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機(jī)器人仿生學(xué)研究綜述**

張秀麗，鄭浩峻，陳懇，段廣洪

（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

摘編自《機(jī)器人》2002年2期：188~192頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

1　引言

自然界在億萬年的演化過程中孕育了各種各樣的生物，每種生物都擁有神奇的特性與功能，能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中生存下來。因此，通過研究、學(xué)習(xí)、模仿來復(fù)制和再造某些生物特性和功能，將極大的提高人類對(duì)自然的適應(yīng)和改造能力，產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)60年代初誕生的仿生學(xué)（Bionics），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?，F(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)延伸到很多領(lǐng)域，機(jī)器人學(xué)是其主要的結(jié)合和應(yīng)用領(lǐng)域之一，這方面的研究引起各國相關(guān)研究人員和專家的極大興趣和關(guān)注，取得了大量可喜成果和積極進(jìn)展，可歸納為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群體仿生五個(gè)方面，本文從這五個(gè)方面總結(jié)和評(píng)述了國內(nèi)外機(jī)器人仿生學(xué)的研究現(xiàn)狀、特點(diǎn)、主要成果以及發(fā)展趨勢(shì)。

2　結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生是通過研究生物肌體的構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置，通過結(jié)構(gòu)相似實(shí)現(xiàn)功能相近。

2.1 海洋動(dòng)物仿生——獨(dú)特的形體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式

海洋動(dòng)物的形體幾何參數(shù)、組織系統(tǒng)形態(tài)及皮膚構(gòu)造機(jī)理符合流體動(dòng)力學(xué)特性，能很好的適應(yīng)水生環(huán)境。如魚類具有流線型輪廓，可以減少運(yùn)動(dòng)時(shí)水流對(duì)身體的阻力；魚類直線前進(jìn)的速度雖然遠(yuǎn)遜于螺旋槳驅(qū)動(dòng)的船只，但它們的急轉(zhuǎn)和起動(dòng)速度卻無與倫比，轉(zhuǎn)彎空間不到身體長度的一半，且具有高速高效、高機(jī)動(dòng)性、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。魚類常見的推進(jìn)方式有兩種：1）尾鰭或身體擺動(dòng)，波動(dòng)推進(jìn)；2）胸鰭擺動(dòng)，劃動(dòng)前進(jìn)[1]?；谖馋捦七M(jìn)的仿魚形機(jī)器人有約翰。庫普等制造的機(jī)器金槍魚Tuna和機(jī)器梭魚Pike、梁建宏研制的機(jī)器魚Robofish等。這三種機(jī)器人均具有多關(guān)節(jié)魚身，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)軀體擺動(dòng)?；谛伥捦七M(jìn)的魚形機(jī)器人有Kato等研制的仿鱸魚機(jī)器人和Toshio提出的微型水下浮游機(jī)器人。這種機(jī)器人通過胸鰭動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以及在水平面和垂直面的盤旋及轉(zhuǎn)向[2]。

海豚、海龜?shù)葎?dòng)物，身體具有柔性，能夠通過骨架及充氣的肺部的變形，使身體形狀、截面發(fā)生變化，改變水流對(duì)身體作用力的方向；它們的皮膚為層狀分布，身體中段彈性小，尾部彈性大；皮膚表層的特殊物質(zhì)，使皮膚與水的邊界發(fā)生層化，減小了水的阻力。Babenko等模仿海洋動(dòng)物特殊的結(jié)構(gòu)和表面層特性，制造了多功能水下無人機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人具有類似海龜?shù)耐庑?，表面覆有層狀彈性層，使其在水下的運(yùn)動(dòng)能較好的符合流體動(dòng)力學(xué)特性[3]。

2.2 蛇類仿生——高冗余自由度

蛇體結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是：無四肢，脊椎數(shù)目多，這種高冗余度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，使軀體能夠靈活變形，產(chǎn)生多種運(yùn)動(dòng)方式，可在凹凸不平、松軟或狹小彎曲的地方運(yùn)動(dòng)并保持力學(xué)穩(wěn)定性。仿蛇形機(jī)器人具有多于確定機(jī)器人空間位姿所需的自由度，能靈活地避開障礙物；而且，可以通過機(jī)構(gòu)內(nèi)部的變形來獲得動(dòng)力，不需要額外的驅(qū)動(dòng)輪、動(dòng)力足或牽引車等動(dòng)力系統(tǒng)。Date等提出了由主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)輪組成的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，被動(dòng)輪用于改變系統(tǒng)縱橫摩擦系數(shù)比，通過控制各關(guān)節(jié)姿態(tài)角實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蜿蜒前進(jìn)[4]。Fumitoshi等研究了蛇形機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)原則及冗余度可控性，提出通過機(jī)器人的冗余自由度或給定理想狀態(tài)參數(shù)可以避免蛇體位姿奇異值的產(chǎn)生[5]。Shigeo Hirose等研制的蛇形機(jī)器人“ACM-R1”具有正弦波運(yùn)動(dòng)方式，能夠靈活的穿行于狹小空間[6]。呂恬生等在提“蛇體基本曲線”概念的基礎(chǔ)上，采用“脊梁曲線法”比較系統(tǒng)地解決了蛇式運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模擬問題[7,8]。

2.3 變形蟲仿生——形體的幾何可變性

變形蟲是一種低等的原生動(dòng)物，可以任意改變形體，從不同方向伸出偽足，依靠偽足運(yùn)動(dòng)。模擬變形蟲研制的具有變形能力的機(jī)器人，由于其幾何結(jié)構(gòu)的可變性，能到達(dá)狹小曲折的空間，具有較大的操作靈活性，成為機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。Hiroshi等利用“軟機(jī)械（soft-mechanics）”技術(shù)構(gòu)造了機(jī)器變形蟲，它由多個(gè)具有傳感器、指示器、控制器和執(zhí)行器的同構(gòu)機(jī)器人模塊組成，通過振動(dòng)勢(shì)能法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、避障、變形等能力[9]。

變形機(jī)器人的另一類是自重構(gòu)機(jī)器人（self-reconfiguring robot，這種機(jī)器人具有自安裝、自修理、主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的能力。Keith等用4自由度的機(jī)器人模塊“Molecule”，作為自重構(gòu)機(jī)器人的構(gòu)建單元，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的三維移動(dòng)和變形[10]。Chirikjian提出的“多細(xì)胞機(jī)器人變形系統(tǒng)”，由6根等長桿構(gòu)成平面閉環(huán)機(jī)構(gòu)，通過各桿位置的變化實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)整體變形。清華大學(xué)的鄭浩峻利用拓?fù)鋱D、分枝樹等數(shù)學(xué)工具，從理論上深入研究了自重構(gòu)機(jī)器人的可重組性，并構(gòu)造了模塊機(jī)器人樣機(jī)[11]。

2.4 人體仿生——高度靈活性和功能復(fù)雜性

人的四肢是由骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)以及韌帶組成的多關(guān)節(jié)彈性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)確保人體能夠靈活運(yùn)動(dòng)，完成復(fù)雜動(dòng)作。對(duì)人體的仿生以及擬人機(jī)器人的研究是仿生機(jī)器人領(lǐng)域的最高目標(biāo)。張永軍等根據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)原理，提出一種上肢仿生機(jī)構(gòu)，并針對(duì)所提出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)[12]。人體下肢具有緩沖、節(jié)能等特點(diǎn)，是一種高效的步行機(jī)構(gòu)，馬建旭等模仿人體下肢設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式彈性步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的小腿中安置彈性裝置，通過四組并聯(lián)彈性元件和以機(jī)器人腿外殼為機(jī)架的四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合，產(chǎn)生緩沖、儲(chǔ)能效果[13]。

3　材料仿生

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對(duì)構(gòu)建機(jī)器人的材料提出了越來越高的要求，一些柔性鉸鏈、柔體機(jī)器人的建造需要高強(qiáng)度、高韌性、變形可控的高性能材料；服務(wù)型機(jī)器人需要具有感知功能的智能材料來提高機(jī)器人的安全性。由此，在機(jī)器人領(lǐng)域出現(xiàn)了材料仿生這一研究方向，即從生物功能的角度來考慮材料的設(shè)計(jì)與制作，通過對(duì)生物體材料構(gòu)造與形成過程的研究及仿生，使材料具有特殊的強(qiáng)度、韌性以及一些類生物特性。近幾年，一些具有人體皮膚、肌肉性能的仿生皮膚、人造肌肉以及一些集傳感、控制、驅(qū)動(dòng)三種功能于一身的智能材料被研究出來，用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、傳感等領(lǐng)域，如：形狀記憶合金、電致流變流體材料、磁致流變流體材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、光導(dǎo)纖維和功能凝膠等[14]。美國航天局加州噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用一種輕型聚合物研制出用于微型航天器的人造肌肉，這種用輕型電池驅(qū)動(dòng)的人造肌肉，被電荷激活后，能夠伸長、收縮和彎曲，可以抓住并舉起石頭，具有手指一樣的靈活性。Methran等將高分子電解質(zhì)離子交換膜（IEM）鍍?cè)诮饘巽K片上，在外加電場(chǎng)的作用下，IEM產(chǎn)生類似鰻魚的波動(dòng)，帶動(dòng)金屬鉑片一起擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，可用于水下機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)[2]。李明東等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA絲（形狀記憶合金）來驅(qū)動(dòng)一個(gè)微型機(jī)器人手臂，將機(jī)器人傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式（joint-actuated）轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪怛?qū)動(dòng)方式（muscle-actuated）[15]。

4　功能仿生

功能仿生的目的是使人造的機(jī)械具有或能夠部分實(shí)現(xiàn)高級(jí)動(dòng)物豐富的功能，如思維、感知、運(yùn)動(dòng)、操作等，這在智能機(jī)器人的研究中具有重大意義。

4.1 大腦功能仿生

大腦是人與動(dòng)物的高級(jí)神經(jīng)中樞，是思維活動(dòng)的物質(zhì)載體。微電子技術(shù)的發(fā)展使人們能夠用仿生芯片代替腦部的特定功能區(qū)，Tsai R. H。等采用模擬/數(shù)字混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)微芯片（Mixed-analog/digital Neural Network Microchip）制成了海馬神經(jīng)元，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行信號(hào)處理，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分類、識(shí)別，這項(xiàng)技術(shù)可用于腦損傷的治療，也為未來仿生腦的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[16]。情態(tài)是大腦思維的重要表現(xiàn)，對(duì)情態(tài)的仿生將大大提高人機(jī)交互的友好與融洽。日本早稻田大學(xué)研制的“眼神機(jī)器人”，通過面部的仿生皮膚及皮膚下面模擬肌肉和神經(jīng)的精密系統(tǒng)，能夠自由地眨眼、轉(zhuǎn)動(dòng)眼珠，表現(xiàn)出高興、傷心、憤怒、尷尬等人類的表情。NEC開發(fā)的伴侶機(jī)器人“PaPeRo”，麻省理工學(xué)院研制的嬰兒機(jī)械人“基斯梅特”，東京理科大學(xué)厚文雄教授等研制的女性面孔機(jī)器人，Sony開發(fā)的智能機(jī)器狗Aibo等，均具有情態(tài)表達(dá)的功能，能夠與人進(jìn)行一定程度的交流，滿足人類生活或情感的需要。

4.2 感知仿生

感知系統(tǒng)是生物體的信息輸入通道，對(duì)生物體的行動(dòng)、決策具有重要作用。對(duì)動(dòng)物視覺、聽覺、觸覺等感知功能的研究，有助于工程問題的解決。Johns Hopkins大學(xué)以靈長類視覺辯識(shí)系統(tǒng)為模型，模仿視網(wǎng)膜及大腦視覺功能區(qū)，研制出能實(shí)現(xiàn)視網(wǎng)膜三層細(xì)胞中第一層細(xì)胞能力的視覺功能芯片。裝有這種芯片的機(jī)器人可應(yīng)用到看護(hù)、外科手術(shù)、制造業(yè)以及電視會(huì)議方面。昆蟲的視覺與脊椎動(dòng)物相比是比較低級(jí)的，眼體不夠靈活，焦距一般也固定。但在漫長的進(jìn)化過程中，它們卻具有了敏銳發(fā)現(xiàn)物體的能力。Srinivasan等對(duì)蚱蜢的凝視機(jī)理、蜜蜂飛過管道的導(dǎo)航行為、采蜜時(shí)的定心能力進(jìn)行研究，分別得出了物體范圍確定方法、狹長通道導(dǎo)航技術(shù)和障礙密集環(huán)境中的路徑規(guī)劃算法[17]。動(dòng)物的聽覺也能給人巨大的啟示，Peremans等模仿蝙蝠制造的超聲波仿生聲納頭，可實(shí)現(xiàn)物體的三維定位[18]；Rucci等利用一個(gè)裝有麥克風(fēng)和攝像頭的機(jī)器人來模仿倉號(hào)鳥敏銳的視聽系統(tǒng)，用于研究機(jī)器人視覺與聽覺的協(xié)調(diào)[19]。仿生機(jī)械手的靈活操作及復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)，需要手部具有觸覺、滑覺、力覺等感知能力。張玲等將具有壓電、熱釋電效應(yīng)的聚偏二氟乙烯（PV DF）以立式、螺旋式纏繞在合成橡膠基片上的高分子充水薄膜微球中，制成仿生皮膚傳感器，可實(shí)現(xiàn)任意分布的觸覺、滑覺、溫覺的感知功能[20]。

4.3 運(yùn)動(dòng)仿生

動(dòng)物經(jīng)過億萬年的物種演化，產(chǎn)生了形式多樣的運(yùn)動(dòng)器官和運(yùn)動(dòng)形式，如行走、奔跑、跳躍、爬行、蠕動(dòng)、游泳、飛行等，使它們的生存范圍遍及水下、陸地和空中。人們模仿自然界中動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)器官，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能。迄今為止，機(jī)器人所采用的運(yùn)動(dòng)方式主要有：輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、振動(dòng)沖擊式、泳動(dòng)式、飛行式等。

5　控制仿生

5.1 高級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)仿生

模仿動(dòng)物高級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)理實(shí)現(xiàn)控制的方法主要有兩種：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由若干類似神經(jīng)元的處理單元相互連接，構(gòu)成一個(gè)龐大的信息處理系統(tǒng)，在復(fù)雜環(huán)境中具有高度的適應(yīng)性和魯棒性。Berns應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)六足步行機(jī)“LAURON”實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)；馬培蓀等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法結(jié)合起來，采用力/位置混合控制，實(shí)現(xiàn)四足步行機(jī)“JTUWM-III”的慢速動(dòng)態(tài)行走。

5.2 低級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)仿生

5.2.1 行為主義控制理論

昆蟲沒有存貯、規(guī)劃、控制全身各部分運(yùn)動(dòng)的中心控制系統(tǒng)，是根據(jù)身體各部分的不同反應(yīng)，將一些局部看來漫無目標(biāo)的動(dòng)作合成為有意義的生物行為，它的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，卻很靈活?；诶ハx智能產(chǎn)生的行為主義控制方法，基本思想在于：機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由一系列同時(shí)發(fā)生的簡(jiǎn)單動(dòng)作或“能力”組成，通過自組織實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜行為，這種“無思考智能”具有即時(shí)性和自組織的特點(diǎn)，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有良好的適應(yīng)性。著名的應(yīng)用行為控制理論的機(jī)器人有MIT的Brooks的“Genghis”六足機(jī)器人、“阿蒂拉-I”機(jī)器人、“Hannibal”六足機(jī)器人、瑞士洛桑大學(xué)的“克伯拉”機(jī)器人以及美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室的“V bug”系列機(jī)器人等[11]。

5.2.2 中心模式發(fā)生器

動(dòng)物界最常見的運(yùn)動(dòng)方式是節(jié)律運(yùn)動(dòng)（rhythmicmotion），如走、跑、跳、泳、飛等。生物學(xué)家普遍認(rèn)為，節(jié)律運(yùn)動(dòng)并不是大腦的刻意行為，而是低級(jí)神經(jīng)中樞的反射行為，由位于脊髓中的中心模式發(fā)生器（CPG）產(chǎn)生。CPG是一個(gè)神經(jīng)振蕩電路，能夠通過自激振蕩激發(fā)身體的節(jié)律運(yùn)動(dòng)[21,22]。工程界一般將CPG建模為一組互相耦合的非線性振蕩器組成的分布系統(tǒng)，通過相位耦合實(shí)現(xiàn)節(jié)律信號(hào)的發(fā)生。從80年代初Cohen提出第一個(gè)CPG模型，人們一直在這方面進(jìn)行著探索和研究。Cohen等通過對(duì)脊髓控制下七鰓鰻運(yùn)動(dòng)行為的研究，構(gòu)造出CPG控制電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器人腿的“走”和“跑”兩種運(yùn)動(dòng)[23-25]。Agaki等利用一個(gè)局部通信的非線性振蕩器來模擬CPG，控制一個(gè)分布自律式四足機(jī)器馬，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器馬的“走”、“小跑”、“奔跑”三種步態(tài)[26]。

5.3 進(jìn)化機(jī)制的仿生——遺傳算法

遺傳算法是模擬生物界“優(yōu)勝劣汰，適者生存”這一進(jìn)化法則而產(chǎn)生的一種控制算法，特別適用于非線性復(fù)雜大系統(tǒng)的全局優(yōu)化。機(jī)器人是難以精確建模的復(fù)雜系統(tǒng)，可以利用遺傳算法來控制機(jī)器人的復(fù)雜行為，如軌跡優(yōu)化，冗余機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解，細(xì)胞機(jī)器人的結(jié)構(gòu)位形優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)規(guī)則確定等。Floreano等首次在機(jī)器人“Khepera”上以實(shí)時(shí)在線方式應(yīng)用了行為進(jìn)化理論。相應(yīng)于遺傳算法的是演化硬件（EHW），這是一種象生物一樣可以根據(jù)環(huán)境變化改變自身結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成電路，Thompson采用內(nèi)部演化的算法將這種硬件用于機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)的控制[27]。

6　群體仿生

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人面臨更加復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，如機(jī)器人生產(chǎn)線、柔性加工工廠、消防、無人作戰(zhàn)機(jī)群等。一些作業(yè)單個(gè)機(jī)器人往往難以完成，需要多個(gè)機(jī)器人協(xié)作。多機(jī)器人系統(tǒng)是模仿螞蟻、蜜蜂以及人的社會(huì)行為而衍生的一種仿生系統(tǒng)，通過個(gè)體之間的合作完成某種社會(huì)性行為。群體仿生的目的在于：通過群體行為增強(qiáng)個(gè)體智能，提高系統(tǒng)整體工作效率，減少局部故障對(duì)整體的影響。從1996年開始的機(jī)器人世界杯足球賽是典型的多機(jī)器人系統(tǒng)，球隊(duì)中的機(jī)器人通過相互作用產(chǎn)生系統(tǒng)的“組行為”，從而表現(xiàn)出“組智能”，實(shí)現(xiàn)團(tuán)體功能[28]。Flocchini通過對(duì)多機(jī)器人的布局行為和聚結(jié)功能的研究，分析了多機(jī)器人系統(tǒng)分布式合作及組智能產(chǎn)生的機(jī)理[29]。Michael和Kube等研究了群居昆蟲的組隊(duì)收集食物和合作搬運(yùn)物體的行為，驗(yàn)證了群居昆蟲的社會(huì)性行為是自組織的結(jié)果[30,31]。

7　結(jié)論

綜上所述，機(jī)器人仿生學(xué)已經(jīng)涉及結(jié)構(gòu)、材料、功能、控制以及系統(tǒng)仿生等多方面。雖然整體發(fā)展水平較低，應(yīng)用范圍也較窄，但帶給人們的啟示是巨大的。21世紀(jì)，人類的科學(xué)技術(shù)將高度發(fā)展，要解決象智能機(jī)器人、擬人機(jī)器人這樣的科學(xué)難題，必須向自然界學(xué)習(xí)，從自然界為人類提供的豐富多彩的實(shí)例中尋求解決問題的途徑。通過對(duì)自然界更完美的學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造，發(fā)現(xiàn)和發(fā)展相關(guān)的理論和技術(shù)方法，這正是機(jī)器人仿生學(xué)的研究任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì)。