一、仿生機器人的前途

首(shou)先，模仿某些(xie)昆(kun)蟲而制(zhi)造出來的(de)(de)(de)機(ji)器(qi)人并非(fei)簡單。比如，國(guo)外有(you)的(de)(de)(de)科(ke)(ke)學家觀察發現(xian)，螞(ma)蟻(yi)的(de)(de)(de)大腦很小，視力極(ji)差，但它(ta)的(de)(de)(de)導航能(neng)力高超(chao)：當螞(ma)蟻(yi)發現(xian)食物(wu)源(yuan)后回去召喚同伴時，是把這(zhe)(zhe)一(yi)食物(wu)的(de)(de)(de)映(ying)像(xiang)始終存儲在它(ta)的(de)(de)(de)大腦里，并利用(yong)大腦里的(de)(de)(de)映(ying)像(xiang)與眼前(qian)真(zhen)實的(de)(de)(de)景像(xiang)相匹配(pei)的(de)(de)(de)方法，循原(yuan)路返回。科(ke)(ke)學家認為，模仿螞(ma)蟻(yi)這(zhe)(zhe)一(yi)功能(neng)，可使機(ji)器(qi)人在陌生(sheng)的(de)(de)(de)環境(jing)中具有(you)高超(chao)的(de)(de)(de)探路能(neng)力。

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其次，不論何時，對仿生機械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要發展模仿人的機器人，又要發展模仿其他生物的機械（器）。機器人未問世之前，人們除研究制造自動偶人外，對機械動物非常感興趣，如傳說諸葛亮制造木牛流馬，現代計算機先驅巴貝吉設計的雞與羊玩具，法國著(zhu)名(ming)(ming)工程師鮑堪松制造的(de)鳧水(shui)的(de)鐵鴨子等，都非常有名(ming)(ming)。

在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)向智能(neng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)發展的(de)時(shi)程(cheng)中，就有(you)人(ren)(ren)(ren)(ren)提出“反對(dui)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)必(bi)須先會思考才能(neng)做事”的(de)觀點，并認(ren)為，用許多簡單的(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)也可以完成復(fu)雜(za)的(de)任(ren)務。20世紀90年代初(chu)，美國麻省理(li)工學院的(de)教授布魯(lu)克斯在學生的(de)幫(bang)助下，制造出一批蚊型機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)，取名昆蟲機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)，這(zhe)些(xie)小東西的(de)習慣(guan)和蟑螂十(shi)分(fen)相(xiang)近。它們不(bu)會思考，只能(neng)按照人(ren)(ren)(ren)(ren)編制的(de)程(cheng)序動(dong)作(zuo)。

幾年前，科技工作者(zhe)為(wei)圣地亞哥市動物園制(zhi)造電(dian)子(zi)機(ji)器(qi)鳥，它能(neng)模仿母兀鷹，準時(shi)給(gei)小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制(zhi)造了一(yi)種(zhong)電(dian)子(zi)機(ji)器(qi)蟹，能(neng)進(jin)行深海控(kong)測，采集巖樣，捕捉海底(di)生(sheng)物，進(jin)行海下電(dian)焊(han)等作業。美國研制(zhi)出一(yi)條名叫查理(li)的機(ji)器(qi)金槍魚(yu)(yu)，長1.32米，由(you)2843個零件組成(cheng)。通(tong)過擺動軀體和尾巴，能(neng)像真的魚(yu)(yu)一(yi)樣游(you)動，速度(du)為(wei)7.2千(qian)米/小時(shi)。可(ke)以(yi)利用它在海下連續工作數個月，由(you)它測繪海洋地圖和檢測水下污染，也可(ke)以(yi)用它來拍(pai)攝(she)生(sheng)物，因為(wei)它模仿金槍魚(yu)(yu)惟(wei)妙惟(wei)肖。

有的(de)科(ke)學家正在設計金(jin)槍魚潛艇(ting)，其實就是(shi)金(jin)槍魚機器(qi)人，行(xing)駛速度(du)可(ke)達20節，是(shi)名副其實的(de)水(shui)下(xia)游動機器(qi)。它的(de)靈活性遠遠高于現有的(de)潛艇(ting)，幾乎可(ke)以(yi)達到(dao)水(shui)下(xia)任何(he)區域(yu)，由人遙(yao)控(kong)，它可(ke)輕而易舉地(di)進入海底(di)深(shen)處(chu)的(de)海溝和(he)洞穴，悄悄地(di)溜進敵方的(de)港口，進行(xing)偵察而不被發覺。作為軍用偵察和(he)科(ke)學探索工具(ju)，其發展和(he)應用的(de)前景十分廣闊。

同樣，研究制(zhi)(zhi)造昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)機(ji)(ji)(ji)器人，其前景也(ye)是非常美好的(de)。例如，有人研制(zhi)(zhi)一(yi)(yi)種(zhong)有彈性腿的(de)機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，大(da)(da)小只(zhi)有一(yi)(yi)張信用卡的(de)1/3左右，可(ke)(ke)以像(xiang)蟋蟀一(yi)(yi)樣輕松地(di)跳過(guo)障礙，一(yi)(yi)小時幾乎可(ke)(ke)前進37米(mi)。這種(zhong)機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)最(zui)特殊的(de)地(di)方(fang)(fang)是突破(po)了(le)(le)(le)(le)“牽動關節必須加(jia)發(fa)動機(ji)(ji)(ji)”的(de)觀念。發(fa)明家(jia)用的(de)新方(fang)(fang)法是：由(you)鉛、鋯、鈦等金屬條構(gou)成(cheng)一(yi)(yi)個雙壓電(dian)(dian)晶(jing)片調(diao)節器。當充電(dian)(dian)時，調(diao)節器彎曲，充完(wan)電(dian)(dian)了(le)(le)(le)(le)它又彈回原狀，反復充電(dian)(dian)，它就(jiu)(jiu)成(cheng)了(le)(le)(le)(le)振(zhen)動條。在振(zhen)動條上裝有昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)肢體(ti)，振(zhen)動條振(zhen)動就(jiu)(jiu)成(cheng)了(le)(le)(le)(le)機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)的(de)動力，每次振(zhen)動都會使(shi)這種(zhong)爬行(xing)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)前進2毫米(mi)。通(tong)過(guo)一(yi)(yi)只(zhi)“蟲(chong)(chong)王”就(jiu)(jiu)可(ke)(ke)以控制(zhi)(zhi)一(yi)(yi)大(da)(da)群機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，由(you)它以接力形式把控制(zhi)(zhi)指令傳送給每個機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)。應用這種(zhong)機(ji)(ji)(ji)器昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)可(ke)(ke)以在戰場上完(wan)成(cheng)偵察、運(yun)送物品，或在其他星球進行(xing)探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結(jie)構，就是指(zhi)為完成指(zhi)定目標(biao)的一個(ge)或幾個(ge)機器人在信(xin)息(xi)處(chu)理(li)和控制邏輯方(fang)面的結(jie)構方(fang)式(shi)。

1、基于功能來分解

基于功能分解的(de)(de)體(ti)(ti)系結構(gou)在(zai)人工(gong)智能上(shang)屬于傳統的(de)(de)慎思式智能，在(zai)結構(gou)上(shang)體(ti)(ti)現為串行(xing)分布，在(zai)執行(xing)方式上(shang)屬于異(yi)步執行(xing)，即(ji)按照“感知(zhi)一規劃(hua)一行(xing)動”的(de)(de)模式進行(xing)信息處理和控制實(shi)(shi)現。以(yi)美國(guo)(guo)(guo)國(guo)(guo)(guo)家(jia)航天局和美國(guo)(guo)(guo)國(guo)(guo)(guo)家(jia)標準局所提(ti)出的(de)(de)NASR人MtI〕為典型代表。這種體(ti)(ti)系結構(gou)的(de)(de)優點是系統的(de)(de)功能明了，層次清晰，實(shi)(shi)現簡單。但是申行(xing)的(de)(de)處理方式大(da)大(da)延(yan)長了系統對外(wai)部事件(jian)的(de)(de)響應時間，環境(jing)的(de)(de)改變導致必(bi)須(xu)重新規劃(hua)，從而降低(di)了執行(xing)效(xiao)率。因(yin)此(ci)只(zhi)適(shi)合在(zai)已(yi)知(zhi)的(de)(de)結構(gou)化環境(jing)下完成比(bi)較復雜的(de)(de)工(gong)作。

2、基于行為來分解

基于行(xing)(xing)為(wei)(wei)分解的(de)體(ti)(ti)系結(jie)構在(zai)人工(gong)智(zhi)能上(shang)屬于現(xian)代的(de)反(fan)應式智(zhi)能，在(zai)結(jie)構上(shang)體(ti)(ti)現(xian)為(wei)(wei)并(bing)行(xing)(xing)(包容)分布(bu)，在(zai)執(zhi)行(xing)(xing)方式上(shang)屬于同(tong)步執(zhi)行(xing)(xing)，即按照“感知一行(xing)(xing)動”的(de)模(mo)式并(bing)行(xing)(xing)進行(xing)(xing)信(xin)息(xi)處理(li)和控制。以麻省理(li)工(gong)的(de)R.A.Brooks所提出(chu)的(de)行(xing)(xing)為(wei)(wei)分層的(de)包容式體(ti)(ti)系結(jie)構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出(chu)的(de)基于MotorSc hema的(de)結(jie)構為(wei)(wei)典(dian)型代表。其主要優(you)點就是執(zhi)行(xing)(xing)時間(jian)短、效率高(gao)、機動能力強。但是由于缺(que)乏(fa)整體(ti)(ti)的(de)管(guan)理(li)，很難適應于各種(zhong)情(qing)況。因此(ci)只適用于在(zai)沐淘環境下執(zhi)行(xing)(xing)比較簡單的(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于智(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)(fen)布的(de)(de)體系結(jie)(jie)構在(zai)(zai)(zai)人工智(zhi)(zhi)能(neng)上屬(shu)于最(zui)新的(de)(de)分(fen)(fen)布式(shi)智(zhi)(zhi)能(neng)，在(zai)(zai)(zai)結(jie)(jie)構上體現為分(fen)(fen)散分(fen)(fen)布，在(zai)(zai)(zai)執行上屬(shu)于協同執行，既可以單(dan)(dan)獨完成各自的(de)(de)局部問題(ti)(ti)求(qiu)解(jie)，又能(neng)通過協作求(qiu)解(jie)單(dan)(dan)個(ge)或多(duo)個(ge)全局問題(ti)(ti)。以基(ji)于多(duo)智(zhi)(zhi)能(neng)體的(de)(de)體系結(jie)(jie)構為典型代表。這種(zhong)體系結(jie)(jie)構的(de)(de)優點是既具有“智(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)(fen)布”的(de)(de)特點，又有統一(yi)的(de)(de)協調(diao)機制。但是如何在(zai)(zai)(zai)各個(ge)智(zhi)(zhi)能(neng)體之間合理的(de)(de)劃分(fen)(fen)和協調(diao)仍然需要大量的(de)(de)研究和實(shi)踐。該(gai)體系結(jie)(jie)構在(zai)(zai)(zai)許(xu)多(duo)大型的(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)信息處理系統上有著廣泛的(de)(de)應用(yong)。

除以上三(san)類主要的(de)體(ti)(ti)(ti)系結(jie)構(gou)之外(wai)，還有(you)一些改進的(de)混合式(shi)體(ti)(ti)(ti)系結(jie)構(gou)，如帶反(fan)(fan)饋(kui)環節的(de)行為分(fen)(fen)解(jie)模式(shi)、基(ji)于分(fen)(fen)布式(shi)智(zhi)能的(de)分(fen)(fen)層(ceng)體(ti)(ti)(ti)系結(jie)構(gou)、基(ji)于功(gong)能分(fen)(fen)解(jie)的(de)多智(zhi)能體(ti)(ti)(ti)結(jie)構(gou)等(deng)等(deng)。但(dan)是從整體(ti)(ti)(ti)上來看，它(ta)們或是在功(gong)能模塊的(de)靈活性(xing)和擴(kuo)展性(xing)上不足，或是沒能很好的(de)協調慎思式(shi)智(zhi)能與反(fan)(fan)應式(shi)智(zhi)能，或是各層(ceng)次間的(de)交流(liu)機制不夠完(wan)善。

三、仿生式體系結構的思想原理

從本質上來講，慎思式智能、反應式智能以及分布式智能，都是對生物控制邏輯和推理方式的一種借鑒和仿生，但由于客觀條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個角度和方向對生物智能的一種片面的、局部的模仿。本文的仿生式體系結構就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為基礎，充分借鑒基于慎思式智能、反應式智能和分布式智能等三種體系結構思想的優點與不足之處，針對機器人特別是未知(zhi)環境下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)移動機器(qi)人在控制體系結構方面所存在的(de)缺點和(he)問題(ti)，提出一種具有(you)適應行為與進化能力(li)的(de)新的(de)控制思想(xiang)與理(li)念(nian)。

借鑒分布(bu)式(shi)智能的思想，在控制體系結構中引人社會式(shi)行(xing)為(wei)控制層；

借(jie)鑒生物的自適(shi)應性思(si)想，在控制體系結構中實(shi)現本(ben)代內(nei)的由(you)慎思(si)式行為(wei)層到反射式行為(wei)層的學習；

借(jie)鑒生物的自進(jin)(jin)化性思想(xiang)，在控制(zhi)體系(xi)結(jie)構中實現多(duo)代間的由反射(she)式行為層向本能(neng)式行為層的進(jin)(jin)化(或退化)。

所(suo)以，仿生式(shi)體系結構(gou)共有(you)四個行(xing)為(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)組(zu)成，即本能(neng)式(shi)行(xing)為(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)、反射式(shi)行(xing)為(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)、慎思式(shi)行(xing)為(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)和社會式(shi)行(xing)為(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)，它們(men)并(bing)行(xing)接收(shou)來自感知(zhi)層(ceng)的外(wai)部(bu)和內部(bu)信息，各(ge)自作(zuo)出邏輯判斷和反應，發出控(kong)制(zhi)(zhi)信息到末端執行(xing)層(ceng)，通(tong)過(guo)競爭(zheng)和協調來調節自身并(bing)適應外(wai)部(bu)環境(jing)，從(cong)而按照目標完成工作(zuo)任(ren)務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約(yue)50厘米(mi)的(de)(de)機器蝎(xie)子與其他傳(chuan)統的(de)(de)機器人不同(tong)，它(ta)(ta)(ta)沒有(you)(you)解決復雜問(wen)題(ti)的(de)(de)能力(li)。機器蝎(xie)子幾乎完全依(yi)靠反(fan)射作用(yong)來(lai)解決行走(zou)問(wen)題(ti)。這就使得(de)它(ta)(ta)(ta)能夠迅速對困擾它(ta)(ta)(ta)的(de)(de)任何(he)事物(wu)做出(chu)反(fan)應(ying)，它(ta)(ta)(ta)的(de)(de)頭部有(you)(you)兩個超聲波傳(chuan)感器。如果碰到(dao)高(gao)出(chu)它(ta)(ta)(ta)身高(gao)50%%的(de)(de)障礙(ai)(ai)物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會繞開。而且，如果左邊的(de)(de)傳(chuan)感器探測到(dao)障礙(ai)(ai)物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會自動向右(you)轉。

2、機械蟑螂

不(bu)只(zhi)是(shi)蝎子(zi)，就(jiu)連蟑(zhang)(zhang)螂(lang)也能給科學(xue)(xue)家(jia)提供(gong)設計的(de)靈感，科學(xue)(xue)家(jia)們發現，蟑(zhang)(zhang)螂(lang)在高速運動時，每次只(zhi)有三條(tiao)腿著地，一(yi)(yi)邊(bian)兩條(tiao)，一(yi)(yi)邊(bian)一(yi)(yi)條(tiao)，循環反復，根據(ju)這個原(yuan)理，仿生學(xue)(xue)家(jia)制(zhi)造出(chu)機(ji)械蟑(zhang)(zhang)螂(lang)，它(ta)不(bu)僅每秒(miao)能夠前進(jin)三米，而且(qie)平衡性非常好，能夠適應各種惡劣環境，不(bu)遠的(de)將來(lai)，太空(kong)探索或排除地雷，就(jiu)是(shi)它(ta)的(de)用武之(zhi)地.

3、機器梭子魚

麻省理工(gong)學院的機(ji)(ji)器(qi)(qi)梭(suo)子(zi)魚，是(shi)世界上第一(yi)個能夠自由(you)游動的機(ji)(ji)器(qi)(qi)魚。它(ta)大部分是(shi)由(you)玻璃纖維制成(cheng)的，上覆一(yi)層鋼絲網，最外(wai)面(mian)是(shi)一(yi)層合(he)成(cheng)彈(dan)力(li)纖維。尾部由(you)彈(dan)簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成(cheng)，從而使這(zhe)條機(ji)(ji)器(qi)(qi)梭(suo)子(zi)魚既堅(jian)固又靈活。一(yi)臺伺服電動機(ji)(ji)為(wei)這(zhe)條機(ji)(ji)器(qi)(qi)魚提供(gong)動力(li)。

4、機器蛙

機器蛙腿的(de)(de)(de)膝部裝有彈簧(huang)，能像青蛙那(nei)樣(yang)先(xian)彎起腿，再一(yi)躍而起。機器蛙在地(di)球上(shang)一(yi)躍的(de)(de)(de)最遠(yuan)(yuan)距(ju)離(li)是2.4米(mi)；而在火(huo)(huo)星上(shang)，由(you)于火(huo)(huo)星的(de)(de)(de)重(zhong)力大約為地(di)球的(de)(de)(de)1/3，機器蛙的(de)(de)(de)跳遠(yuan)(yuan)成績(ji)則(ze)可(ke)遠(yuan)(yuan)達7.2米(mi)，接近人(ren)類(lei)的(de)(de)(de)跳遠(yuan)(yuan)世(shi)界(jie)紀錄。因此它不會再像2007年的(de)(de)(de)火(huo)(huo)星越(yue)野車那(nei)樣(yang)在一(yi)塊小石(shi)頭面前一(yi)籌莫展了。

5、機器蜘蛛

這是太(tai)空工程師從蜘(zhi)蛛(zhu)(zhu)攀(pan)墻特技中得到(dao)靈感而創造出的(de)。它(ta)安裝有一組天線模仿昆蟲(chong)觸(chu)角(jiao)，當它(ta)邁(mai)動細(xi)長的(de)腿(tui)時，這些觸(chu)角(jiao)可(ke)探測地形(xing)和障(zhang)礙。機器蜘(zhi)蛛(zhu)(zhu)原形(xing)很小(xiao)，直立高度僅18厘米(mi)，比人的(de)手掌大(da)不(bu)了多少。“蜘(zhi)蛛(zhu)(zhu)俠(xia)”們不(bu)僅能攀(pan)爬太(tai)空越野車無法到(dao)達的(de)火(huo)星陡坡(po)地形(xing)，而且成(cheng)本(ben)也經濟(ji)許(xu)多，這樣，一大(da)批太(tai)空“蜘(zhi)蛛(zhu)(zhu)俠(xia)”就會遍布(bu)在火(huo)星大(da)地的(de)各(ge)個角(jiao)落。

6、機器金槍魚

機器(qi)金(jin)槍(qiang)魚(yu)機器(qi)金(jin)槍(qiang)魚(yu)是麻省(sheng)理(li)工學院自“查理(li)”之后在機器(qi)魚(yu)研制方面取得的(de)最新成果(guo)。這個新原型(xing)擁有(you)柔軟(ruan)的(de)身(shen)體，體內(nei)只裝有(you)1臺發(fa)動機以及6個移動部(bu)件，使其能夠(gou)在更大程度上(shang)模擬真實魚(yu)的(de)移動。

7、機器人壁虎

珠海(hai)新(xin)概念航空航天器有(you)限公司(si)李(li)曉(xiao)陽博士(shi)(shi)和(he)他領導的(de)(de)研(yan)究組(zu)，2008年11月(yue)15日研(yan)制成功仿生機器人(ren)壁(bi)(bi)虎(hu)“神(shen)(shen)行(xing)(xing)者”。仿生機器人(ren)壁(bi)(bi)虎(hu)“神(shen)(shen)行(xing)(xing)者”作為一種(zhong)體積小、行(xing)(xing)動靈活(huo)的(de)(de)新(xin)型(xing)智(zhi)能(neng)(neng)機器人(ren)，有(you)可能(neng)(neng)在不(bu)久的(de)(de)將來廣泛應用(yong)于搜索、救援、反恐，以(yi)及科(ke)學實驗和(he)科(ke)學考察。據李(li)曉(xiao)陽博士(shi)(shi)介(jie)紹，這種(zhong)機器人(ren)壁(bi)(bi)虎(hu)，能(neng)(neng)在各種(zhong)建筑物的(de)(de)墻面、地下和(he)墻縫中垂直上下迅速攀爬(pa)，或者在天花板下倒掛行(xing)(xing)走,對(dui)光滑的(de)(de)玻(bo)璃、粗糙或者粘有(you)粉塵的(de)(de)墻面以(yi)及各種(zhong)金屬材(cai)料表(biao)面都能(neng)(neng)夠(gou)適應，能(neng)(neng)夠(gou)自動辨識障礙(ai)物并規避繞(rao)行(xing)(xing)，動作靈活(huo)逼(bi)真。其(qi)靈活(huo)性和(he)運動速度可媲美自然(ran)界(jie)的(de)(de)壁(bi)(bi)虎(hu)。

8、機器水母

美國海軍研究辦公(gong)室研制(zhi)一種“機器(qi)水母(mu)”，它可用(yong)于監測(ce)水面艦船和潛艇(ting)，探測(ce)化學溢出(chu)物，以及(ji)監控回(hui)游魚(yu)類的(de)動向。這些(xie)(xie)機器(qi)水母(mu)是由生物感應記憶合金制(zhi)成(cheng)的(de)細(xi)線(xian)連接，當這些(xie)(xie)金屬(shu)細(xi)線(xian)被(bei)加熱時(shi)，就會像(xiang)肌肉組織(zhi)一樣收(shou)縮。