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任何试图跑上沙丘的人都会告诉你这不容易。 颗粒状表面随着每一步笨拙的步伐而移动。 幸运的是，诸如响尾蛇等常年生活在沙质环境中的生物，都配备精良，能够穿越这样的表面。 然而，它们从 A 点到 B 点，特别是穿越倾斜沙丘的确切动态，一直是个谜。
至少直到一个由物理学家、动物学家和工程师组成的团队仔细观察了鳞片与沙子接触时究竟发生了什么。 他们的发现解释了很多关于无腿移动性和颗粒状表面物理学的知识。 它们也可能推动侧向移动成为在这个星球和其它地方的机器人运动的一种手段。
侧向移动似乎是一种看起来很复杂的步态，但“实际上，它基本上相当于沿着水平面的身体向下波动，以及沿着垂直面的身体向下波动，”佐治亚理工学院物理学院副教授Daniel Goldman说。 Goldman 和来自佐治亚理工学院、卡内基梅隆大学、俄勒冈州立大学和亚特兰大动物园的同事在 10 月 10 日的《科学》杂志上报告了他们的发现。
蛇通过增加身体与它们正在攀爬的颗粒状表面接触的面积来穿越沙坡。 它们通过调节身体的波动来应对海拔的变化。 “如果你改变垂直波的幅度，你可以增加机器人的接触长度，帮助机器人在坡上爬升时尽量减少滑动，”Goldman 说。 研究人员发现，尽管与沙子接触的身体面积有所不同，但即使山坡角度增加，蛇仍然保持相同的基本侧向移动步态。
研究人员通过观察亚特兰大动物园的一个特殊的装满沙子的围栏中的有毒响尾蛇（Crotalus cerastes）了解到了这一点，该围栏是在动物园研究主任 Joe Mendelson 的帮助下建造的。 围栏可以升高以在沙子中形成不同的角度。 在研究完每条蛇后，从下方吹入腔室的空气使沙子变得光滑。
这项为期三年的研究还证明，并非所有蛇都像响尾蛇一样能够控制在颗粒状表面上的运动。 Goldman 说，当研究人员在同一个沙质飞地中测试动物园的蝮蛇时，这些蛇没有使用侧向移动运动，而且即使在表面平坦时，大多数蛇的移动性也很差。 该团队继续研究响尾蛇的波动运动的变化究竟如何影响其机动性。
除了仅仅是关于蛇如何进行滑行活动的另一个有趣的事实之外，对响尾蛇移动性的研究正在帮助机器人专家改进现有设备，这些设备旨在模仿蛇状运动。 机器人设计师通常根据他们寻求的功能，对他们的发明采取仿生方法。 例如，波士顿动力公司正在为美国国防部开发的腿式班组支援系统机器人，旨在帮助部队在狭窄、崎岖的地形上运输装备，这种地形不适合轮式设计。 其他机器人已经模仿了跳跃的蜥蜴和攀爬墙壁的壁虎。
对于响尾蛇的研究，研究人员对卡内基梅隆大学机器人学教授 Howie Choset 开发的模块化、94 厘米长的蛇形机器人进行了编程，使其能够以响尾蛇身上发现的独特波动运动滑行。 Choset 的机器人蛇已经具有以改进的侧向移动方式移动的能力，但它不太擅长攀登颗粒状斜坡。 该团队使用从他们的响尾蛇实验中收集的信息，对机械蛇（其身体直径为 5 厘米，由 16 个关节组成）进行了重新编程，并将其释放到动物园围栏中。 新的编程使 Choset 的波动机器人能够攀登以前未能攀登的沙坡。
受蛇启发的机器人可以发挥多种功能。 除了在地下管道中蠕动以寻找损坏，以及在矿井中蠕动以寻找被困工人外，工程师们希望蛇形机器人有一天会被送往探索其他行星，沿着火星轮式漫游者（如好奇号、机遇号和勇气号）的足迹前进。 后者在经过多年的良好服务后，自 2009 年以来一直陷在一片柔软的火星土壤中，并且不再运行。 然而，好奇号和机遇号仍在继续前进。
视频由佐治亚理工学院提供