《Annals of the New York Academy of Sciences》：Legged Locomotion in Lattices: Centipede Traversal of Obstacle-Rich Environments
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本文通过实验研究了蜈蚣（Scolopendra polymorpha）在模型异质地形（六边形和方形晶格）中的运动策略，揭示了其通过肢体长时间内收（prolonged limb adduction）、身体扭转（body twisting）和类蠕动（peristaltic-like gait）等适应性行为，在障碍密集环境中保持快速运动（约0.2 BL/cyc）的机制。研究发现，这些策略有效减少了肢体和头部碰撞带来的阻力，为多足机器人（elongate robots）在复杂地形动力学（terradynamics）环境中的形态设计和控制方案提供了重要生物启发。
引言
地形动力学（terradynamics）作为研究生物在干燥、杂乱陆地环境中运动原理的学科，其发展尚处于早期阶段。与空气动力学和水动力学相比，地形动力学环境具有异质性、复杂性以及非线性体-环境相互作用等特点。蜈蚣作为多足运动体的典型代表，其运动模式兼具肢体驱动和身体波动特征，为研究复杂地形中的运动策略提供了理想模型。本研究首次在晶格（lattice）模型环境中对多足运动进行系统研究，通过分析蜈蚣在六边形和方形晶格阵列中的运动行为，探索其在障碍密集环境中的适应性机制。
方法与材料
实验选用野生捕获的Scolopendra polymorpha（体长8.6±1.0 cm，体宽0.8±0.1 cm），在其穿越不同间距（1-2 cm）的六边形和方形木柱阵列时，使用高速摄像机（738 fps）记录运动轨迹。通过追踪头部轨迹计算欧几里得速度（BL/s），并统计分析肢体步态周期、头部碰撞率和身体扭转等参数。特别关注了标准化通道宽度（c/BW）对运动行为的影响。
晶格环境中的运动表现
研究发现蜈蚣在所有晶格间距中均保持0.23±0.08 BL/cyc（方形）和0.25±0.06 BL/cyc（六边形）的稳定运动速度，与开阔地形的运动效率相当。值得注意的是，在通道宽度小于2 BW的六边形晶格中，运动速度显著下降至0.19±0.06 BL/cyc。头部碰撞分析显示，碰撞率与运动速度呈正相关（每身体长度约4次碰撞），表明蜈蚣并非通过避免碰撞而是通过适应性策略维持运动效率。
姿势与步态适应机制
在密集晶格环境中，蜈蚣表现出两种核心适应性行为：
- 1.
肢体长时间内收：约20-40%的肢体在碰撞后保持贴附体侧状态，形成更具"地形动力学流线型"的姿态。该行为可减少肢体与障碍物的碰撞阻力，同时保持其他肢体的推进功能。
- 2.
身体扭转：在通道宽度小于1.2 BW时，蜈蚣通过局部身体扭转实现侧向运动，将立柱作为立足点。完全扭转（C.T.）和部分扭转（P.T.）姿势的转换取决于通道宽度和运动路径选择。
特殊运动模式
在7%的试验中观察到类蠕动步态，蜈蚣通过身体节段的周期性伸缩（频率1.47-1.71 Hz，振幅0.024-0.027 BL）实现推进。这种运动模式在肢体活动受限的狭窄环境中被激活，与蜈蚣的掘土行为具有相似性。
结论
本研究揭示了蜈蚣通过动态调整肢体姿态和身体取向，在障碍密集环境中保持运动效率的多种策略。这些发现为 elongate legged robots 在搜救、农业等复杂地形应用中的形态优化和控制算法设计提供了生物力学依据，特别是肢体内收和身体扭转的协同机制，为多足机器人的地形自适应运动控制开辟了新思路。
