一、仿生機器人的前途

首先，模仿某些昆蟲而制造(zao)出來(lai)的(de)(de)(de)機(ji)器人并(bing)非簡(jian)單。比如，國外有的(de)(de)(de)科(ke)學家觀察(cha)發(fa)現(xian)，螞蟻的(de)(de)(de)大(da)腦(nao)很小(xiao)，視力(li)極差，但它的(de)(de)(de)導航能(neng)(neng)力(li)高超：當(dang)螞蟻發(fa)現(xian)食(shi)物源后回(hui)去(qu)召喚同伴時(shi)，是把這(zhe)(zhe)一(yi)食(shi)物的(de)(de)(de)映像(xiang)始終存儲在它的(de)(de)(de)大(da)腦(nao)里(li)(li)，并(bing)利用大(da)腦(nao)里(li)(li)的(de)(de)(de)映像(xiang)與眼前真實的(de)(de)(de)景像(xiang)相(xiang)匹配的(de)(de)(de)方法，循(xun)原路(lu)返(fan)回(hui)。科(ke)學家認為，模仿螞蟻這(zhe)(zhe)一(yi)功能(neng)(neng)，可使機(ji)器人在陌生(sheng)的(de)(de)(de)環境中(zhong)具有高超的(de)(de)(de)探路(lu)能(neng)(neng)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(gong)程(cheng)師鮑堪松制造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名(ming)。

在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)向智(zhi)能機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)發(fa)展的(de)(de)時程中，就有(you)人(ren)(ren)(ren)(ren)提(ti)出“反(fan)對機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)必(bi)須(xu)先會思考才能做事(shi)”的(de)(de)觀點(dian)，并認(ren)為，用許(xu)多簡單的(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)(ren)也可以完成復(fu)雜(za)的(de)(de)任務(wu)。20世紀(ji)90年(nian)代初，美國麻省理工(gong)學(xue)院的(de)(de)教授布魯克(ke)斯(si)在學(xue)生的(de)(de)幫助下，制(zhi)造(zao)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)，這些小東西(xi)的(de)(de)習慣和蟑(zhang)螂十(shi)分相近(jin)。它(ta)們不會思考，只(zhi)能按照人(ren)(ren)(ren)(ren)編制(zhi)的(de)(de)程序動作。

幾年前(qian)，科技工(gong)(gong)作(zuo)者為(wei)圣地(di)亞哥市動物(wu)園制(zhi)造電(dian)子(zi)機(ji)器(qi)鳥(niao)，它(ta)能(neng)(neng)模仿母(mu)兀(wu)鷹(ying)，準時給(gei)小兀(wu)鷹(ying)喂食；日本和俄羅斯制(zhi)造了一(yi)種電(dian)子(zi)機(ji)器(qi)蟹，能(neng)(neng)進(jin)行(xing)深(shen)海(hai)控測，采集巖(yan)樣，捕捉海(hai)底生(sheng)物(wu)，進(jin)行(xing)海(hai)下(xia)電(dian)焊等作(zuo)業。美國(guo)研制(zhi)出一(yi)條名叫(jiao)查理的(de)機(ji)器(qi)金(jin)槍魚(yu)(yu)，長1.32米(mi)(mi)，由(you)2843個零件組成。通過擺(bai)動軀體和尾(wei)巴，能(neng)(neng)像真的(de)魚(yu)(yu)一(yi)樣游(you)動，速度為(wei)7.2千米(mi)(mi)/小時。可(ke)以利用(yong)它(ta)在海(hai)下(xia)連(lian)續工(gong)(gong)作(zuo)數(shu)個月，由(you)它(ta)測繪(hui)海(hai)洋(yang)地(di)圖和檢測水下(xia)污染，也可(ke)以用(yong)它(ta)來拍攝(she)生(sheng)物(wu)，因為(wei)它(ta)模仿金(jin)槍魚(yu)(yu)惟妙惟肖(xiao)。

有(you)的(de)科(ke)學(xue)家正在設計金槍魚潛(qian)艇(ting)(ting)，其實就是(shi)金槍魚機器人(ren)，行(xing)駛速度可達20節(jie)，是(shi)名(ming)副其實的(de)水下(xia)游動機器。它的(de)靈活性遠(yuan)遠(yuan)高于現(xian)有(you)的(de)潛(qian)艇(ting)(ting)，幾(ji)乎可以達到水下(xia)任何區域，由(you)人(ren)遙(yao)控，它可輕而易舉地(di)進入海底深(shen)處的(de)海溝(gou)和(he)洞穴，悄悄地(di)溜進敵(di)方的(de)港口，進行(xing)偵察而不被發(fa)覺。作為軍用偵察和(he)科(ke)學(xue)探索(suo)工具，其發(fa)展和(he)應用的(de)前景(jing)十(shi)分廣闊(kuo)。

同樣，研究(jiu)制造昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人，其前景(jing)也是非常(chang)美好的(de)。例(li)如，有人研制一(yi)種有彈性腿的(de)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，大小(xiao)(xiao)只有一(yi)張信用卡的(de)1/3左右，可(ke)以(yi)(yi)像蟋蟀一(yi)樣輕松地跳過障(zhang)礙，一(yi)小(xiao)(xiao)時幾乎(hu)可(ke)前進37米(mi)。這種機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)最特殊的(de)地方(fang)是突(tu)破了(le)“牽動(dong)(dong)關(guan)節必須(xu)加發動(dong)(dong)機(ji)”的(de)觀念。發明家用的(de)新(xin)方(fang)法是：由(you)鉛、鋯、鈦等金屬(shu)條構成(cheng)一(yi)個雙壓(ya)電(dian)晶片調(diao)節器(qi)(qi)(qi)。當充(chong)電(dian)時，調(diao)節器(qi)(qi)(qi)彎曲，充(chong)完(wan)電(dian)了(le)它(ta)又彈回(hui)原狀，反復充(chong)電(dian)，它(ta)就成(cheng)了(le)振(zhen)動(dong)(dong)條。在振(zhen)動(dong)(dong)條上裝有昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)肢(zhi)體，振(zhen)動(dong)(dong)條振(zhen)動(dong)(dong)就成(cheng)了(le)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)的(de)動(dong)(dong)力，每(mei)次振(zhen)動(dong)(dong)都會使這種爬(pa)行昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)前進2毫米(mi)。通過一(yi)只“蟲(chong)(chong)(chong)王(wang)”就可(ke)以(yi)(yi)控(kong)制一(yi)大群(qun)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，由(you)它(ta)以(yi)(yi)接力形(xing)式把控(kong)制指(zhi)令傳送給每(mei)個機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)。應用這種機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)可(ke)以(yi)(yi)在戰場(chang)上完(wan)成(cheng)偵察、運送物品(pin)，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(gou)(gou)，就是(shi)指(zhi)為(wei)完成(cheng)指(zhi)定目(mu)標的一個或幾個機器人(ren)在信息(xi)處理和(he)控制邏輯方面的結構(gou)(gou)方式。

1、基于功能來分解

基(ji)于(yu)功能分解的(de)體系(xi)(xi)結(jie)構(gou)(gou)在人(ren)工智能上屬(shu)于(yu)傳統(tong)的(de)慎(shen)思式(shi)智能，在結(jie)構(gou)(gou)上體現為(wei)串行分布，在執(zhi)行方式(shi)上屬(shu)于(yu)異步執(zhi)行，即按(an)照“感知一(yi)規劃一(yi)行動”的(de)模式(shi)進行信息處理(li)和(he)控制(zhi)實現。以美國(guo)國(guo)家航(hang)天(tian)局和(he)美國(guo)國(guo)家標準局所提出的(de)NASR人(ren)MtI〕為(wei)典型代(dai)表。這種(zhong)體系(xi)(xi)結(jie)構(gou)(gou)的(de)優點(dian)是系(xi)(xi)統(tong)的(de)功能明了，層次清(qing)晰，實現簡單。但是申行的(de)處理(li)方式(shi)大大延長了系(xi)(xi)統(tong)對外部事件(jian)的(de)響應時間，環境(jing)的(de)改變導致必須重新(xin)規劃，從而降(jiang)低了執(zhi)行效率。因(yin)此只適合在已(yi)知的(de)結(jie)構(gou)(gou)化環境(jing)下完(wan)成比(bi)較復(fu)雜的(de)工作。

2、基于行為來分解

基于(yu)(yu)行(xing)為(wei)(wei)分(fen)解的體(ti)(ti)系結(jie)(jie)構(gou)在(zai)人工智(zhi)能上(shang)屬(shu)于(yu)(yu)現代(dai)的反應(ying)(ying)式(shi)智(zhi)能，在(zai)結(jie)(jie)構(gou)上(shang)體(ti)(ti)現為(wei)(wei)并(bing)行(xing)(包容)分(fen)布(bu)，在(zai)執(zhi)行(xing)方式(shi)上(shang)屬(shu)于(yu)(yu)同步執(zhi)行(xing)，即按照“感知(zhi)一行(xing)動(dong)”的模式(shi)并(bing)行(xing)進(jin)行(xing)信息處理(li)和(he)控制。以麻省理(li)工的R.A.Brooks所提出(chu)的行(xing)為(wei)(wei)分(fen)層(ceng)的包容式(shi)體(ti)(ti)系結(jie)(jie)構(gou)(SubsumptionArchitecture) 和(he)Arkin提出(chu)的基于(yu)(yu)MotorSc hema的結(jie)(jie)構(gou)為(wei)(wei)典型代(dai)表。其主要優點就是執(zhi)行(xing)時間短、效率高(gao)、機動(dong)能力強(qiang)。但是由于(yu)(yu)缺(que)乏整體(ti)(ti)的管理(li)，很難適應(ying)(ying)于(yu)(yu)各種情(qing)況。因(yin)此只適用于(yu)(yu)在(zai)沐淘環(huan)境下(xia)執(zhi)行(xing)比較簡單的任務。

3、基于智能分布來分解

基于(yu)智(zhi)能分(fen)布的(de)(de)體(ti)系結(jie)構在人(ren)工(gong)智(zhi)能上屬(shu)于(yu)最新的(de)(de)分(fen)布式智(zhi)能，在結(jie)構上體(ti)現為分(fen)散分(fen)布，在執(zhi)行(xing)(xing)上屬(shu)于(yu)協(xie)同執(zhi)行(xing)(xing)，既可以單(dan)(dan)獨完(wan)成各(ge)自(zi)的(de)(de)局(ju)部(bu)問題(ti)求解，又能通(tong)過協(xie)作求解單(dan)(dan)個或多(duo)個全局(ju)問題(ti)。以基于(yu)多(duo)智(zhi)能體(ti)的(de)(de)體(ti)系結(jie)構為典型(xing)代表。這種體(ti)系結(jie)構的(de)(de)優點是(shi)既具有(you)“智(zhi)能分(fen)布”的(de)(de)特點，又有(you)統一的(de)(de)協(xie)調機制(zhi)。但是(shi)如何在各(ge)個智(zhi)能體(ti)之間合理的(de)(de)劃分(fen)和協(xie)調仍(reng)然需要大量的(de)(de)研究和實踐(jian)。該體(ti)系結(jie)構在許多(duo)大型(xing)的(de)(de)智(zhi)能信息處理系統上有(you)著廣泛的(de)(de)應用(yong)。

除以(yi)上(shang)三類主要的(de)體系(xi)結構之(zhi)外，還有一些改進的(de)混合式體系(xi)結構，如帶反饋環節的(de)行為分(fen)解模式、基(ji)于(yu)分(fen)布式智能(neng)的(de)分(fen)層體系(xi)結構、基(ji)于(yu)功(gong)能(neng)分(fen)解的(de)多智能(neng)體結構等等。但是從整體上(shang)來看，它們或(huo)是在功(gong)能(neng)模塊的(de)靈活性和擴展性上(shang)不(bu)足，或(huo)是沒(mei)能(neng)很好(hao)的(de)協(xie)調慎思式智能(neng)與反應式智能(neng)，或(huo)是各層次間(jian)的(de)交流機制不(bu)夠(gou)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(te)別是未(wei)知環境下工作的移動機器人(ren)在(zai)控制(zhi)體系結構方面所存在(zai)的缺點和問題(ti)，提(ti)出一種(zhong)具有適應行為與進化能(neng)力的新(xin)的控制(zhi)思想與理念。

借(jie)鑒分布式智能的(de)思想，在(zai)控制體系結(jie)構中引人社會式行為控制層；

借鑒生物的自適應性思想(xiang)，在控制體系結構中實現本(ben)代(dai)內的由慎思式行為層到反射式行為層的學習；

借鑒(jian)生物的自進(jin)化(hua)性思想，在控制體系結構(gou)中實現多代(dai)間的由反射(she)式行(xing)為層向本能式行(xing)為層的進(jin)化(hua)(或退化(hua))。

所以，仿生(sheng)式體系結構(gou)共有四個行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)組成，即(ji)本(ben)能式行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)、反射式行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)、慎思(si)式行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)和(he)社會式行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)，它(ta)們并(bing)行(xing)接收來自感知(zhi)層(ceng)的外部(bu)和(he)內(nei)部(bu)信(xin)息，各自作出(chu)邏輯判斷和(he)反應，發出(chu)控制(zhi)信(xin)息到末端(duan)執行(xing)層(ceng)，通過(guo)競爭和(he)協(xie)調來調節自身(shen)并(bing)適應外部(bu)環境(jing)，從而按照目(mu)標完成工(gong)作任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約50厘米(mi)的(de)機(ji)(ji)器(qi)蝎(xie)子與其他傳(chuan)(chuan)統的(de)機(ji)(ji)器(qi)人不(bu)同，它(ta)(ta)沒有(you)解決(jue)復雜問題(ti)的(de)能力。機(ji)(ji)器(qi)蝎(xie)子幾乎完全依靠反射作用來解決(jue)行走(zou)問題(ti)。這就(jiu)使得(de)它(ta)(ta)能夠(gou)迅速(su)對困擾(rao)它(ta)(ta)的(de)任何事物做出(chu)反應，它(ta)(ta)的(de)頭部有(you)兩個超聲波傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)。如果碰到(dao)高(gao)出(chu)它(ta)(ta)身高(gao)50%%的(de)障礙物，它(ta)(ta)就(jiu)會(hui)繞開(kai)。而且，如果左邊的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)探測到(dao)障礙物，它(ta)(ta)就(jiu)會(hui)自(zi)動向右(you)轉(zhuan)。

2、機械蟑螂

不只是(shi)蝎(xie)子，就連蟑螂(lang)也能(neng)給科(ke)學家(jia)提供設計的靈(ling)感，科(ke)學家(jia)們發(fa)現，蟑螂(lang)在高(gao)速運(yun)動時，每次只有(you)三條腿著地，一(yi)邊兩條，一(yi)邊一(yi)條，循(xun)環(huan)反復，根據(ju)這(zhe)個原理(li)，仿生(sheng)學家(jia)制造出機械蟑螂(lang)，它不僅每秒能(neng)夠前進(jin)三米，而且平衡(heng)性非常好，能(neng)夠適應各種惡劣(lie)環(huan)境，不遠的將來，太空探索或排除地雷，就是(shi)它的用(yong)武之(zhi)地.

3、機器梭子魚

麻(ma)省理工學院的(de)機(ji)(ji)器(qi)梭子魚，是(shi)世界上第(di)一(yi)個能夠自由(you)(you)游動(dong)的(de)機(ji)(ji)器(qi)魚。它大部分是(shi)由(you)(you)玻(bo)璃纖維(wei)(wei)制成的(de)，上覆一(yi)層鋼(gang)絲網，最外面(mian)是(shi)一(yi)層合(he)成彈力纖維(wei)(wei)。尾部由(you)(you)彈簧狀(zhuang)的(de)錐(zhui)形玻(bo)璃纖維(wei)(wei)線圈制成，從而使這條(tiao)(tiao)機(ji)(ji)器(qi)梭子魚既堅固又靈活。一(yi)臺伺(si)服電動(dong)機(ji)(ji)為這條(tiao)(tiao)機(ji)(ji)器(qi)魚提供動(dong)力。

4、機器蛙

機(ji)器蛙腿(tui)的(de)膝(xi)部裝有彈簧，能(neng)像青蛙那樣(yang)先彎起腿(tui)，再(zai)一躍而起。機(ji)器蛙在(zai)地球上一躍的(de)最遠(yuan)距(ju)離是2.4米(mi)；而在(zai)火(huo)(huo)星(xing)上，由于(yu)火(huo)(huo)星(xing)的(de)重力大(da)約(yue)為地球的(de)1/3，機(ji)器蛙的(de)跳遠(yuan)成績則(ze)可遠(yuan)達7.2米(mi)，接近(jin)人(ren)類的(de)跳遠(yuan)世(shi)界紀錄。因此它不會再(zai)像2007年(nian)的(de)火(huo)(huo)星(xing)越(yue)野車那樣(yang)在(zai)一塊小石(shi)頭面前(qian)一籌莫展了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)是(shi)太(tai)空(kong)工程(cheng)師從蜘蛛(zhu)攀(pan)墻特技(ji)中(zhong)得到(dao)(dao)靈(ling)感而創造出的。它安裝有(you)一組(zu)天線模(mo)仿昆(kun)蟲觸角(jiao)，當它邁動細長的腿時，這(zhe)些觸角(jiao)可探(tan)測地(di)形(xing)和障礙。機(ji)器蜘蛛(zhu)原形(xing)很小，直(zhi)立高(gao)度僅(jin)18厘米(mi)，比人的手掌大不了多(duo)少(shao)。“蜘蛛(zhu)俠”們不僅(jin)能攀(pan)爬(pa)太(tai)空(kong)越野車無法到(dao)(dao)達的火星陡坡地(di)形(xing)，而且成(cheng)本(ben)也經濟許多(duo)，這(zhe)樣(yang)，一大批太(tai)空(kong)“蜘蛛(zhu)俠”就(jiu)會遍布在火星大地(di)的各個(ge)角(jiao)落(luo)。

6、機器金槍魚

機(ji)器金槍魚機(ji)器金槍魚是(shi)麻省(sheng)理(li)工學(xue)院自“查理(li)”之(zhi)后在機(ji)器魚研制(zhi)方面(mian)取得(de)的最(zui)新成果。這個新原型擁有柔軟的身體，體內只裝有1臺(tai)發動(dong)機(ji)以及6個移(yi)(yi)動(dong)部件，使其能夠在更大程度上(shang)模擬真實魚的移(yi)(yi)動(dong)。

7、機器人壁虎

珠海新概念航(hang)空航(hang)天(tian)器(qi)有(you)限(xian)公司李(li)曉陽博士和他領導的研究組，2008年11月15日研制成功仿生機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)虎(hu)“神(shen)行者(zhe)(zhe)”。仿生機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)虎(hu)“神(shen)行者(zhe)(zhe)”作(zuo)為(wei)一種體積小、行動(dong)靈活(huo)的新型智能機(ji)器(qi)人(ren)，有(you)可能在不久的將來廣泛(fan)應用于搜索、救援、反恐，以及(ji)(ji)科學實(shi)驗和科學考察(cha)。據(ju)李(li)曉陽博士介紹，這種機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)虎(hu)，能在各種建筑物(wu)的墻(qiang)面、地下(xia)和墻(qiang)縫中垂直上下(xia)迅速攀爬，或者(zhe)(zhe)在天(tian)花板下(xia)倒掛行走,對(dui)光(guang)滑的玻(bo)璃、粗糙(cao)或者(zhe)(zhe)粘有(you)粉塵的墻(qiang)面以及(ji)(ji)各種金屬材料表面都能夠適應，能夠自動(dong)辨識障礙(ai)物(wu)并(bing)規避繞行，動(dong)作(zuo)靈活(huo)逼(bi)真。其靈活(huo)性和運動(dong)速度(du)可媲美自然界的壁(bi)虎(hu)。

8、機器水母

美國海軍研(yan)究辦公室研(yan)制一(yi)種(zhong)“機器水(shui)母(mu)”，它(ta)可用于監測水(shui)面(mian)艦(jian)船和(he)潛艇(ting)，探測化學溢出物，以及監控回游(you)魚類(lei)的(de)動向。這些機器水(shui)母(mu)是由生物感應記憶合(he)金制成的(de)細線連接，當這些金屬細線被加熱時，就會像肌(ji)肉組(zu)織一(yi)樣收縮。