本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
多年来，一位老朋友和她的前夫拥有他们自己的虚构朋友。 他被简单地称为“蜗牛”，很少露面，但经常听到他的消息，以神秘的笔记、电子邮件和偶尔从法国（或伦敦、意大利或她那位四处游历的艺术家配偶当时旅行的任何地方）寄来的明信片的形式出现。 蜗牛继续创立了他自己的虚构艺术杂志《Gastropod Cineaste》（重点是法国新浪潮电影）。 是的，蜗牛带有一点知识分子的势利； 珍-吕克·皮康非常喜欢他，尽管他全身黏液，但还是称他为“我的小蜗牛”。
你说黏液？ 没错！ 毕竟，这就是蜗牛的行动方式，即使是那些生活在想象领域中的蜗牛也是如此。 蜗牛储存着结晶形式的黏液，然后将其与液体混合，产生它们身后留下的长长的黏性黏液轨迹。 这完全是关于相等和相反的反应：蜗牛向后推以产生压力梯度，从而推动它们前进。 黏液可能对智人来说有点恶心，但对于蜗牛来说，它是一种神奇的物质，使这些生物能够在各种不平坦的地形上爬行：沙子、泥土、散落着树叶或树枝的地面。 如果它们遇到墙壁或天花板，也没问题！ 多亏了这种粘性物质，它们可以很好地操纵那些非水平表面。
多年后的今天我之所以提起它，是因为一个很棒的新视频正在科学博客圈中传播，视频的主角是 Toro II，这是一款由中央大学中村实验室的研究人员设计的机器人，旨在模仿蜗牛的运动。 这只是机器人设计中长期存在的仿生学历史中的最新进展——毕竟，大自然母亲在生物力学方面似乎做得非常出色。
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但是蜗牛？ 真的吗？ 是的！ 事实证明，蜗牛有一种不寻常的运动方式，它依赖于两种基本技术：波动（带有一点黏液来帮助它前进）和“疾驰”，蜗牛将吸盘状足的前部粘在例如实验台表面上，然后像尺蠖一样将其身体的其余部分拉到身后，一点一点地推动其身体向前。 Toro-II 不使用黏液——真是遗憾——但它利用相同的基本原理使其能够向各个方向移动，同时仍保持足够的稳定性，不会因意外的推动而偏离轨道。 仍在开发中：可以真正爬墙的蜗牛机器人。 研究人员设想在医院和工厂中使用这些蜗牛机器人，尽管就我个人而言，看到迷你机械蜗牛在四处游荡会感到有点不安。
这不是科学家首次开发蜗牛机器人。 Anette “Peko” Hosoi 和她在麻省理工学院的一些学生早在 2003 年就推出了他们自己的“Robosnail”：一种六英寸长、仅一英寸宽的机器，可以在硅油薄膜上“滑动”——一种合成版本的黏液，称为 Carbopol，它只是一种凝胶状的水基聚合物溶液。 然后，在 2006 年，Robosnail 2.0 问世：它可以在墙壁上爬行并倒立移动，这在很大程度上归功于其轻巧的重量（小于 31 克）和另一层称为 Laponite 的类似黏液的物质。
从建造蜗牛机器人中可以学到很多东西。 除此之外，使用 Robosnail I 和 II 有朝一日可以深入了解血液如何在静脉中流动。 就像血液流动一样，蜗牛的运动本质上是由柔性边界约束的流体流动。 另一个有希望的应用是使用 Robosnails 通过在恶劣、难以到达的环境中机动来帮助石油勘探。 外科医生也可能会发现它们对于爬行到身体难以到达的区域很有用。 这些在开发方面还很遥远，但 Robosnail I 和 II 是实现这一目标的首批探索工具。
蜗牛原本巧妙的运动方式也有一些缺点，即它不是很节能（或快速）。 例如，蛞蝓也沿着排泄黏液的轨迹移动。 研究蛞蝓的斯坦福大学海洋科学家马克·丹尼表示，它们消耗了 70% 的能量来制造这些黏液轨迹。 这大约是跑步、游泳或飞行动物的能量消耗的 10 倍。 每英里而言，这可能不是运动的最佳选择，除非没有更好的替代运动方式。
话又说回来，蛞蝓可以为称为蛞蝓机器人的大量设备提供方便的电池。 西英格兰大学的伊恩·凯利自大约 2000 年以来一直致力于此项研究。他的小型电池供电机器人旨在在田野中巡逻，寻找并舀起蛞蝓，利用它们腐烂的身体为电池充电——这个概念似乎直接抄袭了《黑客帝国》。 据称，英国农民每年花费约 2000 万英镑来阻止入侵的蛞蝓大军吞噬他们嫩的庄稼。 凯利估计，每平方米麦田可发现多达 200 只蛞蝓，为他的蛞蝓机器人提供了丰富的能量来源。
因此，腹足动物是生物力学稳健的机器人的肥沃饲料（有时甚至是字面意义上的饲料）。 鱼呢？ 西北大学的马尔科姆·麦克艾弗多年来一直在研究亚马逊黑魔鬼刀鱼的运动，并根据他的观察进行了无数次计算机模拟，最终推出了他的原型“幽灵机器人”，该机器人于今年早些时候首次亮相。 这正是您所想的那样：一种机器人鱼，不仅能够向前和向后游泳，而且由于采用了模仿黑魔鬼刀鱼的带状鳍，还可以几乎立即切换到垂直游泳。 当它在亚马逊河流域的水域中捕猎时，这对于在树根和其他障碍物周围机动非常方便。
这种流体运动是如何工作的？ 计算机模拟表明，当水平游泳（向前或向后）时，鳍仅产生一个行波，而当垂直游泳时，则产生两个这样的波。 一个从头部移动到尾部，另一个从尾部移动到头部，它们在鳍的中心碰撞。 这抵消了向前的推力运动，将其引导到向下移动的射流中。 从计算角度对这些流体动力学进行建模，您会在水中获得类似蘑菇云的效果。 幽灵鱼的带状莱卡“鳍”有 32 个小电机，每个电机控制着人造鳍条，使其具有更广泛的运动范围。
根据麦克艾弗的说法，这条鱼本身在其他方面也非常有趣。 它不仅具有用于运动的酷炫带状鳍，而且还通过用微弱的电场包围整个身体来在夜间捕猎猎物。 麦克艾弗说，这种不寻常的特征可以教会科学家一些关于神经系统如何通过身体发送信息以触发运动的知识。 与此同时，他已将其用作幽灵鱼的电感觉系统的模型，使其能够检测周围环境中的物体，然后将自身定位在该位置附近。 理想情况下，此类机器人将可用于水下打捞作业，例如封堵英国石油公司的石油泄漏。
水母也是机器人学家们喜爱研究的生物。 例如，东京大学的科学家一直在努力通过使用未指明的“软材料”制造微型机器人来模仿水母的游泳运动。 当然，大多数水母似乎只是漂浮着，等待着蛰人的绝佳机会，但t们可以通过创建一个“涡环”来产生推力，从而产生一些动量。 它们可以扩张和收缩它们糊状的小身体，并将空气排出到身后的水中，从而产生一个小漩涡，为它们提供推力。
加州理工学院的科学家对不起眼的水母的不寻常的流体动力学和运动感兴趣——例如约翰·达比里，他是水母推进方面的专家，并且正在根据这种生物的运动为医疗应用设计“软体机器人”和微型泵。 “归根结底，当你观察流体流动时，无论是空气、水还是血液，它们都可以用相同的方程来描述，”他去年秋天告诉《洛杉矶时报》。 “因此，你可以开始了解是什么让水母高效，然后利用这些信息来设计更高效的潜艇，或者诊断心脏何时不再有效运转。” 或者，您可以利用从流体动力学中收集到的知识来建造更高效的风力发电场，并以大型鱼群的动力学为模型。
看到了吗？ 大自然母亲原来是一位非常巧妙的机械工程师。