一、仿生機器人的前途

首先，模(mo)仿(fang)某些(xie)昆蟲(chong)而(er)制造出來的(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器人(ren)并非(fei)簡單。比如，國外有的(de)(de)(de)(de)科學家觀(guan)察發現(xian)，螞(ma)(ma)蟻(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)大腦(nao)很小，視(shi)力(li)極差，但它(ta)的(de)(de)(de)(de)導航(hang)能(neng)力(li)高(gao)超：當螞(ma)(ma)蟻(yi)(yi)發現(xian)食物源后回(hui)去召喚同(tong)伴(ban)時，是把這一食物的(de)(de)(de)(de)映像(xiang)始終存(cun)儲(chu)在它(ta)的(de)(de)(de)(de)大腦(nao)里，并利(li)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，循原路返回(hui)。科學家認為，模(mo)仿(fang)螞(ma)(ma)蟻(yi)(yi)這一功能(neng)，可(ke)使機(ji)(ji)器人(ren)在陌生的(de)(de)(de)(de)環(huan)境中具有高(gao)超的(de)(de)(de)(de)探(tan)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(shi)鮑堪松(song)制(zhi)造(zao)的鳧(fu)水的鐵鴨子等，都(dou)非常有名。

在機(ji)(ji)器人向(xiang)智(zhi)能(neng)機(ji)(ji)器人發展(zhan)的(de)(de)時程中，就有(you)人提出“反對機(ji)(ji)器人必須先會思考(kao)(kao)才(cai)能(neng)做事”的(de)(de)觀點，并(bing)認為，用許多簡單的(de)(de)機(ji)(ji)器人也可以完成復雜的(de)(de)任務。20世(shi)紀90年代初，美(mei)國麻省理工學院的(de)(de)教授布魯克斯(si)在學生的(de)(de)幫助下，制(zhi)造出一批蚊(wen)型機(ji)(ji)器人，取名(ming)昆蟲機(ji)(ji)器人，這些小東西的(de)(de)習(xi)慣(guan)和蟑螂十(shi)分相近(jin)。它們不會思考(kao)(kao)，只能(neng)按(an)照人編制(zhi)的(de)(de)程序動作(zuo)。

幾(ji)年前，科技工作者(zhe)為圣地亞哥市動(dong)物(wu)園制造電子(zi)機器鳥，它能模(mo)仿(fang)母兀鷹，準時(shi)給(gei)小(xiao)兀鷹喂(wei)食；日本和俄羅斯制造了一種電子(zi)機器蟹，能進行(xing)深(shen)海(hai)(hai)控測，采集巖樣，捕捉海(hai)(hai)底生(sheng)物(wu)，進行(xing)海(hai)(hai)下電焊等作業。美國研制出一條(tiao)名(ming)叫(jiao)查(cha)理的(de)機器金(jin)槍魚(yu)，長1.32米，由2843個(ge)零件組(zu)成(cheng)。通過擺動(dong)軀體和尾巴，能像真的(de)魚(yu)一樣游(you)動(dong)，速度(du)為7.2千米/小(xiao)時(shi)。可(ke)以(yi)利(li)用它在海(hai)(hai)下連續工作數(shu)個(ge)月，由它測繪海(hai)(hai)洋地圖和檢(jian)測水下污(wu)染，也可(ke)以(yi)用它來(lai)拍攝生(sheng)物(wu)，因為它模(mo)仿(fang)金(jin)槍魚(yu)惟妙惟肖。

有的科(ke)學家正在設計金(jin)槍(qiang)魚(yu)潛(qian)艇，其實(shi)就是金(jin)槍(qiang)魚(yu)機器(qi)人，行駛速度(du)可達20節，是名(ming)副其實(shi)的水下(xia)游動機器(qi)。它的靈活性遠(yuan)遠(yuan)高于(yu)現有的潛(qian)艇，幾乎可以(yi)達到水下(xia)任何區域，由人遙(yao)控(kong)，它可輕而易舉(ju)地(di)進(jin)入海底(di)深處的海溝和(he)洞穴，悄(qiao)(qiao)悄(qiao)(qiao)地(di)溜進(jin)敵方(fang)的港(gang)口，進(jin)行偵察(cha)而不(bu)被發覺。作(zuo)為軍用偵察(cha)和(he)科(ke)學探索工具，其發展(zhan)和(he)應(ying)用的前(qian)景十分廣闊。

同(tong)樣(yang)，研(yan)(yan)究制造(zao)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)機器(qi)(qi)(qi)人，其前景(jing)也(ye)是(shi)非常美好的(de)。例如，有(you)人研(yan)(yan)制一種(zhong)(zhong)有(you)彈性腿的(de)機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，大小只有(you)一張信(xin)用卡的(de)1/3左右，可以(yi)像蟋蟀一樣(yang)輕松地跳過障礙，一小時幾乎可前進37米(mi)。這(zhe)種(zhong)(zhong)機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)最特殊的(de)地方是(shi)突破(po)了(le)“牽動關節(jie)必(bi)須(xu)加發(fa)動機”的(de)觀念。發(fa)明家(jia)用的(de)新方法是(shi)：由(you)鉛、鋯、鈦等金屬條構(gou)成一個雙壓電晶片(pian)調(diao)節(jie)器(qi)(qi)(qi)。當充(chong)電時，調(diao)節(jie)器(qi)(qi)(qi)彎曲(qu)，充(chong)完(wan)電了(le)它又彈回原狀，反復充(chong)電，它就(jiu)(jiu)成了(le)振(zhen)(zhen)動條。在振(zhen)(zhen)動條上裝有(you)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)肢(zhi)體，振(zhen)(zhen)動條振(zhen)(zhen)動就(jiu)(jiu)成了(le)機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)的(de)動力(li)(li)，每(mei)次振(zhen)(zhen)動都會使(shi)這(zhe)種(zhong)(zhong)爬行昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)前進2毫米(mi)。通過一只“蟲(chong)(chong)王”就(jiu)(jiu)可以(yi)控(kong)制一大群機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)，由(you)它以(yi)接力(li)(li)形式(shi)把控(kong)制指令(ling)傳送(song)給每(mei)個機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)。應用這(zhe)種(zhong)(zhong)機器(qi)(qi)(qi)昆(kun)(kun)蟲(chong)(chong)可以(yi)在戰(zhan)場上完(wan)成偵(zhen)察、運送(song)物品，或(huo)在其他星球進行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系(xi)結(jie)構，就是指為完(wan)成指定目(mu)標(biao)的一(yi)個(ge)或幾個(ge)機器人在信息(xi)處理(li)和控制邏輯方面的結(jie)構方式。

1、基于功能來分解

基于功(gong)(gong)能分解的(de)(de)體(ti)系結構在(zai)人工智(zhi)能上屬(shu)于傳統(tong)的(de)(de)慎思式(shi)(shi)(shi)智(zhi)能，在(zai)結構上體(ti)現為串行(xing)分布，在(zai)執行(xing)方式(shi)(shi)(shi)上屬(shu)于異步執行(xing)，即按照“感知(zhi)一(yi)規劃一(yi)行(xing)動”的(de)(de)模式(shi)(shi)(shi)進行(xing)信息處理和控制(zhi)實現。以美國國家(jia)航天局(ju)和美國國家(jia)標準局(ju)所提出的(de)(de)NASR人MtI〕為典型(xing)代表(biao)。這種體(ti)系結構的(de)(de)優點是(shi)系統(tong)的(de)(de)功(gong)(gong)能明了，層(ceng)次(ci)清(qing)晰，實現簡單。但是(shi)申行(xing)的(de)(de)處理方式(shi)(shi)(shi)大大延長了系統(tong)對外部事(shi)件的(de)(de)響應(ying)時間(jian)，環境(jing)的(de)(de)改(gai)變(bian)導(dao)致必須重新(xin)規劃，從而降低了執行(xing)效率。因此只適合在(zai)已知(zhi)的(de)(de)結構化(hua)環境(jing)下(xia)完成(cheng)比較復(fu)雜(za)的(de)(de)工作。

2、基于行為來分解

基(ji)于(yu)(yu)行(xing)(xing)為分(fen)(fen)解(jie)的(de)(de)(de)體系(xi)結(jie)(jie)構在人工智能上(shang)屬于(yu)(yu)現代的(de)(de)(de)反應式智能，在結(jie)(jie)構上(shang)體現為并行(xing)(xing)(包(bao)容)分(fen)(fen)布，在執行(xing)(xing)方式上(shang)屬于(yu)(yu)同步執行(xing)(xing)，即按照“感知一(yi)行(xing)(xing)動”的(de)(de)(de)模(mo)式并行(xing)(xing)進(jin)行(xing)(xing)信息(xi)處(chu)理和控制(zhi)。以麻省(sheng)理工的(de)(de)(de)R.A.Brooks所提(ti)出(chu)的(de)(de)(de)行(xing)(xing)為分(fen)(fen)層的(de)(de)(de)包(bao)容式體系(xi)結(jie)(jie)構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提(ti)出(chu)的(de)(de)(de)基(ji)于(yu)(yu)MotorSc hema的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構為典(dian)型代表。其(qi)主要優點就是(shi)執行(xing)(xing)時間(jian)短、效(xiao)率高、機(ji)動能力(li)強(qiang)。但是(shi)由(you)于(yu)(yu)缺(que)乏整體的(de)(de)(de)管理，很難(nan)適(shi)(shi)應于(yu)(yu)各種情況。因此只適(shi)(shi)用于(yu)(yu)在沐淘環境下(xia)執行(xing)(xing)比較簡單的(de)(de)(de)任務。

3、基于智能分布來分解

基(ji)于智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)分(fen)布(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)在(zai)人工智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)上(shang)(shang)屬于最新的(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)式智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)，在(zai)結(jie)(jie)構(gou)上(shang)(shang)體(ti)現為分(fen)散分(fen)布(bu)(bu)，在(zai)執(zhi)行(xing)上(shang)(shang)屬于協(xie)同(tong)執(zhi)行(xing)，既可以單獨(du)完成(cheng)各自的(de)(de)(de)(de)局部問(wen)題求(qiu)解，又能(neng)(neng)(neng)通過協(xie)作求(qiu)解單個(ge)或多個(ge)全局問(wen)題。以基(ji)于多智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)體(ti)的(de)(de)(de)(de)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)為典(dian)型(xing)(xing)代表。這(zhe)種(zhong)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)優點是既具有“智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)分(fen)布(bu)(bu)”的(de)(de)(de)(de)特點，又有統一的(de)(de)(de)(de)協(xie)調(diao)機制。但(dan)是如(ru)何在(zai)各個(ge)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)體(ti)之間合理的(de)(de)(de)(de)劃分(fen)和協(xie)調(diao)仍(reng)然需要大(da)量的(de)(de)(de)(de)研究和實踐(jian)。該(gai)體(ti)系(xi)結(jie)(jie)構(gou)在(zai)許多大(da)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)(neng)信(xin)息(xi)處理系(xi)統上(shang)(shang)有著廣泛的(de)(de)(de)(de)應用。

除以(yi)上三類主要的(de)(de)體系結(jie)構(gou)之外，還(huan)有(you)一(yi)些改(gai)進的(de)(de)混(hun)合式體系結(jie)構(gou)，如帶反(fan)饋環節的(de)(de)行為(wei)分(fen)解(jie)模(mo)式、基于分(fen)布(bu)式智能的(de)(de)分(fen)層(ceng)體系結(jie)構(gou)、基于功能分(fen)解(jie)的(de)(de)多(duo)智能體結(jie)構(gou)等等。但是(shi)(shi)從整(zheng)體上來看，它(ta)們或(huo)是(shi)(shi)在功能模(mo)塊的(de)(de)靈活性和擴展性上不足，或(huo)是(shi)(shi)沒(mei)能很好的(de)(de)協調慎思式智能與反(fan)應式智能，或(huo)是(shi)(shi)各層(ceng)次間的(de)(de)交流機(ji)制不夠完善(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，針對機器人特別是未(wei)知(zhi)環(huan)境下(xia)工作的(de)(de)移(yi)動機(ji)器(qi)人(ren)在控制(zhi)體(ti)系結構方面所存在的(de)(de)缺(que)點和(he)問(wen)題(ti)，提出一(yi)種具有適應行(xing)為與進化(hua)能力的(de)(de)新的(de)(de)控制(zhi)思想(xiang)與理念。

借鑒分布式(shi)智(zhi)能的(de)思想，在控制(zhi)體系結(jie)構中引人社會式(shi)行為控制(zhi)層；

借鑒生物(wu)的(de)自(zi)適(shi)應性思(si)(si)想，在控制體系結構(gou)中實現本代(dai)內的(de)由慎思(si)(si)式行為層到反(fan)射式行為層的(de)學習；

借鑒生物的(de)自進化(hua)(hua)性思想，在控制體系結構中實現多代間的(de)由反射(she)式行為(wei)層向(xiang)本能式行為(wei)層的(de)進化(hua)(hua)(或退(tui)化(hua)(hua))。

所以，仿生式(shi)體系(xi)結構共有(you)四(si)個(ge)行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)組成，即本能式(shi)行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)、反射式(shi)行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)、慎(shen)思(si)式(shi)行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)和社會(hui)式(shi)行(xing)為(wei)控制(zhi)層(ceng)，它們并(bing)行(xing)接(jie)收來自感知(zhi)層(ceng)的外(wai)部和內部信息(xi)，各自作出邏輯判(pan)斷和反應，發出控制(zhi)信息(xi)到末端(duan)執行(xing)層(ceng)，通過競爭和協調來調節(jie)自身并(bing)適應外(wai)部環境，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厘米的機(ji)器蝎子(zi)與其他(ta)傳(chuan)統(tong)的機(ji)器人不同(tong)，它(ta)沒有解決復雜(za)問題(ti)的能(neng)(neng)力。機(ji)器蝎子(zi)幾乎完全依靠反射作用來解決行走問題(ti)。這就使得它(ta)能(neng)(neng)夠迅速(su)對困擾它(ta)的任何事物(wu)(wu)做(zuo)出反應，它(ta)的頭部有兩個超聲波傳(chuan)感(gan)器。如(ru)(ru)果碰(peng)到高(gao)出它(ta)身高(gao)50%%的障(zhang)礙(ai)物(wu)(wu)，它(ta)就會繞開(kai)。而(er)且，如(ru)(ru)果左邊的傳(chuan)感(gan)器探測到障(zhang)礙(ai)物(wu)(wu)，它(ta)就會自動向右轉。

2、機械蟑螂

不只是蝎子，就連蟑螂也能(neng)(neng)給科學(xue)家(jia)提(ti)供(gong)設計的(de)靈感，科學(xue)家(jia)們(men)發現，蟑螂在高速(su)運動時，每次(ci)只有三條腿(tui)著(zhu)地，一(yi)邊(bian)兩條，一(yi)邊(bian)一(yi)條，循(xun)環(huan)反復，根據這個原(yuan)理，仿生(sheng)學(xue)家(jia)制造出(chu)機械(xie)蟑螂，它不僅每秒(miao)能(neng)(neng)夠前(qian)進三米，而且(qie)平(ping)衡性非常好，能(neng)(neng)夠適應各種(zhong)惡劣環(huan)境，不遠的(de)將(jiang)來，太空探索或排除地雷，就是它的(de)用(yong)武(wu)之地.

3、機器梭子魚

麻省理工(gong)學院的機器(qi)梭子魚，是世界上第一個能(neng)夠自由游動(dong)的機器(qi)魚。它大部(bu)分是由玻璃纖維(wei)制(zhi)成的，上覆一層(ceng)鋼絲網，最外面是一層(ceng)合成彈力纖維(wei)。尾部(bu)由彈簧狀的錐形玻璃纖維(wei)線圈制(zhi)成，從而(er)使這條(tiao)機器(qi)梭子魚既堅(jian)固又(you)靈(ling)活(huo)。一臺(tai)伺服電動(dong)機為這條(tiao)機器(qi)魚提供動(dong)力。

4、機器蛙

機(ji)器蛙(wa)腿的(de)膝部(bu)裝有彈(dan)簧，能像青(qing)蛙(wa)那樣先彎起腿，再(zai)一躍而(er)起。機(ji)器蛙(wa)在(zai)地球(qiu)上(shang)一躍的(de)最遠(yuan)距離是(shi)2.4米(mi)；而(er)在(zai)火(huo)星上(shang)，由于(yu)火(huo)星的(de)重力(li)大約為地球(qiu)的(de)1/3，機(ji)器蛙(wa)的(de)跳(tiao)遠(yuan)成績(ji)則可遠(yuan)達(da)7.2米(mi)，接近人(ren)類的(de)跳(tiao)遠(yuan)世界紀(ji)錄(lu)。因(yin)此它不(bu)會再(zai)像2007年的(de)火(huo)星越(yue)野(ye)車那樣在(zai)一塊小石(shi)頭面前(qian)一籌莫(mo)展了。

5、機器蜘蛛

這是太(tai)空工程師從蜘(zhi)蛛(zhu)攀(pan)墻(qiang)特技中(zhong)得到(dao)靈(ling)感而創(chuang)造出(chu)的。它安(an)裝有一組天線模仿昆蟲觸角，當它邁動細(xi)長的腿時，這些觸角可探測地(di)形和障礙。機器蜘(zhi)蛛(zhu)原形很小，直立高度僅18厘米，比人(ren)的手掌大不了多(duo)少(shao)。“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”們不僅能攀(pan)爬太(tai)空越野(ye)車無法到(dao)達的火星陡坡地(di)形，而且成本也經濟許多(duo)，這樣(yang)，一大批太(tai)空“蜘(zhi)蛛(zhu)俠”就會遍(bian)布在火星大地(di)的各(ge)個角落(luo)。

6、機器金槍魚

機(ji)器金(jin)槍魚機(ji)器金(jin)槍魚是麻省理工學(xue)院(yuan)自“查(cha)理”之后在(zai)機(ji)器魚研(yan)制方面取得的(de)最(zui)新(xin)成果。這個(ge)新(xin)原型擁有柔(rou)軟(ruan)的(de)身體，體內只裝有1臺發動機(ji)以及6個(ge)移動部件，使其能夠在(zai)更大程度上(shang)模擬(ni)真實(shi)魚的(de)移動。

7、機器人壁虎

珠海新(xin)概念航空航天(tian)器有限(xian)公司李(li)曉陽博(bo)士和(he)他領導的(de)(de)研究組(zu)，2008年(nian)11月15日研制成功仿(fang)(fang)生機(ji)器人(ren)(ren)壁(bi)虎“神行(xing)者”。仿(fang)(fang)生機(ji)器人(ren)(ren)壁(bi)虎“神行(xing)者”作為一(yi)種(zhong)體(ti)積小、行(xing)動靈活(huo)(huo)的(de)(de)新(xin)型智能(neng)機(ji)器人(ren)(ren)，有可能(neng)在不久的(de)(de)將來廣泛應用于(yu)搜索(suo)、救(jiu)援、反恐，以及(ji)科學實驗和(he)科學考(kao)察。據李(li)曉陽博(bo)士介紹，這(zhe)種(zhong)機(ji)器人(ren)(ren)壁(bi)虎，能(neng)在各種(zhong)建筑物的(de)(de)墻面(mian)、地下和(he)墻縫中(zhong)垂直上(shang)下迅速攀爬，或(huo)者在天(tian)花板下倒掛行(xing)走,對光滑的(de)(de)玻(bo)璃、粗糙(cao)或(huo)者粘有粉塵的(de)(de)墻面(mian)以及(ji)各種(zhong)金(jin)屬材料表面(mian)都(dou)能(neng)夠適應，能(neng)夠自(zi)動辨識障(zhang)礙(ai)物并規避(bi)繞行(xing)，動作靈活(huo)(huo)逼真(zhen)。其(qi)靈活(huo)(huo)性和(he)運動速度可媲美自(zi)然界的(de)(de)壁(bi)虎。

8、機器水母

美國海軍研究辦公室研制一種“機器(qi)水(shui)母”，它可用于(yu)監測水(shui)面艦船和(he)潛(qian)艇，探測化(hua)學溢出(chu)物，以及(ji)監控回(hui)游魚類的動向。這些機器(qi)水(shui)母是由(you)生物感應記憶合金(jin)制成的細線連接，當這些金(jin)屬細線被加熱時，就會像肌(ji)肉組(zu)織一樣收縮(suo)。