一、仿生機器人的前途

首先，模仿某些昆蟲而制造出來(lai)的(de)機器人并非簡單。比(bi)如(ru)，國外有(you)(you)的(de)科學家觀(guan)察發現，螞蟻的(de)大(da)(da)腦很小，視(shi)力極差(cha)，但(dan)它的(de)導航能力高超(chao)：當螞蟻發現食物(wu)源后回去召喚同伴時，是(shi)把(ba)這一食物(wu)的(de)映像始終存儲(chu)在它的(de)大(da)(da)腦里，并利用大(da)(da)腦里的(de)映像與眼前真(zhen)實的(de)景像相匹配的(de)方法，循原路返回。科學家認(ren)為(wei)，模仿螞蟻這一功能，可使(shi)機器人在陌(mo)生的(de)環境(jing)中具有(you)(you)高超(chao)的(de)探路能力。

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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，法國著名工程(cheng)師鮑堪松制造(zao)的(de)鳧水的(de)鐵(tie)鴨子等，都非常有名。

在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)向智能機(ji)器(qi)(qi)人(ren)發展的(de)(de)(de)(de)(de)時程中，就(jiu)有人(ren)提出“反對(dui)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)必須先會思(si)考才能做事”的(de)(de)(de)(de)(de)觀點，并認為，用許多簡單的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)也可以完成復雜的(de)(de)(de)(de)(de)任(ren)務。20世(shi)紀90年代初，美(mei)國麻省(sheng)理工學院的(de)(de)(de)(de)(de)教授布魯克斯在學生的(de)(de)(de)(de)(de)幫助下，制(zhi)造出一批蚊型機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，取名昆蟲機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，這些小東西的(de)(de)(de)(de)(de)習(xi)慣和蟑螂十分相近。它們不會思(si)考，只能按(an)照人(ren)編制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)程序(xu)動作。

幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動物園制造(zao)電子機器(qi)鳥，它(ta)(ta)(ta)能模仿母(mu)兀鷹(ying)(ying)，準時給小兀鷹(ying)(ying)喂食；日(ri)本(ben)和(he)俄羅(luo)斯制造(zao)了(le)一種電子機器(qi)蟹，能進行深海(hai)控測(ce)(ce)，采集巖(yan)樣，捕捉海(hai)底生物，進行海(hai)下電焊等作業。美國(guo)研制出一條(tiao)名叫查理的機器(qi)金槍(qiang)(qiang)魚，長(chang)1.32米，由(you)2843個零件組(zu)成。通過擺動軀體(ti)和(he)尾巴，能像(xiang)真(zhen)的魚一樣游動，速(su)度為7.2千(qian)米/小時。可(ke)以利(li)用(yong)它(ta)(ta)(ta)在海(hai)下連續(xu)工作數(shu)個月，由(you)它(ta)(ta)(ta)測(ce)(ce)繪海(hai)洋(yang)地圖和(he)檢測(ce)(ce)水下污染(ran)，也(ye)可(ke)以用(yong)它(ta)(ta)(ta)來拍攝生物，因為它(ta)(ta)(ta)模仿金槍(qiang)(qiang)魚惟妙惟肖(xiao)。

有的(de)科學(xue)家正(zheng)在設計金槍魚潛(qian)艇(ting)，其實就是金槍魚機器人(ren)，行駛速(su)度可(ke)達20節(jie)，是名副(fu)其實的(de)水下(xia)游動機器。它的(de)靈活性遠(yuan)遠(yuan)高于現有的(de)潛(qian)艇(ting)，幾乎可(ke)以達到水下(xia)任何區域，由人(ren)遙控，它可(ke)輕而(er)易(yi)舉地(di)進入海底深處的(de)海溝和(he)洞穴(xue)，悄悄地(di)溜進敵方的(de)港口，進行偵察(cha)而(er)不被發覺。作為軍用偵察(cha)和(he)科學(xue)探索工具(ju)，其發展和(he)應用的(de)前景十分(fen)廣闊。

同樣(yang)，研究制(zhi)(zhi)造昆(kun)蟲(chong)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)，其(qi)前(qian)景也是(shi)非常美好的(de)(de)(de)。例如，有(you)人(ren)研制(zhi)(zhi)一(yi)種有(you)彈(dan)性(xing)腿的(de)(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)，大小只有(you)一(yi)張信用卡的(de)(de)(de)1/3左右，可以像蟋蟀一(yi)樣(yang)輕松地跳(tiao)過障(zhang)礙(ai)，一(yi)小時幾乎可前(qian)進37米。這(zhe)種機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)最特殊(shu)的(de)(de)(de)地方(fang)是(shi)突破了(le)“牽動關節(jie)必須加發(fa)動機(ji)”的(de)(de)(de)觀念。發(fa)明家用的(de)(de)(de)新方(fang)法是(shi)：由(you)鉛(qian)、鋯、鈦等(deng)金屬條構成(cheng)一(yi)個(ge)雙壓(ya)電(dian)晶片調(diao)(diao)節(jie)器(qi)(qi)。當充(chong)電(dian)時，調(diao)(diao)節(jie)器(qi)(qi)彎曲，充(chong)完(wan)電(dian)了(le)它(ta)又彈(dan)回原狀(zhuang)，反復充(chong)電(dian)，它(ta)就成(cheng)了(le)振(zhen)(zhen)動條。在振(zhen)(zhen)動條上裝有(you)昆(kun)蟲(chong)肢(zhi)體，振(zhen)(zhen)動條振(zhen)(zhen)動就成(cheng)了(le)機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)的(de)(de)(de)動力，每次振(zhen)(zhen)動都會使(shi)這(zhe)種爬行(xing)昆(kun)蟲(chong)前(qian)進2毫米。通(tong)過一(yi)只“蟲(chong)王”就可以控(kong)制(zhi)(zhi)一(yi)大群機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)，由(you)它(ta)以接力形式(shi)把控(kong)制(zhi)(zhi)指令(ling)傳送給每個(ge)機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)。應用這(zhe)種機(ji)器(qi)(qi)昆(kun)蟲(chong)可以在戰場上完(wan)成(cheng)偵察、運送物品，或在其(qi)他星球進行(xing)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)成指定目標的一個(ge)或幾個(ge)機器(qi)人在信息處理和控制邏輯方面的結構方式。

1、基于功能來分解

基于(yu)功能分(fen)解的(de)(de)(de)(de)體系結構(gou)在(zai)人工(gong)智能上屬(shu)于(yu)傳統的(de)(de)(de)(de)慎思式智能，在(zai)結構(gou)上體現(xian)為串(chuan)行(xing)(xing)(xing)分(fen)布，在(zai)執(zhi)行(xing)(xing)(xing)方式上屬(shu)于(yu)異步執(zhi)行(xing)(xing)(xing)，即按(an)照“感知(zhi)一規劃(hua)一行(xing)(xing)(xing)動(dong)”的(de)(de)(de)(de)模式進(jin)行(xing)(xing)(xing)信息處理和(he)控制(zhi)實現(xian)。以美(mei)國國家航天局(ju)(ju)和(he)美(mei)國國家標準局(ju)(ju)所提出的(de)(de)(de)(de)NASR人MtI〕為典型代表(biao)。這種體系結構(gou)的(de)(de)(de)(de)優點是系統的(de)(de)(de)(de)功能明了(le)，層次清晰，實現(xian)簡(jian)單。但是申行(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)處理方式大大延長了(le)系統對外(wai)部事件的(de)(de)(de)(de)響應時間，環(huan)境的(de)(de)(de)(de)改變導致必(bi)須重(zhong)新規劃(hua)，從而降(jiang)低(di)了(le)執(zhi)行(xing)(xing)(xing)效(xiao)率。因此只適合在(zai)已知(zhi)的(de)(de)(de)(de)結構(gou)化環(huan)境下完成比較(jiao)復雜的(de)(de)(de)(de)工(gong)作。

2、基于行為來分解

基于(yu)(yu)(yu)行(xing)(xing)為(wei)分解的(de)(de)(de)(de)體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構在(zai)人工智(zhi)能(neng)上(shang)屬于(yu)(yu)(yu)現(xian)代的(de)(de)(de)(de)反應式智(zhi)能(neng)，在(zai)結(jie)(jie)構上(shang)體現(xian)為(wei)并行(xing)(xing)(包(bao)容(rong)(rong))分布(bu)，在(zai)執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)(xing)方(fang)式上(shang)屬于(yu)(yu)(yu)同步執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)(xing)，即按照(zhao)“感知一行(xing)(xing)動”的(de)(de)(de)(de)模式并行(xing)(xing)進行(xing)(xing)信息處理(li)和(he)控制。以麻省理(li)工的(de)(de)(de)(de)R.A.Brooks所(suo)提(ti)出的(de)(de)(de)(de)行(xing)(xing)為(wei)分層的(de)(de)(de)(de)包(bao)容(rong)(rong)式體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構(SubsumptionArchitecture) 和(he)Arkin提(ti)出的(de)(de)(de)(de)基于(yu)(yu)(yu)MotorSc hema的(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)構為(wei)典(dian)型代表。其主要優點就(jiu)是執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)(xing)時間(jian)短(duan)、效(xiao)率(lv)高、機動能(neng)力強。但是由于(yu)(yu)(yu)缺乏整(zheng)體的(de)(de)(de)(de)管理(li)，很難(nan)適(shi)應于(yu)(yu)(yu)各(ge)種情況。因此只適(shi)用于(yu)(yu)(yu)在(zai)沐淘環境下(xia)執(zhi)(zhi)(zhi)行(xing)(xing)比(bi)較簡單的(de)(de)(de)(de)任務(wu)。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于(yu)智能(neng)分(fen)布的(de)體系(xi)(xi)結構(gou)在人(ren)工智能(neng)上(shang)屬于(yu)最新(xin)的(de)分(fen)布式(shi)智能(neng)，在結構(gou)上(shang)體現為分(fen)散分(fen)布，在執(zhi)行(xing)上(shang)屬于(yu)協(xie)同執(zhi)行(xing)，既可以(yi)單(dan)獨完(wan)成各自的(de)局部問題(ti)求(qiu)解(jie)，又能(neng)通過協(xie)作求(qiu)解(jie)單(dan)個或多(duo)(duo)個全局問題(ti)。以(yi)基(ji)于(yu)多(duo)(duo)智能(neng)體的(de)體系(xi)(xi)結構(gou)為典型代表(biao)。這(zhe)種體系(xi)(xi)結構(gou)的(de)優(you)點是既具有(you)“智能(neng)分(fen)布”的(de)特(te)點，又有(you)統一(yi)的(de)協(xie)調機制。但是如何在各個智能(neng)體之間合理的(de)劃(hua)分(fen)和(he)協(xie)調仍然需要大量(liang)的(de)研(yan)究和(he)實踐。該體系(xi)(xi)結構(gou)在許多(duo)(duo)大型的(de)智能(neng)信息處理系(xi)(xi)統上(shang)有(you)著廣(guang)泛的(de)應用(yong)。

除以上(shang)三類主要的(de)體(ti)(ti)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)之(zhi)外，還有一(yi)些改進的(de)混合式體(ti)(ti)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)，如帶(dai)反饋環節的(de)行(xing)為分(fen)解模(mo)式、基于(yu)分(fen)布式智(zhi)能(neng)(neng)的(de)分(fen)層體(ti)(ti)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)、基于(yu)功能(neng)(neng)分(fen)解的(de)多智(zhi)能(neng)(neng)體(ti)(ti)結(jie)構(gou)(gou)等等。但是(shi)從整體(ti)(ti)上(shang)來(lai)看，它們或是(shi)在功能(neng)(neng)模(mo)塊的(de)靈活(huo)性和擴展性上(shang)不(bu)足，或是(shi)沒能(neng)(neng)很好的(de)協調慎(shen)思式智(zhi)能(neng)(neng)與反應式智(zhi)能(neng)(neng)，或是(shi)各層次(ci)間的(de)交流(liu)機制不(bu)夠(gou)完善(shan)。

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(bie)是未知環境下工作的(de)移動機器人在控(kong)制體系結(jie)構(gou)方(fang)面所存在的(de)缺點和(he)問(wen)題，提出一種具(ju)有適(shi)應行(xing)為與(yu)進(jin)化能力的(de)新(xin)的(de)控(kong)制思想(xiang)與(yu)理念。

借鑒分(fen)布式智能(neng)的(de)思想，在(zai)控制體系結構中引人社會式行(xing)為控制層；

借(jie)鑒生物的自(zi)適應性思想，在控制體(ti)系結構(gou)中實現(xian)本代內的由(you)慎思式行(xing)為層到反射式行(xing)為層的學(xue)習；

借鑒(jian)生物的自進化(hua)性思想，在控制體系結構中實現多代(dai)間的由(you)反(fan)射式行為層向本能式行為層的進化(hua)(或退化(hua))。

所(suo)以，仿(fang)生(sheng)式(shi)(shi)體系結構共有四(si)個行(xing)(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)組成(cheng)，即本(ben)能式(shi)(shi)行(xing)(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、反射式(shi)(shi)行(xing)(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、慎思式(shi)(shi)行(xing)(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)和(he)社(she)會式(shi)(shi)行(xing)(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)，它們(men)并行(xing)(xing)(xing)接收來(lai)自感知(zhi)層(ceng)(ceng)的外(wai)部和(he)內部信息，各自作出(chu)邏(luo)輯判斷和(he)反應，發出(chu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信息到末端執行(xing)(xing)(xing)層(ceng)(ceng)，通過競爭和(he)協調來(lai)調節自身并適應外(wai)部環境(jing)，從而按照目標完成(cheng)工作任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約(yue)50厘米的(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)蝎(xie)子與其他傳(chuan)統的(de)(de)機(ji)器(qi)(qi)人不同，它沒有(you)解決(jue)復雜(za)問(wen)題(ti)的(de)(de)能力。機(ji)器(qi)(qi)蝎(xie)子幾乎完全依靠反射作用來解決(jue)行走問(wen)題(ti)。這就使得(de)它能夠迅速對困擾(rao)它的(de)(de)任何事物(wu)做(zuo)出(chu)反應，它的(de)(de)頭部有(you)兩個(ge)超聲波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。如(ru)果碰到(dao)高(gao)出(chu)它身高(gao)50%%的(de)(de)障礙(ai)物(wu)，它就會繞開(kai)。而且(qie)，如(ru)果左邊的(de)(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)探測到(dao)障礙(ai)物(wu)，它就會自(zi)動向右轉。

2、機械蟑螂

不只是蝎子，就連蟑螂也能(neng)給科(ke)學家提供設計的(de)靈感，科(ke)學家們發(fa)現，蟑螂在高速運動時，每(mei)次只有(you)三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環反復，根(gen)據這個原理(li)，仿生學家制造(zao)出機械蟑螂，它不僅每(mei)秒(miao)能(neng)夠(gou)前進三米，而且平衡性非常好，能(neng)夠(gou)適應各(ge)種(zhong)惡劣環境，不遠的(de)將來(lai)，太空探索或(huo)排除地雷，就是它的(de)用武之地.

3、機器梭子魚

麻省理工學院的(de)機(ji)器(qi)梭(suo)子魚(yu)(yu)，是世界上(shang)第一個(ge)能夠自由(you)(you)游(you)動(dong)(dong)的(de)機(ji)器(qi)魚(yu)(yu)。它大部分(fen)是由(you)(you)玻璃(li)纖維(wei)制成(cheng)的(de)，上(shang)覆一層鋼(gang)絲網(wang)，最外面是一層合(he)成(cheng)彈力(li)纖維(wei)。尾(wei)部由(you)(you)彈簧狀的(de)錐形玻璃(li)纖維(wei)線圈制成(cheng)，從而使這(zhe)條(tiao)機(ji)器(qi)梭(suo)子魚(yu)(yu)既堅(jian)固又靈活(huo)。一臺(tai)伺服電動(dong)(dong)機(ji)為這(zhe)條(tiao)機(ji)器(qi)魚(yu)(yu)提供動(dong)(dong)力(li)。

4、機器蛙

機(ji)器蛙腿的膝部裝有彈簧，能像(xiang)青蛙那樣先彎起腿，再一躍而起。機(ji)器蛙在地(di)球上一躍的最遠(yuan)(yuan)距離是2.4米；而在火星上，由于火星的重(zhong)力大約為地(di)球的1/3，機(ji)器蛙的跳遠(yuan)(yuan)成績(ji)則可遠(yuan)(yuan)達7.2米，接(jie)近人類的跳遠(yuan)(yuan)世界紀錄。因此它不(bu)會再像(xiang)2007年的火星越野(ye)車(che)那樣在一塊小石(shi)頭面前一籌莫展了。

5、機器蜘蛛

這是太(tai)(tai)空工程師從蜘蛛攀墻特技中得到靈感(gan)而(er)創(chuang)造(zao)出的。它安裝有一(yi)組天線(xian)模仿(fang)昆蟲(chong)觸角(jiao)，當它邁(mai)動細長的腿時，這些(xie)觸角(jiao)可探(tan)測地(di)形和障(zhang)礙(ai)。機器蜘蛛原形很小，直(zhi)立高度(du)僅18厘(li)米，比人的手(shou)掌大(da)不了多(duo)少。“蜘蛛俠(xia)”們不僅能攀爬太(tai)(tai)空越野車(che)無(wu)法(fa)到達的火星(xing)陡(dou)坡地(di)形，而(er)且成本也(ye)經濟許多(duo)，這樣，一(yi)大(da)批太(tai)(tai)空“蜘蛛俠(xia)”就會遍(bian)布在火星(xing)大(da)地(di)的各個(ge)角(jiao)落。

6、機器金槍魚

機(ji)器金槍魚(yu)(yu)機(ji)器金槍魚(yu)(yu)是麻省理工學(xue)院自“查理”之(zhi)后在機(ji)器魚(yu)(yu)研制方面取得的(de)最新成果。這個新原型擁有柔軟的(de)身體(ti)，體(ti)內只裝有1臺發動機(ji)以及(ji)6個移動部件(jian)，使其能夠在更大程(cheng)度上(shang)模(mo)擬真(zhen)實魚(yu)(yu)的(de)移動。

7、機器人壁虎

珠海新概念航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天器有限公司李(li)曉(xiao)(xiao)陽(yang)博(bo)士(shi)和他領導的(de)(de)(de)(de)研究組，2008年(nian)11月15日研制成功(gong)仿(fang)生機器人(ren)(ren)(ren)壁(bi)虎“神行(xing)者”。仿(fang)生機器人(ren)(ren)(ren)壁(bi)虎“神行(xing)者”作為一種體(ti)積小、行(xing)動(dong)靈活(huo)的(de)(de)(de)(de)新型智能機器人(ren)(ren)(ren)，有可能在(zai)不久的(de)(de)(de)(de)將來廣泛應(ying)用于搜(sou)索、救援、反恐，以及(ji)科(ke)學(xue)實驗和科(ke)學(xue)考察。據(ju)李(li)曉(xiao)(xiao)陽(yang)博(bo)士(shi)介紹，這種機器人(ren)(ren)(ren)壁(bi)虎，能在(zai)各種建筑物的(de)(de)(de)(de)墻面、地下和墻縫中垂(chui)直上下迅速(su)攀爬，或(huo)者在(zai)天花板下倒(dao)掛行(xing)走,對光滑的(de)(de)(de)(de)玻(bo)璃、粗糙或(huo)者粘有粉(fen)塵的(de)(de)(de)(de)墻面以及(ji)各種金(jin)屬材料(liao)表面都能夠適應(ying)，能夠自(zi)動(dong)辨(bian)識障礙物并規避繞行(xing)，動(dong)作靈活(huo)逼真。其靈活(huo)性(xing)和運動(dong)速(su)度可媲美自(zi)然界的(de)(de)(de)(de)壁(bi)虎。

8、機器水母

美國(guo)海軍(jun)研究辦公(gong)室研制一種“機器(qi)水(shui)母”，它可用于監測水(shui)面(mian)艦船和潛艇，探測化學溢(yi)出物，以及監控回游魚類(lei)的(de)動向。這(zhe)些(xie)機器(qi)水(shui)母是由生物感(gan)應記(ji)憶合金制成的(de)細線連接，當(dang)這(zhe)些(xie)金屬細線被加(jia)熱時，就(jiu)會像肌肉組織(zhi)一樣收(shou)縮。