一、仿生機器人的前途

首先(xian)，模仿某些昆(kun)蟲而(er)制造出(chu)來的(de)機器(qi)人(ren)并非(fei)簡(jian)單。比如(ru)，國外有的(de)科(ke)學家(jia)觀察發現，螞蟻(yi)(yi)的(de)大腦(nao)很小(xiao)，視(shi)力極差，但它的(de)導(dao)航能(neng)力高(gao)超：當(dang)螞蟻(yi)(yi)發現食(shi)物(wu)源后回(hui)去(qu)召喚同伴(ban)時，是把這一食(shi)物(wu)的(de)映(ying)(ying)像(xiang)(xiang)始終存儲(chu)在它的(de)大腦(nao)里(li)，并利(li)用大腦(nao)里(li)的(de)映(ying)(ying)像(xiang)(xiang)與眼前真(zhen)實的(de)景像(xiang)(xiang)相(xiang)匹配的(de)方法，循原路返回(hui)。科(ke)學家(jia)認為，模仿螞蟻(yi)(yi)這一功能(neng)，可(ke)使機器(qi)人(ren)在陌生的(de)環境中具(ju)有高(gao)超的(de)探(tan)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，法國著名(ming)工程師鮑堪松制造(zao)的(de)鳧水的(de)鐵鴨子等，都(dou)非(fei)常有(you)名(ming)。

在(zai)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)向(xiang)智能機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)發展(zhan)的(de)(de)時程(cheng)中，就(jiu)有人(ren)(ren)(ren)提出“反對機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)必須先會思(si)考(kao)才能做事”的(de)(de)觀點，并認為，用許(xu)多簡單(dan)的(de)(de)機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)也(ye)可以完(wan)成復雜的(de)(de)任務。20世紀(ji)90年代初，美國麻省(sheng)理工學院的(de)(de)教授布魯克斯(si)在(zai)學生的(de)(de)幫助下，制造(zao)出一批蚊型機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)，取名昆蟲機器(qi)(qi)人(ren)(ren)(ren)，這(zhe)些小東西的(de)(de)習(xi)慣和蟑螂十分相近。它們(men)不會思(si)考(kao)，只能按照人(ren)(ren)(ren)編制的(de)(de)程(cheng)序動作。

幾年前(qian)，科技工(gong)作者為(wei)(wei)圣地亞哥市動(dong)物(wu)園制造(zao)(zao)電(dian)(dian)子機器(qi)(qi)鳥，它能模(mo)仿(fang)母兀(wu)鷹，準時給小兀(wu)鷹喂食；日本和(he)俄(e)羅斯制造(zao)(zao)了一(yi)(yi)種(zhong)電(dian)(dian)子機器(qi)(qi)蟹(xie)，能進行深海(hai)控測(ce)，采集(ji)巖樣，捕捉海(hai)底生(sheng)物(wu)，進行海(hai)下(xia)電(dian)(dian)焊等作業。美國研制出(chu)一(yi)(yi)條名叫(jiao)查理(li)的(de)機器(qi)(qi)金(jin)(jin)槍(qiang)魚(yu)，長(chang)1.32米(mi)，由2843個零件組成。通過擺動(dong)軀體和(he)尾巴，能像真的(de)魚(yu)一(yi)(yi)樣游動(dong)，速度(du)為(wei)(wei)7.2千米(mi)/小時。可(ke)以利用它在海(hai)下(xia)連(lian)續工(gong)作數個月，由它測(ce)繪海(hai)洋(yang)地圖和(he)檢(jian)測(ce)水下(xia)污染(ran)，也可(ke)以用它來拍(pai)攝生(sheng)物(wu)，因為(wei)(wei)它模(mo)仿(fang)金(jin)(jin)槍(qiang)魚(yu)惟(wei)妙惟(wei)肖。

有(you)的(de)(de)科學家正在設(she)計金槍魚潛艇(ting)，其實就是(shi)(shi)金槍魚機器人(ren)，行駛速度(du)可(ke)達(da)20節，是(shi)(shi)名副其實的(de)(de)水下(xia)游動機器。它(ta)的(de)(de)靈活性遠遠高于現有(you)的(de)(de)潛艇(ting)，幾乎可(ke)以達(da)到水下(xia)任何區域(yu)，由人(ren)遙(yao)控(kong)，它(ta)可(ke)輕而易舉地(di)進(jin)入海底深處的(de)(de)海溝和洞穴，悄悄地(di)溜(liu)進(jin)敵方的(de)(de)港口，進(jin)行偵(zhen)察而不被發覺。作為(wei)軍用偵(zhen)察和科學探索工具，其發展和應用的(de)(de)前景(jing)十分廣闊(kuo)。

同樣(yang)，研究制造昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人，其(qi)前(qian)景也是非(fei)常(chang)美好的(de)。例如，有(you)(you)(you)人研制一種(zhong)有(you)(you)(you)彈性腿的(de)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，大小只有(you)(you)(you)一張信用卡的(de)1/3左(zuo)右，可(ke)(ke)(ke)以(yi)像蟋蟀(shuai)一樣(yang)輕松地(di)跳過障礙，一小時幾(ji)乎可(ke)(ke)(ke)前(qian)進37米。這(zhe)種(zhong)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)最特殊的(de)地(di)方是突破了(le)“牽(qian)動(dong)(dong)關(guan)節(jie)必須加發動(dong)(dong)機(ji)”的(de)觀念。發明家用的(de)新(xin)方法是：由鉛、鋯、鈦等金屬條(tiao)構成一個雙壓電(dian)(dian)晶片調節(jie)器(qi)(qi)(qi)。當充電(dian)(dian)時，調節(jie)器(qi)(qi)(qi)彎曲，充完電(dian)(dian)了(le)它(ta)(ta)又(you)彈回原狀，反復充電(dian)(dian)，它(ta)(ta)就(jiu)成了(le)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)條(tiao)。在(zai)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)條(tiao)上(shang)裝有(you)(you)(you)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)肢體，振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)條(tiao)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)就(jiu)成了(le)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)的(de)動(dong)(dong)力，每(mei)次振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)都會使這(zhe)種(zhong)爬行昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)前(qian)進2毫米。通過一只“蟲(chong)(chong)(chong)王(wang)”就(jiu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)控(kong)制一大群機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，由它(ta)(ta)以(yi)接力形式把(ba)控(kong)制指令傳送給每(mei)個機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)。應(ying)用這(zhe)種(zhong)機(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)(kun)蟲(chong)(chong)(chong)可(ke)(ke)(ke)以(yi)在(zai)戰場(chang)上(shang)完成偵察、運送物(wu)品(pin)，或在(zai)其(qi)他星球進行探(tan)路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結構，就是指(zhi)為完成指(zhi)定目標的一個或幾(ji)個機(ji)器人在(zai)信(xin)息(xi)處(chu)理和控制邏輯方面的結構方式。

1、基于功能來分解

基于功能(neng)分解的(de)(de)體系結構在(zai)人工智能(neng)上(shang)屬于傳統的(de)(de)慎思式(shi)智能(neng)，在(zai)結構上(shang)體現為串(chuan)行(xing)分布，在(zai)執行(xing)方式(shi)上(shang)屬于異步執行(xing)，即按(an)照“感知(zhi)(zhi)一(yi)規劃(hua)一(yi)行(xing)動”的(de)(de)模式(shi)進行(xing)信息處理(li)和(he)控制(zhi)實現。以美(mei)國(guo)國(guo)家航天局(ju)和(he)美(mei)國(guo)國(guo)家標準局(ju)所(suo)提出的(de)(de)NASR人MtI〕為典型代表。這種(zhong)體系結構的(de)(de)優點是系統的(de)(de)功能(neng)明(ming)了(le)，層次(ci)清(qing)晰，實現簡單。但(dan)是申行(xing)的(de)(de)處理(li)方式(shi)大大延長了(le)系統對外部事(shi)件的(de)(de)響應時(shi)間，環境的(de)(de)改變導致必須重新規劃(hua)，從(cong)而(er)降低了(le)執行(xing)效(xiao)率(lv)。因此只適合在(zai)已(yi)知(zhi)(zhi)的(de)(de)結構化環境下完成比較復雜的(de)(de)工作。

2、基于行為來分解

基于(yu)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)為分(fen)解(jie)的(de)(de)體系(xi)結構在(zai)(zai)人工智能(neng)上屬于(yu)現(xian)代(dai)的(de)(de)反應式(shi)(shi)智能(neng)，在(zai)(zai)結構上體現(xian)為并行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)(包容)分(fen)布，在(zai)(zai)執(zhi)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)方式(shi)(shi)上屬于(yu)同步執(zhi)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，即按照“感知一行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)動(dong)”的(de)(de)模(mo)式(shi)(shi)并行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)進行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)信息處理(li)和控制。以麻省(sheng)理(li)工的(de)(de)R.A.Brooks所提出的(de)(de)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)為分(fen)層的(de)(de)包容式(shi)(shi)體系(xi)結構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的(de)(de)基于(yu)MotorSc hema的(de)(de)結構為典型代(dai)表。其主要優點就是執(zhi)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)時間短、效率高、機動(dong)能(neng)力強。但是由(you)于(yu)缺乏整(zheng)體的(de)(de)管理(li)，很難適應于(yu)各種(zhong)情況。因此只適用于(yu)在(zai)(zai)沐淘環境下執(zhi)行(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)比較簡單的(de)(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基于智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)分布(bu)的(de)體(ti)(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)上(shang)(shang)屬(shu)于最新的(de)分布(bu)式智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)，在結(jie)(jie)構(gou)(gou)上(shang)(shang)體(ti)(ti)現為(wei)分散分布(bu)，在執行上(shang)(shang)屬(shu)于協(xie)同執行，既可以(yi)單獨完成各自的(de)局部問題求解(jie)，又能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)通(tong)過(guo)協(xie)作求解(jie)單個(ge)或多(duo)個(ge)全局問題。以(yi)基于多(duo)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)體(ti)(ti)的(de)體(ti)(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)為(wei)典(dian)型代(dai)表。這(zhe)種體(ti)(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)優點是既具有(you)“智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)分布(bu)”的(de)特點，又有(you)統一的(de)協(xie)調機制。但是如何在各個(ge)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)體(ti)(ti)之間合理(li)的(de)劃分和協(xie)調仍然需要大量的(de)研究和實踐。該體(ti)(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在許(xu)多(duo)大型的(de)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)(neng)信(xin)息(xi)處理(li)系(xi)統上(shang)(shang)有(you)著廣泛的(de)應用(yong)。

除以(yi)上(shang)三類主要(yao)的(de)(de)體系結構(gou)之外(wai)，還有一(yi)些改進的(de)(de)混合式(shi)體系結構(gou)，如帶反(fan)饋環節的(de)(de)行(xing)為分(fen)(fen)解模式(shi)、基于分(fen)(fen)布式(shi)智(zhi)能(neng)的(de)(de)分(fen)(fen)層體系結構(gou)、基于功(gong)能(neng)分(fen)(fen)解的(de)(de)多(duo)智(zhi)能(neng)體結構(gou)等等。但是從整體上(shang)來(lai)看，它們或是在功(gong)能(neng)模塊的(de)(de)靈活性和擴展性上(shang)不足，或是沒能(neng)很好的(de)(de)協調慎(shen)思式(shi)智(zhi)能(neng)與反(fan)應式(shi)智(zhi)能(neng)，或是各層次間(jian)的(de)(de)交流機制不夠完善(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，針對機器人特別(bie)是未知環境下工作的(de)(de)移動機器人在(zai)控(kong)制體系(xi)結構方(fang)面所存在(zai)的(de)(de)缺點(dian)和問題，提出(chu)一種具有適(shi)應行為與進化能力的(de)(de)新的(de)(de)控(kong)制思(si)想與理念。

借(jie)鑒(jian)分布式(shi)智(zhi)能(neng)的思(si)想，在控(kong)制體系結構(gou)中引人社會式(shi)行為控(kong)制層；

借鑒生物(wu)的自適應性思想(xiang)，在(zai)控制體系結構中實(shi)現本代內的由(you)慎思式行為(wei)層到反射式行為(wei)層的學習；

借鑒生物的自(zi)進化性思想(xiang)，在控制體系結構(gou)中實(shi)現多(duo)代間(jian)的由反射式(shi)行為層(ceng)向(xiang)本(ben)能(neng)式(shi)行為層(ceng)的進化(或退化)。

所以，仿生式(shi)體系結構共有四個行(xing)為(wei)(wei)控(kong)(kong)制層(ceng)(ceng)組(zu)成(cheng)(cheng)，即本能式(shi)行(xing)為(wei)(wei)控(kong)(kong)制層(ceng)(ceng)、反射式(shi)行(xing)為(wei)(wei)控(kong)(kong)制層(ceng)(ceng)、慎思式(shi)行(xing)為(wei)(wei)控(kong)(kong)制層(ceng)(ceng)和(he)(he)社(she)會式(shi)行(xing)為(wei)(wei)控(kong)(kong)制層(ceng)(ceng)，它(ta)們(men)并(bing)行(xing)接收(shou)來自感知(zhi)層(ceng)(ceng)的外(wai)部和(he)(he)內部信息(xi)，各自作出邏(luo)輯(ji)判斷(duan)和(he)(he)反應，發出控(kong)(kong)制信息(xi)到末端執(zhi)行(xing)層(ceng)(ceng)，通過競爭(zheng)和(he)(he)協調(diao)來調(diao)節自身并(bing)適應外(wai)部環境(jing)，從而按照目標完成(cheng)(cheng)工作任(ren)務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長(chang)約(yue)50厘米的機器(qi)(qi)蝎子與(yu)其他傳統的機器(qi)(qi)人不同(tong)，它(ta)(ta)(ta)沒(mei)有解(jie)(jie)決復雜問(wen)題的能力(li)。機器(qi)(qi)蝎子幾乎完全(quan)依靠反射作用來(lai)解(jie)(jie)決行走問(wen)題。這(zhe)就使(shi)得它(ta)(ta)(ta)能夠迅速對困擾(rao)它(ta)(ta)(ta)的任何事物(wu)做出(chu)(chu)反應，它(ta)(ta)(ta)的頭(tou)部有兩個超(chao)聲波傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)。如果碰到高出(chu)(chu)它(ta)(ta)(ta)身高50%%的障礙物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會繞開。而且，如果左邊(bian)的傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)探測到障礙物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會自動(dong)向右轉。

2、機械蟑螂

不(bu)只(zhi)是蝎子，就(jiu)連蟑(zhang)螂(lang)也能給科(ke)學家(jia)提供設計的(de)靈(ling)感(gan)，科(ke)學家(jia)們發現，蟑(zhang)螂(lang)在高速(su)運動時，每(mei)次(ci)只(zhi)有三條(tiao)(tiao)腿著地，一邊兩條(tiao)(tiao)，一邊一條(tiao)(tiao)，循環(huan)反復，根據這個原理，仿生(sheng)學家(jia)制造(zao)出機械(xie)蟑(zhang)螂(lang)，它不(bu)僅每(mei)秒能夠(gou)前進三米，而且平衡性非常好，能夠(gou)適應各種惡劣環(huan)境(jing)，不(bu)遠的(de)將來，太空(kong)探索(suo)或排(pai)除地雷，就(jiu)是它的(de)用武之地.

3、機器梭子魚

麻省理工學院的(de)(de)機(ji)器梭(suo)子(zi)魚(yu)(yu)，是(shi)世界(jie)上第一(yi)個(ge)能夠自由游動的(de)(de)機(ji)器魚(yu)(yu)。它大部分是(shi)由玻(bo)璃纖(xian)(xian)(xian)維制成的(de)(de)，上覆一(yi)層鋼(gang)絲網，最外面是(shi)一(yi)層合成彈(dan)力纖(xian)(xian)(xian)維。尾(wei)部由彈(dan)簧狀的(de)(de)錐形玻(bo)璃纖(xian)(xian)(xian)維線圈制成，從而使(shi)這條機(ji)器梭(suo)子(zi)魚(yu)(yu)既堅固又靈活。一(yi)臺(tai)伺服電動機(ji)為這條機(ji)器魚(yu)(yu)提供動力。

4、機器蛙

機器蛙(wa)腿的(de)(de)(de)(de)膝部裝有彈簧(huang)，能像青(qing)蛙(wa)那樣(yang)先彎起(qi)腿，再一(yi)(yi)躍而起(qi)。機器蛙(wa)在地(di)球上一(yi)(yi)躍的(de)(de)(de)(de)最遠距離是2.4米(mi)；而在火星(xing)上，由于(yu)火星(xing)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)力大約為地(di)球的(de)(de)(de)(de)1/3，機器蛙(wa)的(de)(de)(de)(de)跳(tiao)遠成績則可遠達7.2米(mi)，接近(jin)人類的(de)(de)(de)(de)跳(tiao)遠世界紀錄。因此它不會再像2007年(nian)的(de)(de)(de)(de)火星(xing)越(yue)野(ye)車那樣(yang)在一(yi)(yi)塊小石(shi)頭面前一(yi)(yi)籌莫展了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)是太(tai)(tai)空(kong)工程師從蜘(zhi)蛛(zhu)攀(pan)墻特技中得到(dao)靈感(gan)而創造出的(de)。它(ta)安裝有(you)一組天線模仿昆蟲觸(chu)角，當它(ta)邁動細長的(de)腿時，這(zhe)些觸(chu)角可(ke)探測地(di)形(xing)和障礙(ai)。機器蜘(zhi)蛛(zhu)原形(xing)很小，直(zhi)立高(gao)度僅(jin)18厘米(mi)，比人的(de)手掌大不(bu)了多少。“蜘(zhi)蛛(zhu)俠(xia)”們不(bu)僅(jin)能攀(pan)爬太(tai)(tai)空(kong)越野車無法(fa)到(dao)達的(de)火星(xing)陡坡(po)地(di)形(xing)，而且成本也經濟許(xu)多，這(zhe)樣，一大批太(tai)(tai)空(kong)“蜘(zhi)蛛(zhu)俠(xia)”就會遍布(bu)在(zai)火星(xing)大地(di)的(de)各(ge)個角落。

6、機器金槍魚

機器(qi)(qi)金槍魚機器(qi)(qi)金槍魚是麻省理工學院自“查理”之后在(zai)機器(qi)(qi)魚研制(zhi)方面取得(de)的最新成果。這個新原型擁(yong)有柔軟的身體(ti)，體(ti)內(nei)只(zhi)裝(zhuang)有1臺(tai)發動機以(yi)及(ji)6個移動部件，使其(qi)能(neng)夠在(zai)更(geng)大程度上模擬真實魚的移動。

7、機器人壁虎

珠海(hai)新概(gai)念航(hang)空(kong)航(hang)天器有限(xian)公(gong)司(si)李曉(xiao)陽博士和他領導的研究組，2008年11月(yue)15日研制成功仿(fang)生機(ji)(ji)器人(ren)壁(bi)虎“神行者(zhe)”。仿(fang)生機(ji)(ji)器人(ren)壁(bi)虎“神行者(zhe)”作為一種體積小(xiao)、行動(dong)靈活的新型智能(neng)(neng)機(ji)(ji)器人(ren)，有可(ke)能(neng)(neng)在不久(jiu)的將來廣泛應用于搜索、救援、反恐，以(yi)及科學實驗和科學考(kao)察。據(ju)李曉(xiao)陽博士介紹，這(zhe)種機(ji)(ji)器人(ren)壁(bi)虎，能(neng)(neng)在各種建筑物(wu)的墻面(mian)、地下和墻縫中垂(chui)直上下迅速(su)(su)攀爬，或者(zhe)在天花板下倒掛行走,對(dui)光滑的玻璃、粗(cu)糙或者(zhe)粘有粉塵的墻面(mian)以(yi)及各種金屬材料(liao)表面(mian)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，動(dong)作靈活逼(bi)真。其靈活性和運(yun)動(dong)速(su)(su)度可(ke)媲美自然界(jie)的壁(bi)虎。

8、機器水母

美(mei)國海軍研究辦公室研制一(yi)(yi)種“機(ji)器水母”，它可用于監測水面艦船和潛(qian)艇，探測化學(xue)溢出物，以(yi)及監控回游魚(yu)類的動向。這些機(ji)器水母是由生物感應(ying)記憶合金(jin)制成的細線連接，當這些金(jin)屬細線被加熱時(shi)，就會像肌肉組織一(yi)(yi)樣收縮。