仿生機器人

“仿生機器人”是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。目前在西方國家，機械寵物十分流行，另外，仿麻雀機器人可以擔任環境監測的任務，具有廣闊的開發前景。二十一世紀人類將進入老齡化社會，發展“仿人機器人”將彌補年輕勞動力的嚴重不足，解決老齡化社會的家庭服務和醫療等社會問題，並能開闢新的產業，創造新的就業機會。”

基本介紹

• 中文名：仿生機器人
• 對應：生物、從事生物
• 本質：機器
• 背景：老齡化社會

前途

首先，模仿某些昆蟲而製造出來的機器人並非簡單。比如，國外有的科學家觀察發現，螞蟻的大腦很小，視力極差，但它的導航能力高超：當螞蟻發現食物源後回去召喚同伴時，是把這一食物的映像始終存儲在它的大腦里，並利用大腦里的映像與眼前真實的景像相匹配的方法，循原路返回。科學家認為，模仿螞蟻這一功能，可使機器人在陌生的環境中具有高超的探路能力。

其次，不論何時，對仿生機械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要發展模仿人的機器人，又要發展模仿其他生物的機械（器）。機器人未問世之前，人們除研究製造自動偶人外，對機械動物非常感興趣，如傳說諸葛亮製造木牛流馬，現代計算機先驅巴貝吉設計的雞與羊玩具，法國著名工程師鮑堪松製造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名。

在機器人向智慧型機器人發展的時程中，就有人提出“反對機器人必須先會思考才能做事”的觀點，並認為，用許多簡單的機器人也可以完成複雜的任務。20世紀90年代初，美國麻省理工學院的教授布魯克斯在學生的幫助下，製造出一批蚊型機器人，取名昆蟲機器人，這些小東西的習慣和蟑螂十分相近。它們不會思考，只能按照人編制的程式動作。

幾年前，科技工作者為聖地亞哥市動物園製造電子機器鳥，它能模仿母兀鷹，準時給小兀鷹餵食；日本和俄羅斯製造了一種電子機器蟹，能進行深海控測，採集岩樣，捕捉海底生物，進行海下電焊等作業。美國研製出一條名叫查理的機器鮪魚，長1.32米，由2843個零件組成。通過擺動軀體和尾巴，能像真的魚一樣遊動，速度為7.2千米/小時。可以利用它在海下連續工作數個月，由它測繪海洋地圖和檢測水下污染，也可以用它來拍攝生物，因為它模仿鮪魚惟妙惟肖。

有的科學家正在設計鮪魚潛艇，其實就是鮪魚機器人，行駛速度可達20節，是名副其實的水下遊動機器。它的靈活性遠遠高於現有的潛艇，幾乎可以達到水下任何區域，由人遙控，它可輕而易舉地進入海底深處的海溝和洞穴，悄悄地溜進敵方的港口，進行偵察而不被發覺。作為軍用偵察和科學探索工具，其發展和套用的前景十分廣闊。

同樣，研究製造昆蟲機器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研製一種有彈性腿的機器昆蟲，大小只有一張信用卡的1/3左右，可以像蟋蟀一樣輕鬆地跳過障礙，一小時幾乎可前進37米。這種機器昆蟲最特殊的地方是突破了“牽動關節必須加發動機”的觀念。發明家用的新方法是：由鉛、鋯、鈦等金屬條構成一個雙壓電晶片調節器。當充電時，調節器彎曲，充完電了它又彈回原狀，反覆充電，它就成了振動條。在振動條上裝有昆蟲肢體，振動條振動就成了機器昆蟲的動力，每次振動都會使這種爬行昆蟲前進2毫米。通過一隻“蟲王”就可以控制一大群機器昆蟲，由它以接力形式把控制指令傳送給每個機器昆蟲。套用這種機器昆蟲可以在戰場上完成偵察、運送物品，或在其他星球進行探路。

仿生機器人

體系結構

機器人體系結構，就是指為完成指定目標的一個或幾個機器人在信息處理和控制邏輯方面的結構方式。

基於功能來分解

基於功能分解的體系結構在人工智慧上屬於傳統的慎思式智慧型，在結構上體現為串列分布，在執行方式上屬於異步執行，即按照“感知一規劃一行動”的模式進行信息處理和控制實現。以美國國家航天局和美國國家標準局所提出的NASR人MtI〕為典型代表。這種體系結構的優點是系統的功能明了.層次清晰，實現簡單。但是申行的處理方式大大延長了系統對外部事件的回響時間，環境的改變導致必須重新規劃，從而降低了執行效率。因此只適合在已知的結構化環境下完成比較複雜的工作。

基於行為來分解

基於行為分解的體系結構在人工智慧上屬於現代的反應式智慧型，在結構上體現為並行(包容)分布，在執行方式上屬於同步執行，即按照“感知一行動”的模式並行進行信息處理和控制。以麻省理工的R.A.Brooks所提出的行為分層的包容式體系結構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基於MotorSc hema的結構為典型代表。其主要優點就是執行時間短、效率高、機動能力強。但是由於缺乏整體的管理，很難適應於各種情況。因此只適用於在沐淘環境下執行比較簡單的任務。

基於智慧型分布來分解

基於智慧型分布的體系結構在人工智慧上屬於最新的分散式智慧型，在結構上體現為分散分布，在執行上屬於協同執行，既可以單獨完成各自的局部問題求解，又能通過協作求解單個或多個全局問題。以基於多智慧型體的體系結構為典型代表。這種體系結構的優點是既具有“智慧型分布”的特點，又有統一的協調機制。但是如何在各個智慧型體之間合理的劃分和協調仍然需要大量的研究和實踐。該體系結構在許多大型的智慧型信息處理系統上有著廣泛的套用。

除以上三類主要的體系結構之外，還有一些改進的混合式體系結構，如帶反饋環節的行為分解模式、基於分散式智慧型的分層體系結構、基於功能分解的多智慧型體結構等等。但是從整體上來看，它們或是在功能模組的靈活性和擴展性上不足，或是沒能很好的協調慎思式智慧型與反應式智慧型，或是各層次間的交流機制不夠完善。

控制體系

仿生式體系結構的思想原理

從本質上來講，慎思式智慧型、反應式智慧型以及分散式智慧型，都是對生物控制邏輯和推理方式的一種借鑑和仿生，但由於客觀條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個角度和方向對生物智慧型的一種片面的、局部的模仿。本文的仿生式體系結構就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為基礎，充分借鑑基於慎思式智慧型、反應式智慧型和分散式智慧型等三種體系結構思想的優點與不足之處，針對機器人特別是未知環境下工作的移動機器人在控制體系結構方面所存在的缺點和問題，提出一種具有適應行為與進化能力的新的控制思想與理念。

借鑑分散式智慧型的思想，在控制體系結構中引人社會式行為控制層；

借鑑生物的自適應性思想，在控制體系結構中實現本代內的由慎思式行為層到反射式行為層的學習；

借鑑生物的自進化性思想，在控制體系結構中實現多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進化(或退化)。

所以，仿生式體系結構共有四個行為控制層組成，即本能式行為控制層、反射式行為控制層、慎思式行為控制層和社會式行為控制層，它們並行接收來自感知層的外部和內部信息，各自作出邏輯判斷和反應，發出控制信息到末端執行層，通過競爭和協調來調節自身並適應外部環境，從而按照目標完成工作任務。

實例

機器蠍子

長約50厘米的機器蠍子與其他傳統的機器人不同，它沒有解決複雜問題的能力。機器蠍子幾乎完全依靠反射作用來解決行走問題。這就使得它能夠迅速對困擾它的任何事物做出反應，它的頭部有兩個超音波感測器。如果碰到高出它身高50%%的障礙物，它就會繞開。而且，如果左邊的感測器探測到障礙物，它就會自動向右轉。

機械蟑螂

不只是蠍子，就連蟑螂也能給科學家提供設計的靈感，科學家們發現，蟑螂在高速運動時，每次只有三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環反覆，根據這個原理，仿生學家製造出機械蟑螂，它不僅每秒能夠前進三米，而且平衡性非常好，能夠適應各種惡劣環境，不遠的將來，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地

機器梭子魚

麻省理工學院的機器梭子魚，是世界上第一個能夠自由遊動的機器魚。它大部分是由玻璃纖維製成的，上覆一層鋼絲網，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈製成，從而使這條機器梭子魚既堅固又靈活。一台伺服電動機為這條機器魚提供動力。

機器蛙

機器蛙腿的膝部裝有彈簧，能像青蛙那樣先彎起腿，再一躍而起。機器蛙在地球上一躍的最遠距離是2.4米；而在火星上，由於火星的重力大約為地球的1/3，機器蛙的跳遠成績則可遠達7.2米，接近人類的跳遠世界紀錄。因此它不會再像2007年的火星越野車那樣在一塊小石頭面前一籌莫展了。

機器蜘蛛

這是太空工程師從蜘蛛攀牆特技中得到靈感而創造出的。它安裝有一組天線模仿昆蟲觸角，當它邁動細長的腿時，這些觸角可探測地形和障礙。機器蜘蛛原形很小，直立高度僅18厘米，比人的手掌大不了多少。“蜘蛛俠”們不僅能攀爬太空越野車無法到達的火星陡坡地形，而且成本也經濟許多，這樣，一大批太空“蜘蛛俠”就會遍布在火星大地的各個角落。

機器鮪魚

機器鮪魚機器鮪魚是麻省理工學院自“查理”之後在機器魚研製方面取得的最新成果。這個新原型擁有柔軟的身體，體內只裝有1台發動機以及6個移動部件，使其能夠在更大程度上模擬真實魚的移動。

機器人壁虎

珠海新概念航空太空飛行器有限公司李曉陽博士和他領導的研究組，2008年11月15日研製成功仿生機器人壁虎“神行者”。仿生機器人壁虎“神行者”作為一種體積小、行動靈活的新型智慧型機器人，有可能在不久的將來廣泛套用於搜尋、救援、反恐，以及科學實驗和科學考察。據李曉陽博士介紹，這種機器人壁虎，能在各種建築物的牆面、地下和牆縫中垂直上下迅速攀爬，或者在天花板下倒掛行走,對光滑的玻璃、粗糙或者粘有粉塵的牆面以及各種金屬材料表面都能夠適應，能夠自動辨識障礙物並規避繞行，動作靈活逼真。其靈活性和運動速度可媲美自然界的壁虎。

機器水母

美國海軍研究辦公室研製一種“機器水母”，它可用於監測水面艦船和潛艇，探測化學溢出物，以及監控回遊魚類的動向。這些機器水母是由生物感應記憶合金製成的細線連線，當這些金屬細線被加熱時，就會像肌肉組織一樣收縮。