仿生机器人的研究进展及其发展趋势

引 言

生物在自然界经过了亿万年的进化与筛选， 每种生物都有其独特的适应环境的能力与适应环境的结构。仿生学（Bionics）是模仿生物的特殊本领的一门学科。仿生学通过了解生物的结构和功能原理来研制新型机械和技术，或解决机械技术方面的难题。1960 年由美国的J.E.Steele 首先提出。仿生学主要是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特殊本领，包括生物自身的结构、原理、行为及器官功能等，从而为科学技术中利用这些原理提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术科学。科学家们将对自然界中生物结构和功能的研究应用于机器人，从而制造出具有生物结构和结构特性的仿生机器人。仿生机器人是仿生学和机器人需求的高度融合， 极大地促进了机器人领域的发展，开拓了机器人领域的疆土， 使人们将从大自然中获取的灵感应用于实际的生产实践中。仿生学在机器人领域的应用引起了各国研究人员的关注，并取得了大量成果。

1 仿生机器人的国内外发展现状

1.1 水下仿生机器人

因水下环境较陆面复杂，诸如水深压强、线路绝缘与防漏、低能见度环境识别等问题均需考虑。但由于水下仿生机器人的功能十分强大，各国并没有因此而中断研究。

1994 年美国麻省理工学院（MIT）通过模仿金枪鱼结构制造出了机器鱼RoboTuna，如图 1 所示。该项目始于1993 年， 其目的是探讨构建一个可重现金枪鱼游泳方式的机器人潜艇， 研究人员致力于提高推进效率和灵活性。

而后美国海军位于东北的海洋学中心研制的机器龙虾如图 2 所示，它不仅拥有很高的灵活性，还能游泳和爬行。其外形酷似真龙虾，长着能够感知障碍物的触须，8 条腿允许它们朝着任意一个方向移动，爪子和尾巴则帮助它们在湍急的水流以及其它环境中保持身体的稳定性。

它由一种特制的防水电池提供动力，头部的两根长须是一种灵敏度极高的防水天线，脚上都装配有防水毛传感器， 大脑是一台超微型计算机，可用于探测水下矿藏。

我国的相关研究机构如北京航空航天大学、中科院自动化研究所、国防科技大学等也在此领域有相关研究。北京航空航天大学研制的“SPC-II”仿生机器鱼可在水下连续工作2 ～3 小时。中科院自动化所、国防科技大学、哈尔滨工程大学亦研究出不同形态的水下仿生机器人。

1.2 陆面仿生机器人

美国斯坦福大学研制的壁虎机器人“Stickybot”，足底长着人造毛（由人造橡胶制成）。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积足够大，从而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。在每个吸力手上都有数百万根由人造橡胶制造的毛发， 每根细毛的直径大约为 500 nm，长度则不到 2 μm，这使得吸力手能非常接近玻璃壁的表面，使得人造橡胶毛发中的分子和玻璃壁分子的距离异常接近，机器人通过分子间作用力在墙壁上自由行走。这款壁虎机器人可应用于太空等不能依靠负压吸附或不能依靠磁力吸附的环境中。

上个世纪七十年代，日本东京工业大学的Hirose 教授就已经开始了蛇形机器人的研究。Hirose 教授于1972 年研制出了第一台蛇形机器人（Active Cord Mechanism-ACMIII）。该机器人总长 2 m，具有 20 个关节，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动。为与地面有效接触，该机器人的腹部安装了脚轮， 其最大速度为 40 cm/s，只能在平面上运动。继第一台蛇形机器人之后，Hirose 教授的研究室又先后研制出了一系列蛇形机器人。ACM-R3 是最近的研究成果，ACM-R3 机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源，且 ACM-R3 为三维结构，能够在三维环境中运动并完成复杂的动作。而挪威科技工业研究院（SINTEF Research Institute）已设计出一种用于火星表面探测的蛇形机器人。该机器人的研究在国内起步较晚，哈尔滨工业大学机器人研究所、上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的研究工作。2002 年，国防科技技术大学研制了一个蛇形机器人样机，该样机不但可以在平面内运动，采用密封外皮后还能在水面上蜿蜒运动。中科院沈阳自动化所机器人重点实验室也开始了蛇形机器人的研究。

1.3 空中仿生机器人

“机器苍蝇”由美国加州大学伯克利分校研制，其通过模仿苍蝇的飞行原理而获得苍蝇的出色飞行性能。机器苍蝇大小与普通苍蝇类似，有 4只翅膀，体重只有六十 mg，翼展仅为 3cm，翅膀由碳纤维做成，翼震频率 150Hz。头部装有微型传感器和摄像机，可以将拍摄的图像传回，用途十分广泛， 它不仅可以用于军事侦察，还可以进行灾后搜救。机器苍蝇实物图如图 3所示。

美国加州理工学院等联合研制了微型蝙蝠无人机MiroBat，它是一种小型电动扑翼机，机翼采用微电机系统技术，由电池驱动，无线电遥控控制，通过齿轮机构、双连杆机构驱动机翼上下扑动。此外，美国密歇根大学、美国北卡罗来纳州立大学均研制出了蝙蝠机器人，这些蝙蝠机器人可完成侦察人物和数据收集的任务。而荷兰代尔夫特科技大学也开发出了形如雨燕的机器人，可像雨燕般灵活飞行，德国奥斯托公司在 2013 年设计出了蜻蜓机器人，其拥有良好的灵活性，且可通过智能手机进行控制。

国内研究人员也在空中仿生机器人方面做了大量的研究工作。南京航空航天大学制作出了几种不同大小和形式的仿鸟扑翼飞行器，达到了同时段的领先水平。西北工业大学、东南大学等也在仿生扑翼飞行方面做出了探索。

2 仿生机器人的发展趋势

2.1 由传统机电机器人向生物机器人发展

在机器人未来的发展中，逐步由传统的机器人控制方式转向肌点信号、脑电信号等方式进行活体生物的人工控制，通过神经元进行仿生机器人的精细控制。这是生物学与机器人技术相结合的产物。

2.2 结构的微型化

仿生机器人朝着微型化发展，可用于更加精确的场所， 可进入人体检查和开展靶向治疗而不伤害人体，也可进入狭小的环境进行作业。这需要实现机电系统的微型化和机器人整体微型化。

3 结 语

随着仿生机器人受重视程度的逐渐加深，仿生机器人将越来越多的运用到日常情景中。仿生移动机器人在工业和服务业方面有着广泛的应用前景，爬行仿生机器人运用于农业生产和测绘探测中。同时仿生机器人在医疗器械和玩具市场中也有很好的发展前景。