馬進(jìn)，胡潔，朱國牛，戚進(jìn)

（1. a.上海交通大學(xué) 感知科學(xué)與工程學(xué)院 b.上海交通大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200240；2.新加坡南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡 639798）

隨著國際安全形勢(shì)的不斷演進(jìn)，新技術(shù)革命涌入戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求的不斷增多，軍用機(jī)器人越來越多地被用于執(zhí)行反恐、作戰(zhàn)、保障和偵察等各種任務(wù)。而天氣、地形和態(tài)勢(shì)等復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境給軍事機(jī)器人執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)帶來了極大的困難，對(duì)軍事機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)力提出了更高的要求。而自然界中的生物經(jīng)過億萬年演化和自然選擇，進(jìn)化出了神奇的特性或功能，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境且具有高可靠性，這為軍事機(jī)器人的研制提供了寶貴的設(shè)計(jì)激勵(lì)源。通過生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)，融合多學(xué)科知識(shí)來學(xué)習(xí)、模擬和復(fù)制生物體的功能、行為或結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步開展仿生學(xué)研究，從而開發(fā)軍事仿生機(jī)器人成為當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。軍事仿生機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，將能夠在未來復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，提供更有效的戰(zhàn)場(chǎng)支持[1]，極大地促進(jìn)對(duì)未來作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的控制，甚至將帶來海陸空作戰(zhàn)部隊(duì)立體編成乃至作戰(zhàn)戰(zhàn)略的深刻變革。對(duì)現(xiàn)有的基于設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的軍事仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)分析和總結(jié)，可以了解相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，探索研究前沿和研究方向，為后續(xù)設(shè)計(jì)服務(wù)于國家戰(zhàn)略需求提供有效參考。

1 相關(guān)概念及理論

仿生機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域新興的研究方向，已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天和搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域。相比其他領(lǐng)域的應(yīng)用，軍事仿生機(jī)器人的工作環(huán)境更為復(fù)雜、惡劣，因此對(duì)其本體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制等提出了更加嚴(yán)苛的要求，其研發(fā)過程是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。軍事仿生機(jī)器人研發(fā)過程實(shí)質(zhì)上是仿生學(xué)、心理學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科的交叉融合。上世紀(jì)末美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）與國防部等軍事機(jī)構(gòu)率先開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究，制定了一系列的開發(fā)計(jì)劃，如聯(lián)合機(jī)器人計(jì)劃（Joint Robotics Program，JRP）[3]、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人系統(tǒng)（Standardized Robotics Systems，SRS）[4]、未來作戰(zhàn)系統(tǒng)（Future Combat System，F(xiàn)CS）等[5]。融合仿生學(xué)方法的生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)則為軍事仿生機(jī)器人研發(fā)提供了有效的技術(shù)手段。以下對(duì)設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)和軍事仿生機(jī)器人相關(guān)概念和理論進(jìn)行介紹和解讀。

1.1 設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)

1.1.1 設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)內(nèi)涵

設(shè)計(jì)的本質(zhì)是多學(xué)科融合創(chuàng)新的過程。設(shè)計(jì)作為一門科學(xué)其目的在于通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，并開發(fā)與此相對(duì)應(yīng)的知識(shí)和應(yīng)用，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)成果[6]。而形態(tài)學(xué)是探尋生物體形態(tài)產(chǎn)生、發(fā)展及相關(guān)機(jī)理的學(xué)問。設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)作為設(shè)計(jì)領(lǐng)域“形態(tài)學(xué)”研究的學(xué)科，本質(zhì)是對(duì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行架構(gòu)性分析，以及對(duì)典型對(duì)象各組成部分、要素、整體形態(tài)進(jìn)行探究和分析，以啟迪創(chuàng)新的科學(xué)。從歷史的維度看，設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的演進(jìn)過程，從最早的藝術(shù)形態(tài)學(xué)，到從生物學(xué)、藝術(shù)學(xué)和工學(xué)等單一角度來研究的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)，進(jìn)而到仿生學(xué)、信息科學(xué)和心理學(xué)等多學(xué)科交叉融合的廣義設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)，是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過程。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)研究，側(cè)重于產(chǎn)品、建筑、平面和藝術(shù)品等造型設(shè)計(jì)與美學(xué)關(guān)系的研究，強(qiáng)調(diào)形與態(tài)在哲學(xué)上的統(tǒng)一，突出設(shè)計(jì)美學(xué)思想。而現(xiàn)代產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)過程主要側(cè)重于功能、結(jié)構(gòu)、行為、原理和藝術(shù)等的相互交融，與仿生學(xué)、信息學(xué)、工學(xué)和心理學(xué)等學(xué)科緊密關(guān)聯(lián)[7]。

生物在自然界億萬年進(jìn)化和選擇中，演化出了極其精確和完善的機(jī)制以適應(yīng)內(nèi)外界的環(huán)境變化。研究自然界生物的優(yōu)異能力及其機(jī)理，并將其應(yīng)用到新技術(shù)裝備設(shè)計(jì)和制造中被稱為仿生。很多對(duì)人類社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生巨大推動(dòng)力的發(fā)明都源自仿生，例如模仿風(fēng)滾草制造的車輪，模仿游魚發(fā)明的船櫓等。雖然仿生活動(dòng)已開展了近500 萬年，但仿生學(xué)（Bionics）作為一門系統(tǒng)的科學(xué)，直到1960 年9 月才在俄亥俄州召開的第一次仿生學(xué)會(huì)議上被提出[8-9]。仿生學(xué)通過研究生物體功能、行為和結(jié)構(gòu)原理，對(duì)其進(jìn)行模仿并應(yīng)用于工程領(lǐng)域[10]。

融合仿生學(xué)方法生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)作為設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的重要分支，在模仿自然界中生物激勵(lì)源的同時(shí)，全面考慮了生物體形態(tài)、動(dòng)作結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)策略和信息感知等因素，融合了多學(xué)科知識(shí)以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)支持，兩者的有機(jī)結(jié)合促進(jìn)了工程領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)活動(dòng)的開展。融合仿生學(xué)方法及生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)，在設(shè)計(jì)過程中首先獲取自然界生物領(lǐng)域激勵(lì)源，再通過抽取其中蘊(yùn)涵的模式來獲取“形（結(jié)構(gòu)等外在形狀）”和“態(tài)（功能和行為等蘊(yùn)含的內(nèi)在狀態(tài)）”，并經(jīng)多學(xué)科融合來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和技術(shù)模型，并將其從生物領(lǐng)域類推到工程領(lǐng)域，最后通過美學(xué)設(shè)計(jì)、工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)或材料等來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置，完成系統(tǒng)的創(chuàng)新過程。融合仿生學(xué)方法生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)過程模型見圖1。

圖1 融合仿生學(xué)方法生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)過程模型Fig.1 Design morphology process model in bio-inspired mode incorporating bionics method

1.1.2 設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)要素

設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的 2 個(gè)組成元素是設(shè)計(jì)范疇下的“形”和“態(tài)”。設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)中的“形”是指包括組成部分、幾何尺寸、材料和色彩等結(jié)構(gòu)化的外在形狀。設(shè)計(jì)產(chǎn)品為實(shí)現(xiàn)特定狀態(tài)，需要具有一定的強(qiáng)度、剛度。設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)中的“態(tài)”則是功能、原理、行為、美學(xué)特征和價(jià)值等的內(nèi)在狀態(tài)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的即利用特定形狀來表達(dá)產(chǎn)品不同的功能特征或價(jià)值取向等。在設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)中，“形”是設(shè)計(jì)的物質(zhì)載體，“態(tài)”是設(shè)計(jì)的意識(shí)傳達(dá)，二者互為依存，“形”必傳達(dá)一定的“態(tài)”，“態(tài)”則反過來決定了“形”的式樣。

融合仿生學(xué)方法生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)，通過抽取生物領(lǐng)域激勵(lì)源中的行為、功能和原理等“態(tài)”元素，利用數(shù)學(xué)建模等方法，來分析并挖掘其中蘊(yùn)含的動(dòng)作或運(yùn)動(dòng)機(jī)理等，采用機(jī)構(gòu)、材料和色彩等“形”元素對(duì)其在工程領(lǐng)域進(jìn)行重新表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)中的“形”和“態(tài)”涉及多學(xué)科的交叉融合，通過多學(xué)科交叉融合能夠分析和理解事物外形表象下蘊(yùn)含的“態(tài)”，并通過多學(xué)科交叉融合將其運(yùn)用到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的表達(dá)中。

1.2 軍事仿生機(jī)器人

1.2.1 軍事仿生機(jī)器人內(nèi)涵

軍事仿生機(jī)器人是設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)和軍事機(jī)器人需求的高度融合，研發(fā)人員從自然界各種生物中獲得靈感，創(chuàng)造出眾多能夠執(zhí)行作戰(zhàn)和戰(zhàn)略任務(wù)的高性能仿生機(jī)器人，極大地促進(jìn)了軍事裝備的發(fā)展。

軍事仿生機(jī)器人繼承了軍事機(jī)器人的特點(diǎn)，同時(shí)又具有仿生系統(tǒng)的特點(diǎn)，其具有以下戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)：較高的運(yùn)動(dòng)靈活性和智能化程度；較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力；絕對(duì)服從軍事指揮和命令；全天候、全方位的戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)能力；較低的作戰(zhàn)費(fèi)用等。

自20 世紀(jì)60 年代以來，國內(nèi)外軍事仿生機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)歷了3 個(gè)主要階段：固定或可編程遙控指揮階段、具有感知功能的半自助作戰(zhàn)階段及具有智能決策能力的自主無人作戰(zhàn)階段[11]。固定或可編程遙控指揮軍事仿生機(jī)器人即按照作戰(zhàn)需求將描述特定功能的代碼存儲(chǔ)到軍事機(jī)器人內(nèi)部，通過專業(yè)人員遙控指揮完成遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)任務(wù)，但該類機(jī)器人缺乏必要的反饋環(huán)節(jié)。具有感知功能的半自助軍事仿生機(jī)器人能夠通過視覺、觸覺等多種傳感器感知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境并反饋到作戰(zhàn)指揮端。該類機(jī)器人具有感知功能和一定的決策能力，能夠處理簡(jiǎn)單的任務(wù)，但當(dāng)遇到復(fù)雜軍事任務(wù)時(shí)仍然需要人員干預(yù)。具有智能決策能力的自主無人軍事仿生機(jī)器人具有較高的智能化程度，能夠通過自主學(xué)習(xí)和推理動(dòng)態(tài)來適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，自主完成感知—決策—執(zhí)行過程，成功避開障礙、智能識(shí)別目標(biāo)，并主動(dòng)執(zhí)行搜索、救援、偵察等多種任務(wù)，無需人員操控。

1.2.2 軍事仿生機(jī)器人分類

軍事仿生機(jī)器人作為軍事機(jī)器人的重要分支，其分類較為復(fù)雜。例如，按照其運(yùn)動(dòng)方式的不同，可以分為跳躍軍事仿生機(jī)器人、輪式軍事仿生機(jī)器人、足式軍事仿生機(jī)器人及爬行軍事仿生機(jī)器人等[2]。按照機(jī)器人軍事功能進(jìn)行分類，可分為作戰(zhàn)與攻擊、偵察與探險(xiǎn)、排雷與排爆、防御與保安、后勤與維修、防化與防輻射等[12]。按照其作戰(zhàn)域的不同，可以劃分為陸地軍事仿生機(jī)器人、水下軍事仿生機(jī)器人和空中（間）軍事仿生機(jī)器人[2]，見圖2。

圖2 軍事仿生機(jī)器人分類Fig.2 Categories of military bionics robotics

1.3 基于設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)

分析和研究自然形態(tài)和人為形態(tài)的原理是構(gòu)成設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)[13]。仿生設(shè)計(jì)方法作為設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)理論體系的重要組成部分，其通過設(shè)計(jì)仿生將繁復(fù)的感性模仿和瞬間思維上升到統(tǒng)一的理性思維，從而完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿生活動(dòng)，這為軍事仿生機(jī)器人研發(fā)過程中從眾多構(gòu)思中凝練出最準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)概念提供了有力的方法?；谠O(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)表現(xiàn)為一種由粗到精、由抽象到具體、由模糊到清晰不斷演化的過程。融合仿生學(xué)方法生物激勵(lì)模式下的設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)能夠利用生物學(xué)、工學(xué)、信息科學(xué)和藝術(shù)學(xué)等多各學(xué)科系統(tǒng)地獲取生物領(lǐng)域激勵(lì)源，分析、抽取并構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)從生物領(lǐng)域到工程領(lǐng)域的跨領(lǐng)域類推，在工程領(lǐng)域模擬實(shí)現(xiàn)自然界生物優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)等特性，完成新型軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的理論體系、強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉、強(qiáng)調(diào)融合創(chuàng)新，這與軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)需求不謀而合。

2 軍事仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀

隨著作戰(zhàn)任務(wù)和軍事需求的不斷增多，軍事仿生機(jī)器人呈現(xiàn)出種類繁多、形態(tài)各異、功能多樣等特點(diǎn)。以下從設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)角度出發(fā)，從陸地軍事仿生機(jī)器人、水下軍事仿生機(jī)器人和空中（間）軍事仿生機(jī)器人3 個(gè)方面對(duì)當(dāng)前軍事機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)分析。

2.1 陸地軍事仿生機(jī)器人

自然界中存在著眾多的陸生生物，為了適應(yīng)不同的環(huán)境進(jìn)化出了獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式。從設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合軍事功能，國內(nèi)外研發(fā)人員開發(fā)了一系列陸地軍事仿生機(jī)器人，以用于執(zhí)行后勤保障、偵察排險(xiǎn)和防化防輻射等危險(xiǎn)任務(wù)。根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的不同，陸地軍事仿生機(jī)器人可以劃分為跳躍機(jī)器人、足式機(jī)器人、攀爬機(jī)器人和挖掘機(jī)器人等。

2.1.1 跳躍機(jī)器人

跳躍機(jī)器人研究最早起源于1969 年美國國家航天局阿波羅登月計(jì)劃[14]。隨后各國科研機(jī)構(gòu)廣泛開展了跳躍機(jī)器人研究。跳躍機(jī)器人見圖3。如圖3a，東京大學(xué)NIIYAMA R 等[15]對(duì)自然界中眾多生物跳躍形態(tài)進(jìn)行了深入、細(xì)致的分析，探尋了其中蘊(yùn)涵的形態(tài)特征和規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)雙足跳躍機(jī)器人Mowgli，其跳躍高度能達(dá)到自身體長的1.5 倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)跳躍和著陸運(yùn)動(dòng)的靈巧控制。Mowgli 每條腿由3 個(gè)帶有McKibben 氣動(dòng)系統(tǒng)的肌肉執(zhí)行器和被動(dòng)彈簧組成的全驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)（即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)），以及一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)組成。如圖 3b，德國費(fèi)斯托（FESTO）公司[16]模仿袋鼠運(yùn)動(dòng)機(jī)理開發(fā)了由髖關(guān)節(jié)、尾部和腿部驅(qū)動(dòng)構(gòu)成的雙足跳躍機(jī)器人Bionic-Kangroo，其運(yùn)動(dòng)過程分為起跳、騰空和著陸3 個(gè)階段，并通過各關(guān)節(jié)的配合來實(shí)現(xiàn)跳躍和穩(wěn)定著陸。如圖3c，ZAITSEV V 等[17]受沙漠蝗蟲形態(tài)啟發(fā)研制了雙足跳躍TAUB 機(jī)器人，其跳躍機(jī)構(gòu)由模仿沙漠蝗蟲股骨和脛骨結(jié)構(gòu)比例構(gòu)成的雙腿組成，股骨和脛骨之間采用扭力彈簧連接以模仿蝗蟲腿的儲(chǔ)能和跳躍功能。TAUB 腿部開口角度最大可達(dá)150°，能夠在自重22.6 g 的前提下完成3 m 的跳躍高度或距離。如圖3d，SCARFOGLIERO U 等[18]對(duì)自然界中蟋蟀的腿部形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)和彈跳機(jī)理進(jìn)行剖析，搭建了一款重量15 g、長度50 mm 的四足跳躍微型機(jī)器人Grillo，其能夠克服障礙物并在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中移動(dòng)，可在彈跳瞬間獲得約1.5 m/s 的初速度。

圖3 跳躍機(jī)器人Fig.3 Jumping robots

國內(nèi)在跳躍機(jī)器人領(lǐng)域的研究也較多。南京航空航天大學(xué)[19]提取了蝗蟲蹬腿跳躍運(yùn)動(dòng)行為等形態(tài)特征，構(gòu)建了相應(yīng)的力學(xué)建模，設(shè)計(jì)了適應(yīng)多種表面的連續(xù)跳躍彈跳機(jī)器人。此外，東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)也開展了跳躍機(jī)器人的探索研究。

2.1.2 足式機(jī)器人

足式機(jī)器人見圖4。在四足軍事仿生機(jī)器人研制上，1969 年為了解決崎嶇地形下單兵裝備攜帶問題，美國軍隊(duì)委托GE 開發(fā)設(shè)計(jì)了較早的軍事仿生四足步行機(jī)器人Walking Truck，見圖4a[20]。美國波士頓動(dòng)力公司在美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）的支持下模仿四足哺乳動(dòng)物外形和運(yùn)動(dòng)形態(tài)成功研制了Big-Dog 機(jī)器人，見圖4b[21]，該機(jī)器人具有很強(qiáng)的復(fù)雜地形適應(yīng)能力，從Big-Dog 機(jī)器人開始波士頓動(dòng)力公司先后研發(fā)了 Cheetah，見圖 4c、Little-Dog 和Spot-mini 四足步行機(jī)器人，其中Little-Dog 機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形的感知和動(dòng)態(tài)規(guī)劃[22]。國內(nèi)北方車輛研究所也開發(fā)了四足機(jī)器人，其能夠負(fù)載50 kg，克服30°斜坡，以完成軍事任務(wù)。

在雙足軍事仿生機(jī)器人研制上，如圖4d，美國波士頓動(dòng)力公司為美軍研制了迄今為止世界上最先進(jìn)的仿人機(jī)器人Atlas，其通過安裝于頭部的MultiSense SLB 感知多模態(tài)信息，能夠承載外力沖擊，根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應(yīng)性調(diào)整來完成一系列復(fù)雜動(dòng)作[21]。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)開發(fā)了“匯童”BHR 類人機(jī)器人，如圖4e，能夠模仿人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[23]。

此外，模擬蟑螂、蜘蛛和螞蟻等昆蟲，以及蛇等爬行類動(dòng)物的外形、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)并應(yīng)用軍事領(lǐng)域，也取得了豐碩的成果。德國費(fèi)斯托（FESTO）等公司先后完成了RoACH（如圖4f）[24]、Bionic-Spider（如圖4g）、GreaseFire（如圖4h）[25]和Bionic-Ant（如圖4i）等仿生機(jī)器人研制，這些成果可應(yīng)用于軍事或救災(zāi)等領(lǐng)域。

圖4 足式機(jī)器人Fig.4 Walking robots

2.1.3 攀爬機(jī)器人

攀爬機(jī)器人見圖5。攀爬機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軍事監(jiān)視和追蹤功能，在軍事領(lǐng)域已開展了廣泛研究。如圖5a，斯坦福大學(xué)JIANG H 等[26]模仿壁虎靠腳掌剛毛與接觸物體表面間范德華力牢牢吸附于物體表面的機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種具有方向粘附力的材料，并將其應(yīng)用于太空環(huán)境下的物體抓取。如圖 5b，ESTRADA M A 等[27]分析了黃蜂能夠利用腹足爪鉤牢牢抓住物體表面拖動(dòng)比身體大數(shù)倍獵物的機(jī)理，開發(fā)了能夠拖動(dòng)自身體重40 倍物體的FlyCroTugs，且可通過相互協(xié)作完成軍事偵察任務(wù)。如圖5c，HAYNES G C 等[28]通過模仿松鼠靈巧攀爬的形態(tài)機(jī)理，開發(fā)了能夠動(dòng)態(tài)、高速爬桿的仿生機(jī)器人RiSE，其攀爬速度可達(dá)28 cm/s，能夠到達(dá)指定位置駐停以保持低功耗，以完成軍事搜索和偵察任務(wù)。如圖5d，JI A 等[29]模仿自然界中松鼠等能夠?qū)崿F(xiàn)攀爬功能生物的爪子形態(tài)和結(jié)構(gòu)，采用彈性橡膠體和棘針相結(jié)合的方式開發(fā)了仿生爪裝置，能夠被動(dòng)適應(yīng)不同表面攀爬作業(yè)。如圖5e，LIAO B 等[30]受樹棲蛇纏繞爬升運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，開發(fā)了分別由一個(gè)纏繞執(zhí)行器和一個(gè)伸縮執(zhí)行器組成的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)纏繞式軟體爬桿機(jī)器人，它可以最大實(shí)現(xiàn)30.85 mm/s 的攀爬速度，最大承載載荷可達(dá)自身體重25 倍，可應(yīng)用于防化防輻射等特殊環(huán)境下。

圖5 攀爬機(jī)器人Fig.5 Climbing robots

其他的陸地軍事仿生機(jī)器人，例如對(duì)蚯蚓[31]、鼴鼠[32]和穿山甲[33]等的結(jié)構(gòu)形態(tài)和機(jī)理進(jìn)行深入研究，而開發(fā)完成的挖掘機(jī)器人也取得了很好的效果，在功能上已能夠執(zhí)行掃雷、排爆、偵察等軍事作業(yè)。

2.2 水下軍事仿生機(jī)器人

水下軍事機(jī)器人是人類利用河湖和海洋從事軍事活動(dòng)不可或缺的工具。由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，常規(guī)螺旋槳和葉輪等作為推進(jìn)機(jī)構(gòu)的水下軍事機(jī)器人存在適應(yīng)性差、運(yùn)行噪聲大等缺點(diǎn)，極大地限制了其應(yīng)用。因此，研發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有高超的水中運(yùn)動(dòng)能力的水下軍事仿生機(jī)器人成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。為此，研究人員從設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)，通過模仿具有高超的水中運(yùn)動(dòng)能力的魚類、爬行類和軟體類等水生生物體的外形結(jié)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)理來進(jìn)行水下軍事機(jī)器人的研制，并取得了一系列的研究成果。

2.2.1 仿生魚機(jī)器人

弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院與哈佛大學(xué)研究人員[34]在美國海軍研究辦公室的支持下，從形態(tài)適應(yīng)性角度，提取了黃鰭金槍魚快速游動(dòng)機(jī)理，成功研制了能模仿黃鰭金槍魚水下高機(jī)動(dòng)性的機(jī)器魚TunaBot（圖6a），為仿生魚的下一步研究指明了方向。蝠鲼依靠扇動(dòng)兩側(cè)胸鰭進(jìn)行撲翼式游動(dòng)，能夠極大地減少游動(dòng)產(chǎn)生的湍流，新加坡國立大學(xué)研究人員[35]分析了其結(jié)構(gòu)等形態(tài)特征與環(huán)境適應(yīng)性需求之間的關(guān)系，構(gòu)建了數(shù)學(xué)和力學(xué)建模，開展了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究，研制了具有較好靈活性和機(jī)動(dòng)性的仿生蝠鲼機(jī)器人MantaDroid（圖6b），續(xù)航時(shí)間高達(dá)10 h，適用于海洋勘探等多種任務(wù)。浙江大學(xué)WANG K 等[36]受深海獅子魚的啟發(fā)，融合仿生學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，研制了能夠適應(yīng)深海低溫、高壓等極端環(huán)境的仿生獅子魚（圖6c）。它由軟體人工肌肉驅(qū)動(dòng)一對(duì)翅膀狀的柔性胸鰭并通過節(jié)律性地?fù)涑醽韺?shí)現(xiàn)游動(dòng)，為深海軍事活動(dòng)提供了潛在的解決方案。

圖6 仿生魚機(jī)器人Fig.6 Fish-like robots

2.2.2 仿爬行類機(jī)器人

仿爬行類機(jī)器人見圖7。KIM H J 等[37]從設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)角度出發(fā)，分析并提取了海龜鰭肢結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和動(dòng)作機(jī)理，建立了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了其具有良好靈活性和機(jī)動(dòng)性的生物機(jī)制，并最終確定了相應(yīng)的模型物理和運(yùn)動(dòng)參數(shù)開發(fā)了仿海龜機(jī)器人。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院KARAKASILIOTIS K 等[38]提煉了蠑螈運(yùn)動(dòng)形態(tài)和動(dòng)作規(guī)律，搭建了一款由四個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬行和游動(dòng)模態(tài)的任意變換，能夠滿足適多棲環(huán)境作業(yè)要求。

圖7 仿爬行類機(jī)器人Fig.7 Reptile-like robots

2.2.3 仿軟體類機(jī)器人

仿軟體類機(jī)器人見圖8。如圖8a，法國貝爾實(shí)驗(yàn)室研究者[39]受僧帽水母運(yùn)動(dòng)形態(tài)啟發(fā)，開發(fā)了一種可成群部署的自供電新型海水監(jiān)測(cè)機(jī)器人JellyBots，用于監(jiān)測(cè)水面等水文參數(shù)。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校CHRISTIANSON C 等[40]模仿章魚結(jié)構(gòu)形態(tài)和水下吸收水并在后方噴出以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的行為，研制了一款可以通過改變形狀來實(shí)現(xiàn)循環(huán)噴水推進(jìn)的仿生章魚機(jī)器人（圖 8b），其水中運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)18～32 cm/s。

圖8 仿軟體類機(jī)器人Fig.8 Mollusk-like robots

2.3 空中（間）軍事仿生機(jī)器人

億萬年的生物進(jìn)化和自然選擇為有翼昆蟲、飛鳥等動(dòng)物賦予了非凡的空中飛行能力，使其在生物形態(tài)、飛行方式和能量利用效率等方面達(dá)到了近乎完美的程度，這為開展基于設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)的空中（間）軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。與陸地和水下軍事仿生機(jī)器人相比，空中（間）軍事仿生機(jī)器人具有體積小、運(yùn)動(dòng)靈活且不受活動(dòng)空間和地形限制等特點(diǎn)，越來越受到世界軍事大國的重視。

2.3.1 仿昆蟲機(jī)器人

仿昆蟲機(jī)器人見圖9。美國加州大學(xué)伯克利分校CHUKEWAD Y M 等[41]模仿蒼蠅出色的飛行性能，研制了具有4 個(gè)翅膀的RoboFly 微型機(jī)器人（如圖9a），其體重僅300 mg，翼展只有3 cm，通過拍打翅膀產(chǎn)生的高達(dá)150 Hz 的高頻振動(dòng)可以使機(jī)器人保持空中飛行，進(jìn)而開展軍事偵察活動(dòng)。為了模仿蜻蜓高超的飛行技能，克服旋翼飛機(jī)難以在湍流環(huán)境下穩(wěn)定飛行的問題，英國防務(wù)科學(xué)與技術(shù)研究所[42]和荷蘭代夫特大學(xué)[43]通過對(duì)蜻蜓形態(tài)結(jié)構(gòu)和飛行機(jī)理的長期觀察和研究，先后開發(fā)出了Skeeter（如圖9b）和DelFly Nimble 機(jī)器人（如圖9c），其中Skeeter 機(jī)器人重量不足20 g，卻可以乘風(fēng)飛到1 000 m 的高空?qǐng)?zhí)行監(jiān)視任務(wù)，而DelFly Nimble 機(jī)器人可以在充滿電的情況下實(shí)現(xiàn)1 000 m 以上的長距離飛行，并能夠在空中完成360°翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。受蜜蜂肢體和飛行形態(tài)的啟發(fā)，MA K Y 等[44]在美國DARPA 資助下開展了仿生形態(tài)學(xué)研究，開發(fā)了當(dāng)時(shí)世界上最小的仿昆蟲機(jī)器人RoboBee（圖9d），重量?jī)H為0.1 g，可以實(shí)現(xiàn)垂直起飛、懸停和轉(zhuǎn)向等操作，取得了令人難以置信的技術(shù)突破。

圖9 仿昆蟲機(jī)器人Fig.9 Insect-like robots

2.3.2 仿鳥機(jī)器人

仿鳥機(jī)器人見圖10。如圖10a，受海鷗和鯡魚鷗翼展形態(tài)和撲翼動(dòng)作機(jī)理的啟發(fā)，德國費(fèi)斯托（FESTO）公司開發(fā)了一款能夠在空中飛行、滑行和翱翔的撲翼飛行器SmartBird[45]，其具有出色的空氣動(dòng)力學(xué)性能和高效的能量利用效率，空氣動(dòng)力學(xué)效率可達(dá)80%，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率約45%。在自然界中蜂鳥既能夠像鳥類一樣主動(dòng)控制翅膀形變以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)飛行，又能夠像昆蟲一樣在空中懸停，為了探究這一原理并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，美國AeroVironment 公司受美國DARPA 資助，對(duì)蜂鳥飛行姿態(tài)和飛行機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)和分析，并耗時(shí)5 年設(shè)計(jì)了一款翼展16 cm，自身重量10 g 的HummingBird 機(jī)器人（圖10b）[46]，它能夠完成懸停、翻筋斗等困難動(dòng)作并可以執(zhí)行小范圍的空中偵察任務(wù)。斯坦福大學(xué)CHANG E 等[47]觀察到鳥類在飛行過程中可以不斷主動(dòng)調(diào)節(jié)羽毛姿態(tài)以適應(yīng)不同飛行姿態(tài)，基于該運(yùn)動(dòng)形態(tài)設(shè)計(jì)了由4 個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制40 根相互彈性連接的羽毛組成欠驅(qū)動(dòng)變形翼，并搭建成PigeonBot 機(jī)器人（圖10c），飛行試驗(yàn)表明，其具有較高的空氣動(dòng)力學(xué)性能和穩(wěn)健性。

圖10 仿鳥機(jī)器人Fig.10 Bird-like robots

3 存在的問題和未來的趨勢(shì)

目前，設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)在軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方面已取得了不錯(cuò)的成果，但是在融合多學(xué)科知識(shí)實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面，仍然存在亟待解決的問題，例如，如何利用互聯(lián)網(wǎng)積累大量的生物實(shí)例以支持軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)，如何實(shí)現(xiàn)徹底的軍事機(jī)器人仿生設(shè)計(jì)，如何支持軍事仿生機(jī)器人向多棲、集群機(jī)器人發(fā)展等。

3.1 生物激勵(lì)源獲取的問題

軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)的起點(diǎn)是獲取具有啟發(fā)性的生物領(lǐng)域案例作為激勵(lì)源，激勵(lì)源的質(zhì)量直接決定了設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性?，F(xiàn)有的生物激勵(lì)源獲取通常通過查找領(lǐng)域出版物、咨詢生物專家或利用搜索引擎進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索，這使設(shè)計(jì)過程容易產(chǎn)生“知識(shí)鴻溝”，獲得的生物知識(shí)容易缺乏全面性，軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)活動(dòng)具有偶然性和盲目性，難以獲得行之有效的設(shè)計(jì)方案。與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)則積累了大量的生物案例和知識(shí)，缺乏有效手段對(duì)其進(jìn)行合理的挖掘和應(yīng)用。

為此，結(jié)合生物領(lǐng)域知識(shí)表示特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)融合多學(xué)科的角度出發(fā)，研究對(duì)應(yīng)的自然語言處理方法，來對(duì)互聯(lián)網(wǎng)廣泛存在的結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化生物實(shí)例進(jìn)行檢索和挖掘，獲取有效實(shí)例作為激勵(lì)源推送給軍事仿生機(jī)器人研發(fā)人員，作為設(shè)計(jì)參考成為未來的研究重點(diǎn)。

3.2 跨領(lǐng)域仿生推理及方案實(shí)現(xiàn)的問題

自然界中生物能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的復(fù)雜自然環(huán)境，軍事仿生機(jī)器人系統(tǒng)是通過模仿自然生物結(jié)構(gòu)、行為或運(yùn)動(dòng)規(guī)律等形態(tài)進(jìn)行構(gòu)建的，但當(dāng)前機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制模型搭建等方面仍與自然界生物存在較大的差距，其中跨領(lǐng)域類推環(huán)節(jié)成為軍事仿生機(jī)器人達(dá)到更加逼真的仿生性能的桎梏之一。究其原因，一方面科學(xué)家對(duì)生物體結(jié)構(gòu)及機(jī)理的認(rèn)知和研究不足，另一方面軍事仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)推理過程非常依賴設(shè)計(jì)人員或團(tuán)隊(duì)的既往經(jīng)驗(yàn)，缺乏行之有效的計(jì)算機(jī)輔助下的跨領(lǐng)域設(shè)計(jì)推理手段，設(shè)計(jì)過程缺乏全面性。

當(dāng)前深度學(xué)習(xí)理論在跨領(lǐng)域類推和推理方面已取得了一定的突破，為實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域智能推理以生成新型設(shè)計(jì)方案提供了一種潛在的研究路徑。因此，研究從生物領(lǐng)域激勵(lì)源映射產(chǎn)生工程領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的跨領(lǐng)域智能推理算法，對(duì)促進(jìn)軍事機(jī)器人的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 多行為模態(tài)融合的問題

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸向全方位、立體化、多層次、大縱深和諸兵種聯(lián)合作戰(zhàn)方式演化。戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)日趨復(fù)雜、瞬息變化，對(duì)軍事仿生機(jī)器人機(jī)動(dòng)性、環(huán)境自適應(yīng)能力和集群協(xié)作能力等提出了更為嚴(yán)苛的要求。目前軍事仿生機(jī)器人大多只適用于陸地、空中/間或水下單一環(huán)境，對(duì)具有更高機(jī)動(dòng)性，可以根據(jù)工作環(huán)境自適應(yīng)改變外形結(jié)構(gòu)和適應(yīng)多棲環(huán)境，以及具有更高智能的協(xié)作行為的研究十分有限。

自然界中的生物可以根據(jù)環(huán)境動(dòng)態(tài)改變自己的外形、行為以適應(yīng)多棲環(huán)境，例如，彈涂魚在水下可以像魚一樣游泳，在沙灘上會(huì)利用其堅(jiān)韌的胸鰭來生存，有時(shí)甚至?xí)赖綐涓?。自然界中生物也可以通過集群協(xié)作行為完成超出單個(gè)個(gè)體智能程度的任務(wù)，例如蜂群、魚群、蟻群等。軍事仿生機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景具有復(fù)雜性，多行為模態(tài)融合以實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性、多棲和集群協(xié)作是仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題。

4 結(jié)語

軍事仿生機(jī)器人是一種以完成復(fù)雜或危險(xiǎn)條件下預(yù)設(shè)戰(zhàn)術(shù)或戰(zhàn)略任務(wù)為目標(biāo)，以智能化技術(shù)為核心的具有環(huán)境適應(yīng)能力的仿生智能化裝備。軍事仿生機(jī)器人不僅能夠滿足未來的作戰(zhàn)需求，更是為搶奪第4次工業(yè)革命戰(zhàn)略制高點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)，已成為世界各國競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)軍事仿生機(jī)器人的研究，根據(jù)任務(wù)的不同主要側(cè)重于對(duì)自然界中生物形態(tài)、動(dòng)作結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)策略和信息感知等方面的模仿，研發(fā)過程通常從自然界已知激勵(lì)源出發(fā)來研究如何將其映射到工程領(lǐng)域，并最終形成機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致軍事機(jī)器人研制存在一定的盲目性和不確定性，而隨著計(jì)算機(jī)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)積累了大量的生物實(shí)例，能夠?yàn)樾滦蛙娛聶C(jī)器人研制提供更為全面的信息，如何融合多學(xué)科技術(shù)充分挖掘其中蘊(yùn)涵的設(shè)計(jì)形態(tài)知識(shí)，以更好地服務(wù)于新型軍事機(jī)器人研制成為設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)亟須研究的重點(diǎn)。研究表明，設(shè)計(jì)形態(tài)學(xué)方法將成為軍事仿生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有力支撐，能夠顯著縮短軍事機(jī)器人系統(tǒng)的研制時(shí)間，增強(qiáng)軍事機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性，提高軍事機(jī)器人系統(tǒng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境和執(zhí)行復(fù)雜軍事任務(wù)的能力。