一、仿生機器人的前途

首先，模仿某些昆蟲(chong)而制造出來(lai)的(de)(de)機(ji)器人(ren)并非簡單。比如，國外有(you)的(de)(de)科(ke)學(xue)家觀(guan)察發(fa)現(xian)，螞蟻的(de)(de)大腦很小，視(shi)力(li)極差，但它的(de)(de)導(dao)航能力(li)高超：當螞蟻發(fa)現(xian)食物源后(hou)回(hui)去召喚同伴時，是把(ba)這一食物的(de)(de)映像始終存儲(chu)在它的(de)(de)大腦里(li)，并利用(yong)大腦里(li)的(de)(de)映像與眼前真實的(de)(de)景像相(xiang)匹配的(de)(de)方(fang)法(fa)，循原路返回(hui)。科(ke)學(xue)家認(ren)為，模仿螞蟻這一功能，可使機(ji)器人(ren)在陌生的(de)(de)環境中具有(you)高超的(de)(de)探(tan)路能力(li)。

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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，法國著名(ming)工程師(shi)鮑(bao)堪松制(zhi)造的(de)鳧(fu)水(shui)的(de)鐵鴨子(zi)等，都非常有名(ming)。

在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)向智(zhi)能(neng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)發(fa)展的(de)(de)(de)時(shi)程中，就有人(ren)(ren)提出“反對(dui)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)必須先會思考(kao)才能(neng)做事(shi)”的(de)(de)(de)觀點，并認為，用許多簡單的(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)也可以完成復雜(za)的(de)(de)(de)任(ren)務。20世(shi)紀90年代初(chu)，美國(guo)麻(ma)省理工學(xue)院的(de)(de)(de)教授布魯克斯(si)在學(xue)生的(de)(de)(de)幫助下(xia)，制造出一批蚊型機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，取名昆蟲機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，這些小東西(xi)的(de)(de)(de)習(xi)慣(guan)和蟑螂十分相近。它們不(bu)會思考(kao)，只能(neng)按(an)照人(ren)(ren)編(bian)制的(de)(de)(de)程序動作。

幾年(nian)前，科技工(gong)作(zuo)者為(wei)圣地亞哥市動物園制(zhi)(zhi)造(zao)電(dian)子機器(qi)鳥，它能(neng)(neng)模(mo)仿母(mu)兀(wu)鷹，準時給小(xiao)兀(wu)鷹喂食；日本和(he)俄羅斯制(zhi)(zhi)造(zao)了一種電(dian)子機器(qi)蟹，能(neng)(neng)進行深海(hai)(hai)控測，采集巖樣，捕捉海(hai)(hai)底生物，進行海(hai)(hai)下電(dian)焊等(deng)作(zuo)業(ye)。美國研制(zhi)(zhi)出一條名叫查理的機器(qi)金(jin)槍魚(yu)，長(chang)1.32米(mi)，由(you)2843個(ge)零件組成。通過擺(bai)動軀體和(he)尾巴，能(neng)(neng)像真的魚(yu)一樣游動，速度為(wei)7.2千(qian)米(mi)/小(xiao)時。可(ke)以(yi)(yi)利(li)用(yong)它在(zai)海(hai)(hai)下連續工(gong)作(zuo)數(shu)個(ge)月(yue)，由(you)它測繪海(hai)(hai)洋地圖和(he)檢測水下污染(ran)，也(ye)可(ke)以(yi)(yi)用(yong)它來拍(pai)攝生物，因為(wei)它模(mo)仿金(jin)槍魚(yu)惟妙惟肖。

有的(de)科(ke)學家正在設(she)計金槍魚潛艇(ting)，其(qi)(qi)(qi)實(shi)就是(shi)金槍魚機器人，行駛速度可達(da)20節，是(shi)名副其(qi)(qi)(qi)實(shi)的(de)水下(xia)(xia)游動機器。它的(de)靈活性(xing)遠(yuan)遠(yuan)高(gao)于現有的(de)潛艇(ting)，幾乎可以(yi)達(da)到水下(xia)(xia)任何區域，由(you)人遙(yao)控，它可輕而易舉地進(jin)入海底(di)深處的(de)海溝和(he)洞穴，悄悄地溜進(jin)敵方的(de)港(gang)口，進(jin)行偵(zhen)察(cha)而不被(bei)發覺。作為軍(jun)用(yong)(yong)偵(zhen)察(cha)和(he)科(ke)學探(tan)索工具，其(qi)(qi)(qi)發展和(he)應用(yong)(yong)的(de)前(qian)景(jing)十分廣闊(kuo)。

同樣(yang)，研究制(zhi)造(zao)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲機(ji)(ji)器(qi)(qi)人，其前(qian)景(jing)也是(shi)非(fei)常美好的。例如，有人研制(zhi)一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)有彈性腿(tui)的機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲，大小(xiao)(xiao)只有一(yi)(yi)張(zhang)信(xin)用卡的1/3左右，可(ke)以(yi)像蟋(xi)蟀一(yi)(yi)樣(yang)輕松地(di)跳過(guo)障(zhang)礙，一(yi)(yi)小(xiao)(xiao)時幾乎可(ke)前(qian)進37米(mi)。這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲最特殊的地(di)方(fang)是(shi)突破了(le)(le)“牽動(dong)(dong)(dong)(dong)關節必須加發動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)”的觀念。發明家用的新方(fang)法是(shi)：由(you)鉛、鋯、鈦等金屬條(tiao)構(gou)成一(yi)(yi)個雙壓電晶片調節器(qi)(qi)。當充電時，調節器(qi)(qi)彎(wan)曲，充完電了(le)(le)它又彈回原狀，反復充電，它就成了(le)(le)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)條(tiao)。在振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)條(tiao)上裝有昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲肢體，振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)條(tiao)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)就成了(le)(le)機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲的動(dong)(dong)(dong)(dong)力(li)，每(mei)次(ci)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)(dong)都會使這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)爬行昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲前(qian)進2毫米(mi)。通(tong)過(guo)一(yi)(yi)只“蟲王(wang)”就可(ke)以(yi)控制(zhi)一(yi)(yi)大群(qun)機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲，由(you)它以(yi)接力(li)形(xing)式(shi)把控制(zhi)指(zhi)令傳(chuan)送(song)給每(mei)個機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲。應用這(zhe)(zhe)種(zhong)(zhong)機(ji)(ji)器(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)(kun)蟲可(ke)以(yi)在戰場(chang)上完成偵察(cha)、運(yun)送(song)物(wu)品，或在其他星球進行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結構，就是指為完(wan)成指定目(mu)標的(de)一個或幾個機器(qi)人在信息處(chu)理和控制邏輯方面的(de)結構方式。

1、基于功能來分解

基(ji)于功能分解的體(ti)系(xi)結(jie)構(gou)在人工智(zhi)能上屬于傳(chuan)統的慎思式(shi)智(zhi)能，在結(jie)構(gou)上體(ti)現為(wei)串行(xing)分布，在執(zhi)行(xing)方式(shi)上屬于異步(bu)執(zhi)行(xing)，即(ji)按照“感知(zhi)一規劃(hua)一行(xing)動(dong)”的模式(shi)進(jin)行(xing)信息處(chu)理(li)和(he)控制實(shi)現。以美國(guo)國(guo)家航天局和(he)美國(guo)國(guo)家標準局所提出的NASR人MtI〕為(wei)典型代表(biao)。這種(zhong)體(ti)系(xi)結(jie)構(gou)的優點是系(xi)統的功能明了，層次清晰，實(shi)現簡單。但是申行(xing)的處(chu)理(li)方式(shi)大(da)大(da)延長了系(xi)統對(dui)外部事(shi)件的響(xiang)應(ying)時間，環(huan)境的改變導致(zhi)必(bi)須重新規劃(hua)，從而降低了執(zhi)行(xing)效率。因此只適合在已知(zhi)的結(jie)構(gou)化環(huan)境下完(wan)成比較(jiao)復雜的工作。

2、基于行為來分解

基(ji)于行(xing)(xing)為分解的(de)體(ti)(ti)系結構(gou)(gou)在(zai)人工智(zhi)能(neng)(neng)上屬于現(xian)(xian)代(dai)的(de)反應(ying)式(shi)智(zhi)能(neng)(neng)，在(zai)結構(gou)(gou)上體(ti)(ti)現(xian)(xian)為并(bing)行(xing)(xing)(包(bao)容)分布(bu)，在(zai)執行(xing)(xing)方(fang)式(shi)上屬于同步執行(xing)(xing)，即按(an)照“感知一(yi)行(xing)(xing)動”的(de)模式(shi)并(bing)行(xing)(xing)進行(xing)(xing)信息處理和控(kong)制。以(yi)麻省(sheng)理工的(de)R.A.Brooks所提出的(de)行(xing)(xing)為分層(ceng)的(de)包(bao)容式(shi)體(ti)(ti)系結構(gou)(gou)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的(de)基(ji)于MotorSc hema的(de)結構(gou)(gou)為典(dian)型代(dai)表。其主要優(you)點就是執行(xing)(xing)時間短、效率高(gao)、機動能(neng)(neng)力強。但是由(you)于缺乏整體(ti)(ti)的(de)管(guan)理，很難適(shi)應(ying)于各種情況。因(yin)此只(zhi)適(shi)用于在(zai)沐淘(tao)環境下(xia)執行(xing)(xing)比較簡單的(de)任務(wu)。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于智(zhi)能(neng)(neng)分(fen)(fen)布(bu)的(de)(de)體系結(jie)(jie)(jie)構(gou)在人(ren)工智(zhi)能(neng)(neng)上(shang)屬于最新的(de)(de)分(fen)(fen)布(bu)式智(zhi)能(neng)(neng)，在結(jie)(jie)(jie)構(gou)上(shang)體現為分(fen)(fen)散分(fen)(fen)布(bu)，在執行(xing)上(shang)屬于協(xie)同執行(xing)，既可(ke)以單(dan)獨完成各(ge)自的(de)(de)局部問題(ti)求解，又能(neng)(neng)通過協(xie)作(zuo)求解單(dan)個或多(duo)個全局問題(ti)。以基(ji)于多(duo)智(zhi)能(neng)(neng)體的(de)(de)體系結(jie)(jie)(jie)構(gou)為典型(xing)代表。這種體系結(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)優點是既具有(you)“智(zhi)能(neng)(neng)分(fen)(fen)布(bu)”的(de)(de)特點，又有(you)統(tong)(tong)一的(de)(de)協(xie)調機(ji)制。但是如何在各(ge)個智(zhi)能(neng)(neng)體之間(jian)合理的(de)(de)劃分(fen)(fen)和(he)協(xie)調仍然(ran)需要大(da)量的(de)(de)研(yan)究和(he)實(shi)踐。該體系結(jie)(jie)(jie)構(gou)在許多(duo)大(da)型(xing)的(de)(de)智(zhi)能(neng)(neng)信(xin)息處理系統(tong)(tong)上(shang)有(you)著廣泛的(de)(de)應(ying)用(yong)。

除以上三類(lei)主要的體(ti)(ti)系結(jie)構(gou)之(zhi)外，還有一些改進的混合式體(ti)(ti)系結(jie)構(gou)，如帶反(fan)饋環(huan)節的行(xing)為(wei)分(fen)(fen)解模式、基(ji)于(yu)分(fen)(fen)布式智(zhi)(zhi)(zhi)能的分(fen)(fen)層(ceng)體(ti)(ti)系結(jie)構(gou)、基(ji)于(yu)功(gong)能分(fen)(fen)解的多智(zhi)(zhi)(zhi)能體(ti)(ti)結(jie)構(gou)等等。但是從整體(ti)(ti)上來看，它們或是在功(gong)能模塊的靈(ling)活性(xing)(xing)和(he)擴展性(xing)(xing)上不(bu)(bu)足，或是沒能很好的協調慎思式智(zhi)(zhi)(zhi)能與反(fan)應式智(zhi)(zhi)(zhi)能，或是各層(ceng)次間(jian)的交流機制(zhi)不(bu)(bu)夠完善。

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環境下工作的移動機器人(ren)在控制體系結構(gou)方面所存在的缺點和問題，提出一種具有適應行(xing)為與(yu)進(jin)化能力(li)的新的控制思想與(yu)理念。

借鑒分(fen)布式(shi)智能的(de)思想，在控制(zhi)體系結(jie)構中引人社會式(shi)行為控制(zhi)層；

借鑒生物的自適應(ying)性思想，在(zai)控(kong)制(zhi)體系結構(gou)中實(shi)現本代內的由慎(shen)思式行為層(ceng)到反射式行為層(ceng)的學習；

借鑒生(sheng)物的自進(jin)化(hua)(hua)性(xing)思想，在(zai)控(kong)制體系結構(gou)中實(shi)現多(duo)代間的由反射式行為層(ceng)向本能式行為層(ceng)的進(jin)化(hua)(hua)(或退化(hua)(hua))。

所以(yi)，仿生式(shi)體系結構共有四個行為控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)組(zu)成(cheng)，即本能式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)、反射式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)、慎思(si)式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)和社會式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)，它(ta)們并(bing)行接(jie)收來自感知(zhi)層(ceng)(ceng)(ceng)的外部和內部信(xin)息，各自作出邏輯判斷和反應(ying)，發出控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)息到(dao)末端執行層(ceng)(ceng)(ceng)，通過競爭和協(xie)調來調節自身(shen)并(bing)適應(ying)外部環境，從而(er)按照目(mu)標(biao)完成(cheng)工作任(ren)務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約(yue)50厘米的機(ji)器(qi)蝎(xie)子(zi)與其他傳統的機(ji)器(qi)人不同，它沒有(you)解(jie)決(jue)復(fu)雜問(wen)題(ti)的能(neng)力(li)。機(ji)器(qi)蝎(xie)子(zi)幾乎完全(quan)依靠反射(she)作用(yong)來解(jie)決(jue)行走問(wen)題(ti)。這就(jiu)使得它能(neng)夠迅速(su)對困(kun)擾它的任何事物做出(chu)反應(ying)，它的頭部有(you)兩個超聲波傳感(gan)器(qi)。如果(guo)碰到(dao)高(gao)出(chu)它身高(gao)50%%的障礙物，它就(jiu)會繞開。而(er)且，如果(guo)左(zuo)邊的傳感(gan)器(qi)探測(ce)到(dao)障礙物，它就(jiu)會自動向右(you)轉。

2、機械蟑螂

不(bu)只是蝎子(zi)，就連(lian)蟑(zhang)螂也能給科學(xue)家提供設(she)計的(de)靈(ling)感(gan)，科學(xue)家們(men)發(fa)現，蟑(zhang)螂在高速運動(dong)時，每次只有三條(tiao)腿著地(di)，一邊兩條(tiao)，一邊一條(tiao)，循環反(fan)復，根據這個原理，仿生學(xue)家制造(zao)出(chu)機械(xie)蟑(zhang)螂，它(ta)不(bu)僅每秒(miao)能夠(gou)前進三米，而且(qie)平衡性非(fei)常(chang)好，能夠(gou)適應各種惡劣環境，不(bu)遠的(de)將(jiang)來，太空探索或排除(chu)地(di)雷(lei)，就是它(ta)的(de)用(yong)武之(zhi)地(di).

3、機器梭子魚

麻省理工學院的機(ji)(ji)(ji)器梭(suo)子魚，是(shi)世界上第一個(ge)能夠自由游動(dong)的機(ji)(ji)(ji)器魚。它大部分是(shi)由玻(bo)璃(li)纖維(wei)制成的，上覆一層鋼(gang)絲網，最外面是(shi)一層合成彈力纖維(wei)。尾部由彈簧狀的錐形玻(bo)璃(li)纖維(wei)線圈制成，從(cong)而使這條機(ji)(ji)(ji)器梭(suo)子魚既堅固(gu)又靈活。一臺伺服電動(dong)機(ji)(ji)(ji)為這條機(ji)(ji)(ji)器魚提供(gong)動(dong)力。

4、機器蛙

機器蛙腿(tui)的(de)膝部裝有彈簧，能像青蛙那(nei)樣(yang)先彎起腿(tui)，再一(yi)躍而起。機器蛙在(zai)(zai)地球(qiu)上(shang)一(yi)躍的(de)最(zui)遠(yuan)距離是2.4米(mi)；而在(zai)(zai)火星上(shang)，由(you)于火星的(de)重力大約(yue)為地球(qiu)的(de)1/3，機器蛙的(de)跳(tiao)遠(yuan)成績則可遠(yuan)達(da)7.2米(mi)，接近人類的(de)跳(tiao)遠(yuan)世界紀錄。因此它不會再像2007年的(de)火星越(yue)野(ye)車(che)那(nei)樣(yang)在(zai)(zai)一(yi)塊小(xiao)石頭面前一(yi)籌莫(mo)展了。

5、機器蜘蛛

這是(shi)太(tai)(tai)(tai)空工程(cheng)師從蜘蛛(zhu)攀(pan)墻特(te)技(ji)中得到靈(ling)感而創造出的(de)(de)(de)。它(ta)(ta)安裝有一組(zu)天線模仿昆蟲觸(chu)角，當它(ta)(ta)邁動細長的(de)(de)(de)腿時，這些觸(chu)角可(ke)探測地(di)形和障(zhang)礙。機器(qi)蜘蛛(zhu)原(yuan)形很小，直立高度(du)僅(jin)18厘米，比人的(de)(de)(de)手(shou)掌大(da)不了多(duo)少。“蜘蛛(zhu)俠(xia)”們不僅(jin)能(neng)攀(pan)爬(pa)太(tai)(tai)(tai)空越野車無法到達的(de)(de)(de)火(huo)星(xing)(xing)陡坡地(di)形，而且成本(ben)也經(jing)濟許多(duo)，這樣(yang)，一大(da)批太(tai)(tai)(tai)空“蜘蛛(zhu)俠(xia)”就會遍布在火(huo)星(xing)(xing)大(da)地(di)的(de)(de)(de)各個角落。

6、機器金槍魚

機器金(jin)(jin)槍(qiang)魚(yu)機器金(jin)(jin)槍(qiang)魚(yu)是(shi)麻省理工學院自(zi)“查理”之(zhi)后在機器魚(yu)研制(zhi)方面取(qu)得的最新成果。這個新原型擁有柔軟的身體(ti)，體(ti)內只裝有1臺發動(dong)機以(yi)及6個移動(dong)部件，使(shi)其能(neng)夠在更(geng)大程度上模擬真實魚(yu)的移動(dong)。

7、機器人壁虎

珠海(hai)新概念(nian)航空(kong)航天器(qi)有限公司李曉陽博士和(he)他領導的(de)(de)(de)(de)研究組，2008年11月15日研制成功仿生機(ji)器(qi)人壁虎“神行(xing)者”。仿生機(ji)器(qi)人壁虎“神行(xing)者”作(zuo)為(wei)一種體積小、行(xing)動(dong)靈(ling)活(huo)的(de)(de)(de)(de)新型智能(neng)(neng)機(ji)器(qi)人，有可(ke)能(neng)(neng)在(zai)不久的(de)(de)(de)(de)將來廣泛應用于(yu)搜索(suo)、救(jiu)援、反恐，以(yi)及科學實驗和(he)科學考察。據李曉陽博士介紹，這種機(ji)器(qi)人壁虎，能(neng)(neng)在(zai)各(ge)種建筑物(wu)的(de)(de)(de)(de)墻(qiang)面、地下和(he)墻(qiang)縫中垂直(zhi)上下迅(xun)速(su)攀爬，或者在(zai)天花板下倒(dao)掛行(xing)走,對光滑的(de)(de)(de)(de)玻璃(li)、粗糙或者粘(zhan)有粉(fen)塵的(de)(de)(de)(de)墻(qiang)面以(yi)及各(ge)種金屬材料表面都能(neng)(neng)夠(gou)適應，能(neng)(neng)夠(gou)自動(dong)辨識障礙(ai)物(wu)并規避繞行(xing)，動(dong)作(zuo)靈(ling)活(huo)逼真。其(qi)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)運動(dong)速(su)度可(ke)媲(pi)美自然界的(de)(de)(de)(de)壁虎。

8、機器水母

美國海軍研究辦公室(shi)研制一(yi)種“機器(qi)水母”，它可用于(yu)監(jian)測(ce)水面艦船和潛(qian)艇，探測(ce)化學溢出物(wu)，以及監(jian)控回游魚(yu)類的(de)動向。這些機器(qi)水母是由生物(wu)感應記憶合金(jin)制成(cheng)的(de)細線連接，當這些金(jin)屬細線被加熱(re)時，就會(hui)像肌肉組(zu)織(zhi)一(yi)樣收(shou)縮(suo)。