一、仿生機器人的前途

首先，模(mo)仿某些昆蟲(chong)而制造出(chu)來(lai)的(de)(de)(de)(de)機器人并非簡(jian)單。比(bi)如，國外有的(de)(de)(de)(de)科學家觀察發(fa)現(xian)，螞蟻(yi)的(de)(de)(de)(de)大腦(nao)很(hen)小(xiao)，視(shi)力(li)極(ji)差，但它(ta)的(de)(de)(de)(de)導航(hang)能(neng)力(li)高超：當螞蟻(yi)發(fa)現(xian)食(shi)物源(yuan)后回(hui)去召喚(huan)同伴時，是把這(zhe)一(yi)(yi)食(shi)物的(de)(de)(de)(de)映像(xiang)始(shi)終存(cun)儲在它(ta)的(de)(de)(de)(de)大腦(nao)里，并利用大腦(nao)里的(de)(de)(de)(de)映像(xiang)與眼(yan)前真(zhen)實的(de)(de)(de)(de)景像(xiang)相匹(pi)配的(de)(de)(de)(de)方法，循(xun)原路返(fan)回(hui)。科學家認為，模(mo)仿螞蟻(yi)這(zhe)一(yi)(yi)功能(neng)，可使機器人在陌生的(de)(de)(de)(de)環境中具有高超的(de)(de)(de)(de)探路能(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，法國著名工程(cheng)師鮑(bao)堪松制造的鳧水(shui)的鐵(tie)鴨子等，都非常有名。

在(zai)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)向智(zhi)能(neng)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)發展的(de)時程中，就有(you)人(ren)提出“反對機(ji)(ji)器(qi)人(ren)必須先會思考才能(neng)做事”的(de)觀點，并認為，用許多簡單(dan)的(de)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)也可以完(wan)成(cheng)復雜的(de)任(ren)務。20世(shi)紀90年代初，美國(guo)麻省理(li)工學院的(de)教授布(bu)魯克斯在(zai)學生的(de)幫(bang)助下(xia)，制造(zao)出一(yi)批(pi)蚊型機(ji)(ji)器(qi)人(ren)，取(qu)名昆蟲(chong)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)，這些(xie)小東西的(de)習慣和蟑(zhang)螂十分相近。它(ta)們不(bu)會思考，只能(neng)按照(zhao)人(ren)編(bian)制的(de)程序動作。

幾年前(qian)，科技工(gong)作(zuo)者為(wei)(wei)圣地(di)亞哥市動(dong)物園制造(zao)電(dian)子機(ji)(ji)器(qi)(qi)鳥(niao)，它(ta)能模仿母兀鷹，準時給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造(zao)了一種電(dian)子機(ji)(ji)器(qi)(qi)蟹(xie)，能進行深海控測(ce)，采集巖樣(yang)(yang)，捕捉海底生物，進行海下電(dian)焊等作(zuo)業。美國研(yan)制出一條名(ming)叫查理的機(ji)(ji)器(qi)(qi)金(jin)槍(qiang)魚，長1.32米，由(you)(you)2843個(ge)零(ling)件(jian)組成。通過擺動(dong)軀體和尾(wei)巴，能像(xiang)真(zhen)的魚一樣(yang)(yang)游動(dong)，速度為(wei)(wei)7.2千米/小時。可(ke)以(yi)(yi)利用(yong)它(ta)在海下連續(xu)工(gong)作(zuo)數個(ge)月，由(you)(you)它(ta)測(ce)繪海洋(yang)地(di)圖和檢測(ce)水(shui)下污染，也可(ke)以(yi)(yi)用(yong)它(ta)來(lai)拍(pai)攝生物，因為(wei)(wei)它(ta)模仿金(jin)槍(qiang)魚惟妙(miao)惟肖。

有的科(ke)學(xue)家正在設計(ji)金(jin)槍(qiang)魚(yu)潛艇(ting)，其(qi)(qi)實就是金(jin)槍(qiang)魚(yu)機(ji)(ji)器(qi)人，行駛(shi)速度可達20節，是名副其(qi)(qi)實的水下游動機(ji)(ji)器(qi)。它的靈活性(xing)遠(yuan)遠(yuan)高于現(xian)有的潛艇(ting)，幾乎可以達到水下任何區域，由人遙(yao)控，它可輕(qing)而易舉地進入(ru)海底深處的海溝和洞穴(xue)，悄(qiao)(qiao)悄(qiao)(qiao)地溜進敵方(fang)的港(gang)口，進行偵(zhen)察而不被發(fa)覺。作為(wei)軍用(yong)偵(zhen)察和科(ke)學(xue)探索工具(ju)，其(qi)(qi)發(fa)展(zhan)和應(ying)用(yong)的前景(jing)十分廣闊。

同樣，研究制造昆(kun)蟲(chong)(chong)機器人，其(qi)前景也(ye)是非(fei)常美好的(de)。例如(ru)，有(you)人研制一(yi)(yi)種(zhong)有(you)彈性腿(tui)的(de)機器昆(kun)蟲(chong)(chong)，大小(xiao)只有(you)一(yi)(yi)張信用(yong)卡的(de)1/3左右，可(ke)以(yi)像蟋蟀一(yi)(yi)樣輕松地跳過障(zhang)礙，一(yi)(yi)小(xiao)時幾(ji)乎可(ke)前進37米。這種(zhong)機器昆(kun)蟲(chong)(chong)最(zui)特殊的(de)地方(fang)是突破了(le)“牽動(dong)(dong)(dong)關節(jie)必須加發動(dong)(dong)(dong)機”的(de)觀念。發明家用(yong)的(de)新方(fang)法是：由鉛(qian)、鋯、鈦(tai)等金屬條構成(cheng)一(yi)(yi)個(ge)雙(shuang)壓電(dian)(dian)晶片調(diao)(diao)節(jie)器。當充電(dian)(dian)時，調(diao)(diao)節(jie)器彎曲(qu)，充完(wan)電(dian)(dian)了(le)它(ta)又彈回原狀，反復充電(dian)(dian)，它(ta)就(jiu)(jiu)成(cheng)了(le)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條。在(zai)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條上裝有(you)昆(kun)蟲(chong)(chong)肢體，振(zhen)動(dong)(dong)(dong)條振(zhen)動(dong)(dong)(dong)就(jiu)(jiu)成(cheng)了(le)機器昆(kun)蟲(chong)(chong)的(de)動(dong)(dong)(dong)力，每次振(zhen)動(dong)(dong)(dong)都會使這種(zhong)爬行昆(kun)蟲(chong)(chong)前進2毫(hao)米。通過一(yi)(yi)只“蟲(chong)(chong)王”就(jiu)(jiu)可(ke)以(yi)控制一(yi)(yi)大群機器昆(kun)蟲(chong)(chong)，由它(ta)以(yi)接力形式把控制指令(ling)傳送(song)給每個(ge)機器昆(kun)蟲(chong)(chong)。應用(yong)這種(zhong)機器昆(kun)蟲(chong)(chong)可(ke)以(yi)在(zai)戰場上完(wan)成(cheng)偵察、運送(song)物品(pin)，或在(zai)其(qi)他星球進行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結構，就是指為完成指定目標的一個或(huo)幾個機器人在信息(xi)處理(li)和(he)控制邏輯方面的結構方式。

1、基于功能來分解

基于功(gong)能(neng)分解(jie)的(de)(de)(de)體(ti)(ti)(ti)系結構在(zai)人工智(zhi)能(neng)上(shang)屬于傳統的(de)(de)(de)慎思式智(zhi)能(neng)，在(zai)結構上(shang)體(ti)(ti)(ti)現為(wei)串行(xing)(xing)分布，在(zai)執行(xing)(xing)方式上(shang)屬于異(yi)步執行(xing)(xing)，即按照“感知一(yi)規劃一(yi)行(xing)(xing)動”的(de)(de)(de)模式進行(xing)(xing)信息處(chu)理和控制(zhi)實(shi)現。以(yi)美國(guo)國(guo)家(jia)航天局和美國(guo)國(guo)家(jia)標準局所(suo)提出的(de)(de)(de)NASR人MtI〕為(wei)典型代表。這種(zhong)體(ti)(ti)(ti)系結構的(de)(de)(de)優點是系統的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)明了(le)，層次清晰，實(shi)現簡單。但是申行(xing)(xing)的(de)(de)(de)處(chu)理方式大大延長了(le)系統對外部事件的(de)(de)(de)響應時(shi)間，環境的(de)(de)(de)改變導致必須重新規劃，從而降低了(le)執行(xing)(xing)效率。因此(ci)只適合在(zai)已知的(de)(de)(de)結構化(hua)環境下完(wan)成(cheng)比較復雜(za)的(de)(de)(de)工作。

2、基于行為來分解

基于(yu)行為(wei)分解(jie)的(de)(de)(de)(de)體(ti)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)在人工智能(neng)(neng)上(shang)屬于(yu)現代的(de)(de)(de)(de)反(fan)應式(shi)智能(neng)(neng)，在結(jie)構(gou)(gou)上(shang)體(ti)現為(wei)并行(包(bao)容(rong))分布，在執(zhi)行方式(shi)上(shang)屬于(yu)同步執(zhi)行，即(ji)按照(zhao)“感知一行動”的(de)(de)(de)(de)模(mo)式(shi)并行進行信息處理(li)和(he)控制。以麻省理(li)工的(de)(de)(de)(de)R.A.Brooks所提出的(de)(de)(de)(de)行為(wei)分層的(de)(de)(de)(de)包(bao)容(rong)式(shi)體(ti)系(xi)結(jie)構(gou)(gou)(SubsumptionArchitecture) 和(he)Arkin提出的(de)(de)(de)(de)基于(yu)MotorSc hema的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)為(wei)典型代表。其主要優點就是執(zhi)行時間(jian)短、效率(lv)高、機動能(neng)(neng)力(li)強(qiang)。但是由(you)于(yu)缺(que)乏整(zheng)體(ti)的(de)(de)(de)(de)管理(li)，很(hen)難適應于(yu)各種(zhong)情況。因(yin)此(ci)只(zhi)適用于(yu)在沐淘環境(jing)下執(zhi)行比較(jiao)簡單(dan)的(de)(de)(de)(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)布(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)系結(jie)構在(zai)人工(gong)智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)上(shang)(shang)屬(shu)于最新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)式智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)，在(zai)結(jie)構上(shang)(shang)體(ti)現為分(fen)散分(fen)布(bu)，在(zai)執行上(shang)(shang)屬(shu)于協同(tong)執行，既(ji)(ji)可以單獨(du)完成各自的(de)(de)(de)(de)(de)局(ju)部問題求解，又能(neng)通過協作求解單個或(huo)多(duo)個全局(ju)問題。以基(ji)于多(duo)智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)系結(jie)構為典型代表。這種體(ti)系結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)優點是(shi)既(ji)(ji)具有“智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)布(bu)”的(de)(de)(de)(de)(de)特點，又有統一的(de)(de)(de)(de)(de)協調(diao)機(ji)制。但是(shi)如何(he)在(zai)各個智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)體(ti)之間合(he)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)劃分(fen)和協調(diao)仍然需(xu)要大量的(de)(de)(de)(de)(de)研究和實踐。該(gai)體(ti)系結(jie)構在(zai)許多(duo)大型的(de)(de)(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)信息處理(li)系統上(shang)(shang)有著廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)應用。

除以上(shang)三(san)類主要的(de)(de)體系(xi)結構(gou)之外，還有一些改(gai)進的(de)(de)混(hun)合式(shi)體系(xi)結構(gou)，如(ru)帶反饋環節的(de)(de)行(xing)為分(fen)解(jie)模式(shi)、基于(yu)分(fen)布式(shi)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)的(de)(de)分(fen)層體系(xi)結構(gou)、基于(yu)功能(neng)(neng)(neng)(neng)分(fen)解(jie)的(de)(de)多智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)體結構(gou)等(deng)等(deng)。但是從(cong)整體上(shang)來看，它們或是在(zai)功能(neng)(neng)(neng)(neng)模塊的(de)(de)靈活性和擴(kuo)展性上(shang)不足(zu)，或是沒能(neng)(neng)(neng)(neng)很好的(de)(de)協調慎思(si)式(shi)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)與(yu)反應式(shi)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)(neng)，或是各層次間的(de)(de)交流機制不夠完善。

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(bie)是未知(zhi)環境下(xia)工作的移動機器人在控(kong)制體(ti)系結構(gou)方面所存(cun)在的缺點(dian)和(he)問題，提出一種具有(you)適應行為與(yu)(yu)進化能力的新的控(kong)制思想(xiang)與(yu)(yu)理念。

借(jie)鑒分(fen)布式(shi)智能的(de)思想，在控制(zhi)體系結構中引人社會(hui)式(shi)行為控制(zhi)層；

借鑒生物的(de)自適應性思(si)(si)想(xiang)，在(zai)控制體系(xi)結構中實(shi)現本代內(nei)的(de)由慎思(si)(si)式行為(wei)層到反射(she)式行為(wei)層的(de)學習；

借(jie)鑒(jian)生物的(de)自進化性思想(xiang)，在控制體系結構中(zhong)實(shi)現多代間的(de)由反射式(shi)(shi)行(xing)為層向本能(neng)式(shi)(shi)行(xing)為層的(de)進化(或(huo)退化)。

所以，仿生式體系結構(gou)共(gong)有四個行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)組(zu)成，即本能式行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、反射式行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、慎思式行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)和社會式行(xing)(xing)(xing)為(wei)(wei)控(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)，它們并(bing)行(xing)(xing)(xing)接收來自感知層(ceng)(ceng)的外(wai)部和內部信息，各自作出邏輯判斷(duan)和反應，發出控(kong)制(zhi)(zhi)信息到末端執行(xing)(xing)(xing)層(ceng)(ceng)，通過(guo)競(jing)爭和協調(diao)來調(diao)節自身并(bing)適應外(wai)部環境(jing)，從而按照目標完成工作任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約50厘米的(de)(de)(de)機(ji)器蝎子與(yu)其(qi)他傳(chuan)統的(de)(de)(de)機(ji)器人不同，它(ta)(ta)(ta)沒有解決復雜問題的(de)(de)(de)能力(li)。機(ji)器蝎子幾乎完全依靠反(fan)射(she)作用來解決行走問題。這就使(shi)得它(ta)(ta)(ta)能夠迅(xun)速對(dui)困(kun)擾它(ta)(ta)(ta)的(de)(de)(de)任何事物(wu)做出(chu)反(fan)應，它(ta)(ta)(ta)的(de)(de)(de)頭部(bu)有兩個超聲波(bo)傳(chuan)感器。如果碰到(dao)高出(chu)它(ta)(ta)(ta)身高50%%的(de)(de)(de)障礙物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會(hui)繞(rao)開。而且，如果左邊的(de)(de)(de)傳(chuan)感器探(tan)測到(dao)障礙物(wu)，它(ta)(ta)(ta)就會(hui)自動向右轉。

2、機械蟑螂

不只(zhi)是蝎子，就連(lian)蟑螂也能(neng)給(gei)科(ke)學(xue)家(jia)提供設計的靈感，科(ke)學(xue)家(jia)們發現，蟑螂在高速(su)運動時，每次(ci)只(zhi)有(you)三(san)條腿著(zhu)地(di)(di)，一邊(bian)兩條，一邊(bian)一條，循(xun)環(huan)反復，根據這(zhe)個原理，仿生(sheng)學(xue)家(jia)制造出機械蟑螂，它不僅每秒能(neng)夠(gou)前進(jin)三(san)米，而(er)且平(ping)衡性非常好(hao)，能(neng)夠(gou)適應各種(zhong)惡劣環(huan)境，不遠(yuan)的將(jiang)來(lai)，太(tai)空探索(suo)或(huo)排除地(di)(di)雷，就是它的用(yong)武(wu)之(zhi)地(di)(di).

3、機器梭子魚

麻(ma)省理工(gong)學(xue)院的機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)梭(suo)子(zi)魚(yu)(yu)，是世(shi)界上(shang)第一(yi)個能夠自由(you)(you)游動(dong)的機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)魚(yu)(yu)。它大部(bu)分是由(you)(you)玻璃纖維(wei)制(zhi)成的，上(shang)覆一(yi)層鋼(gang)絲網，最(zui)外面(mian)是一(yi)層合成彈(dan)力纖維(wei)。尾部(bu)由(you)(you)彈(dan)簧狀(zhuang)的錐形玻璃纖維(wei)線圈制(zhi)成，從而(er)使這條機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)梭(suo)子(zi)魚(yu)(yu)既堅固又靈(ling)活(huo)。一(yi)臺伺(si)服(fu)電動(dong)機(ji)(ji)為(wei)這條機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)魚(yu)(yu)提供動(dong)力。

4、機器蛙

機器蛙腿的(de)(de)膝部裝(zhuang)有(you)彈簧(huang)，能像(xiang)青蛙那樣(yang)先彎起(qi)腿，再(zai)一(yi)(yi)躍而(er)起(qi)。機器蛙在地球(qiu)上一(yi)(yi)躍的(de)(de)最遠距離是2.4米；而(er)在火(huo)星上，由(you)于(yu)火(huo)星的(de)(de)重力(li)大(da)約為地球(qiu)的(de)(de)1/3，機器蛙的(de)(de)跳(tiao)遠成(cheng)績則(ze)可遠達7.2米，接近人類的(de)(de)跳(tiao)遠世界(jie)紀錄。因此它不(bu)會(hui)再(zai)像(xiang)2007年的(de)(de)火(huo)星越(yue)野車那樣(yang)在一(yi)(yi)塊小石(shi)頭(tou)面前一(yi)(yi)籌莫展(zhan)了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)(zhe)是太(tai)空工程師從蜘(zhi)蛛(zhu)攀墻特技(ji)中得到(dao)靈感而創造出的(de)。它安裝有一組天線(xian)模(mo)仿(fang)昆蟲(chong)觸(chu)角(jiao)，當(dang)它邁動細長的(de)腿時(shi)，這(zhe)(zhe)些觸(chu)角(jiao)可(ke)探測地形(xing)和障礙。機器蜘(zhi)蛛(zhu)原形(xing)很小，直立高度僅(jin)18厘米(mi)，比人(ren)的(de)手掌大不(bu)了多少。“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”們不(bu)僅(jin)能攀爬太(tai)空越野車無法到(dao)達的(de)火星陡坡地形(xing)，而且成本也經濟(ji)許多，這(zhe)(zhe)樣，一大批太(tai)空“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”就會遍布在火星大地的(de)各個角(jiao)落。

6、機器金槍魚

機(ji)器金(jin)槍魚(yu)機(ji)器金(jin)槍魚(yu)是麻省理(li)工學院自“查理(li)”之后在機(ji)器魚(yu)研制方面取得的最新成果。這(zhe)個新原(yuan)型擁有柔軟的身體，體內只裝有1臺發(fa)動機(ji)以及6個移動部件，使其能夠在更大程度上模擬真實魚(yu)的移動。

7、機器人壁虎

珠海新概念航(hang)空航(hang)天器有限公司李(li)曉陽(yang)博士(shi)和(he)(he)他領導的(de)研究(jiu)組，2008年11月15日研制成功仿生機(ji)器人壁(bi)虎“神行者(zhe)(zhe)”。仿生機(ji)器人壁(bi)虎“神行者(zhe)(zhe)”作為一種(zhong)體積小、行動(dong)靈活的(de)新型智(zhi)能(neng)(neng)機(ji)器人，有可(ke)(ke)能(neng)(neng)在(zai)(zai)不久的(de)將來廣(guang)泛應用(yong)于搜索、救援(yuan)、反(fan)恐，以及科學(xue)實驗和(he)(he)科學(xue)考察。據李(li)曉陽(yang)博士(shi)介紹(shao)，這種(zhong)機(ji)器人壁(bi)虎，能(neng)(neng)在(zai)(zai)各種(zhong)建筑物(wu)的(de)墻(qiang)(qiang)面、地下和(he)(he)墻(qiang)(qiang)縫(feng)中垂(chui)直上(shang)下迅速攀爬(pa)，或(huo)者(zhe)(zhe)在(zai)(zai)天花板下倒(dao)掛行走,對光滑的(de)玻璃、粗糙(cao)或(huo)者(zhe)(zhe)粘(zhan)有粉塵的(de)墻(qiang)(qiang)面以及各種(zhong)金屬材料表面都能(neng)(neng)夠適應，能(neng)(neng)夠自動(dong)辨識障礙物(wu)并(bing)規避繞行，動(dong)作靈活逼真。其靈活性和(he)(he)運動(dong)速度可(ke)(ke)媲美自然界的(de)壁(bi)虎。

8、機器水母

美國海軍(jun)研究辦公室研制(zhi)(zhi)一(yi)種“機(ji)器(qi)水母(mu)”，它可用于監(jian)測(ce)水面(mian)艦(jian)船(chuan)和潛艇，探測(ce)化學溢出(chu)物(wu)，以及監(jian)控回游魚(yu)類的動向。這些(xie)機(ji)器(qi)水母(mu)是由生物(wu)感應記(ji)憶合(he)金制(zhi)(zhi)成的細線連(lian)接，當(dang)這些(xie)金屬細線被加熱(re)時，就(jiu)會像肌(ji)肉組織(zhi)一(yi)樣收縮。