探究仿生机器人的研究现状与前景

自然界的生物为科学家们提供了源源不断的解决问题的新方法和思路。作为连接生物与技术的桥梁，20世纪60年代美国斯蒂尔提出了“仿生学（Bionics）”这一专门术语，从此之后，仿生学作为一门独立的学科逐渐被大家接受。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门包括生命科学、物质科学、数学、力学、信息科学、工程技术及系统科学等多学科融合的交叉学科[1]。仿生机器人，即模仿生物的结构、形貌及运动特性等设计的性能优越的机电系统，是仿生学的技术综合和重要应用，也是仿生学与机器人领域应用需求的产物[2]。经过亿万年进化的动物界，为仿生机器人研究提供了新方法和途径，因此近年来模拟各种动物的仿生机器人不断涌现。总的来说，国内外研究人员主要从仿生结构、感知、运动控制等几个方面开展相关的研究。

一、仿生结构设计

生物体的精巧结构、运动原理和行为方式成为机器人良好的模仿对象。研究人员已经将具备高度灵活性和柔性的仿生机构应用到各类仿生机器人上。

国外，如美国哈佛大学的Wehner等人研制出全柔性、全自动小型章鱼机器人Octobot[3]，该机器人通过3D打印、塑形及软蚀刻技术制作而成，更为有意思的是，该机器人不需要电池，而是通过自带燃料实现动力供给。美国伊利诺伊大学香槟分校的Ramezani等人通过学习和研究蝙蝠的形貌特征和扑翼结构研制出超轻蝙蝠机器人BatBot，可以模拟蝙蝠飞行时翅膀的复杂动作，实现空中飞行和转弯，具备与蝙蝠媲美的敏捷性和机动性[4]。说起腿足型仿生机器人，享誉世界的美国波士顿动力公司，研制出当今世界上动态性能最强大的仿动物四足机器人，如Bigdog[5]和WildCat[6]，它们分别基于狗、猫等四足动物的腿足结构运动驱动方式，实现了在崎岖地形的平衡稳定行走、快速奔跑等，具备很强的复杂地形适应能力。

近年来，国内也掀起了仿生机器人的研究热潮，研制出了大量基于生物结构设计的先进仿生机器人。例如，北京航空航天大学的文力等人通过研究鱼软体吸盘的仿生原理，研制出仿生软体吸盘水下机器人[7]；受尺蠖、树懒等生物结构的爬树原理启发，华南理工大学的江励等人研制出仿生攀爬机器人[8]；南京航空航天大学的阮鹏等人研制出的仿壁虎机器人[9]，能够很好地模拟壁虎吸盘结构；中国科学院沈阳自动化研究所的叶长龙等人研制出的模仿蛇形结构的仿生机器人[10]。从结构上来说，这些仿生机器人与被模仿对象十分接近，并且也能再现部分功能。

二、仿生感知模拟

通过研究、学习、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机构，对生物体各种感知如视觉、听觉、触觉等部分功能进行模拟，研制出可以获取和处理信息的仿生传感器，为仿生机器人走向实际应用奠定了重要基础。(www.xing528.com)

美国哈佛大学的Duhamel等人利用昆虫光流导航的特征研制出33 mg的微型视觉传感器，实现了机器蜜蜂稳定的飞行姿态调整和控制[11]；欧盟的科学家们通过深入研究鱼在水中感知水流特性，基于微机电系统（MEMS）加工研制出微型侧向水流感知器，使得该机器鱼能更加自然、平滑地在水中游动[12]；英国西英格兰大学、法国巴黎第六大学分别研制出模仿实验鼠的机器胡须用来感知周围环境，该触觉系统可以替代视觉系统的功能，在夜间或能见度很低的环境感知触须传感器有望实现精准地确定物体的位置、形状和结构，对物体做出快速而准确的判断，并建立周围环境的电子信息地图[13]；日本东京农工大学的Ishida等人研制出基于气体传感器的嗅觉机器人可用来检测环境中的气体浓度，通过将气体传感器安装在伸长臂上，可以使机器人一直在气味内部搜索气味源，同时结合风向信息提高嗅觉定位机器人的工作效率[14]。

在模拟生物传感器方面的研究，国内虽然处于初级阶段，但也取得了一些原创性成果，如北京航空航天大学的申文强等人根据昆虫的复眼感光结构研制出质量轻、灵敏度高的偏振光感知仿生传感器，数据输出精度高，可以在多种环境下稳定工作[15]；中国科学院合肥智能机械研究所的孙鑫等人综合利用材料力学、有限元分析、模式识别等科学方法，研制出基于力敏导电橡胶的三维仿生柔性触觉传感器，该传感器通过三维（3D）打印技术制作模具，降低了传感器样机的制造难度，可提高各个敏感单元均一性和准确性[16]；北京理工大学的石青等人研制出可用于多种移动机器人导航与定位的全方位视觉装置，实现了机器人对周边360°范围实时检测和感知[17]。

三、仿生运动控制

分析自然界中动物及人类的运动机理，为仿生机器人的运动实现提供了重要依据。根据模仿各类动物，仿生机器人可以实现如行走、奔跑、跳跃、爬行、蠕动、游动、飞行等各式各样的运动形式。

美国波士顿动力公司研制出当今世界上动力性能最强的双足机器人Atlas[18]，当前的版本能够轻巧地跑步前进，连贯地跳过障碍物，而且可以实现后空翻、单腿跳等连人类都不易实现的高难度动作，将机器人的动态性能发挥到极致；日本东京工业大学Hirose率领的科研团队在世界上第一次研制出蛇形机器人，该机器人以其多运动步态、能够适应复杂地形多变环境的特点，在危险地段或灾区搜救方面具备客观的应用前景[19]；瑞士洛桑联邦理工学院Karakasiliotis等人研制出含多关节的仿蝾螈机器人[20]，通过中央模式生成器控制各个模块，能够实现陆地灵巧爬行和水上敏捷游动两种运动模态，与真实蝾螈的两栖运动十分接近；德国Festo公司研制的模仿海鸥设计的飞行机器人SmartBird[21]，它的飞行方式不再是单纯地上下扑动翅膀，而是能够同时进行扭转运动，进一步提高了仿鸟机器人的灵活性及其在空气动力学方面的性能，在飞行方式上非常接近自然界中的鸟类。

近年来，国内仿生机器人运动控制实现了快速发展，代表性的有中国科学院自动化研究所喻俊志等人研制的高机动仿生机器鱼[22]，可以实现与真鱼接近的水中快速游动、翻转、跳跃等多种运动方式；山东大学、哈尔滨工业大学等研制的液压驱动四足仿生机器人[23，24]，具备四足行走、慢跑、爬坡等运动能力；近期浙江大学朱秋国等人研制出的“绝影”四足机器人[25]，具备灵敏的动作、快速的反应、极强的平衡能力，实现了我国四足机器人的巨大飞跃；北京理工大学石青等人最新研制出的仿生机器鼠，可以灵活地实现攀爬、扭转、抬升等与真实实验鼠类似的动作[26]。