仿生機器人研究現狀與發展趨勢

王鑫+張炯+劉煉

摘要：仿生機器人是指依據仿生學原理，模仿生物結構、運動特性等設計的性能優越的機電系統，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險救災等不適合由人來承擔任務的環境中凸顯出良好的應用前景。按照工作環境可將仿生機器人分為陸面仿生機器人、空中仿生機器人以及水下仿生機器人三類。指出仿生機器人經歷了原始探索、宏觀仿形與運動仿生、機電系統與生物性能部分融合三個階段，并概述三類仿生機器人國內外研究現狀。分析發現當前研究還存在著生物運動機理研究不深，結構設計、材料應用、驅動及控制方式大多較為傳統、能量利用率低等問題，導致了仿生機器人從宏觀到微觀與生物都存在較大差異，“形似而神不似”，遠未達到實際應用程度。指出仿生機器人正向著剛柔混合結構，高效的能量轉換的類生命系統方向發展。

關鍵詞：仿生機器人；研究現狀；發展趨勢

一、仿生機器人研究現狀

仿生機器人的出現很好地體現了仿生應用的理念。人類最早進行了陸面仿生機器人的探索，如中國三國時期的木牛流馬以及1893年由Rygg設計的機械馬[12]；其次，進行了空中仿生機器人探索，最早模仿鳥類的飛行進行撲翼飛行器設計，1485年達芬奇設計的撲翼飛機圖紙是世界上第一個按照技術規程進行的設計；最后，是水下仿生機器人的探索。縱觀仿生機器人發展歷程，到現在為止經歷了三個階段。第一階段是原始探索時期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥類的翅膀撲動，該階段主要靠人力驅動。至20世紀中后期，由于計算機技術的出現以及驅動裝置的革新，仿生機器人進入到第二個階段，宏觀仿形與運動仿生階段。該階段主要是利用機電系統實現諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實現了一定程度的人為控制。進入21世紀，隨著人類對生物系統功能特征、形成機理認識的不斷深入，以及計算機技術的發展，仿生機器人進入了第三個階段，機電系統開始與生物性能進行部分融合，如傳統結構與仿生材料的融合以及仿生驅動的運用。當前，隨著生物機理認識的深入、智能控制技術的發展，仿生機器人正向第四個階段發展，即結構與生物特性一體化的類生命系統，強調仿生機器人不僅具有生物的形態特征和運動方式，同時具備生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如隨著人類對人腦以及神經系統研究的深入，仿生腦和神經系統控制成為了該領域科學家關注的前沿方向。

二、仿生機器人存在問題

仿生機器人從誕生、發展，到現在短短幾十年的時間里，對其研究取得了一系列的成果，開辟了機器人領域獨特的技術發展道路和研究方法，大大開闊了人們的眼界，顯示出了廣闊的應用前景和極強的生命力。但由于其學科交叉性，發展至今依然存在“形似而神不似”、達不到生物系統的精巧程度、實際應用有限等諸多問題。究其原因，主要是在生物機理、機構及驅動設計、仿生材料、仿生控制、生物能量利用等方面存在問題。

三、仿生機器人發展趨勢

目前，隨著生物結構和功能逐漸被認知和掌握，仿生機器人技術已逐漸應用于軍事、生產生活、康復醫療等諸多領域。仿生機器人研究的前提是對生物本質的深刻認識以及對現有科學技術的充分掌握，研究涉及多學科的交叉融合，其發展趨勢應該是將現代機構學和機器人學的新理論、新方法與復雜的生物特性相結合，實現結構仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群體仿生的統一，以達到與生物更加近似的性能，適應復雜多變的環境，最終實現宏觀和微觀相結合的仿生機器人系統，從而實現廣闊的應用。

1、仿生機理研究由宏觀向微觀發展

認識生物原型的特性是仿生學的前提。隨著生物學、化學、物理學、機械學等多學科在仿生機理研究上的應用，仿生機理研究將跨越宏觀、微觀乃至納觀尺度的多層次結構和功能，由表及里逐漸深入，通過建立更為逼真的數學模型，為仿生機器人的設計提供理論基礎。

2、仿生結構由剛性結構向剛柔一體化結構發展

仿生剛柔性混合結構成為目前機構設計的發展趨勢之一，仿生結構的設計從剛性結構轉向剛柔混合結構，既可具有生物剛性的支撐結構又可具有柔性的自適應結構。通過改進現有的機械設備和工具，或設計制造新型的仿生高效機械設備和工具，仿生機器人將實現結構輕便、質量小、精密程度更高的特點。此外，變結構的復合仿生機構可針對不同環境約束的變化具有更好的適應能力，因此研究模擬生物運動過程中開鏈、閉鏈結構的相互轉換、復合，設計創新的非連續變約束復合仿生新機構，是仿生機構的另一個重要發展方向。

總結：自然界的生物在35億年的物競天擇中，表現出了完美的生物合理性和對自然環境的高度適應性，這為機器人的研究發展提供了新思路、新方法，使得機器人這一學科突破了原有技術的束縛，借大自然之手開辟出仿生機器人這一新的發展道路。隨著對仿生機器人研究的不斷深入，生物的部分結構特性和功能已經被逐漸揭示，在仿生結構、仿生材料、生物信息感知等仿生機器人的重要領域取得了一定的研究進展，部分研究成果已經逐步在生產生活中開展了試驗性應用，其優良的性能顯示出了仿生機器人廣闊的前景。在未來的發展中，應逐步摒棄傳統的機器人研究方法，利用多學科優勢并從生物性能出發，使得仿生機器人向著結構與生物材料一體化的類生命系統發展，從而在生產生活中發揮重要的作用。

參考文獻：

[1]趙理想，寧祎.仿生雙足機器人步態規劃研究現狀及展望[J].現代制造，2016（27）：122-124.

[2]熊蓉.仿生腿足式機器人的發展——浙江大學控制學院機器人實驗室熊蓉教授談國內外腿足式機器人研究情況[J].機器人技術與應用，2017（2）：29-36.

[3]牛婧媛，秦健.PVC仿生機器人校本課程的學習者學習需求調查研究——以西安鐵一中濱河學校為例[J].才智，2015（14）.

[4]梁忠正，陳玉娟，沈家潤，等.一種新型仿生蜘蛛機器人行走機構的設計研究[J].現代制造技術與裝備，2016（9）：47-49.

[5]王安憶，劉貴杰，王新寶，等.身體/尾鰭推進模式仿生機器魚研究的進展與分析[J].機械工程學報，2016，52（17）：137-146.

[6]王麗慧，周華.仿生機器人的研究現狀及其發展方向[J].上海師范大學學報（自然科學版），2007，36（6）：58-62.

作者簡介： 作者信息：

劉煉，男，1995年8月2日，籍貫，湖南，哈爾濱遠東理工學院學生，黑龍江省大學生創新創業項目“應急自動搜索智能機器人的研究”項目第二負責人，項目編號：201613301020

王鑫，女，1983年3月7日，副教授，籍貫，黑龍江，哈爾濱遠東理工學院教師，黑龍江省大學生創新創業項目“應急自動搜索智能機器人的研究”項目指導教師