一、仿生機器人的前途

首(shou)先，模(mo)(mo)仿(fang)(fang)某些昆蟲而制造出來的(de)機器(qi)人并非簡單。比如，國外有的(de)科學家觀察發(fa)現，螞(ma)蟻(yi)的(de)大腦很小，視力(li)極差，但它(ta)的(de)導航能力(li)高超：當螞(ma)蟻(yi)發(fa)現食(shi)物(wu)源后回(hui)去(qu)召喚(huan)同伴時，是把這一(yi)食(shi)物(wu)的(de)映像(xiang)始終存(cun)儲在(zai)(zai)它(ta)的(de)大腦里(li)，并利(li)用(yong)大腦里(li)的(de)映像(xiang)與眼前(qian)真實的(de)景像(xiang)相匹(pi)配的(de)方法，循原路返回(hui)。科學家認為，模(mo)(mo)仿(fang)(fang)螞(ma)蟻(yi)這一(yi)功(gong)能，可使機器(qi)人在(zai)(zai)陌生的(de)環(huan)境中具有高超的(de)探路能力(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(fa)國著名工程師鮑堪(kan)松制造(zao)的(de)(de)鳧水的(de)(de)鐵鴨子等，都非常有(you)名。

在機(ji)器(qi)人(ren)(ren)向智能機(ji)器(qi)人(ren)(ren)發展的(de)(de)(de)(de)時程中，就有人(ren)(ren)提出“反對機(ji)器(qi)人(ren)(ren)必須先會思考才能做事”的(de)(de)(de)(de)觀點，并認為，用許多簡單的(de)(de)(de)(de)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)也可(ke)以完成復雜的(de)(de)(de)(de)任務。20世紀90年代初(chu)，美國麻省理工學(xue)院的(de)(de)(de)(de)教授(shou)布魯(lu)克(ke)斯在學(xue)生的(de)(de)(de)(de)幫助下，制造(zao)出一批蚊型機(ji)器(qi)人(ren)(ren)，取名昆蟲機(ji)器(qi)人(ren)(ren)，這些小(xiao)東(dong)西的(de)(de)(de)(de)習慣和蟑螂十(shi)分相近。它們不會思考，只能按照人(ren)(ren)編(bian)制的(de)(de)(de)(de)程序動作。

幾年前，科技(ji)工作者(zhe)為(wei)圣地亞哥市動物園制(zhi)(zhi)造電(dian)子機(ji)(ji)器(qi)鳥(niao)，它(ta)(ta)能模仿母兀鷹(ying)，準(zhun)時給小(xiao)兀鷹(ying)喂食；日本和(he)俄羅斯制(zhi)(zhi)造了(le)一種電(dian)子機(ji)(ji)器(qi)蟹(xie)，能進行(xing)(xing)深海控測(ce)，采集(ji)巖樣，捕捉(zhuo)海底生物，進行(xing)(xing)海下電(dian)焊(han)等(deng)作業。美國研制(zhi)(zhi)出一條名叫查(cha)理的機(ji)(ji)器(qi)金(jin)槍魚，長(chang)1.32米，由(you)2843個(ge)零(ling)件(jian)組成(cheng)。通過(guo)擺動軀體(ti)和(he)尾巴，能像真的魚一樣游動，速度(du)為(wei)7.2千米/小(xiao)時。可以(yi)(yi)利用它(ta)(ta)在海下連續工作數(shu)個(ge)月，由(you)它(ta)(ta)測(ce)繪海洋地圖(tu)和(he)檢測(ce)水下污染，也可以(yi)(yi)用它(ta)(ta)來(lai)拍攝(she)生物，因為(wei)它(ta)(ta)模仿金(jin)槍魚惟(wei)妙惟(wei)肖。

有的(de)科學(xue)家正(zheng)在(zai)設計金槍(qiang)魚(yu)潛(qian)艇，其實就(jiu)是(shi)金槍(qiang)魚(yu)機器(qi)人，行(xing)駛速度(du)可(ke)達20節，是(shi)名副(fu)其實的(de)水下游動機器(qi)。它的(de)靈活性遠遠高(gao)于(yu)現有的(de)潛(qian)艇，幾乎可(ke)以達到水下任何區域，由人遙控，它可(ke)輕而易(yi)舉地(di)進(jin)入海底(di)深處的(de)海溝和洞穴，悄(qiao)悄(qiao)地(di)溜進(jin)敵(di)方的(de)港口，進(jin)行(xing)偵察而不被發覺。作為(wei)軍用偵察和科學(xue)探(tan)索工具，其發展和應用的(de)前景(jing)十(shi)分廣(guang)闊。

同樣，研(yan)究制造昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)機(ji)器(qi)人，其(qi)前(qian)景也是(shi)非常美好的(de)。例如，有人研(yan)制一種(zhong)有彈性腿的(de)機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，大小只有一張信(xin)用卡(ka)的(de)1/3左右，可以像蟋蟀一樣輕松(song)地跳過障礙，一小時幾乎可前(qian)進(jin)(jin)37米(mi)。這(zhe)種(zhong)機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)最特殊的(de)地方(fang)是(shi)突破了(le)(le)“牽動(dong)關(guan)節(jie)必須(xu)加(jia)發動(dong)機(ji)”的(de)觀念。發明家用的(de)新方(fang)法是(shi)：由鉛、鋯、鈦等金(jin)屬條(tiao)構成(cheng)一個雙壓電(dian)(dian)晶(jing)片(pian)調(diao)節(jie)器(qi)。當充(chong)電(dian)(dian)時，調(diao)節(jie)器(qi)彎(wan)曲，充(chong)完(wan)電(dian)(dian)了(le)(le)它(ta)又彈回原(yuan)狀，反復充(chong)電(dian)(dian)，它(ta)就成(cheng)了(le)(le)振(zhen)動(dong)條(tiao)。在振(zhen)動(dong)條(tiao)上(shang)裝(zhuang)有昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)肢(zhi)體(ti)，振(zhen)動(dong)條(tiao)振(zhen)動(dong)就成(cheng)了(le)(le)機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)的(de)動(dong)力，每次振(zhen)動(dong)都(dou)會使這(zhe)種(zhong)爬行昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)前(qian)進(jin)(jin)2毫米(mi)。通過一只“蟲(chong)(chong)(chong)王”就可以控制一大群(qun)機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)，由它(ta)以接(jie)力形式把(ba)控制指令傳送給每個機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)。應用這(zhe)種(zhong)機(ji)器(qi)昆(kun)蟲(chong)(chong)(chong)可以在戰場上(shang)完(wan)成(cheng)偵察(cha)、運送物品，或在其(qi)他星球進(jin)(jin)行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體(ti)系結(jie)(jie)構，就是指為完成指定(ding)目(mu)標的一個或幾個機器人在信息(xi)處理和控制邏輯(ji)方面的結(jie)(jie)構方式。

1、基于功能來分解

基于(yu)功能(neng)分(fen)解(jie)的(de)體系(xi)結(jie)構(gou)在人(ren)工智能(neng)上屬(shu)于(yu)傳統(tong)的(de)慎思式(shi)智能(neng)，在結(jie)構(gou)上體現(xian)(xian)為串行(xing)分(fen)布(bu)，在執(zhi)行(xing)方(fang)式(shi)上屬(shu)于(yu)異步執(zhi)行(xing)，即按(an)照“感(gan)知一規劃一行(xing)動”的(de)模式(shi)進行(xing)信息處(chu)理和控制實現(xian)(xian)。以美國(guo)國(guo)家(jia)航(hang)天局和美國(guo)國(guo)家(jia)標準局所提出的(de)NASR人(ren)MtI〕為典型代表(biao)。這種體系(xi)結(jie)構(gou)的(de)優(you)點是系(xi)統(tong)的(de)功能(neng)明了(le)，層次清晰，實現(xian)(xian)簡單。但是申行(xing)的(de)處(chu)理方(fang)式(shi)大大延長了(le)系(xi)統(tong)對外部(bu)事件的(de)響應時(shi)間，環境(jing)的(de)改(gai)變導致必須重新(xin)規劃，從而降低了(le)執(zhi)行(xing)效率。因此只適合(he)在已知的(de)結(jie)構(gou)化環境(jing)下完成(cheng)比較復(fu)雜的(de)工作。

2、基于行為來分解

基于(yu)行(xing)為分(fen)(fen)解(jie)的(de)(de)體(ti)(ti)系結構(gou)在(zai)(zai)人工智能上屬于(yu)現代的(de)(de)反應(ying)式(shi)智能，在(zai)(zai)結構(gou)上體(ti)(ti)現為并(bing)行(xing)(包(bao)容(rong))分(fen)(fen)布，在(zai)(zai)執行(xing)方式(shi)上屬于(yu)同步(bu)執行(xing)，即(ji)按照“感知一行(xing)動”的(de)(de)模式(shi)并(bing)行(xing)進行(xing)信息(xi)處(chu)理(li)和控制。以麻省理(li)工的(de)(de)R.A.Brooks所(suo)提出的(de)(de)行(xing)為分(fen)(fen)層的(de)(de)包(bao)容(rong)式(shi)體(ti)(ti)系結構(gou)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的(de)(de)基于(yu)MotorSc hema的(de)(de)結構(gou)為典型代表。其主(zhu)要(yao)優點(dian)就是執行(xing)時間短、效率高、機動能力(li)強。但(dan)是由于(yu)缺(que)乏(fa)整體(ti)(ti)的(de)(de)管理(li)，很難適(shi)應(ying)于(yu)各(ge)種情(qing)況(kuang)。因此只(zhi)適(shi)用于(yu)在(zai)(zai)沐淘環境下執行(xing)比較簡單的(de)(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基于(yu)(yu)(yu)智(zhi)(zhi)能分(fen)布的(de)體系結(jie)構(gou)在(zai)人工(gong)智(zhi)(zhi)能上(shang)屬于(yu)(yu)(yu)最(zui)新的(de)分(fen)布式(shi)智(zhi)(zhi)能，在(zai)結(jie)構(gou)上(shang)體現(xian)為分(fen)散分(fen)布，在(zai)執行(xing)上(shang)屬于(yu)(yu)(yu)協(xie)同執行(xing)，既可以單(dan)獨完成各(ge)自的(de)局(ju)部(bu)問題求(qiu)解(jie)，又能通過協(xie)作求(qiu)解(jie)單(dan)個(ge)或多個(ge)全局(ju)問題。以基于(yu)(yu)(yu)多智(zhi)(zhi)能體的(de)體系結(jie)構(gou)為典型代表。這種體系結(jie)構(gou)的(de)優點(dian)是既具有(you)“智(zhi)(zhi)能分(fen)布”的(de)特點(dian)，又有(you)統一的(de)協(xie)調機(ji)制(zhi)。但是如何在(zai)各(ge)個(ge)智(zhi)(zhi)能體之間合理的(de)劃分(fen)和(he)協(xie)調仍然需要大量的(de)研(yan)究和(he)實(shi)踐。該體系結(jie)構(gou)在(zai)許多大型的(de)智(zhi)(zhi)能信息處理系統上(shang)有(you)著廣泛的(de)應用。

除以上(shang)三(san)類主要的(de)體(ti)系結(jie)構之外，還有一些改進(jin)的(de)混(hun)合(he)式(shi)(shi)體(ti)系結(jie)構，如帶反饋環節的(de)行為分解模式(shi)(shi)、基(ji)于分布式(shi)(shi)智能(neng)的(de)分層(ceng)體(ti)系結(jie)構、基(ji)于功能(neng)分解的(de)多(duo)智能(neng)體(ti)結(jie)構等(deng)(deng)等(deng)(deng)。但是(shi)從整體(ti)上(shang)來看，它們或是(shi)在(zai)功能(neng)模塊的(de)靈(ling)活性和擴展(zhan)性上(shang)不(bu)(bu)足，或是(shi)沒能(neng)很好的(de)協調慎(shen)思式(shi)(shi)智能(neng)與反應式(shi)(shi)智能(neng)，或是(shi)各層(ceng)次間的(de)交流機制不(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(ji)器人在控制體系結構(gou)方(fang)面所存(cun)在的缺點和問題，提出一種具有適應行為與(yu)進化能(neng)力的新(xin)的控制思(si)想與(yu)理念。

借鑒分布式智能(neng)的思(si)想，在(zai)控(kong)(kong)制體系(xi)結構(gou)中引人社會式行(xing)為控(kong)(kong)制層；

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

借(jie)鑒生物的自進(jin)化(hua)性思(si)想，在控(kong)制體系(xi)結(jie)構中實現多代(dai)間的由(you)反射式(shi)行(xing)為層向本能式(shi)行(xing)為層的進(jin)化(hua)(或退化(hua))。

所以，仿(fang)生(sheng)式體系結構共(gong)有四個行(xing)(xing)(xing)為(wei)控制(zhi)(zhi)層(ceng)組成(cheng)，即本能式行(xing)(xing)(xing)為(wei)控制(zhi)(zhi)層(ceng)、反射式行(xing)(xing)(xing)為(wei)控制(zhi)(zhi)層(ceng)、慎思式行(xing)(xing)(xing)為(wei)控制(zhi)(zhi)層(ceng)和(he)社會式行(xing)(xing)(xing)為(wei)控制(zhi)(zhi)層(ceng)，它們(men)并行(xing)(xing)(xing)接(jie)收來(lai)自(zi)感知層(ceng)的外部和(he)內部信(xin)息，各自(zi)作(zuo)出邏輯判斷(duan)和(he)反應(ying)，發出控制(zhi)(zhi)信(xin)息到末端執(zhi)行(xing)(xing)(xing)層(ceng)，通過競爭和(he)協調來(lai)調節自(zi)身并適(shi)應(ying)外部環境，從而按(an)照(zhao)目(mu)標完成(cheng)工作(zuo)任(ren)務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長(chang)約(yue)50厘(li)米的機(ji)(ji)器(qi)(qi)蝎(xie)子(zi)與其(qi)他傳統的機(ji)(ji)器(qi)(qi)人不(bu)同(tong)，它沒有(you)解決復雜問題(ti)的能力。機(ji)(ji)器(qi)(qi)蝎(xie)子(zi)幾乎(hu)完全依靠反射(she)作用來解決行走問題(ti)。這(zhe)就使得它能夠迅速對困擾它的任何事物做出反應(ying)，它的頭部有(you)兩個超聲(sheng)波(bo)傳感器(qi)(qi)。如果(guo)碰到高出它身(shen)高50%%的障礙物，它就會繞開。而(er)且，如果(guo)左邊(bian)的傳感器(qi)(qi)探測到障礙物，它就會自動向右轉。

2、機械蟑螂

不(bu)只(zhi)是(shi)蝎子，就(jiu)連蟑(zhang)螂也能給科(ke)(ke)學(xue)家(jia)提供設計的靈感(gan)，科(ke)(ke)學(xue)家(jia)們發現，蟑(zhang)螂在高速(su)運(yun)動時，每(mei)次只(zhi)有三(san)條(tiao)(tiao)腿著(zhu)地，一(yi)邊兩(liang)條(tiao)(tiao)，一(yi)邊一(yi)條(tiao)(tiao)，循環(huan)反復，根(gen)據這個原(yuan)理，仿生學(xue)家(jia)制(zhi)造出(chu)機械蟑(zhang)螂，它(ta)不(bu)僅每(mei)秒能夠(gou)前進三(san)米，而且平衡性非常好(hao)，能夠(gou)適(shi)應各種惡劣環(huan)境(jing)，不(bu)遠的將來，太(tai)空探(tan)索或排(pai)除地雷，就(jiu)是(shi)它(ta)的用武(wu)之(zhi)地.

3、機器梭子魚

麻省理工學院的機(ji)(ji)(ji)器梭子魚(yu)(yu)，是(shi)世界上第一(yi)(yi)個(ge)能夠自由(you)游動(dong)的機(ji)(ji)(ji)器魚(yu)(yu)。它大(da)部(bu)分(fen)是(shi)由(you)玻(bo)璃(li)(li)纖維(wei)制成的，上覆一(yi)(yi)層鋼絲(si)網(wang)，最外(wai)面是(shi)一(yi)(yi)層合(he)成彈(dan)力(li)纖維(wei)。尾部(bu)由(you)彈(dan)簧狀(zhuang)的錐形(xing)玻(bo)璃(li)(li)纖維(wei)線圈制成，從(cong)而使這(zhe)(zhe)條(tiao)機(ji)(ji)(ji)器梭子魚(yu)(yu)既堅固(gu)又靈活。一(yi)(yi)臺伺服電動(dong)機(ji)(ji)(ji)為這(zhe)(zhe)條(tiao)機(ji)(ji)(ji)器魚(yu)(yu)提供動(dong)力(li)。

4、機器蛙

機(ji)(ji)器(qi)蛙(wa)(wa)腿(tui)的(de)膝部裝有彈簧，能像青蛙(wa)(wa)那(nei)樣(yang)先(xian)彎起腿(tui)，再一躍(yue)(yue)而起。機(ji)(ji)器(qi)蛙(wa)(wa)在(zai)(zai)地(di)球上一躍(yue)(yue)的(de)最遠(yuan)距(ju)離是2.4米(mi)；而在(zai)(zai)火(huo)(huo)星上，由(you)于(yu)火(huo)(huo)星的(de)重力(li)大約為地(di)球的(de)1/3，機(ji)(ji)器(qi)蛙(wa)(wa)的(de)跳遠(yuan)成績(ji)則可遠(yuan)達(da)7.2米(mi)，接近人(ren)類的(de)跳遠(yuan)世界(jie)紀(ji)錄。因此它不會再像2007年的(de)火(huo)(huo)星越野車那(nei)樣(yang)在(zai)(zai)一塊小石(shi)頭面前一籌莫展了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)(zhe)是太(tai)空(kong)工程師從蜘(zhi)蛛(zhu)攀(pan)墻(qiang)特技(ji)中得到(dao)靈感而創造出的(de)(de)。它安裝有一組(zu)天線(xian)模仿(fang)昆蟲觸角(jiao)，當它邁動細長的(de)(de)腿時，這(zhe)(zhe)些觸角(jiao)可探(tan)測地形和障礙。機器蜘(zhi)蛛(zhu)原(yuan)形很(hen)小，直立高度僅(jin)18厘米，比(bi)人(ren)的(de)(de)手掌大不了多少。“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”們(men)不僅(jin)能攀(pan)爬太(tai)空(kong)越野(ye)車無法到(dao)達的(de)(de)火星陡坡地形，而且成本也(ye)經濟許多，這(zhe)(zhe)樣(yang)，一大批太(tai)空(kong)“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”就會遍布在火星大地的(de)(de)各(ge)個角(jiao)落。

6、機器金槍魚

機器(qi)金(jin)槍魚機器(qi)金(jin)槍魚是麻省理工學院自(zi)“查(cha)理”之后(hou)在(zai)機器(qi)魚研制方(fang)面取得的(de)最新成(cheng)果。這(zhe)個(ge)新原型擁有柔軟的(de)身體，體內只(zhi)裝有1臺發動(dong)(dong)機以及6個(ge)移動(dong)(dong)部件，使其能夠在(zai)更大程度上(shang)模擬真實魚的(de)移動(dong)(dong)。

7、機器人壁虎

珠海新概念航空航天器(qi)有(you)限(xian)公司(si)李曉陽博(bo)士和他領導的(de)研究組，2008年11月15日研制(zhi)成功(gong)仿生機器(qi)人壁(bi)虎(hu)(hu)“神行者”。仿生機器(qi)人壁(bi)虎(hu)(hu)“神行者”作為一種(zhong)體積小、行動靈活(huo)(huo)的(de)新型智能(neng)機器(qi)人，有(you)可(ke)能(neng)在(zai)不久的(de)將來廣泛(fan)應用于搜索、救(jiu)援、反恐(kong)，以(yi)及科(ke)學實驗和科(ke)學考察。據(ju)李曉陽博(bo)士介紹(shao)，這種(zhong)機器(qi)人壁(bi)虎(hu)(hu)，能(neng)在(zai)各(ge)種(zhong)建筑物的(de)墻(qiang)面、地下和墻(qiang)縫(feng)中垂直上(shang)下迅速(su)攀(pan)爬，或(huo)者在(zai)天花板下倒掛行走,對光滑的(de)玻璃、粗糙或(huo)者粘有(you)粉塵(chen)的(de)墻(qiang)面以(yi)及各(ge)種(zhong)金屬材料表面都能(neng)夠(gou)適應，能(neng)夠(gou)自動辨識障礙物并規避繞(rao)行，動作靈活(huo)(huo)逼(bi)真。其(qi)靈活(huo)(huo)性和運動速(su)度可(ke)媲美自然界的(de)壁(bi)虎(hu)(hu)。

8、機器水母

美國海軍(jun)研(yan)究辦公室研(yan)制一(yi)種(zhong)“機器(qi)水(shui)母”，它可用于監測(ce)水(shui)面艦船和潛艇，探測(ce)化(hua)學溢出(chu)物，以(yi)及監控(kong)回游魚類(lei)的(de)動向。這些(xie)機器(qi)水(shui)母是由(you)生物感應記憶(yi)合(he)金(jin)制成的(de)細線連接，當這些(xie)金(jin)屬(shu)細線被(bei)加(jia)熱時(shi)，就會(hui)像肌肉組織一(yi)樣收縮。