簡(jiǎn)珣

（哈工大機(jī)器人(合肥)國(guó)際創(chuàng)新研究院，合肥，230051）

0 引言

仿生學(xué)誕生于20世紀(jì)60年代初，仿生學(xué)是生物科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科，通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程[1]。仿生機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)和仿生學(xué)原理的結(jié)合，它集生物學(xué)原理和機(jī)器電控原理于一體，依據(jù)模仿生物的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性、生物機(jī)理等設(shè)計(jì)具有優(yōu)越性能的機(jī)電結(jié)構(gòu)。

研究者對(duì)仿生機(jī)器人的研究是多方面的，也就是既要發(fā)展模仿人的機(jī)器人，又要發(fā)展模仿其他生物的機(jī)械（機(jī)器）。在分類上，仿生機(jī)器人主要利用仿生學(xué)原理，所涉及的技術(shù)包括機(jī)構(gòu)仿生、感知仿生、控制仿生、智能仿生以及材料仿生等，包含的學(xué)科有生命科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著需求量的不斷增長(zhǎng)，仿生機(jī)器人呈現(xiàn)出種類繁多、形式多樣、功能各異等特點(diǎn)。為更加清晰、系統(tǒng)、直觀地對(duì)仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，本文主要從水下仿生機(jī)器人、地面仿生機(jī)器人和空中仿生機(jī)器人三個(gè)方面對(duì)機(jī)器人仿生典型研究成果加以介紹分析。

人類對(duì)仿生機(jī)器人的探索，最早可追溯到我國(guó)三國(guó)時(shí)期諸葛亮設(shè)計(jì)的木牛流馬，仿生機(jī)器人的早期研究主要以日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)的研究機(jī)構(gòu)為主，背景多是出于國(guó)防、外空探索等目的。1960年9月，第一次世界仿生學(xué)大會(huì)在美國(guó)俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中，世界各國(guó)競(jìng)相展開仿生技術(shù)研究，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現(xiàn)。

1.1 水下仿生機(jī)器人

水下仿生機(jī)器人的功能十分強(qiáng)大，因水下環(huán)境較陸面復(fù)雜，水下仿生機(jī)器人在設(shè)計(jì)上較地面仿生機(jī)器人難度大，而且對(duì)各種技術(shù)的要求也高。正因如此，作為一個(gè)各種高科技的集成體，水下仿生機(jī)器人在軍民等領(lǐng)域都呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值。

1.1.1 國(guó)外研究情況

1994年美國(guó)麻省理工學(xué)院通過模仿金槍魚結(jié)構(gòu)制造出了機(jī)器魚“RoboTuna”（圖1），其目的是探討構(gòu)建一個(gè)可重現(xiàn)金槍魚游泳方式的機(jī)器人潛艇，研究人員致力于提高推進(jìn)效率和靈活性。而后，美國(guó)海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制出機(jī)器龍蝦。機(jī)器龍蝦的身體結(jié)構(gòu)可以使其在復(fù)雜的環(huán)境中保持穩(wěn)定性，此外還具有極高的防水性。其肢體裝配有防水毛傳感器，大腦是一臺(tái)超微型計(jì)算機(jī)，可用于探測(cè)水下礦藏[2]。

圖1 美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)器魚“RoboTuna”

2018年美國(guó)麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種名為“SoFi”的仿生軟體機(jī)器魚。該機(jī)器魚大小和行為與真魚相似，可通過一個(gè)防水游戲手柄近距離控制，使其在產(chǎn)生最小破壞性的前提下近距離觀察所有水下生物。

2005年，英國(guó)埃塞克斯大學(xué)制造出G系列仿生魚（圖2），其外形逼真。在G系列仿生魚的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又于2010年制造出MIT仿生機(jī)器魚，主要運(yùn)用于水下研究[3]。

圖2 英國(guó)埃塞克斯大學(xué)G8機(jī)器魚

1.1.2 國(guó)內(nèi)研究情況

我國(guó)的國(guó)防科技大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、北京航空航天大學(xué)等相關(guān)機(jī)構(gòu)最先在水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域開展相關(guān)研究。2002年，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所為了解決水下勘測(cè)、檢測(cè)等相關(guān)工作，研發(fā)出“SPC-I”水下仿生機(jī)器魚，“SPC-I”對(duì)新型水動(dòng)力布局的游動(dòng)穩(wěn)定性的研究發(fā)揮重要作用；2004年，該校研發(fā)出“SPCII”水下仿生機(jī)器魚，性能在原有的基礎(chǔ)上有所提高，應(yīng)用于水下考古探測(cè)。

哈爾濱工程大學(xué)在2008年研制出生物型驅(qū)動(dòng)器，即ICPF(Ionic Conducting Polymer Film離子導(dǎo)電聚合物薄膜)智能材料驅(qū)動(dòng)，成功解決了水中微型機(jī)器人研發(fā)中的核心技問題，為水中微型機(jī)器人的研發(fā)打下基礎(chǔ)。此材料的優(yōu)點(diǎn)是，在具有傳感功能的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓低，具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，在交變電壓作用下，會(huì)產(chǎn)生類似于魚類尾部的左右擺動(dòng)，適用于微型機(jī)器魚的尾鰭驅(qū)動(dòng)，而且ICPF重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化。到2011年，該大學(xué)利用ICPF技術(shù)研制出微型機(jī)器魚，該機(jī)器魚將控制電路板作為魚的骨架，把機(jī)器魚分成魚身、尾鰭、胸鰭三部分，這種結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)的機(jī)器魚設(shè)計(jì)理念。

1.2 地面仿生機(jī)器人

全球研究人員從仿生學(xué)角度出發(fā)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出一系列地面仿生機(jī)器人，用于替代人類執(zhí)行地面?zhèn)刹?、探測(cè)、反恐以及生化放核等危險(xiǎn)任務(wù)。

1.2.1 國(guó)外研究情況

20世紀(jì)80年代，美國(guó)航空航天局模仿青蛙的起跳方式，研制蛙形仿生跳躍機(jī)器人（圖3），用于太空探索[4]。20世紀(jì)60年代末，日本早稻田大學(xué)展開了仿生機(jī)器人的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT系列機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)基本行走功能。其他如加拿大麥吉爾大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的資助下，研制出“RHex”系列腿式機(jī)器人。

圖3 蛙形仿生跳躍機(jī)器人

2018年德國(guó)著名自動(dòng)化技術(shù)廠商費(fèi)斯托公司推出一款名為“BionicWheelBot”的新型仿蜘蛛機(jī)器人。該機(jī)器人內(nèi)置慣性傳感器，能夠?qū)崟r(shí)掌握自身所處位置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)翻滾，且翻滾速度遠(yuǎn)高于行走速度，可達(dá)其兩倍，還可以爬上5°左右的坡路。由于較強(qiáng)的地形適應(yīng)性和仿生性，該機(jī)器人有望應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、探測(cè)以及戰(zhàn)場(chǎng)偵查等領(lǐng)域。

2017年俄羅斯在先期研究基金會(huì)項(xiàng)目的支撐下，成功開發(fā)出一款仿人形機(jī)器人“Fedor”（費(fèi)多爾）。費(fèi)多爾具備很多“人”的功能，它擁有靈活的手指，能在規(guī)定場(chǎng)景中操作儀器并完成許多精細(xì)的運(yùn)動(dòng)技能，可在高危地區(qū)取代人類工作，可用于救援行動(dòng)，其能力擴(kuò)展后還能執(zhí)行太空探索等任務(wù)，另外，該機(jī)器人的射擊能力在軍事作戰(zhàn)方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

1.2.2 國(guó)內(nèi)研究情況

在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所、上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機(jī)器人仿生方面的研究工作。其他如國(guó)防科技大學(xué)研發(fā)制作的蛇形機(jī)器人，重量1.8kg，直徑0.06m，長(zhǎng)1.2m，既能像蛇一樣在陸地上蜿蜒前行，又能借助密封的外皮，模擬蛇在水中游動(dòng)。蛇形機(jī)器人頭部置入監(jiān)視器，可以在機(jī)器人前行的過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)視前方的情況，并可以視頻方式傳輸至后方的電腦系統(tǒng)中?？蒲腥藛T利用此技術(shù)，可以根據(jù)影像事實(shí)監(jiān)測(cè)、觀察前方的情況，同時(shí)還可以通過遙控技術(shù)對(duì)機(jī)器蛇下指令。

在仿人機(jī)器人方面，2000年國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“先行者”是我國(guó)第一臺(tái)仿人型的機(jī)器人（圖4）。該機(jī)器人在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，不但有類人一樣的身軀、頭顱、眼睛、雙臀和雙足，而且還具備一定的語(yǔ)言功能。隨后，北京理工大學(xué)研制“BHR”、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制“HIT”、清華大學(xué)研制“THBIP”等，逐漸可以實(shí)現(xiàn)平地行走、上下臺(tái)階、點(diǎn)頭等簡(jiǎn)單的動(dòng)作。2011年，北京理工大學(xué)研制的“匯童5”具有視覺、語(yǔ)音對(duì)話、力覺、平衡覺等功能，突破了高速視覺的靈巧動(dòng)作控制、全身協(xié)調(diào)自主反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)。

圖4 仿人型機(jī)器人“先行者”

1.3 空中仿生機(jī)器人

相較于地面和水下仿生機(jī)器人，空中仿生機(jī)器人具有體積較小、運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，且活動(dòng)空間廣闊，不受地形限制，因此，在軍事偵察、災(zāi)害防御以及反恐等軍民領(lǐng)域，空中仿生機(jī)器人展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，也越來(lái)越受到世界大國(guó)的重視。

1.3.1 國(guó)外研究情況

德國(guó)費(fèi)斯托公司基于對(duì)狐蝠翅膀的獨(dú)特研究，開發(fā)出一款仿生狐蝠無(wú)人機(jī)“BionicFlyingFox”，該款空中仿生機(jī)器人重量?jī)H為580g，全身有4.5萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)，翼展為228cm，體長(zhǎng)87cm，采用了以蜂巢結(jié)構(gòu)編織的超級(jí)氨綸彈性纖維織物翼膜和碳纖維骨架[5]。在2012年亞洲PTC展會(huì)上，德國(guó)FESTO公司展出了飛行模型——仿生機(jī)器鳥“SmartBird”。它長(zhǎng)196cm，重450g，翼展106cm，具有超輕便、強(qiáng)功率的特性，能夠滿足出色的空氣動(dòng)力學(xué)原理且靈活度實(shí)現(xiàn)最大化。在開發(fā)仿生機(jī)器鳥SmartBird過程中，F(xiàn)ESTO公司通過分析流動(dòng)現(xiàn)象，積累了優(yōu)化產(chǎn)品解決方案的更多知識(shí)，并學(xué)會(huì)了更加有效地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)[6]。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校利用仿生學(xué)原理制造出了世界上第一只能飛翔的“機(jī)器蠅”，該校研究人員利用一種類似玻璃紙的聚酰亞胺為原料,制造出了仿生翅膀。該仿生翅膀能夠每秒扇動(dòng)150次,而且還讓機(jī)器蠅實(shí)現(xiàn)了綁在一根細(xì)線上的半自主飛行。該機(jī)器蠅重量只有100mg，身高不到3cm,在100m上空飛行時(shí),人們用肉眼幾乎發(fā)現(xiàn)不了它,而它卻可以拍出極為清晰的地面照片。在未來(lái)的機(jī)器蠅身上,還可以安裝許多傳感器和微型攝像機(jī),可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi),在災(zāi)難中搜尋廢墟中的幸存者。此外，2018年5月，美國(guó)華盛頓大學(xué)開發(fā)出一款采用獨(dú)立襟翼的無(wú)線機(jī)器昆蟲——機(jī)器蠅（RoboFly）[7]（圖5）。“RoboFly”制造成本低，非常適合在大型無(wú)人機(jī)無(wú)法到達(dá)的地方執(zhí)行軍事或民用監(jiān)視偵察任務(wù)，例如：國(guó)防探測(cè)、大面積農(nóng)作物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)、泄露氣體嗅探等。

圖5 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分?！皺C(jī)器蠅”

1.3.2 國(guó)內(nèi)研究情況

國(guó)內(nèi)研究人員始終關(guān)注著空中仿生機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，同時(shí)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用上做了大量的研究工作。其中，北京航空航天大學(xué)長(zhǎng)期從事昆蟲飛行理論研究，通過試驗(yàn)觀測(cè)、理論計(jì)算、模擬仿真的方法，研究昆蟲飛行、懸停、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，為微型撲翼飛行器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

南京航空航天大學(xué)利用非定常渦格法的計(jì)算，通過分析模仿鳥復(fù)合振動(dòng)的撲翼氣動(dòng)特性，制作出幾種不同大小和形式的仿鳥撲翼飛行器，并于2002年首次試飛成功，其最新型號(hào)的控制水平與飛行時(shí)間，已經(jīng)達(dá)到與美國(guó)“MicroBat”微型撲翼飛行器同等的技術(shù)水平。

西北工業(yè)大學(xué)研制的撲翼微飛行器樣機(jī)重約16.5kg，采用聚合物鋰電池做電源，微型電動(dòng)機(jī)做驅(qū)動(dòng)源，碳纖維做骨架，采用柔性機(jī)翼，撲翼頻率10.5Hz,可自由飛行15s~21s。

此外，東南大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)等也在仿生撲翼飛行機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析、撲翼飛行試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的建立等方面進(jìn)行了探索。

2 發(fā)展趨勢(shì)

鑒于當(dāng)前科學(xué)家對(duì)生物結(jié)構(gòu)及其機(jī)能的認(rèn)知日益深入和完善，同時(shí)隨著仿生機(jī)器人領(lǐng)域涉及的多學(xué)科技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器人逐漸呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，旨在使其達(dá)到更加逼真的仿生性能，以適應(yīng)嚴(yán)酷多變的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更加智能的控制。

2.1 智能化

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人已從傳統(tǒng)的純機(jī)械式向智能化過渡。仿生機(jī)器人的智能化主要體現(xiàn)在執(zhí)行任務(wù)的多樣化、完成動(dòng)作的人性化、控制水平的精確化等，這有利于其更加完美地模仿生物所具備的生理機(jī)能，更加安全地完成任務(wù)。

2.2 微型化

當(dāng)前，機(jī)器人的使用場(chǎng)景逐漸趨向于精確化、狹窄化和復(fù)雜化，這種任務(wù)場(chǎng)景的需求必然加速仿生機(jī)器人向微型化方向轉(zhuǎn)變。

仿生機(jī)器人微型化的關(guān)鍵是機(jī)電系統(tǒng)的微型化。要實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的微型化，比較突出的特征是能夠有效實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的微型化，通過對(duì)控制器、傳動(dòng)裝置以及驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行整合，發(fā)展形成微機(jī)電系統(tǒng)。

2.3 仿形化

仿生機(jī)器人的外形與所模仿生物的高度相似性，也是仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一。機(jī)器人仿形化有助于其在軍事偵察、掩護(hù)等作戰(zhàn)場(chǎng)景更加隱蔽、安全地完成任務(wù)。在軍事偵察和間諜任務(wù)中,如果仿生機(jī)器人的外形與所模仿的生物外形完全一致,將能更隱蔽地、更安全地完成任務(wù)。

2.4 多功能化

未來(lái)使用場(chǎng)景的多樣化必然使得仿生機(jī)器人向多功能化的方向發(fā)展，目前科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出諸如蠕動(dòng)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、爬壁機(jī)器人等形式多樣的仿生機(jī)器人，其各自獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)形式有助于仿生機(jī)器人在不同環(huán)境中完成特定的任務(wù)。

人類逐漸開始步入老齡化社會(huì)的階段中，通過制造多功能機(jī)器人，能夠很好地彌補(bǔ)現(xiàn)階段中年輕勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象，并且還能對(duì)醫(yī)療等社會(huì)問題以及老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)問題等進(jìn)行有效的解決。

2.5 群體化

通常應(yīng)用在需要多機(jī)器人協(xié)作的場(chǎng)合,如機(jī)器人生產(chǎn)線、柔性加工工廠、消防、無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)群等。仿生機(jī)器人群體化主要是指通過對(duì)螞蟻、蜜蜂或者是人的社會(huì)行為展開模仿，而繁衍形成的一種仿生系統(tǒng)，并且通過個(gè)體與個(gè)體之間的相互合作，而使得某種社會(huì)行為得以完成的過程。同時(shí)，其還能利用群體的行為來(lái)幫助自身智能的增強(qiáng)，進(jìn)而有效地提高工作效率[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著仿生技術(shù)的高速發(fā)展，仿生學(xué)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，這使得仿生機(jī)器人愈發(fā)智能化。當(dāng)代機(jī)器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來(lái)，向航天航空、星際探索、軍事偵察、資源勘探、水下探測(cè)、管道維護(hù)、疾病檢查、搶險(xiǎn)救災(zāi)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方向發(fā)展。未來(lái)，機(jī)器人將在人類不能或難以到達(dá)的已知或未知環(huán)境下為人類工作，人們要求機(jī)器人不僅適應(yīng)結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的、未知的環(huán)境。