仿生機器人的研究進展及其發展趨勢

邱玉泉　王子旭　王寬　周家儀　馮坤

摘 要：隨著機器人技術的迅速發展，仿生機器人引起了全球范圍內越來越多的關注。文中對仿生機器人目前的研究進展做出了介紹，并對其發展趨勢做出了展望。

關鍵詞：仿生機器人；研究進展；發展趨勢；展望

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

生物在自然界經過了億萬年的進化與篩選，每種生物都有其獨特的適應環境的能力與適應環境的結構。仿生學（Bionics）是模仿生物的特殊本領的一門學科。仿生學通過了解生物的結構和功能原理來研制新型機械和技術，或解決機械技術方面的難題。1960年由美國的J.E.Steele首先提出。仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領，包括生物自身的結構、原理、行為及器官功能等，從而為科學技術中利用這些原理提供新的設計思想、工作原理和系統架構的技術科學。科學家們將對自然界中生物結構和功能的研究應用于機器人，從而制造出具有生物結構和結構特性的仿生機器人。仿生機器人是仿生學和機器人需求的高度融合，極大地促進了機器人領域的發展，開拓了機器人領域的疆土，使人們將從大自然中獲取的靈感應用于實際的生產實踐中。仿生學在機器人領域的應用引起了各國研究人員的關注，并取得了大量成果。

1 仿生機器人的國內外發展現狀

1.1 水下仿生機器人

因水下環境較陸面復雜，諸如水深壓強、線路絕緣與防漏、低能見度環境識別等問題均需考慮。但由于水下仿生機器人的功能十分強大，各國并沒有因此而中斷研究。

1994年美國麻省理工學院（MIT）通過模仿金槍魚結構制造出了機器魚RoboTuna，如圖1所示。該項目始于1993年，其目的是探討構建一個可重現金槍魚游泳方式的機器人潛艇，研究人員致力于提高推進效率和靈活性。

而后美國海軍位于東北的海洋學中心研制的機器龍蝦如圖2所示，它不僅擁有很高的靈活性，還能游泳和爬行。其外形酷似真龍蝦，長著能夠感知障礙物的觸須，8條腿允許它們朝著任意一個方向移動，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它環境中保持身體的穩定性。

它由一種特制的防水電池提供動力，頭部的兩根長須是一種靈敏度極高的防水天線，腳上都裝配有防水毛傳感器，大腦是一臺超微型計算機，可用于探測水下礦藏。

我國的相關研究機構如北京航空航天大學、中科院自動化研究所、國防科技大學等也在此領域有相關研究。北京航空航天大學研制的 “SPC-II”仿生機器魚可在水下連續工作2～3小時。中科院自動化所、國防科技大學、哈爾濱工程大學亦研究出不同形態的水下仿生機器人。

1.2 陸面仿生機器人

美國斯坦福大學研制的壁虎機器人“Stickybot”，足底長著人造毛（由人造橡膠制成）。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積足夠大，從而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。在每個吸力手上都有數百萬根由人造橡膠制造的毛發，每根細毛的直徑大約為500 nm，長度則不到2 μm，這使得吸力手能非常接近玻璃壁的表面，使得人造橡膠毛發中的分子和玻璃壁分子的距離異常接近，機器人通過分子間作用力在墻壁上自由行走。這款壁虎機器人可應用于太空等不能依靠負壓吸附或不能依靠磁力吸附的環境中。

上個世紀七十年代，日本東京工業大學的Hirose教授就已經開始了蛇形機器人的研究。Hirose教授于1972年研制出了第一臺蛇形機器人（Active Cord Mechanism-ACMIII）。該機器人總長2 m，具有20個關節，依靠伺服機構來驅動關節左右擺動。為與地面有效接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪，其最大速度為40 cm/s，只能在平面上運動。繼第一臺蛇形機器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制出了一系列蛇形機器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3機器人采用完全無線控制的方式，每個關節自帶電源，且ACM-R3為三維結構，能夠在三維環境中運動并完成復雜的動作。而挪威科技工業研究院（SINTEF Research Institute）已設計出一種用于火星表面探測的蛇形機器人。該機器人的研究在國內起步較晚，哈爾濱工業大學機器人研究所、上海交通大學等單位首先進行了蛇形機器人仿生方面的研究工作。2002年，國防科技技術大學研制了一個蛇形機器人樣機，該樣機不但可以在平面內運動，采用密封外皮后還能在水面上蜿蜒運動。中科院沈陽自動化所機器人重點實驗室也開始了蛇形機器人的研究。

1.3 空中仿生機器人

“機器蒼蠅”由美國加州大學伯克利分校研制，其通過模仿蒼蠅的飛行原理而獲得蒼蠅的出色飛行性能。機器蒼蠅大小與普通蒼蠅類似，有4只翅膀，體重只有六十mg，翼展僅為3 cm，翅膀由碳纖維做成，翼震頻率150 Hz。頭部裝有微型傳感器和攝像機，可以將拍攝的圖像傳回，用途十分廣泛，它不僅可以用于軍事偵察，還可以進行災后搜救。機器蒼蠅實物圖如圖3所示。

美國加州理工學院等聯合研制了微型蝙蝠無人機MiroBat，它是一種小型電動撲翼機，機翼采用微電機系統技術，由電池驅動，無線電遙控控制，通過齒輪機構、雙連桿機構驅動機翼上下撲動。此外，美國密歇根大學、美國北卡羅來納州立大學均研制出了蝙蝠機器人，這些蝙蝠機器人可完成偵察人物和數據收集的任務。而荷蘭代爾夫特科技大學也開發出了形如雨燕的機器人，可像雨燕般靈活飛行，德國奧斯托公司在2013年設計出了蜻蜓機器人，其擁有良好的靈活性，且可通過智能手機進行控制。

國內研究人員也在空中仿生機器人方面做了大量的研究工作。南京航空航天大學制作出了幾種不同大小和形式的仿鳥撲翼飛行器，達到了同時段的領先水平。西北工業大學、東南大學等也在仿生撲翼飛行方面做出了探索。

2 仿生機器人的發展趨勢

2.1 由傳統機電機器人向生物機器人發展

在機器人未來的發展中，逐步由傳統的機器人控制方式轉向肌點信號、腦電信號等方式進行活體生物的人工控制，通過神經元進行仿生機器人的精細控制。這是生物學與機器人技術相結合的產物。

2.2 結構的微型化

仿生機器人朝著微型化發展，可用于更加精確的場所，可進入人體檢查和開展靶向治療而不傷害人體，也可進入狹小的環境進行作業。這需要實現機電系統的微型化和機器人整體微型化。

3 結 語

隨著仿生機器人受重視程度的逐漸加深，仿生機器人將越來越多的運用到日常情景中。仿生移動機器人在工業和服務業方面有著廣泛的應用前景，爬行仿生機器人運用于農業生產和測繪探測中。同時仿生機器人在醫療器械和玩具市場中也有很好的發展前景。

參考文獻

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