仿生机器人

“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。当今世界，科技发展水平日益进步，机器人研究领域已经向航空航天、水面水下、地下管道等环境发展，未来的机器人将在人类无法工作的环境中代替人类工作，人们要求机器人不仅适应原来的基本要求，还要适应未知的环境，这就对机器人的运动灵活性、适应性、生存能力很高。移动性能是未来机器人在许多场合的关键能力，为了完成任务，常常要求机器人能够到人们无法进入的禁区进行侦查、探测、攻击、干扰等行动。因此机器人模仿动物的特性，能够适应不同的环境，活动范围广，躲避风险能力和生存能力强，拥有极强的移动能力，因此能够代替人们到达不可预测的环境中进行各种活动，完成任务。大自然曾为人类的造物提供了丰富灵感，比如，我国古人模仿鸟喙衔食物的动作，发明了筷子。现在，仿生学已经得到了广泛应用，人们利用生物的结构和功能原理，研制机械或各种新技术。国内外对此进行了大量的研究并取得了突出的成果。

国内外研究现状

国外研究现状
说到仿生机器人的研究，美国波士顿动力公司是行业领先。他们的机器人自动化，拟人化程度最高。让波士顿动力声名远播之作Big Dog是一款能够适应复杂地形条件的机器人，能行走、奔跑、攀爬以及负载重物，由液压系统驱动引擎。Big Dog 的四条腿和动物一样拥有关节，可吸收冲击，每迈出一步就回收部分能量，以此带动下一步。Big Dog 的体格与一只大狗或小骡子相当。大约 3 英尺(约合 0.9 米)长， 2.5 英尺(约合 0.76 米)高，体重 240 磅(约合 109 千克)。奔跑速度为 4 英里/时(约合 6.4 公里/时)，最大爬坡度数为 35 度，可在废墟、泥地、雪地、水中行走，可负重 340 磅(约 154 千克)。

图1 Big Dog
Rise 是一款能够垂直爬行的机器人，墙壁、树木、栅栏等都不在话下。爬行过程中 ，Rise 的脚上附有很多微型爪，它们紧紧地吸附在物体表面上 。 Rise 通过改变自身姿势符来适应不同的表面，随着高度的上升，它的尾巴有助于提高平衡。Rise 只有 25 厘米长，重约 2 千克，爬行速度为 0.3 米 / 秒。Rise 共有六条腿，每条腿都由两个电动马达来驱动，机载电脑控制腿部的动作及通信，服务多个传感器，包括关节位置传感器、应变传感器和腿足部接触传感器。该项目由波士顿动力公司与宾夕法尼亚大学、卡内基梅隆大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学等高校的研究人员共开发，DARPA 提供资金支持。

图2 Rise
Sand Flea 是一个只重约 11 磅(约合 5 千克)的侦察机器人。在平地上它能像遥控模型车一样飞驰，最重要的是，为躲避障碍它可跳起 30 英尺(约合 9.1 米)高左右，这弹跳力能轻而易举地跳过一面复合墙、房顶、一组楼梯的顶端。在飞行过程中，Sand Flea 的内置陀螺仪使其保持水平状态，为机载摄像机提供清晰的视角，并能保证平稳着陆。每充电一次，Sand Flea 可弹跳 25 次。美国军方为波士顿动力公司的该项目的研发提供资金支持。

图3 “跳蚤”机器人
德国机器人制造商 Festo 推出过一系列高仿生机器人。Festo 推出了三款有趣的仿生机器人，包括蚂蚁、蝴蝶和变色龙舌头。
BionicANT是一款仿生蚂蚁，有完整的“五脏六腑”，就是个头会比真的蚂蚁大。长13.5厘米，重105克。仿生蚂蚁机器人大部分配件都是由 3D 打印完成，电路裸露在蚂蚁的身体外面。对仿生机器人来说，单纯的模仿外形和动作并不难，BionicANT 的厉害之处在于，它会模仿蚂蚁的“社会规则”，让机器人之间相互协调、沟通、协作。因此，蚂蚁们能合作完成任务。BionicANT 的头部有立体摄像头，底部有光学传感器。六条躯干能保证它快速移动，或者钻入狭小的空间。

图4 仿生蚂蚁
FlexShapeGripper 是一款机械手臂，它的灵感来自变色龙的舌头。如果一只小虫子靠近变色龙，那么它存活的几率会非常渺茫，因为变色龙会快速伸出舌头，用舌头顶端“抓住”猎物。FlexShapeGripper 机械手臂就采用类似的原理，机械臂的顶端是一个注水的硅胶帽顶，非常柔软和灵活，它能像变色龙舌头那样抓起物体。FlexShapeGripper 能应用在工业流水线上，提高抓取的准确性。

图5 FlexShapeGripper机械手臂
eMotionButterflies 是会飞的电子蝴蝶，有一对蓝色翅膀。每一只蝴蝶都可以独立飞行，但是多个蝴蝶之间不会撞车。这得益于蝴蝶身体中的导航和互联系统。
蝴蝶仿生机器人每只翼展长度是 50 厘米，整机重量 32 克。蝴蝶内部有加速计，陀螺仪，指南针，还有两个 90 毫安电池，飞行 3-4 分钟就要充电15分钟。eMotionButterflies 的翅膀每秒拍打 1-2 次，飞行的最高速度可达到 2.5m/s。

图6 蝴蝶仿生机器人

国内研究现状
国内也有很多优秀的仿生机器人研究成果。HEXA是国产新一代可编程机器人中的第一款，是一个6脚、高度机动、紧凑的机器人，外形酷似狼蛛。配合机器人，HEXA公司还会提供MIND，一个机器人操作系统和SDK，这个系统让人们首次无需知道底层硬件、复杂的机械学习，而且还可以创造有趣的机器人功能。不仅如此，它内置加速度计、红外线传感器和720p摄像头，同时具有夜视导航模式。HEXA足够灵活和智能，并且高度机动，可以灵活地应对不同的环境和地形。在拉斯维加斯的Defcon黑客大会上，Martin使用HEXA在3分5秒的时间内拆除炸弹，卫冕冠军。

图7 六角蜘蛛仿生机器人HEXA
由中国航天科工三院35所研发的一款蛇形机器人可“下海”为海底油气管道做检测，并且已经通过国内海上油田的实际检测，性能达到了国际先进水平。该蛇形机器人官方名称为海底管道漏磁内检测器，可在管道内部穿梭，利用油气压力穿行，通过高精度漏磁检测技术，可以捕获并存储管道内外壁的腐蚀、缺陷信息，对缺陷点进行准确识别、精确定位。研发人员介绍，依靠大容量数据采集、匹配处理技术，可在短时间获取数据，为管道出具一份数据全面的“体检报告”。该款应用于8英寸管道的蛇形机器人则打破了国外垄断，从核心技术到产品实现，均为中国制造。蛇形机器人能到很多人们无法到达的领域，帮助人们实现对未知空间的探索。
江大学与南江机器人联合研发的四足机器人“赤兔”，对于各种复杂地形有着高度的适应能力，可以实现爬坡、爬楼梯，在崎岖路面行走、小跑和奔跑。目前，大部分的运输机器人是轮式的，它们虽然运动稳定，但只适用于路面平坦的环境。而“赤兔”机器人却能够像四足生物一样实现走路、跳跃甚至是跨越障碍，当它小跑时，它改为前后对角的两条腿一起动，达到成年人的步行速度；当“赤兔”高速跳跃，或者飞奔起来，速度可以达到更高的水平。

图8 “赤兔”机器人
中外机器人技术差距正在缩小，也有了很多创新型产品，但差距还是有的。在传感与控制、智能性与自主性、人机交互与协作、创新性等方面还有很多不足。通过对生物机理研究，可以揭示生物自身的功能特性，为仿生机器人的研究提供依据，而研究的关键是如何准确地对生物运动机理进行建模。目前尽管有不少学者从试验与理论上进行研究，一定程度上揭示了生物机理，但是仍然存在研究结果缺乏深度、模型建立过于简化等诸多问题，使得仿生机器人样机与生物实际的功能相距甚远。这些年来，通过NSFC项目的资助，中国在仿生机器人研究领域已经取得了一定的成绩，对陆(陆地爬行的)、海(水中游的)、空(空中飞的)的常见生物体都进行了不同程度的仿生研究。但由于仅仅对其自然功能与特性作简单的认识层面的解读，没有真正理解自然界生物所具有的机能，因而研究工作常常“蜻蜓点水”，未能在国际上形成中国特色的仿生机器人研究一席之地。
 
仿生机器人未来发展方向
仿生机器人研究的前提是对生物本质的深刻认识以及对现有科学技术的充分掌握，研究涉及多学科的交叉融合，其发展趋势应该是将现代机构学和机器人学的新理论、新方法与复杂的生物特性相结合，实现结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群体仿生的统一，以达到与生物更加近似的性能，适应复杂多变的环境，最终实现宏观和微观相结合的仿生机器人系统，从而实现广阔的应用。面向未来智能机器人技术的发展需求，研究开发伺服电机技术和减速机技术，研究开发新型材料（形状记忆合金、化合物等）技术、视觉和激光等新型感知技术，为智能机器人能力的进一步提升提供原动力。
当前，随着生物机理认识的深入、智能控制技术的发展，仿生机器人正向第四个阶段发展，即结构与生物特性一体化的类生命系统，强调仿生机器人不仅具有生物的形态特征和运动方式，同时具备生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如随着人类对人脑以及神经系统研究的深入，仿生脑和神经系统控制成为了该领域科学家关注的前沿方向。
信息技术的快速发展，促使工业机器人必须提高运动能力和快速编程能力，实现快速高精度的三点定位；人工智能和互联网技术的发展，为机器人提供强大的“后脑”，促进其智能水平的提高；材料科学的发展，使机器人使用人造肌肉成为可能，制成所谓“软件机器人”，带来机器人领域的革命；与脑科学的结合，可以使机器人的一些行为直接受控于人；与生命科学的结合，将产生类生命机器人。随着人工智能、大数据和机器学习等技术的涌现，能够与作业环境、人和其他机器人自然交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人，即共融机器人的概念被提出。未来，智能机器人必将朝着共融机器人的方向发展，能与人合作的机器人将是理想的作业装备，而与人共融的程度，将是机器人发展的一个重要趋势。
仿生多足移动机器人已经能够在非结构化环境下实现稳定行走，但还远未达到多足生物那样的步行机动性和灵活性，存在步行速度低，效率低等问题。进一步深入研究仿生多足移动机器人的结构、驱动方式以及控制算法，提高机器人的速度和灵活性，同时融合信息感知与智能控制技术，提高机器人的自主性，将是今后的研究重点之一。
仿生刚柔性混合结构成为目前机构设计的发展趋势之一，仿生结构的设计从刚性结构转向刚柔混合结构，既可具有生物刚性的支撑结构又可具有柔性的自适应结构。仿生机器人实现结构轻便、质量小、精密程度更高的特点。此外，变结构的复合仿生机构可针对不同环境约束的变化具有更好的适应能力，因此研究模拟生物运动过程中开链、闭链结构的相互转换、复合，设计创新的非连续变约束复合仿生新机构，是仿生机构的另一个重要发展方向。
基于智能材料与仿生结构，开展材料、结构、驱动一体化的高性能仿生机构研究，仿生机器人的材料将逐渐淘汰钢材、塑料等传统材料，使用与生物性能更加接近的仿生材料，从而获得低能耗、高效率、环境适应性强的性能特点是未来的发展趋势之一。
现有仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距，究其原因，仿生机器人的研究还存在对生物机理揭示不深，仿生结构、仿生材料、仿生控制、仿生能量等方面都与生物相应特性差距较大等问题，这都限制了仿生机器人的发展。在未来的发展中，应逐步摒弃传统的机器人研究方法，利用多学科优势并从生物性能出发，使得仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展，从而在生产生活中发挥重要的作用。