一、仿生機器人的前途

首先，模仿(fang)某(mou)些昆蟲而制造出來(lai)的(de)(de)(de)機器(qi)(qi)人并非(fei)簡單。比如，國(guo)外有(you)的(de)(de)(de)科學(xue)家(jia)(jia)觀察發(fa)現，螞(ma)蟻(yi)的(de)(de)(de)大(da)腦(nao)(nao)很小，視力(li)極差，但它的(de)(de)(de)導航能(neng)力(li)高(gao)(gao)超(chao)(chao)：當螞(ma)蟻(yi)發(fa)現食(shi)(shi)物(wu)源后回去召喚(huan)同伴時，是把這(zhe)一食(shi)(shi)物(wu)的(de)(de)(de)映像始終(zhong)存儲在(zai)(zai)它的(de)(de)(de)大(da)腦(nao)(nao)里，并利用大(da)腦(nao)(nao)里的(de)(de)(de)映像與(yu)眼前真(zhen)實的(de)(de)(de)景(jing)像相匹配(pei)的(de)(de)(de)方(fang)法，循原路(lu)返回。科學(xue)家(jia)(jia)認為(wei)，模仿(fang)螞(ma)蟻(yi)這(zhe)一功能(neng)，可使機器(qi)(qi)人在(zai)(zai)陌生的(de)(de)(de)環境(jing)中具(ju)有(you)高(gao)(gao)超(chao)(chao)的(de)(de)(de)探路(lu)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(zhu)名(ming)工程師鮑(bao)堪(kan)松制(zhi)造的鳧(fu)水的鐵鴨(ya)子(zi)等，都(dou)非常有名(ming)。

在(zai)機器(qi)(qi)人(ren)向智能(neng)機器(qi)(qi)人(ren)發展的(de)時(shi)程(cheng)(cheng)中，就有人(ren)提出“反對機器(qi)(qi)人(ren)必須先(xian)會思(si)考(kao)才(cai)能(neng)做事”的(de)觀(guan)點，并認為(wei)，用許多簡單的(de)機器(qi)(qi)人(ren)也可以完成復雜的(de)任(ren)務。20世紀90年(nian)代初，美國麻省理工學(xue)院的(de)教授布魯克斯在(zai)學(xue)生的(de)幫(bang)助(zhu)下(xia)，制造出一批蚊型機器(qi)(qi)人(ren)，取(qu)名昆蟲機器(qi)(qi)人(ren)，這些小東西(xi)的(de)習慣和(he)蟑螂(lang)十分相(xiang)近(jin)。它們不會思(si)考(kao)，只能(neng)按照人(ren)編制的(de)程(cheng)(cheng)序動作(zuo)。

幾年前，科技工作者為(wei)圣地亞哥市動物(wu)園制(zhi)造(zao)電(dian)子(zi)機器鳥，它(ta)能模(mo)仿(fang)母(mu)兀鷹(ying)，準時(shi)給小(xiao)兀鷹(ying)喂(wei)食；日本(ben)和俄(e)羅斯制(zhi)造(zao)了一種電(dian)子(zi)機器蟹(xie)，能進行深(shen)海(hai)(hai)(hai)控測，采集巖樣(yang)，捕捉(zhuo)海(hai)(hai)(hai)底生(sheng)物(wu)，進行海(hai)(hai)(hai)下電(dian)焊等(deng)作業。美(mei)國研制(zhi)出(chu)一條名叫查(cha)理(li)的(de)機器金(jin)槍魚，長(chang)1.32米(mi)，由2843個零件組成。通過擺動軀(qu)體和尾巴，能像真的(de)魚一樣(yang)游動，速度為(wei)7.2千米(mi)/小(xiao)時(shi)。可(ke)以(yi)利用它(ta)在海(hai)(hai)(hai)下連續工作數個月，由它(ta)測繪海(hai)(hai)(hai)洋地圖和檢測水下污染，也(ye)可(ke)以(yi)用它(ta)來(lai)拍(pai)攝生(sheng)物(wu)，因為(wei)它(ta)模(mo)仿(fang)金(jin)槍魚惟(wei)妙惟(wei)肖。

有(you)的(de)科學(xue)家正在(zai)設計金槍魚(yu)潛(qian)(qian)艇(ting)，其實就(jiu)是金槍魚(yu)機器人，行駛(shi)速度可達20節，是名副其實的(de)水下游動(dong)機器。它的(de)靈活性遠(yuan)遠(yuan)高于(yu)現有(you)的(de)潛(qian)(qian)艇(ting)，幾乎可以達到水下任何區域，由人遙控，它可輕(qing)而(er)(er)易(yi)舉地進(jin)入海底深處的(de)海溝和洞穴，悄悄地溜進(jin)敵方(fang)的(de)港口(kou)，進(jin)行偵(zhen)察而(er)(er)不被發覺(jue)。作為(wei)軍用(yong)偵(zhen)察和科學(xue)探索工具(ju)，其發展(zhan)和應用(yong)的(de)前(qian)景十分廣(guang)闊。

同樣，研(yan)究制(zhi)(zhi)造昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)機(ji)(ji)(ji)器(qi)人，其前景也是非常(chang)美(mei)好(hao)的(de)。例如，有(you)人研(yan)制(zhi)(zhi)一種有(you)彈(dan)性腿的(de)機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，大小(xiao)只有(you)一張信用(yong)卡(ka)的(de)1/3左右，可(ke)以(yi)像蟋蟀一樣輕松地跳過障礙，一小(xiao)時幾乎可(ke)前進(jin)37米。這種機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)最特殊的(de)地方(fang)是突(tu)破(po)了“牽(qian)動(dong)(dong)(dong)關(guan)節必須加發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)”的(de)觀念。發(fa)明家(jia)用(yong)的(de)新方(fang)法是：由鉛、鋯、鈦(tai)等金屬條(tiao)構成(cheng)(cheng)一個(ge)雙壓(ya)電晶(jing)片調(diao)節器(qi)。當(dang)充(chong)電時，調(diao)節器(qi)彎曲，充(chong)完(wan)電了它又彈(dan)回原狀，反復充(chong)電，它就(jiu)(jiu)成(cheng)(cheng)了振動(dong)(dong)(dong)條(tiao)。在振動(dong)(dong)(dong)條(tiao)上裝有(you)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)肢體，振動(dong)(dong)(dong)條(tiao)振動(dong)(dong)(dong)就(jiu)(jiu)成(cheng)(cheng)了機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)的(de)動(dong)(dong)(dong)力，每次振動(dong)(dong)(dong)都會使這種爬行昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)前進(jin)2毫米。通過一只“蟲(chong)(chong)王”就(jiu)(jiu)可(ke)以(yi)控制(zhi)(zhi)一大群機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，由它以(yi)接力形(xing)式把控制(zhi)(zhi)指(zhi)令(ling)傳送(song)給每個(ge)機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)。應用(yong)這種機(ji)(ji)(ji)器(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)可(ke)以(yi)在戰(zhan)場上完(wan)成(cheng)(cheng)偵察、運送(song)物品，或在其他星(xing)球進(jin)行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系(xi)結構，就是(shi)指(zhi)為完成指(zhi)定目標(biao)的一個或幾個機器人在(zai)信(xin)息處理和控制邏輯方(fang)面的結構方(fang)式。

1、基于功能來分解

基于功能分解的(de)(de)(de)(de)體(ti)系結構在(zai)人工(gong)(gong)智(zhi)能上屬于傳統(tong)的(de)(de)(de)(de)慎思式(shi)智(zhi)能，在(zai)結構上體(ti)現(xian)為(wei)串行(xing)(xing)(xing)分布，在(zai)執(zhi)行(xing)(xing)(xing)方式(shi)上屬于異步執(zhi)行(xing)(xing)(xing)，即按(an)照(zhao)“感知一規(gui)劃(hua)(hua)一行(xing)(xing)(xing)動”的(de)(de)(de)(de)模式(shi)進(jin)行(xing)(xing)(xing)信息處(chu)理(li)和(he)(he)控(kong)制(zhi)實(shi)現(xian)。以美國(guo)國(guo)家航天(tian)局和(he)(he)美國(guo)國(guo)家標準局所(suo)提(ti)出的(de)(de)(de)(de)NASR人MtI〕為(wei)典型代表。這(zhe)種體(ti)系結構的(de)(de)(de)(de)優點是(shi)系統(tong)的(de)(de)(de)(de)功能明了，層次清晰(xi)，實(shi)現(xian)簡(jian)單。但是(shi)申行(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)方式(shi)大大延長了系統(tong)對外部事(shi)件的(de)(de)(de)(de)響應時間，環境(jing)的(de)(de)(de)(de)改變導(dao)致(zhi)必須重新(xin)規(gui)劃(hua)(hua)，從(cong)而降低了執(zhi)行(xing)(xing)(xing)效率。因此只(zhi)適合在(zai)已知的(de)(de)(de)(de)結構化環境(jing)下完成比較復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)。

2、基于行為來分解

基(ji)于(yu)(yu)行(xing)(xing)為分解(jie)的(de)(de)體系結構在人(ren)工智(zhi)能(neng)(neng)上屬(shu)于(yu)(yu)現代的(de)(de)反應式智(zhi)能(neng)(neng)，在結構上體現為并(bing)行(xing)(xing)(包容)分布，在執行(xing)(xing)方(fang)式上屬(shu)于(yu)(yu)同步(bu)執行(xing)(xing)，即按照(zhao)“感知(zhi)一行(xing)(xing)動”的(de)(de)模(mo)式并(bing)行(xing)(xing)進(jin)行(xing)(xing)信(xin)息處理(li)和控制。以麻省理(li)工的(de)(de)R.A.Brooks所提出的(de)(de)行(xing)(xing)為分層的(de)(de)包容式體系結構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的(de)(de)基(ji)于(yu)(yu)MotorSc hema的(de)(de)結構為典(dian)型代表。其主要優點就是執行(xing)(xing)時間短、效率高、機(ji)動能(neng)(neng)力強(qiang)。但是由于(yu)(yu)缺乏整體的(de)(de)管理(li)，很難適應于(yu)(yu)各(ge)種情況。因此只適用于(yu)(yu)在沐(mu)淘環(huan)境下執行(xing)(xing)比較簡(jian)單(dan)的(de)(de)任(ren)務。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于(yu)智(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)布的(de)(de)體(ti)系結(jie)構在(zai)(zai)人(ren)工智(zhi)(zhi)能(neng)上(shang)(shang)(shang)屬于(yu)最(zui)新的(de)(de)分(fen)布式智(zhi)(zhi)能(neng)，在(zai)(zai)結(jie)構上(shang)(shang)(shang)體(ti)現為(wei)分(fen)散分(fen)布，在(zai)(zai)執行上(shang)(shang)(shang)屬于(yu)協同(tong)執行，既可以單獨完成(cheng)各自的(de)(de)局(ju)部問題(ti)求(qiu)解，又(you)能(neng)通(tong)過協作(zuo)求(qiu)解單個(ge)或多個(ge)全局(ju)問題(ti)。以基(ji)于(yu)多智(zhi)(zhi)能(neng)體(ti)的(de)(de)體(ti)系結(jie)構為(wei)典型代(dai)表(biao)。這(zhe)種體(ti)系結(jie)構的(de)(de)優點是既具有(you)“智(zhi)(zhi)能(neng)分(fen)布”的(de)(de)特點，又(you)有(you)統(tong)一的(de)(de)協調(diao)機制。但是如何在(zai)(zai)各個(ge)智(zhi)(zhi)能(neng)體(ti)之間合理的(de)(de)劃(hua)分(fen)和協調(diao)仍(reng)然需要大量(liang)的(de)(de)研究和實踐。該體(ti)系結(jie)構在(zai)(zai)許多大型的(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)信息(xi)處理系統(tong)上(shang)(shang)(shang)有(you)著(zhu)廣泛(fan)的(de)(de)應用。

除以上三類主(zhu)要的(de)(de)(de)體(ti)(ti)系結構(gou)之外，還有一(yi)些改(gai)進的(de)(de)(de)混(hun)合式(shi)體(ti)(ti)系結構(gou)，如帶(dai)反饋(kui)環(huan)節的(de)(de)(de)行(xing)為分解模式(shi)、基于(yu)分布式(shi)智能(neng)的(de)(de)(de)分層體(ti)(ti)系結構(gou)、基于(yu)功能(neng)分解的(de)(de)(de)多智能(neng)體(ti)(ti)結構(gou)等等。但是(shi)從整體(ti)(ti)上來看，它們或(huo)是(shi)在(zai)功能(neng)模塊的(de)(de)(de)靈活性(xing)和擴展(zhan)性(xing)上不(bu)足(zu)，或(huo)是(shi)沒能(neng)很好(hao)的(de)(de)(de)協調慎(shen)思式(shi)智能(neng)與(yu)反應式(shi)智能(neng)，或(huo)是(shi)各層次間的(de)(de)(de)交流機制不(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(te)別是未(wei)知環境(jing)下工作的(de)移(yi)動機器(qi)人在控制體系結構(gou)方面所存在的(de)缺點和問題，提出一種具有適應行為與進化能力的(de)新的(de)控制思想與理念。

借鑒分布式(shi)智能的思(si)想，在控制體系結構中引人社會式(shi)行為(wei)控制層；

借鑒生(sheng)物的自(zi)適應性思(si)想(xiang)，在(zai)控制體系結構中實現本代內的由慎思(si)式(shi)行為層到反射(she)式(shi)行為層的學習(xi)；

借鑒(jian)生物的自進化性(xing)思想，在控制(zhi)體系(xi)結構中實現多代間的由反(fan)射式(shi)行(xing)為(wei)層(ceng)向本能式(shi)行(xing)為(wei)層(ceng)的進化(或(huo)退(tui)化)。

所以，仿(fang)生式體系結構(gou)共有四(si)個(ge)行(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)組(zu)成(cheng)，即本能式行(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、反射式行(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)、慎(shen)思式行(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)和(he)(he)社(she)會式行(xing)(xing)為(wei)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)層(ceng)(ceng)，它們并行(xing)(xing)接收來(lai)自感知層(ceng)(ceng)的外部和(he)(he)內部信息，各自作出邏輯(ji)判斷和(he)(he)反應(ying)(ying)，發出控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信息到(dao)末端執行(xing)(xing)層(ceng)(ceng)，通過(guo)競爭和(he)(he)協調來(lai)調節自身并適應(ying)(ying)外部環境，從而按(an)照目標(biao)完成(cheng)工作任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約50厘米(mi)的(de)機器蝎子與其他傳統的(de)機器人不同，它沒有(you)解決(jue)(jue)復雜問題的(de)能(neng)力。機器蝎子幾乎完全依(yi)靠反射作用(yong)來解決(jue)(jue)行走(zou)問題。這(zhe)就使得它能(neng)夠(gou)迅(xun)速對(dui)困擾(rao)它的(de)任何事(shi)物做出反應，它的(de)頭部(bu)有(you)兩個超聲波傳感器。如果(guo)(guo)碰到高出它身高50%%的(de)障礙(ai)物，它就會(hui)繞(rao)開。而且，如果(guo)(guo)左(zuo)邊的(de)傳感器探測到障礙(ai)物，它就會(hui)自動向(xiang)右轉。

2、機械蟑螂

不只是蝎子，就(jiu)連蟑(zhang)螂也能給科學家(jia)(jia)提供設計(ji)的靈感，科學家(jia)(jia)們(men)發(fa)現，蟑(zhang)螂在(zai)高速運動時，每次只有三條腿著(zhu)地，一(yi)邊(bian)兩條，一(yi)邊(bian)一(yi)條，循(xun)環反(fan)復，根據這個原理，仿生學家(jia)(jia)制造(zao)出(chu)機械蟑(zhang)螂，它不僅每秒能夠前(qian)進三米，而(er)且平衡(heng)性非常好，能夠適(shi)應(ying)各種惡劣環境(jing)，不遠的將來，太空探(tan)索或排除地雷，就(jiu)是它的用武之地.

3、機器梭子魚

麻省理工學(xue)院的(de)機(ji)(ji)器(qi)梭子(zi)魚(yu)，是世界(jie)上第一個能夠(gou)自由游動的(de)機(ji)(ji)器(qi)魚(yu)。它大部分是由玻(bo)璃纖(xian)維制成的(de)，上覆一層(ceng)鋼絲(si)網，最外面是一層(ceng)合成彈(dan)力(li)(li)纖(xian)維。尾部由彈(dan)簧狀的(de)錐形玻(bo)璃纖(xian)維線圈制成，從而使這條機(ji)(ji)器(qi)梭子(zi)魚(yu)既堅固又靈活。一臺伺服電動機(ji)(ji)為這條機(ji)(ji)器(qi)魚(yu)提供動力(li)(li)。

4、機器蛙

機器蛙(wa)腿(tui)的(de)膝(xi)部裝(zhuang)有彈簧，能像(xiang)青蛙(wa)那樣(yang)先彎起腿(tui)，再一(yi)躍而起。機器蛙(wa)在地球上(shang)一(yi)躍的(de)最遠距離是2.4米；而在火星上(shang)，由于火星的(de)重力大約(yue)為地球的(de)1/3，機器蛙(wa)的(de)跳遠成績則可遠達(da)7.2米，接近人類(lei)的(de)跳遠世(shi)界(jie)紀錄。因此它不會再像(xiang)2007年的(de)火星越(yue)野車那樣(yang)在一(yi)塊小石頭面前一(yi)籌(chou)莫展了。

5、機器蜘蛛

這(zhe)是(shi)太空(kong)工(gong)程師從蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)攀墻特技中得到靈感而(er)創造出(chu)的。它安裝有一組天線模仿(fang)昆(kun)蟲觸角，當它邁動細長的腿時，這(zhe)些觸角可探(tan)測地(di)形(xing)(xing)和障礙。機器蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)原(yuan)形(xing)(xing)很(hen)小，直立(li)高(gao)度僅18厘(li)米，比人的手掌大(da)(da)不了多少。“蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)俠(xia)”們不僅能攀爬(pa)太空(kong)越野車無法到達的火星陡(dou)坡地(di)形(xing)(xing)，而(er)且成(cheng)本也經(jing)濟許多，這(zhe)樣(yang)，一大(da)(da)批太空(kong)“蜘(zhi)(zhi)蛛(zhu)俠(xia)”就會遍布在火星大(da)(da)地(di)的各個角落。

6、機器金槍魚

機器金槍(qiang)魚(yu)機器金槍(qiang)魚(yu)是麻(ma)省理(li)工(gong)學院自“查理(li)”之后在機器魚(yu)研制方面取得(de)的(de)最新(xin)成果。這個新(xin)原(yuan)型擁有柔軟的(de)身體，體內(nei)只裝有1臺發動機以及(ji)6個移(yi)動部件(jian)，使其能夠(gou)在更大程度(du)上模擬(ni)真實(shi)魚(yu)的(de)移(yi)動。

7、機器人壁虎

珠(zhu)海新概念航空航天器有限公(gong)司李(li)曉陽博士和(he)(he)他領導的(de)研(yan)究組，2008年11月15日研(yan)制成功仿(fang)生機(ji)器人(ren)壁虎“神行(xing)者”。仿(fang)生機(ji)器人(ren)壁虎“神行(xing)者”作為一(yi)種(zhong)體(ti)積小、行(xing)動(dong)靈(ling)(ling)活的(de)新型智能(neng)機(ji)器人(ren)，有可(ke)(ke)能(neng)在不久(jiu)的(de)將來廣泛應用于搜索、救(jiu)援、反恐，以及(ji)科學(xue)實(shi)驗(yan)和(he)(he)科學(xue)考察(cha)。據李(li)曉陽博士介紹，這種(zhong)機(ji)器人(ren)壁虎，能(neng)在各(ge)種(zhong)建筑物的(de)墻面、地下和(he)(he)墻縫中垂直上下迅速攀爬，或(huo)(huo)者在天花板下倒(dao)掛行(xing)走,對光滑的(de)玻璃(li)、粗糙或(huo)(huo)者粘有粉塵的(de)墻面以及(ji)各(ge)種(zhong)金屬(shu)材(cai)料(liao)表面都能(neng)夠適應，能(neng)夠自(zi)動(dong)辨識障礙物并(bing)規避繞(rao)行(xing)，動(dong)作靈(ling)(ling)活逼(bi)真。其靈(ling)(ling)活性和(he)(he)運動(dong)速度可(ke)(ke)媲美自(zi)然界的(de)壁虎。

8、機器水母

美(mei)國海軍研(yan)究辦公室研(yan)制(zhi)一種“機器(qi)水(shui)母(mu)”，它可(ke)用(yong)于監(jian)(jian)測水(shui)面艦船和潛艇，探測化學溢出物，以及(ji)監(jian)(jian)控回游魚類的(de)動向。這些(xie)機器(qi)水(shui)母(mu)是由(you)生物感應記憶合金制(zhi)成(cheng)的(de)細(xi)線(xian)(xian)連接，當這些(xie)金屬細(xi)線(xian)(xian)被加熱時，就(jiu)會像肌肉組織(zhi)一樣收縮。