動(dòng)物仿生機(jī)器人

物種進(jìn)化的偉大設(shè)計(jì)師——大自然，為機(jī)器人提供了最佳的效仿對象。

到目前為止，大多數(shù)機(jī)器人被分為兩類。一種是工具機(jī)器人(Widgetophora)，裝有爪子、抓取裝置和車輪，只安裝必要的部件，看上去和其他的機(jī)器沒有兩樣(如電影《星球大戰(zhàn)》中的R2-D2)。另一種是類人型機(jī)器人(Anthropoidea)，和工具機(jī)器人相反，這些機(jī)器人竭力被塑造成人類的樣子，有可以活動(dòng)的胳膊和手掌，有雙腿和雙腳，還有人類一樣的臉(如電影《星球大戰(zhàn)》中的C-3P0)。除了這兩種之外，還有少數(shù)仿生機(jī)器人類似于寵物(如索尼的機(jī)器狗AIBO)但大多數(shù)這些仿生機(jī)器人只不過是用來取樂的玩具。

但現(xiàn)在的仿生機(jī)器人不再僅僅是玩具了，機(jī)器人工程師似乎開始意識(shí)到他們還缺些什么。物種進(jìn)化是最偉大的自然設(shè)計(jì)師，它已經(jīng)為工具機(jī)器人和類人型機(jī)器人無法解決的問題找到了解決方法。工程師想到與其費(fèi)力去想些根本沒有的東西，不如直接模仿這些自然經(jīng)過四十億年的選擇留存下來的生物原型。由此，仿生機(jī)器人得到了迅猛發(fā)展。工程師現(xiàn)在不僅僅復(fù)制狗的原型，還能仿造長著胡須的鼯，在水里游的七鰓鰻可以抓物的章魚，會(huì)爬樹的蜥蜴和會(huì)挖洞的蛤蜊。他們甚至想仿造出像昆蟲一樣拍著翅膀就能飛起來的機(jī)器人。這樣一來，工具機(jī)器人和類人型機(jī)器人就被冷落到了一旁，仿生機(jī)器人則得到了長足的發(fā)展。

意大利比薩市圣安娜進(jìn)修學(xué)院的塞西莉亞·拉斯基和她的團(tuán)隊(duì)是這一趨勢的一個(gè)很好的代表。他們領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)正在試圖研發(fā)一種機(jī)器章魚。

與單爪章魚親密接觸

為了研制仿真章魚，他們首先開始研究它名副其實(shí)的“殺手武器”：柔韌靈活的觸角。

脊椎動(dòng)物的臂膀中，肌肉負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)，骨骼承受體重。而章魚的觸角中沒有骨骼，所以肌肉既要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)，又要承受自身體重。這樣的優(yōu)勢在于，除了能夠緊緊抓握物體，還能將身體擠進(jìn)很小的角落，而同等體積的脊椎動(dòng)物完全無法做到。

在了解章魚觸角的運(yùn)動(dòng)方式之后，拉斯基博士和她的團(tuán)隊(duì)成員研制出了能夠以同樣方式運(yùn)作的仿真章魚。它的外殼由硅膠構(gòu)成，安裝有壓力感應(yīng)裝置來感知觸覺。殼的內(nèi)部是由具有特殊彈性的鎳鈦合金制成的線纜和彈簧。這樣的仿真章魚能纏繞在物體周圍，運(yùn)動(dòng)方式和章魚驚人相似。

觸角競賽

拉斯基博士的機(jī)器人只能算是單爪章魚，不過她計(jì)劃在未來兩年內(nèi)再加上七只觸角，并由一個(gè)控制裝置來協(xié)調(diào)這些觸角，目的是制造出一種能夠幫助人們在水下進(jìn)行高難度作業(yè)的機(jī)器，比如在水下關(guān)閉漏油的閥門等等。

由保羅·達(dá)里奧和切薩雷·斯特凡尼領(lǐng)導(dǎo)的另一組圣安娜學(xué)院的工程師也在仿制一種水生生物，他們所仿制的是一種叫七鰓鰻的魚類。

七鰓鰻是最簡單的活體脊椎動(dòng)物。和章魚一樣，它們也沒有骨骼，只有軟骨構(gòu)成的基本骨架。它們的神經(jīng)系統(tǒng)也很簡單，因此可以作為研究神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最佳起點(diǎn)，正是這樣的神經(jīng)系統(tǒng)最后會(huì)演變成像人腦這樣的復(fù)雜神經(jīng)系統(tǒng)。斯德哥爾摩卡羅琳斯卡研究所的特恩·格瑞尼團(tuán)隊(duì)已經(jīng)花了多年時(shí)間研究七鰓鰻，試圖更深入地了解脊椎動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)。

他們制作了一條仿真七鰓鰻，完全模擬了七鰓鰻由多個(gè)環(huán)狀關(guān)節(jié)組成的軟骨脊椎。每個(gè)環(huán)狀關(guān)節(jié)都安裝了一個(gè)電磁體，當(dāng)電流從頭部到達(dá)尾部時(shí)，這些電磁體就被激活，這與神經(jīng)信號(hào)在動(dòng)物體內(nèi)的傳遞過程很相似。因此，一個(gè)關(guān)節(jié)吸引著另一個(gè)，再釋放它去吸引下一個(gè)關(guān)節(jié)，這樣就形成了波狀的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)機(jī)器前進(jìn)。七鰓鰻的眼睛就如同小型的照相機(jī)，能夠辨別顏色和形狀以繞開障礙物。事實(shí)上，整個(gè)項(xiàng)目的主要目的就是解釋脊椎動(dòng)物是如何利用感知來指導(dǎo)它們的運(yùn)動(dòng)。不過七鰓鰻獨(dú)特的推進(jìn)系統(tǒng)還有其他的應(yīng)用，如它能夠使機(jī)器順利地在水下運(yùn)動(dòng)。

另一位蘇黎世大學(xué)的仿真生物學(xué)家丹尼爾·杰曼使用機(jī)器人來觀察真實(shí)動(dòng)物的行為。他正在通過觀察蛤蜊來制作仿真蛤蜊模型，以弄清動(dòng)物的外殼形狀如何影響它們的存活機(jī)率。

很多蛤蜊能夠通過交替使用外殼和外殼里柔韌的足部在河床內(nèi)掘洞來躲避捕食者。蛤蜊的這兩個(gè)部位輪流充當(dāng)著力點(diǎn)，另一個(gè)部位則向著沉積物深處挖掘。蛤蜊還會(huì)通過它們外殼之間的間隙向外噴水來軟化沉積物，因此，一旦遇到危險(xiǎn)，它們能在幾秒鐘內(nèi)消失不見。

為了能夠清楚地了解這一過程，杰曼設(shè)計(jì)了一只仿真蛤蜊。它有兩瓣外殼，有兩條線控制兩瓣外殼進(jìn)行相對運(yùn)動(dòng)，還有一個(gè)小的水泵能向外噴水。他還在為足部尋找最佳的設(shè)計(jì)方案。要是他能夠讓這個(gè)裝置以適當(dāng)?shù)姆绞诫[蔽自己，他就能夠在外殼不同的仿真蛤蜊間展開一場競賽，以觀察哪種外殼更有效。其中幾種用來復(fù)制的外殼形狀來自一些化石。這項(xiàng)研究將驗(yàn)證現(xiàn)代的蛤蜊外殼形狀比古代的更為有效，才會(huì)淘汰了那些古代的外殼形狀。

仿生壁虎腳

格瑞尼博士和杰曼的項(xiàng)目在學(xué)術(shù)上來說確實(shí)很有趣。不過其它的一些項(xiàng)目，比如拉斯基博士就更注重對實(shí)際運(yùn)用的研究。黏黏蟲三代(StlckyBotⅢ)是斯坦福大學(xué)馬克，庫特科斯基的團(tuán)隊(duì)研制出的一種機(jī)械壁虎，這是一個(gè)很好的范例。

真實(shí)的壁虎能夠攀爬墻壁，在天花板上行走，很多人覺得這很神奇。一個(gè)有著同樣功能的機(jī)器將會(huì)有很多的用途。壁虎爬墻的秘密在于它的腳趾上布滿了類似指紋脊線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但是這些脊線之間有著較深的縫隙。當(dāng)這個(gè)結(jié)構(gòu)接觸物體表面時(shí)，這些脊線通過范德瓦爾斯靜電現(xiàn)象和物體表面吸附在一起。體重較輕的動(dòng)物或機(jī)器完全能夠讓腳趾和接觸的表面緊緊吸附在一起。

和真的壁虎一樣，黏黏蟲三代也有四條腿，腳趾上同樣布滿了同樣的溝脊。仿真蜥蜴也能像真的蜥蜴那樣攀爬，不僅能夠在豎直的墻壁上爬行，甚至還能在懸掛在天花板上。

仿生物機(jī)器人能做的不止是獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)能力。它們還能模擬人類不具備的感知能力。英格蘭謝菲爾德大學(xué)的托尼·普雷斯科特和他的團(tuán)隊(duì)正在試圖復(fù)制伊特魯里亞鼩精細(xì)的觸須結(jié)構(gòu)。

這些鼩在地下活動(dòng)，在洞穴中行走時(shí)依靠它們的觸須來感知前方的物體。通過研究它們行動(dòng)的慢鏡頭，普雷斯科特博士及他的同事們發(fā)現(xiàn)它們常常來回掃動(dòng)觸須，反復(fù)觸碰它們感興趣的物體。

利用這些信息，研究者們研制出了機(jī)器鼩，仿制了鼩的頭部。它有18根長短不一的觸須，軟件可以單獨(dú)控制每一根觸須，并利用搜集到的信息來決定哪些物體值得進(jìn)一步的探究。現(xiàn)在，機(jī)器鼩已經(jīng)能夠辨別平滑的表面和粗糙的表面。普雷斯科特希望它在不久的將來能夠辨別像圓形，立方體和圓柱體這樣的基本形狀，并能夠在人類視線范圍以外的區(qū)域(如充滿煙霧的建筑)進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人。

這些研究項(xiàng)目進(jìn)展得都很順利。救援機(jī)器人將會(huì)是很用的發(fā)明。不過工程師們真正希望機(jī)器人能做的是像昆蟲一樣飛行，而且同時(shí)能夠在空中盤旋。這樣帶有攝像頭的微型飛行器能夠進(jìn)入很小或很危險(xiǎn)的地方并反饋信息，比如進(jìn)入敵方軍事掩體進(jìn)行偵察。

荷蘭代爾夫特大學(xué)里克·瑞杰辛克領(lǐng)導(dǎo)的研究人員研制出的DelFly是一種機(jī)器蜻蜒，能夠通過電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)翅膀，而且能夠在高速飛行和盤旋兩種模式之間切換，以便更好地勘察現(xiàn)場。第一代DelFly大多數(shù)是在遠(yuǎn)程控制下運(yùn)行，它還不是真正自主運(yùn)行的機(jī)器人。不過，該機(jī)器安裝了攝像頭，能夠利用攝像頭傳回的圖像來調(diào)整飛行的高度和方向。研究人員希望未來能真正實(shí)現(xiàn)這一功能的自動(dòng)運(yùn)行。

奇思妙想

AirBurr也是一種飛行器，由瑞士洛桑理工學(xué)院的Jean Crlstophe Zufferey研制，但使用的原理截然不同。靜止時(shí)它看上去并不像昆蟲，但是運(yùn)動(dòng)的時(shí)候像昆蟲，特別是辨認(rèn)障礙物的方式和昆蟲很相似。它并不是盡量避免障礙物，而是能夠在撞到墻壁時(shí)能夠很快進(jìn)行調(diào)整并繼續(xù)飛行。它水珠狀的機(jī)翼和小型推動(dòng)器被具有減振作用的柔性碳棒保護(hù)起來，而且為了保持平衡，即使墜落到地面，它的推進(jìn)器方向也是保持朝上以便再度起飛，就像圍繞你房間嗡嗡飛行還怎么都拍不死的討厭飛蟲一樣。

因此，人們無需完全復(fù)制某種動(dòng)物的形態(tài)就能實(shí)現(xiàn)它的功能。未來的機(jī)器人可能會(huì)像中世紀(jì)時(shí)期的怪物，有鼩的頭，章魚的觸角，七鰓鰻的身體。這種專業(yè)機(jī)器人還會(huì)具備與空中偵察機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)的能力，為地面或海里執(zhí)行不同任務(wù)的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)提供軍事信息，它們可以被統(tǒng)稱為“機(jī)器人生態(tài)系統(tǒng)”。