仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì)

引 言

生物在自然界經(jīng)過了億萬年的進(jìn)化與篩選， 每種生物都有其獨(dú)特的適應(yīng)環(huán)境的能力與適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)。仿生學(xué)（Bionics）是模仿生物的特殊本領(lǐng)的一門學(xué)科。仿生學(xué)通過了解生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制新型機(jī)械和技術(shù)，或解決機(jī)械技術(shù)方面的難題。1960 年由美國的J.E.Steele 首先提出。仿生學(xué)主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領(lǐng)，包括生物自身的結(jié)構(gòu)、原理、行為及器官功能等，從而為科學(xué)技術(shù)中利用這些原理提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)科學(xué)?？茖W(xué)家們將對(duì)自然界中生物結(jié)構(gòu)和功能的研究應(yīng)用于機(jī)器人，從而制造出具有生物結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特性的仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是仿生學(xué)和機(jī)器人需求的高度融合， 極大地促進(jìn)了機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，開拓了機(jī)器人領(lǐng)域的疆土， 使人們將從大自然中獲取的靈感應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中。仿生學(xué)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用引起了各國研究人員的關(guān)注，并取得了大量成果。

1 仿生機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 水下仿生機(jī)器人

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

1994 年美國麻省理工學(xué)院（MIT）通過模仿金槍魚結(jié)構(gòu)制造出了機(jī)器魚RoboTuna，如圖 1 所示。該項(xiàng)目始于1993 年， 其目的是探討構(gòu)建一個(gè)可重現(xiàn)金槍魚游泳方式的機(jī)器人潛艇， 研究人員致力于提高推進(jìn)效率和靈活性。

而后美國海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制的機(jī)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(gè)方向移動(dòng)，爪子和尾巴則幫助它們?cè)谕募钡乃饕约捌渌h(huán)境中保持身體的穩(wěn)定性。

它由一種特制的防水電池提供動(dòng)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(tái)超微型計(jì)算機(jī)，可用于探測(cè)水下礦藏。

我國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)如北京航空航天大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所、國防科技大學(xué)等也在此領(lǐng)域有相關(guān)研究。北京航空航天大學(xué)研制的“SPC-II”仿生機(jī)器魚可在水下連續(xù)工作2 ～3 小時(shí)。中科院自動(dòng)化所、國防科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)亦研究出不同形態(tài)的水下仿生機(jī)器人。

1.2 陸面仿生機(jī)器人

美國斯坦福大學(xué)研制的壁虎機(jī)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(dá)到最大化。在每個(gè)吸力手上都有數(shù)百萬根由人造橡膠制造的毛發(fā)， 每根細(xì)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(fā)中的分子和玻璃壁分子的距離異常接近，機(jī)器人通過分子間作用力在墻壁上自由行走。這款壁虎機(jī)器人可應(yīng)用于太空等不能依靠負(fù)壓吸附或不能依靠磁力吸附的環(huán)境中。

上個(gè)世紀(jì)七十年代，日本東京工業(yè)大學(xué)的Hirose 教授就已經(jīng)開始了蛇形機(jī)器人的研究。Hirose 教授于1972 年研制出了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人（Active Cord Mechanism-ACMIII）。該機(jī)器人總長 2 m，具有 20 個(gè)關(guān)節(jié)，依靠伺服機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)。為與地面有效接觸，該機(jī)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(yùn)動(dòng)。繼第一臺(tái)蛇形機(jī)器人之后，Hirose 教授的研究室又先后研制出了一系列蛇形機(jī)器人。ACM-R3 是最近的研究成果，ACM-R3 機(jī)器人采用完全無線控制的方式，每個(gè)關(guān)節(jié)自帶電源，且 ACM-R3 為三維結(jié)構(gòu)，能夠在三維環(huán)境中運(yùn)動(dòng)并完成復(fù)雜的動(dòng)作。而挪威科技工業(yè)研究院（SINTEF Research Institute）已設(shè)計(jì)出一種用于火星表面探測(cè)的蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人的研究在國內(nèi)起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所、上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機(jī)器人仿生方面的研究工作。2002 年，國防科技技術(shù)大學(xué)研制了一個(gè)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，該樣機(jī)不但可以在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，采用密封外皮后還能在水面上蜿蜒運(yùn)動(dòng)。中科院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開始了蛇形機(jī)器人的研究。

1.3 空中仿生機(jī)器人

“機(jī)器蒼蠅”由美國加州大學(xué)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(jī)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 3cm，翅膀由碳纖維做成，翼震頻率 150Hz。頭部裝有微型傳感器和攝像機(jī)，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(jìn)行災(zāi)后搜救。機(jī)器蒼蠅實(shí)物圖如圖 3所示。

美國加州理工學(xué)院等聯(lián)合研制了微型蝙蝠無人機(jī)MiroBat，它是一種小型電動(dòng)撲翼機(jī)，機(jī)翼采用微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，由電池驅(qū)動(dòng)，無線電遙控控制，通過齒輪機(jī)構(gòu)、雙連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼上下?lián)鋭?dòng)。此外，美國密歇根大學(xué)、美國北卡羅來納州立大學(xué)均研制出了蝙蝠機(jī)器人，這些蝙蝠機(jī)器人可完成偵察人物和數(shù)據(jù)收集的任務(wù)。而荷蘭代爾夫特科技大學(xué)也開發(fā)出了形如雨燕的機(jī)器人，可像雨燕般靈活飛行，德國奧斯托公司在 2013 年設(shè)計(jì)出了蜻蜓機(jī)器人，其擁有良好的靈活性，且可通過智能手機(jī)進(jìn)行控制。

國內(nèi)研究人員也在空中仿生機(jī)器人方面做了大量的研究工作。南京航空航天大學(xué)制作出了幾種不同大小和形式的仿鳥撲翼飛行器，達(dá)到了同時(shí)段的領(lǐng)先水平。西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)等也在仿生撲翼飛行方面做出了探索。

2 仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 由傳統(tǒng)機(jī)電機(jī)器人向生物機(jī)器人發(fā)展

在機(jī)器人未來的發(fā)展中，逐步由傳統(tǒng)的機(jī)器人控制方式轉(zhuǎn)向肌點(diǎn)信號(hào)、腦電信號(hào)等方式進(jìn)行活體生物的人工控制，通過神經(jīng)元進(jìn)行仿生機(jī)器人的精細(xì)控制。這是生物學(xué)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

2.2 結(jié)構(gòu)的微型化

仿生機(jī)器人朝著微型化發(fā)展，可用于更加精確的場(chǎng)所， 可進(jìn)入人體檢查和開展靶向治療而不傷害人體，也可進(jìn)入狹小的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。這需要實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的微型化和機(jī)器人整體微型化。

3 結(jié) 語

隨著仿生機(jī)器人受重視程度的逐漸加深，仿生機(jī)器人將越來越多的運(yùn)用到日常情景中。仿生移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)和服務(wù)業(yè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，爬行仿生機(jī)器人運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和測(cè)繪探測(cè)中。同時(shí)仿生機(jī)器人在醫(yī)療器械和玩具市場(chǎng)中也有很好的發(fā)展前景。