1.2 仿生机器人

仿生机器人一直被科学家当作机器人研究中的一个重要方向，科学家和工程师们仔细研究了各种生物系统的结构、运动方式和控制方式之后，精巧地设计出了各种仿生机器人，实现具有该动物特性的相关功能，更好地完成特定的任务。不过在制造仿生机器人的过程中，人类并没有完全抄袭大自然，而是抓住生物系统的一些基本行为特征，保持生物系统和人造系统在基本原理上的一致，使用可以得到的材料和可行的技术创造出了这一机器人群体。虽然比起大自然的造化，人类创造出的种种机器人既笨拙又不经济，甚至相当可笑，但随着人类认识世界和改造世界的能力逐步提高，可以乱真的仿生机器人走进人类的生活并不是一个遥远的梦想。

1.2.1 仿生机器人的定义与分类

仿生学是模仿生物系统的原理建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。

仿生学这个名词由美国科学家斯蒂尔于1960年9月在第一届仿生学国际会议上提出。仿生学是生命科学与工程技术学科交叉的综合性边缘科学。仿生学的任务是通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的人造技术系统。

仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。

和机器人一样，仿生机器人分类方法也很多，人们通常按以下两种进行分类。

1．按照仿生类型分

主要分为生物机器人、仿人机器人和仿生物机器人三大类。

（1）生物机器人

生物机器人就是对活体生物的人工控制，涉及生物学、信息学、测控技术、微机电系统等多门学科。日本东京大学曾切除蟑螂头上的探须和翅膀，插入电极和微处理器及红外传感器，通过遥控信号产生电刺激，使蟑螂向特定的方向前进。

山东科技大学机器人研究中心利用人工电信号控制家鸽的神经系统，使其能够按照研究人员发出的计算机指令，准确完成起飞、盘旋、绕实验室飞行一周后落地等飞行任务。

（2）仿人机器人

仿人机器人，顾名思义，就是模仿人类制作的机器人。

1968年，日本川崎重工业公司从Unimation公司引进了其机器人的特许证，从此日本机器人发展起来。由于战后劳动力的缺乏，日本政府和民间都非常重视仿人机器人的研发。1969年，日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人（加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为仿人机器人之父）。日本本田公司和大阪大学联合推出P1、P2和P3型仿人步行机器人，将仿人机器人的研究推向一个崭新的高度，在P3的基础上本田公司又研制了ASIMO智能机器人，如图1-16所示。ASIMO不仅作为形象大使陪同日本政要出国访问，受到过多个国家领导人的接见，并且IBM以及日本科学未来馆等很多知名公司均向本田租用ASIMO作为办公楼向导及接待员。ASIMO也曾经到过中国，参加过博览会展出。

索尼公司也制作了QRIO仿人机器人，如图1-17所示。QRIO能够双足行走、跳跃甚至跑步，不仅能避让障碍，即使跌倒也能自己站起来，它掌握的词汇有20000个，还能记忆对话。QRIO最吸引人的不是功能上的进步，而是它模拟了人类独有的“性格”。QRIO的4个型号拥有各自不同的性格：Ken属于对宇宙及科学等感兴趣的知识探求型，知识渊博且有独到的见解，特长为猜谜及健谈，具有与人自然交流的谈话能力；Audrey属于喜欢小孩子的稳重和蔼型，特长为朗读连环画，具有使人开心的对话技术；Charlie属于喜欢电影及音乐的逗人开心型，特长为舞蹈与运动，能够进行全身协调地运动控制，可以随音乐起舞；Marco对时装及艺术感兴趣，活泼但“不够稳重”，特长为唱歌，可以根据声音合成展示丰富的音乐内容。

法国Aldebaran Robotics机器人公司开发了仿人机器人NAO，如图1-18所示。2007年7月，NAO被RoboCup组委会选定为标准平台，作为索尼机器狗爱宝（AIBO）的继承者。

（3）仿生物机器人

仿生物机器人就是模仿自然界的生物制作的机器人。例如上面提到的索尼爱宝（AIBO）机器狗就是仿生机器人。

由于与自然界中的生物外形相似，具有很好的隐蔽性，学术界尤其是军方非常重视仿生机器人的开发研究工作。

2．按照其工作环境来分

仿生机器人主要分为陆地仿生机器人、空中仿生机器人、水中仿生机器人和两栖仿生机器人等。

（1）陆地仿生机器人

陆地机器人研究开展相对较早，仿生式的移动机构与传统的轮式机构相比具有无可比拟的优势。图1-19为可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只有成人手臂大小，机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以成功钻入一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由，让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破。

（2）空中仿生机器人

空中机器人即具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器，如图1-20所示。这类机器人活动空间广阔、运动速度快，居高临下而不受地形限制，在军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好。其飞行原理分为固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究，它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理，将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，同时具有较强的机动性。

（3）水中仿生机器人

水中机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。在水中深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水中机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70%～90%，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题。水中机器鱼（如图1-21所示）和机器蟹（如图1-22所示）的灵活性远远高于现有的潜艇，几乎可以达到水中任何区域。

1.2.2 仿生机器人的特点与应用

仿生机器人的根本特点是模仿生物体的全部或部分功能或者模拟其控制方式，其设计制作的主要特点有：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。仿生机器人在很多领域得到了广泛应用。

1．在军事领域的应用

以往仿生机器人凭借其体积小、功能强、隐蔽性较高的特点被广泛应用于军事侦查和间谍任务中，如机器鱼和机器蟹等侦查机器人。随着科技的进步，仿生机器人逐渐地应用于军事的其他领域。

波士顿动力公司为美军开发的“大狗”机器人项目于2009年前后正式公开，其开发目标是为美军山地作战部队提供一种能够跟随士兵深入战场的多用途运载工具，要求它可以搭载170kg的物资通过各种崎岖地形，如图1-23所示。

美国波士顿动力学工程公司打造的一款名叫PETMAN的仿生机器人正在接受各项性能的检测，在其通过实战演习之后将在美国军队服役，为美军测试各种防护服装和军事设备，如图1-24所示。

2．在服务业中的应用

伴随着全球经济化的发展，人力成本的上涨促进了家庭服务型机器人的发展。本田公司的“ASIMO”机器人服务员会自动实行分工，提供不间断服务。

3．在防灾救援等特殊场合的应用

灾害搜救工作的复杂性、危险性和紧迫性给救援工作带来了极大的困难。救援机器人以其体积小、灵活等诸多优点成为灾害辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。如图1-25和图1-26所示，蛇形机器人、蜘蛛机器人等可以在灾难事故现场，进行攀岩、灭火、钻洞等人类不能进行或者会对救援人有潜在伤害的救助活动；在某些危险的工作环境下，新的类人机器人也可以取代人类，成为新型的劳动力，如矿井下工作，高辐射工作场所等。

4．在教育娱乐方面的应用

仿生机器人，不仅拥有强大的运动能力，更将拥有丰富的感情和交流能力，它们可以成为人类的良师益友，尤其在教育儿童方面，可以不厌其烦地工作，完成老师和伙伴等多重工作，可以给孩子们教会知识的同时带来更多的乐趣；它们还将拥有跳舞、唱歌等功能，在人们工作疲惫的时候，给人们带来清闲与快乐。

1.2.3 仿生机器人的现状与趋势

1．仿生机器人研究现状

（1）空中仿生机器人

飞行机器人一直是世界研究的热门机器人，飞机的诞生就是飞行机器人最大的进步。由于飞行机器人空中阻力小，运行速度快，小巧轻便等优点被广泛应用于军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好。2014年，乔治亚技术学院的Emanuel Jones和Jayant Ratti博士研发的蜻蜓机器人可以像鸟一样飞行也可以像昆虫一样悬停在空中，如图1-27所示。蜻蜓机器人装载飞行控制系统、摄像头，可以用作侦查、军事用途、家庭安全防护或者极限运动拍摄。蜻蜓机器人体积小巧，用电量极小，操作简单，甚至可以把它放在口袋里带到任何地方。

2014年，南京理工大学研究的仿生飞行吸附两栖机器人，如图1-28所示，可以空中飞行又可以吸附在墙壁、天花板、电线杆等空间表面上进行长时间观察。

（2）陆地仿生机器人

陆地仿生机器人多为模仿陆地哺乳动物、爬行动物、昆虫等。大多数机器人以足式居多，少部分仿生机器人采用轮式结构。

2015年，德国自费斯托公司发布了BionicANT仿生蚂蚁机器人，如图1-29所示，旨在展示自然环境下的合作行为。蚂蚁之间能够相互沟通，并且协调它们的行动动作和运动方向，一个小团体一起，能够推或者拉比自己大得多的物体。仿生像真正的蚂蚁一样，遵循简单的规则设定，能够自主进行操作，同一时间一起完成大规模、复杂的任务。

这些仿生蚂蚁机器人大部分配件都是3D打印的（激光烧结），电路裸露在它们的身体外面，电路也是3D打印的。仿生蚂蚁机器人底部有光学传感器，可以使用地面的红外线标记进行导航。每个仿生蚂蚁机器人体长13.5cm，重105g。

2015年，日本软银公司和法国阿德巴兰机器人公司联合推出仿人机器人Pepper。Pepper高121cm，重28kg。通过视野系统来察觉人类的微笑、皱眉以及惊讶。通过语音识别系统来识别人类的语音语调以及特定表现人类强烈感情的字眼，然后情感引擎将上述一系列面部表情、语音语调和特地字眼量化处理，通过量化评分最终做出对人类积极或者消极情绪的判断，并用表情、动作、语音与人类交流、反馈，甚至能够跳舞、开玩笑。是全世界一台可以感知人类情绪、与人类交谈的机器人。Pepper起先预计售价为1660美元，目的在于以价格优势推动机器人普及化浪潮，但在添加了云服务、保险、软件维护等后续费用后，客户三年期分期付款总价高达7448美元。目前，Pepper尚未向普通客户发售。

（3）水中仿生机器人

2015年，英国南安普敦大学、美国麻省理工学院和新加坡麻省理工学院研究和技术联盟的联合团队开发出一种像章鱼一样的机器人，发表在最新一期的《生物灵感和仿生学》上。最快的水生动物外形光滑而细长，这有助于它们轻易地在水中通行，而头足类动物，如章鱼能够用水填充自己的身体，然后迅速将水压榨出，以这种方式获得动力快速逃逸。受此启发，这个联合团队制造了一个像章鱼一样的可变形机器人，骨架是3D打印的，装备一个薄弹性外壳，鳍片设在后面以保持其直线前进。这种机器人能够在不到一秒钟内加长到身体10倍的长度。在最近的实验室测试中，这种机器人加速载荷1kg，不到一秒钟时速达6mile。相当于一个迷你库柏车在水中携带额外重量350kg（使车的总重量达到1000kg），由静止加速到60mile/h。

（4）医学仿生机器人

2013年，英国影子机器人公司的机器人专家Rich Walker和Matthew Godden将世界各地实验室捐赠的仿生假肢身体部位和人工器官进行组装，制造了第一个医学仿生机器人雷克斯（Rex），如图1-30所示。雷克斯能够像人类一样行走，呼吸，心脏跳动，具备人类60%～70%的特征。它成功地模拟了人体约三分之二的器官。但一些主要器官，包括肝脏、胃和肠未能实现，因为这些器官的制造仍然过于复杂。医学仿生人同时也带来了一些伦理和哲学的问题。例如，创造了这么像人的东西是否意味着对人的概念的冲击？使用仿生系统改进身体机能是否有个限度？一些有钱人因此延长寿命是否公平？人们对此展开了诸多讨论。

2．仿生机器人的发展趋势

（1）结构的微型化

微型仿生机器人可用于小型管道进行检测作业，可进入人体进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行作业等。仿生机器人微型化的关键是实现机电系统的微型化，即将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上，构成微机电系统，才能实现机器人整体结构的微型化。

（2）相似性和多变性

在军事侦察和间谍任务中，如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致，将能更隐蔽、更安全地完成任务。日本研制的变形机器人包括若干小机器人，小机器人通过红外传感器和照相机识别周围的障碍物，然后相互协调，按照不同需求组合成狗、蜘蛛和蛇等7种形态，可以根据环境变化而改变自己形状。机器人的多变性使其能够进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查，还有望应用于航天探测等领域。

（3）多功能性

21世纪人类将进入老龄化社会，发展多功能仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。

（4）群体性

仿生机器群通常应用在需要多机器人协作的场合，如机器人生产线、柔性加工工厂、消防、无人作战机群等。它是通过模仿蚂蚁、蜜蜂以及人的社会行为而衍生的仿生系统，通过个体之间的合作完成某种社会性行为，通过群体行为增强个体智能，提高系统整体的工作效率。