王鑫+張炯+劉煉

摘要：仿生機(jī)器人是指依據(jù)仿生學(xué)原理，模仿生物結(jié)構(gòu)、運動特性等設(shè)計的性能優(yōu)越的機(jī)電系統(tǒng)，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險救災(zāi)等不適合由人來承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景。按照工作環(huán)境可將仿生機(jī)器人分為陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人以及水下仿生機(jī)器人三類。指出仿生機(jī)器人經(jīng)歷了原始探索、宏觀仿形與運動仿生、機(jī)電系統(tǒng)與生物性能部分融合三個階段，并概述三類仿生機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究還存在著生物運動機(jī)理研究不深，結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用、驅(qū)動及控制方式大多較為傳統(tǒng)、能量利用率低等問題，導(dǎo)致了仿生機(jī)器人從宏觀到微觀與生物都存在較大差異，“形似而神不似”，遠(yuǎn)未達(dá)到實際應(yīng)用程度。指出仿生機(jī)器人正向著剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，高效的能量轉(zhuǎn)換的類生命系統(tǒng)方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

一、仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀

仿生機(jī)器人的出現(xiàn)很好地體現(xiàn)了仿生應(yīng)用的理念。人類最早進(jìn)行了陸面仿生機(jī)器人的探索，如中國三國時期的木牛流馬以及1893年由Rygg設(shè)計的機(jī)械馬[12]；其次，進(jìn)行了空中仿生機(jī)器人探索，最早模仿鳥類的飛行進(jìn)行撲翼飛行器設(shè)計，1485年達(dá)芬奇設(shè)計的撲翼飛機(jī)圖紙是世界上第一個按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行的設(shè)計；最后，是水下仿生機(jī)器人的探索?？v觀仿生機(jī)器人發(fā)展歷程，到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個階段。第一階段是原始探索時期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥類的翅膀撲動，該階段主要靠人力驅(qū)動。至20世紀(jì)中后期，由于計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動裝置的革新，仿生機(jī)器人進(jìn)入到第二個階段，宏觀仿形與運動仿生階段。該階段主要是利用機(jī)電系統(tǒng)實現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實現(xiàn)了一定程度的人為控制。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人類對生物系統(tǒng)功能特征、形成機(jī)理認(rèn)識的不斷深入，以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人進(jìn)入了第三個階段，機(jī)電系統(tǒng)開始與生物性能進(jìn)行部分融合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動的運用。當(dāng)前，隨著生物機(jī)理認(rèn)識的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人正向第四個階段發(fā)展，即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類生命系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)仿生機(jī)器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運動方式，同時具備生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如隨著人類對人腦以及神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，仿生腦和神經(jīng)系統(tǒng)控制成為了該領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿方向。

二、仿生機(jī)器人存在問題

仿生機(jī)器人從誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時間里，對其研究取得了一系列的成果，開辟了機(jī)器人領(lǐng)域獨特的技術(shù)發(fā)展道路和研究方法，大大開闊了人們的眼界，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和極強(qiáng)的生命力。但由于其學(xué)科交叉性，發(fā)展至今依然存在“形似而神不似”、達(dá)不到生物系統(tǒng)的精巧程度、實際應(yīng)用有限等諸多問題。究其原因，主要是在生物機(jī)理、機(jī)構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計、仿生材料、仿生控制、生物能量利用等方面存在問題。

三、仿生機(jī)器人發(fā)展趨勢

目前，隨著生物結(jié)構(gòu)和功能逐漸被認(rèn)知和掌握，仿生機(jī)器人技術(shù)已逐漸應(yīng)用于軍事、生產(chǎn)生活、康復(fù)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。仿生機(jī)器人研究的前提是對生物本質(zhì)的深刻認(rèn)識以及對現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的充分掌握，研究涉及多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展趨勢應(yīng)該是將現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)的新理論、新方法與復(fù)雜的生物特性相結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群體仿生的統(tǒng)一，以達(dá)到與生物更加近似的性能，適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，最終實現(xiàn)宏觀和微觀相結(jié)合的仿生機(jī)器人系統(tǒng)，從而實現(xiàn)廣闊的應(yīng)用。

1、仿生機(jī)理研究由宏觀向微觀發(fā)展

認(rèn)識生物原型的特性是仿生學(xué)的前提。隨著生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械學(xué)等多學(xué)科在仿生機(jī)理研究上的應(yīng)用，仿生機(jī)理研究將跨越宏觀、微觀乃至納觀尺度的多層次結(jié)構(gòu)和功能，由表及里逐漸深入，通過建立更為逼真的數(shù)學(xué)模型，為仿生機(jī)器人的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

2、仿生結(jié)構(gòu)由剛性結(jié)構(gòu)向剛?cè)嵋惑w化結(jié)構(gòu)發(fā)展

仿生剛?cè)嵝曰旌辖Y(jié)構(gòu)成為目前機(jī)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢之一，仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計從剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，既可具有生物剛性的支撐結(jié)構(gòu)又可具有柔性的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。通過改進(jìn)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備和工具，或設(shè)計制造新型的仿生高效機(jī)械設(shè)備和工具，仿生機(jī)器人將實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕便、質(zhì)量小、精密程度更高的特點。此外，變結(jié)構(gòu)的復(fù)合仿生機(jī)構(gòu)可針對不同環(huán)境約束的變化具有更好的適應(yīng)能力，因此研究模擬生物運動過程中開鏈、閉鏈結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換、復(fù)合，設(shè)計創(chuàng)新的非連續(xù)變約束復(fù)合仿生新機(jī)構(gòu)，是仿生機(jī)構(gòu)的另一個重要發(fā)展方向。

總結(jié)：自然界的生物在35億年的物競天擇中，表現(xiàn)出了完美的生物合理性和對自然環(huán)境的高度適應(yīng)性，這為機(jī)器人的研究發(fā)展提供了新思路、新方法，使得機(jī)器人這一學(xué)科突破了原有技術(shù)的束縛，借大自然之手開辟出仿生機(jī)器人這一新的發(fā)展道路。隨著對仿生機(jī)器人研究的不斷深入，生物的部分結(jié)構(gòu)特性和功能已經(jīng)被逐漸揭示，在仿生結(jié)構(gòu)、仿生材料、生物信息感知等仿生機(jī)器人的重要領(lǐng)域取得了一定的研究進(jìn)展，部分研究成果已經(jīng)逐步在生產(chǎn)生活中開展了試驗性應(yīng)用，其優(yōu)良的性能顯示出了仿生機(jī)器人廣闊的前景。在未來的發(fā)展中，應(yīng)逐步摒棄傳統(tǒng)的機(jī)器人研究方法，利用多學(xué)科優(yōu)勢并從生物性能出發(fā)，使得仿生機(jī)器人向著結(jié)構(gòu)與生物材料一體化的類生命系統(tǒng)發(fā)展，從而在生產(chǎn)生活中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙理想，寧祎.仿生雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃研究現(xiàn)狀及展望[J].現(xiàn)代制造，2016（27）：122-124.

[2]熊蓉.仿生腿足式機(jī)器人的發(fā)展——浙江大學(xué)控制學(xué)院機(jī)器人實驗室熊蓉教授談國內(nèi)外腿足式機(jī)器人研究情況[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2017（2）：29-36.

[3]牛婧媛，秦健.PVC仿生機(jī)器人校本課程的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)需求調(diào)查研究——以西安鐵一中濱河學(xué)校為例[J].才智，2015（14）.

[4]梁忠正，陳玉娟，沈家潤，等.一種新型仿生蜘蛛機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（9）：47-49.

[5]王安憶，劉貴杰，王新寶，等.身體/尾鰭推進(jìn)模式仿生機(jī)器魚研究的進(jìn)展與分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2016，52（17）：137-146.

[6]王麗慧，周華.仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J].上海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，36（6）：58-62.

作者簡介： 作者信息：

劉煉，男，1995年8月2日，籍貫，湖南，哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院學(xué)生，黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“應(yīng)急自動搜索智能機(jī)器人的研究”項目第二負(fù)責(zé)人，項目編號：201613301020

王鑫，女，1983年3月7日，副教授，籍貫，黑龍江，哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院教師，黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“應(yīng)急自動搜索智能機(jī)器人的研究”項目指導(dǎo)教師