：一个大的光滑的步骤，一个不平坦的舞台上的块的高度变化大，大颠簸。我们发现，垂直身体弯曲引起稳定性的挑战，但可以产生大的推进力。当穿越一个大的光滑的步骤，蛇机器人的挑战是滚动不稳定性，增加垂直弯曲的幅度。不稳定性可以通过在统计上改善身体-地面接触的身体顺应性来降低。尽管如此，垂直的身体弯曲可以潜在地让蛇推动地形推进，如玉米蛇穿越不平坦的竞技场。如果保持良好的接触，蛇形机器人可以产生像这样的巨大推进力。接触反馈控制可以通过改善接触来帮助适应扰动，例如新的地形几何形状或过大的外力。我们的研究结果提供了深入了解蛇和蛇机器人如何使用垂直身体弯曲，以稳定地高效和灵活地遍历3-D世界。
2023-02-22 cs.RO cs.SY eess.SY
Efficient sliding locomotion with isotropic friction
蛇的身体覆盖着鳞片，这使得它更容易向某些方向滑动。这种摩擦力的各向异性使得蛇能够以起伏的步态滑动，这是蛇最常见的步态之一。各向同性摩擦是一种更简单的情况（例如，蛇机器人），但不太了解。在这项工作中，我们规范的滑动运动模型，允许静摩擦。然后，我们提出了一个强大的迭代数值方法来研究各向同性库仑摩擦下的各种运动的效率。我们发现，简单的波动运动给小净运动的各向同性制度。我们计算一般的三连杆机构的时间谐波运动，并找到三个局部最优的效率。前两个在一定程度上涉及到静摩擦。然后，我们提出了一类光滑的身体运动，具有相似性的手风琴运动（包括参与的静摩擦），可以实现最佳的效率，各向同性和各向异性的摩擦。
2019-02-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Friction modulation in limbless, three-dimensional gaits and heterogeneous terrains
最终由界面效应决定的陆地无肢运动策略的可能收敛的动机，我们展示了如何通过局部摩擦调制的镜头来理解3D步态改变和对异质地形的运动适应。通过“一切都是摩擦”的建模方法，结合3D模拟，系统地解释了在自然界中观察到的一系列运动行为的出现和消失与居住环境的关系。我们的方法还简化了地形异质性的处理，即使是固体障碍物也可以被视为高摩擦区域，我们通过蛇在穿越一排排柱子时“衍射”的实验证实了这一点[1]，类似于光波。我们进一步说明蛇折射，反射和透镜聚焦的光学类比。我们利用这些见解来设计表面摩擦模式并演示复杂地形中的被动蛇导航。总的来说，我们的研究概述了一个统一的观点，将主动和被动3D力学与异质界面效应联系起来，以解释广泛的生物学观察结果，并可能激发工程设计。
2021-06-15 physics.bio-ph
On Surface Structure and Friction Regulation in Reptilian Limbless Locomotion
控制摩擦和相关能量损失的一种方式是在摩擦部件的表面上设计确定性的结构图案（即，纹理工程）。定制纹理可提高润滑质量，减少摩擦，并允许使用粘度较低的润滑剂。到目前为止，一个标准化的程序来生成确定性的纹理构造几乎是不存在的。因此，许多工程师研究自然物种，以探索表面结构，并探索表面形貌在摩擦控制中的作用。Snakes提供了丰富的曲面示例，其中拓扑特征允许优化和控制摩擦行为。在本文中，我们研究了一个大蟒蛇型爬行动物，蟒蛇regius的摩擦行为。该研究采用了一种专门设计的摩擦声探头，能够测量摩擦系数和检测体内皮肤的声学行为。结果证实了蛇皮摩擦响应的各向异性。摩擦系数取决于滑动的方向：向前运动时的值低于反向运动时的值。对蛇的表面微结构特征的详细分析表明，蛇的摩擦响应是由表面拓扑结构的层次性、表面微结构的轮廓不对称性以及不同部位接触尺度曲率的变化共同决定的。这样的组合为爬行动物提供了优化摩擦反应的能力。
2012-09-28 physics.bio-ph
Dynamics and locomotion of flexible foils in a frictional environment
在过去的几十年里，振动柔性箔已被用于研究不同流体环境中生物推进的物理学。在这里，我们将这项工作扩展到摩擦环境中的柔性箔的研究。当翼片在一端受垂荡而不能自由运动时，随着垂荡振幅的增大或弯曲刚度的减小，其动力学行为由周期性向非周期性和混沌性转变。当摩擦系数在一定范围内时，过渡过程在达到混沌动力学之前，会经过一系列的$N$周期性和非对称性状态。共振峰被摩擦和大的起伏振幅阻尼和移位，导致共振态。当允许翼片自由运动时，水平运动平滑共振行为。对于中等的摩擦系数，获得稳定但缓慢的运动。对于大的横向摩擦和小的切向摩擦对应的轮式蛇机器人，获得更快的运动。行波运动自发地产生，并且以横向摩擦的1/4次方的水平速度和横向摩擦的5/12次方的输入功率移动。这些换算与翼型前缘附近解的边界层形式是一致的。
2017-08-06 physics.bio-ph
Crawling scallop: Friction-based locomotion with one degree of freedom
基于流体的运动在低雷诺数的扇贝定理的约束，这表明，身体运动学相同的时间反演对称（特别是，那些与一个单一的自由度）不能显示运动的平均值。该定理的含义自然迫使人们问，在不同的环境中，运动是否存在类似的对称性约束。在这项工作中，我们考虑运动沿一个表面的力量所描述的各向同性库仑摩擦。为了解决是否与一个单一的自由度的运动可以导致运输，我们分析了一个模型系统组成的两个机构的间隔距离经历周期性的时间变化。两体系统的行为完全由它们分离的运动学规范、摩擦力和每个物体的质量决定。我们表明，扇贝定理的约束可以逃脱在摩擦介质中，如果同时满足两个不对称的条件：每个机构对表面的摩擦力必须是不同的，身体的身体分离的时间变化必须在时间上不对称地变化（所以快-慢或慢-快的伸展-收缩阶段）。我们的结果证明数值和解释使用渐近展开。
2013-03-11 physics.bio-ph
Efficient sliding locomotion of three-link bodies
我们研究了干摩擦（库仑）存在下的三连杆机构的滑动运动的效率。摩擦系数空间可以被划分为几个区域，每个区域具有不同类型的有效运动学。这些包括类似于具有非常各向异性摩擦的横向波动的运动学、小振幅往复运动学、接近各向同性摩擦的非常大振幅运动学以及关于平坦状态非常不对称的运动学。在双参数形状空间中，椭圆轨迹的零净旋转主要发生在双边或对映对称的情况下。这些对称子空间具有与全空间大致相同的峰值效率，但具有小得多的维度。增加两到三倍基频的模式大大增加了效率的局部最优值的数量，但只能适度地增加峰值效率。具有更高频率的随机系综具有在某个非零值附近达到峰值并迅速衰减到最大效率的效率分布。一个随机优化算法的发展，以计算最优与更高的频率。这些是简单的闭合曲线，在大多数情况下是椭圆最优的锐化版本，并且主要针对小的法向摩擦实现高得多的效率。对于线性阻力律，最优轨迹在摩擦系数空间的大部分是相似的，并且除了非常大的法向摩擦之外，相对效率低得多。
2020-12-06 physics.bio-ph
Characterization of the Frictional Response of Squamata Shed Skin in Comparison to Human skin
确定性表面是轮廓、形貌和纹理与它们所包围的系统的功能不可分割的构造。它们被设计成产生预定的摩擦响应。开发这样的实体依赖于控制摩擦界面的结构，使得表面不仅具有优化的形貌，而且能够根据滑动条件的演变来自我调整其行为。这种设计的灵感经常在自然物种中遇到。特别是，从摩擦学的角度来看，有鳞爬行动物，提供了不同的例子，其中表面纹理，亚微米和纳米尺度的功能，实现摩擦调节。在本文中，我们研究了从蟒蛇王蛇脱落的皮肤的摩擦响应。该研究采用了一种专门设计的摩擦声探头，能够测量摩擦系数和检测体内皮肤的声学行为。结果证实了蛇的摩擦响应的各向异性。发现摩擦系数取决于滑动方向：向前运动时的值低于向后运动时的值。斜向和侧向卷绕运动引起不同的摩擦系数值。我们讨论了这种现象的起源与表面纹理和研究的能量约束，隐含的各向异性摩擦，对爬行动物的运动，并建立一个参考理解的摩擦响应，我们绘制比较人类皮肤的摩擦。
2010-08-07 physics.bio-ph
Snakes partition their body to traverse large steps stably
本研究探讨了变色王蛇如何通过将身体分为三个功能段来稳定跨越大型台阶，揭示了其在复杂3-D地形中的运动机制。
2025-09-15 physics.bio-ph q-bio.QM
Efficient sliding locomotion of three-link bodies with inertia
许多以前的研究滑动运动假设身体惯性可以忽略不计。在这里，我们优化的三连杆机构的运动学有效的运动，包括运动的时间周期，或等效的运动参数，身体惯性。当横向于主体轴线滑动的摩擦系数很小时，最佳惯性是不可忽略的。在横向和向后滑动的摩擦系数相对较大的少数情况下，惯性也很重要，这里的最佳运动对惯性参数不太敏感。当使用的频率从一个增加到四个时，最佳运动似乎收敛。对于一些具有显著惯性的最佳运动，我们发现当惯性参数减小到零时，效率显著降低。对于具有零惯性的最佳运动，当我们将惯性提高到中等和大的值时，效率逐渐降低。
2022-05-28 physics.bio-ph
Non-planar snake gaits: from Stigmatic-starts to Sidewinding
Harvard University（哈佛大学）；Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）；National Center for Supercomputing Applications（国家超级计算应用中心）；Carl R. Woese Institute for Genomic Biology（卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；A.T. Still University of Health Sciences（A.T. 斯蒂尔健康科学大学）；Kirksville College of Osteopathic Medicine（柯克斯维尔整骨医学院）
本文发现幼年水蟒利用S形启动这一新型非平面步态逃生，建立主动非平面细丝模型揭示其由链接密度脉冲驱动，并证明该步态的周期性序列可演化为侧行步态。
2023-04-05 cond-mat.soft cs.RO physics.bio-ph
Adjoint-based optimal control of contractile elastic bodies. Application to limbless locomotion on frictional substrates
本研究提出了一个基于3D有限元的统一框架，用于模拟无肢生物在摩擦基底上的运动，并通过伴随方法求解最优控制策略，以探究节能的最优运动模式。
2023-07-27 math.OC physics.bio-ph
Intermittent sliding locomotion of a two-link body
我们研究的可能性，有效的间歇性运动的两个链接机构，通过改变他们的互连角周期性地在时间上滑动。我们发现，各向异性比的滑动摩擦系数是一个关键参数，而解决方案有一个简单的尺度依赖于摩擦系数的大小。由于摩擦力各向异性很大，有效的运动包括低阻力状态下的滑行，以及快速和不对称的动力和恢复冲程。随着各向异性的减小，爆发-滑行运动变为长动力冲程和短恢复冲程的运动，并且每个冲程上的互链角速度大致恒定。这些运动被认为是在空间中的正弦曲线和幂律运动所描述的两个和五个参数，分别。与对称功率和恢复冲程的情况相比，允许占空比变化大大增加了运动的效率。只有当摩擦力非常各向异性时，允许动力冲程和恢复冲程的振幅的进一步变化才能进一步提高效率。近各向同性摩擦，各种最佳有效的运动被发现与更复杂的波形。许多最佳正弦和幂律运动类似于我们在更一般的周期函数（截断傅立叶级数）空间中进行优化搜索所发现的运动。当我们增加阻力对速度的幂律依赖时，最佳运动变得更平滑，更慢，效率更低，特别是在各向同性摩擦附近。
2020-02-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Geometric phase predicts locomotion performance in undulating living systems across scales
该研究提出一种几何框架，用图解替代繁琐计算，发现跨尺度波状运动生物的自变形路径具有近最大几何相位，从而统一预测运动性能并揭示复杂行为的模板调制机制。
2024-01-02 physics.bio-ph physics.data-an
Optimal Locomotion for Limbless Crawlers
无肢爬行在生物学中无处不在，从细胞到有机体。我们开发和分析的一维弹性履带的动力学模型，受到主动应力和变形相关的摩擦与基板。我们发现，最佳的主动应力分布，最大限度地提高履带的质心位移给定一个固定的能量输入量是一个行波。这种理论上的最佳值对应于在生物有机体中观察到的类似伸展-收缩波的伸展-收缩波，这可能解释了作为跨物种收敛步态的伸展-收缩波的流行。我们的理论阐明了生物系统中的关键观测，将爬行动物的锚定阶段与各种生物体之间蠕动波中的逆行和逆行区别联系起来。使用我们的最佳步态解决方案，我们推导出的爬行速度和身体质量之间的比例关系，解释实验蚯蚓的三个数量级的身体质量变化。我们的研究结果为有限电池容量的最佳仿生爬行机器人设计提供了见解和工具。
2022-06-08 cond-mat.soft math.DS physics.bio-ph
