一、仿生機器人的前途

首(shou)先，模(mo)仿(fang)某些昆蟲而制造(zao)出(chu)來的(de)(de)機器人(ren)(ren)并非簡單。比如(ru)，國(guo)外有的(de)(de)科學(xue)家觀察發現，螞(ma)蟻的(de)(de)大(da)腦(nao)很小(xiao)，視力(li)極差，但它(ta)的(de)(de)導(dao)航能力(li)高超(chao)：當螞(ma)蟻發現食物源后回(hui)去召喚同伴時(shi)，是把這一食物的(de)(de)映像(xiang)始(shi)終存儲在它(ta)的(de)(de)大(da)腦(nao)里，并利(li)用大(da)腦(nao)里的(de)(de)映像(xiang)與眼前真(zhen)實的(de)(de)景像(xiang)相匹配(pei)的(de)(de)方法，循(xun)原路返回(hui)。科學(xue)家認為，模(mo)仿(fang)螞(ma)蟻這一功(gong)能，可使機器人(ren)(ren)在陌(mo)生的(de)(de)環境中具有高超(chao)的(de)(de)探(tan)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，法國著名工程(cheng)師鮑堪松制(zhi)造的鳧水的鐵鴨(ya)子等，都非(fei)常有(you)名。

在機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)向智能(neng)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)發展的(de)時程中(zhong)，就有人(ren)(ren)提(ti)出(chu)“反對(dui)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)必(bi)須先(xian)會(hui)思(si)考(kao)才能(neng)做(zuo)事”的(de)觀點(dian)，并認為，用許多簡單的(de)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)也可以(yi)完成復(fu)雜(za)的(de)任務。20世紀90年代初，美國(guo)麻省理工學(xue)院(yuan)的(de)教授布魯(lu)克斯在學(xue)生(sheng)的(de)幫助(zhu)下，制造出(chu)一(yi)批蚊型(xing)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，取名昆蟲機(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，這(zhe)些小東西的(de)習慣(guan)和蟑螂(lang)十(shi)分相近。它們不會(hui)思(si)考(kao)，只能(neng)按照人(ren)(ren)編(bian)制的(de)程序(xu)動作。

幾年前，科(ke)技工作(zuo)者為(wei)(wei)圣(sheng)地亞哥市動物(wu)園制造電子機器鳥，它(ta)能模仿母(mu)兀鷹(ying)，準時給小兀鷹(ying)喂食；日(ri)本和(he)俄羅(luo)斯制造了(le)一種電子機器蟹(xie)，能進行(xing)深(shen)海(hai)控測，采集(ji)巖樣(yang)，捕捉海(hai)底生(sheng)物(wu)，進行(xing)海(hai)下電焊等作(zuo)業(ye)。美國研制出一條(tiao)名叫查理(li)的(de)機器金槍(qiang)魚(yu)，長(chang)1.32米，由2843個零件組成。通過擺動軀體和(he)尾(wei)巴，能像真的(de)魚(yu)一樣(yang)游動，速度(du)為(wei)(wei)7.2千米/小時。可以利用它(ta)在海(hai)下連(lian)續(xu)工作(zuo)數個月，由它(ta)測繪海(hai)洋(yang)地圖和(he)檢測水(shui)下污染(ran)，也可以用它(ta)來拍攝生(sheng)物(wu)，因(yin)為(wei)(wei)它(ta)模仿金槍(qiang)魚(yu)惟(wei)(wei)妙惟(wei)(wei)肖。

有(you)的(de)(de)科學家正在(zai)設計金(jin)槍(qiang)魚潛艇(ting)，其實就是金(jin)槍(qiang)魚機(ji)器人，行駛速(su)度可達20節，是名(ming)副其實的(de)(de)水下游動機(ji)器。它(ta)的(de)(de)靈活性遠遠高于現有(you)的(de)(de)潛艇(ting)，幾乎可以(yi)達到水下任(ren)何區域，由人遙控，它(ta)可輕(qing)而易舉地(di)進(jin)入海底深(shen)處的(de)(de)海溝和洞穴，悄悄地(di)溜(liu)進(jin)敵方(fang)的(de)(de)港(gang)口，進(jin)行偵察而不被發(fa)覺。作為(wei)軍用偵察和科學探索工具(ju)，其發(fa)展(zhan)和應用的(de)(de)前景十分(fen)廣闊。

同(tong)樣，研(yan)究(jiu)制(zhi)(zhi)造昆(kun)蟲機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)，其前(qian)景也是(shi)(shi)非常(chang)美好(hao)的(de)(de)。例如，有(you)(you)人(ren)研(yan)制(zhi)(zhi)一種(zhong)有(you)(you)彈(dan)性腿的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲，大小只有(you)(you)一張信用(yong)卡的(de)(de)1/3左右，可以像蟋蟀一樣輕松地(di)跳(tiao)過障礙，一小時幾乎可前(qian)進37米。這(zhe)種(zhong)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲最特殊的(de)(de)地(di)方(fang)(fang)是(shi)(shi)突破了(le)“牽動(dong)(dong)(dong)關節(jie)(jie)必須加發動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)”的(de)(de)觀念。發明家用(yong)的(de)(de)新方(fang)(fang)法是(shi)(shi)：由鉛、鋯、鈦等金(jin)屬條構成(cheng)(cheng)一個雙壓電(dian)晶片調(diao)節(jie)(jie)器(qi)(qi)(qi)。當充(chong)電(dian)時，調(diao)節(jie)(jie)器(qi)(qi)(qi)彎(wan)曲，充(chong)完(wan)電(dian)了(le)它又彈(dan)回原狀，反復充(chong)電(dian)，它就成(cheng)(cheng)了(le)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條。在(zai)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條上(shang)裝有(you)(you)昆(kun)蟲肢體，振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條振(zhen)動(dong)(dong)(dong)就成(cheng)(cheng)了(le)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲的(de)(de)動(dong)(dong)(dong)力，每次振(zhen)動(dong)(dong)(dong)都(dou)會(hui)使這(zhe)種(zhong)爬(pa)行(xing)昆(kun)蟲前(qian)進2毫米。通(tong)過一只“蟲王”就可以控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)一大群機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲，由它以接力形式把控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)指(zhi)令傳送給每個機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲。應用(yong)這(zhe)種(zhong)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)昆(kun)蟲可以在(zai)戰場上(shang)完(wan)成(cheng)(cheng)偵察、運(yun)送物品，或在(zai)其他星球進行(xing)探路(lu)。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結(jie)構(gou)，就是(shi)指為完成指定目標的(de)(de)一(yi)個或幾(ji)個機(ji)器人在信息處(chu)理和控制邏輯方面的(de)(de)結(jie)構(gou)方式。

1、基于功能來分解

基于(yu)功(gong)能分解的(de)(de)體(ti)系(xi)結構(gou)在(zai)人(ren)工(gong)智能上(shang)(shang)屬(shu)于(yu)傳統(tong)的(de)(de)慎思式(shi)智能，在(zai)結構(gou)上(shang)(shang)體(ti)現為串(chuan)行分布，在(zai)執行方式(shi)上(shang)(shang)屬(shu)于(yu)異步執行，即按照“感(gan)知一(yi)規(gui)劃一(yi)行動”的(de)(de)模式(shi)進行信息處理(li)和(he)控制(zhi)實(shi)(shi)現。以美國國家航天局(ju)和(he)美國國家標(biao)準(zhun)局(ju)所提出的(de)(de)NASR人(ren)MtI〕為典型代表。這(zhe)種(zhong)體(ti)系(xi)結構(gou)的(de)(de)優(you)點(dian)是系(xi)統(tong)的(de)(de)功(gong)能明(ming)了(le)，層次清(qing)晰，實(shi)(shi)現簡單。但是申行的(de)(de)處理(li)方式(shi)大(da)(da)大(da)(da)延長了(le)系(xi)統(tong)對(dui)外部事件的(de)(de)響應(ying)時間，環境的(de)(de)改變(bian)導致必(bi)須重新規(gui)劃，從而降低(di)了(le)執行效率。因此只適(shi)合在(zai)已知的(de)(de)結構(gou)化環境下完成比較復雜的(de)(de)工(gong)作。

2、基于行為來分解

基(ji)于(yu)行(xing)(xing)為(wei)分解的(de)體(ti)系結(jie)構(gou)在(zai)(zai)(zai)人工智能(neng)上(shang)屬(shu)于(yu)現代的(de)反(fan)應(ying)式智能(neng)，在(zai)(zai)(zai)結(jie)構(gou)上(shang)體(ti)現為(wei)并行(xing)(xing)(包容)分布，在(zai)(zai)(zai)執行(xing)(xing)方式上(shang)屬(shu)于(yu)同(tong)步(bu)執行(xing)(xing)，即按(an)照“感知(zhi)一行(xing)(xing)動”的(de)模(mo)式并行(xing)(xing)進行(xing)(xing)信息處(chu)理和控制(zhi)。以麻(ma)省理工的(de)R.A.Brooks所提出(chu)的(de)行(xing)(xing)為(wei)分層(ceng)的(de)包容式體(ti)系結(jie)構(gou)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出(chu)的(de)基(ji)于(yu)MotorSc hema的(de)結(jie)構(gou)為(wei)典型代表(biao)。其主要優點就是(shi)執行(xing)(xing)時間短、效率高、機動能(neng)力強(qiang)。但是(shi)由于(yu)缺(que)乏整(zheng)體(ti)的(de)管理，很難適(shi)應(ying)于(yu)各種情況。因此只適(shi)用于(yu)在(zai)(zai)(zai)沐淘環境下執行(xing)(xing)比較簡單的(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于智能(neng)分(fen)(fen)布(bu)的(de)體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在人工智能(neng)上(shang)(shang)屬于最新(xin)的(de)分(fen)(fen)布(bu)式(shi)智能(neng)，在結(jie)(jie)構(gou)(gou)上(shang)(shang)體現為分(fen)(fen)散分(fen)(fen)布(bu)，在執行(xing)上(shang)(shang)屬于協同(tong)執行(xing)，既可(ke)以單獨完成各自的(de)局部問(wen)題求解，又能(neng)通過協作求解單個(ge)(ge)或(huo)多(duo)(duo)個(ge)(ge)全(quan)局問(wen)題。以基(ji)于多(duo)(duo)智能(neng)體的(de)體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)為典型(xing)代表。這(zhe)種體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)優點(dian)是既具有“智能(neng)分(fen)(fen)布(bu)”的(de)特點(dian)，又有統一的(de)協調(diao)機制(zhi)。但是如(ru)何(he)在各個(ge)(ge)智能(neng)體之間合(he)理的(de)劃分(fen)(fen)和協調(diao)仍然需(xu)要大量的(de)研究和實(shi)踐。該體系(xi)(xi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)在許(xu)多(duo)(duo)大型(xing)的(de)智能(neng)信息處理系(xi)(xi)統上(shang)(shang)有著廣泛的(de)應用。

除(chu)以上(shang)三類主要的(de)(de)(de)體系(xi)(xi)結構(gou)(gou)之外(wai)，還有一些改進的(de)(de)(de)混合式體系(xi)(xi)結構(gou)(gou)，如帶(dai)反饋環節(jie)的(de)(de)(de)行為分(fen)解(jie)模式、基于(yu)分(fen)布式智能的(de)(de)(de)分(fen)層體系(xi)(xi)結構(gou)(gou)、基于(yu)功能分(fen)解(jie)的(de)(de)(de)多(duo)智能體結構(gou)(gou)等(deng)等(deng)。但是從整體上(shang)來看，它們或是在功能模塊的(de)(de)(de)靈(ling)活性和擴展性上(shang)不(bu)足，或是沒能很(hen)好的(de)(de)(de)協調慎思式智能與反應式智能，或是各層次(ci)間的(de)(de)(de)交流機制不(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，針對機器人特別是(shi)未知(zhi)環境下工作的移(yi)動機器人在(zai)控制體系結構(gou)方面所存(cun)在(zai)的缺點(dian)和問題，提(ti)出一種具有(you)適(shi)應行為與進化能(neng)力(li)的新的控制思想(xiang)與理念。

借(jie)鑒分(fen)布(bu)式智能的思想，在控制(zhi)體系(xi)結構中引人社會式行為控制(zhi)層；

借鑒生(sheng)物的自適應性(xing)思想，在控制體系結(jie)構中實現本(ben)代(dai)內的由慎思式(shi)行為層到反射式(shi)行為層的學(xue)習；

借鑒(jian)生(sheng)物的(de)自進化性思想，在控制體系結構中實現(xian)多代間的(de)由反射式行為層向本(ben)能式行為層的(de)進化(或(huo)退化)。

所以，仿生式(shi)體系(xi)結構共有(you)四(si)個行為控(kong)(kong)(kong)(kong)制層組成，即本能式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)(kong)制層、反射式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)(kong)制層、慎(shen)思式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)(kong)制層和社會式(shi)行為控(kong)(kong)(kong)(kong)制層，它們并行接收來自(zi)(zi)感知層的外部和內部信息(xi)，各自(zi)(zi)作(zuo)出(chu)邏輯判(pan)斷和反應，發(fa)出(chu)控(kong)(kong)(kong)(kong)制信息(xi)到末端執(zhi)行層，通過競爭和協(xie)調來調節自(zi)(zi)身并適應外部環境，從而按照目標完成工(gong)作(zuo)任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約(yue)50厘米的(de)機器(qi)蝎(xie)子(zi)與其他傳統的(de)機器(qi)人(ren)不同(tong)，它沒有解決復雜(za)問題的(de)能(neng)力(li)。機器(qi)蝎(xie)子(zi)幾乎(hu)完全依靠反(fan)射(she)作用(yong)來(lai)解決行走問題。這就(jiu)使得它能(neng)夠迅速對(dui)困擾它的(de)任何事物做(zuo)出反(fan)應，它的(de)頭(tou)部有兩個超聲波傳感(gan)(gan)器(qi)。如(ru)果碰到高出它身高50%%的(de)障礙(ai)物，它就(jiu)會(hui)繞開。而且，如(ru)果左邊的(de)傳感(gan)(gan)器(qi)探(tan)測到障礙(ai)物，它就(jiu)會(hui)自動向右(you)轉(zhuan)。

2、機械蟑螂

不只是(shi)蝎子(zi)，就(jiu)連蟑(zhang)螂也(ye)能給科(ke)學家提供(gong)設(she)計的靈感，科(ke)學家們發現，蟑(zhang)螂在(zai)高速運(yun)動時，每(mei)次只有三條(tiao)腿著地(di)(di)，一(yi)(yi)邊兩(liang)條(tiao)，一(yi)(yi)邊一(yi)(yi)條(tiao)，循環(huan)反復，根(gen)據這個原理，仿(fang)生(sheng)學家制造出機械蟑(zhang)螂，它(ta)不僅每(mei)秒能夠前進三米，而且(qie)平衡性非(fei)常好，能夠適應各(ge)種惡劣環(huan)境，不遠的將來，太空(kong)探索或排除地(di)(di)雷，就(jiu)是(shi)它(ta)的用(yong)武之地(di)(di).

3、機器梭子魚

麻省理工學院(yuan)的(de)機(ji)器梭(suo)(suo)子魚(yu)，是(shi)世界上第一(yi)個能(neng)夠自(zi)由(you)游(you)動(dong)(dong)的(de)機(ji)器魚(yu)。它大部分是(shi)由(you)玻璃纖維(wei)(wei)(wei)制(zhi)成(cheng)的(de)，上覆一(yi)層(ceng)鋼絲(si)網，最外面是(shi)一(yi)層(ceng)合成(cheng)彈力纖維(wei)(wei)(wei)。尾部由(you)彈簧狀(zhuang)的(de)錐形玻璃纖維(wei)(wei)(wei)線(xian)圈制(zhi)成(cheng)，從而使這條機(ji)器梭(suo)(suo)子魚(yu)既堅固又靈活。一(yi)臺伺服電動(dong)(dong)機(ji)為這條機(ji)器魚(yu)提供動(dong)(dong)力。

4、機器蛙

機(ji)器(qi)蛙(wa)腿(tui)的(de)(de)(de)膝部裝(zhuang)有彈(dan)簧(huang)，能像(xiang)青蛙(wa)那樣先彎起腿(tui)，再一(yi)(yi)躍而(er)起。機(ji)器(qi)蛙(wa)在地(di)球上一(yi)(yi)躍的(de)(de)(de)最遠(yuan)距離是(shi)2.4米(mi)；而(er)在火(huo)星(xing)上，由(you)于火(huo)星(xing)的(de)(de)(de)重力大約為地(di)球的(de)(de)(de)1/3，機(ji)器(qi)蛙(wa)的(de)(de)(de)跳(tiao)遠(yuan)成績則可遠(yuan)達7.2米(mi)，接(jie)近人(ren)類(lei)的(de)(de)(de)跳(tiao)遠(yuan)世界紀錄。因此它(ta)不(bu)會再像(xiang)2007年的(de)(de)(de)火(huo)星(xing)越野車那樣在一(yi)(yi)塊小石頭面(mian)前一(yi)(yi)籌(chou)莫展(zhan)了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)(zhe)是太空工程師(shi)從蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)(zhu)攀墻特技中得到靈感而(er)創造出的(de)(de)。它安(an)裝有一組天線(xian)模仿昆(kun)蟲觸(chu)角，當(dang)它邁動(dong)細長的(de)(de)腿(tui)時，這(zhe)(zhe)些(xie)觸(chu)角可探測地形和障礙。機器蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)(zhu)原形很小(xiao)，直(zhi)立高(gao)度僅18厘米，比人的(de)(de)手掌大(da)不(bu)了多少(shao)。“蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)(zhu)俠”們不(bu)僅能攀爬太空越野車無法到達的(de)(de)火星陡坡地形，而(er)且成本(ben)也(ye)經濟許多，這(zhe)(zhe)樣，一大(da)批太空“蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)(zhu)俠”就會(hui)遍(bian)布在(zai)火星大(da)地的(de)(de)各個角落。

6、機器金槍魚

機器金(jin)槍魚機器金(jin)槍魚是麻省理工學(xue)院(yuan)自“查理”之后在(zai)機器魚研制方面取(qu)得的(de)(de)最新成果。這(zhe)個新原型擁有柔軟的(de)(de)身體，體內只裝有1臺發動(dong)機以及6個移(yi)動(dong)部(bu)件，使其能夠在(zai)更大程(cheng)度(du)上模擬真實魚的(de)(de)移(yi)動(dong)。

7、機器人壁虎

珠海新(xin)概念航空航天器(qi)有(you)(you)限公司李曉(xiao)陽博士和(he)(he)(he)他領(ling)導的(de)(de)研究(jiu)組(zu)，2008年11月15日研制(zhi)成功仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)(bi)(bi)虎(hu)“神行者(zhe)”。仿生(sheng)機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)(bi)(bi)虎(hu)“神行者(zhe)”作為一種(zhong)(zhong)體積小、行動靈活的(de)(de)新(xin)型智(zhi)能(neng)機(ji)器(qi)人(ren)，有(you)(you)可能(neng)在不久的(de)(de)將來廣泛應用于搜索、救援(yuan)、反恐，以及科(ke)學(xue)實(shi)驗和(he)(he)(he)科(ke)學(xue)考(kao)察。據(ju)李曉(xiao)陽博士介紹(shao)，這種(zhong)(zhong)機(ji)器(qi)人(ren)壁(bi)(bi)(bi)虎(hu)，能(neng)在各(ge)種(zhong)(zhong)建(jian)筑(zhu)物(wu)的(de)(de)墻(qiang)面、地(di)下和(he)(he)(he)墻(qiang)縫(feng)中垂直上下迅速(su)攀(pan)爬，或者(zhe)在天花板下倒掛行走,對光滑的(de)(de)玻璃、粗(cu)糙(cao)或者(zhe)粘有(you)(you)粉塵(chen)的(de)(de)墻(qiang)面以及各(ge)種(zhong)(zhong)金屬(shu)材(cai)料表面都能(neng)夠適(shi)應，能(neng)夠自動辨識障礙物(wu)并規避繞(rao)行，動作靈活逼真。其靈活性和(he)(he)(he)運動速(su)度可媲美自然(ran)界的(de)(de)壁(bi)(bi)(bi)虎(hu)。

8、機器水母

美國(guo)海軍研(yan)究辦(ban)公(gong)室(shi)研(yan)制(zhi)(zhi)一(yi)種(zhong)“機器(qi)水(shui)(shui)母”，它可(ke)用于(yu)監(jian)測(ce)(ce)水(shui)(shui)面艦(jian)船和潛艇(ting)，探測(ce)(ce)化學溢出物，以及監(jian)控回游魚類(lei)的(de)動向。這些機器(qi)水(shui)(shui)母是(shi)由生物感應記憶合金(jin)(jin)制(zhi)(zhi)成的(de)細線連接(jie)，當這些金(jin)(jin)屬細線被(bei)加(jia)熱時，就會像肌肉組織一(yi)樣收縮(suo)。