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[摘 要]仿生机器人是当前机器人研究热点之一。本文主要从材料仿生、控制仿生、结构仿生等方面对仿生机器人研究的主要内容、发展现状及存在的主要问题进行分析，为今后仿生机器人研究提供一定的参考依据。
[关键词]仿生机器人 结构仿生 材料仿生 控制仿生
中图分类号：TD553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0384-01
仿生學是20世纪60年代兴起的生物科学与工程技术的边缘学科，通过对生物系统的结构、功能及控制机制等进行学习、模仿来改进现有的或者创造新的机械、仪器，从而提高人类适应和改造自然的能力。仿生机器人就是仿生学在机器人科学中的具体应用，成为机器人研究热点之一，按照研究领域可分为结构仿生、材料仿生、控制仿生等。
1.结构仿生
结构仿生的基础是工程力学原理，即建造类似生物机体构造的机械装置，通过结构相似实现功能相近。结构仿生机器人研究方向主要有仿鱼机器人、仿蛇机器人、仿腿式机器人、仿昆飞行机器人。
仿鱼机器人根据鱼类体形特点与结构、游动的前进原理，通过机械、电子元器件或者智能材料，实现水下潜行。现代仿鱼机器人研究成果丰硕，如日本运输船舶技术研究所研发的机器鱼UPF–2002，麻省理工学院的金枪鱼Robotun，美国DRPER实验室的机器鱼VCULV等。我国仿鱼机器人研制起步晚但领域较广，如华中理工大学柔性尾鳍推进装置研究，中科院自动化所科学实验室与北航机器人所多微小型仿生机器鱼群体协作与控制研究等。通过研究鱼类等水下生物的运动机理，探寻微机械设计，是目前仿鱼机器人研究热点。
仿蛇机器人具备蛇自由灵活的运动能力，在军事侦察等特殊环境下能实现关键目标打击，主要研究内容包括蛇的运动原理、机器人的结构构造以及控制机器人运动等，需解决的主要问题是机器人的运动效率（即运行速度和能源消耗的关系）。美日等国已展开大量实践与应用，研制出多种仿蛇机器人模型，实现了蜿蜒爬行、逃避障碍以及侧滑、翻滚等多种仿蛇类运动模式。如日本的Baraki大学ACM-R3，美国NASA Snakebots。我国蛇形机器人相关研究如上海交通大学、中科院沈阳自动化所等。
仿腿式机器人通过对腿机构、行走过程控制、腿动力学建模及其稳定性分析等研究，研制出仿蟹机器人、仿人机器人、仿蟑螂机器人等。国内外研究取得了突破进展：美国凯斯西储大学与美国海军研究院研制了能够灵活地跑动、避障、越障、转弯等的仿蟑螂机器人“Whegs IV”；美国DARPA与Robot机器人公司能够完成任务模的仿蟹扫雷机器人Ari-el；哈尔滨工程大学能够前进、后退、左右转弯、横行等动作的仿蟹机器人；北京理工大学会腾空行走、打太极拳的仿人机器人BRH。受到控制技术、机构学、人工智能等相关学科发展制约，行走速度、稳定性和自适应能力等与现实需要还存在一定距离。
仿昆飞行机器人由各国通过昆虫空气动力学和电子机械技术研究，进展较快。1980年美国加州大学伯克利分校已研制出了MFI，一种能够独立自主操纵的微飞行机器；美国加州大学洛杉矶分校与加利福尼亚技术研究所拍翅微飞行器（MAV），日本东京大学由静电驱动的微拍翅机构，我国东南大学小型仿昆飞行机器人的核心技术研究。能源动力系统以及昆虫飞行空气动力学基础是仿昆飞行机器人研究的两大难点。
2.材料仿生
仿生机器人不仅依赖机、光、电等无机元器件，还要利用仿生材料制造出有机元器件。材料仿生是以生物功能的实现来考虑，研制的材料要有特殊的强度、韧性和相关生物的特性，并在机器人设计和制作中加以应用，达到提高机器人相关性能的目的。比如结合生物体高分子的特性研制离子交联聚合物，通过对分子的控制实现不同的物理、化学性能。依据珠母贝的力学性能优势，让材料具有陶瓷材料的强度和化学稳定性的同时，还具备金属材料的抗冲击能力等。
3.控制仿生
基于行为的仿生控制的基本思路是机器人的运动由一系列同时发生的简单动作组成，以自组织实现系统的复杂行为，具有即时性和自组织的特点。MIT的genghi、六足机器人阿蒂拉等都是行为控制实践的产物。
基于神经系统的仿生控制采取人工神经网络和模糊控制方式模仿动物神经系统机理实现。人工神经网络主要是对大脑神经系统结构与功能进行模拟，每个神经元结构与功能简单，但大量处理单元组合成的神经元网络系统可完成繁复的任务。模糊控制是对于大脑神经系统的模糊识别、推断功能等进行模拟，可进行语词计算和不确定性、不精确性以及模糊信息的处理。
基于遗传算法的仿生控制是从生物进化过程中的自然选择、优胜劣汰、适者生存以及物种遗传规律等思想融入人工控制领域，由美国学者John. Holland创建的运用空间搜索实现求解问题，在非线性复杂大系统的全局优化方面适用。
基于群的仿生控制通过研究蚂蚁、蜜蜂等社会性昆虫群体生活，将生物群体特性与大量简单个体通过交互产生集体智能，实现系统工作效率提高相结合。尤其研究高度的冗余性、较强的抗扰动能力和适应动态环境能力实现群智能。群智能借鉴生物社会系统，通过研究成群社会生物体具有自组织、分布式控制和涌现的行为实现控制优化。群智能机器人系统由许多无差别的自治机器人组成，通过机器人之间的交互实现整个系统的智能行为。
4.生物机器人
人工控制活体生物的生物机器人是仿生机器人研究的最高境界。许多国家针对生物机器人开展了大量研究，如美国纽约州立大学在老鼠体内植入微控制器，实现人工控制老鼠的前进、转弯、跳跃和爬树等动作。日本东京大学切除蟑螂的翅膀和头上的探须，插入电极和微处理器等，运用遥控信号产生电刺激从而控制蟑螂的前进方向。
5.展望
本文从材料仿生学、控制仿生学、系统仿生学等几个方面，阐述了仿生机器人的发展现状和未来趋势。我国从十几年前开始投入大量资金和技术力量支持仿生机器人的科发与推广，仿生机器人从无到有，从局部到整体、从宏观到微观，已然有了长足的进步，目前已在国防工业、医疗、采矿等领域发挥重要作用。此外，仿生机器人的商业价值也引起了民间资本的重视，前景巨大。
未来仿生机器人还将在诸如航天、气象、采矿、自然灾害控制等领域发挥巨大作用。例如我国第一辆登月机器人玉兔号月球车大量采用仿生技术。美国开发的RASSOR采矿机器人可以在外太空勘探、采矿。未来仿生机器人不仅会出现在陆地、海洋，甚至是浩瀚无垠的宇宙和人类身体中，我国的仿生机器人也将在世界舞台大放光彩。
参考文献
[1] 杨忠，樊琼剑.基于胡须传感器的仿生机器人研究进展[J].机器人，2007，29（2）：171-178.
[2] 陈东良.仿生机器蟹两栖步行机理与控制方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[3] 唐晶晶.六足减灾救援仿生机器人虚拟样机研究[D].南京林业大学，2011.
[4] 杨清海，喻俊志，谭民.两栖仿生机器人研究综述[J].机器人，2007，29（6）：601-608.
[5] 成巍，苏玉民，秦再白.一种仿生水下机器人的研究进展[J].船舶工程，2004，26（1）：5-8.
[6] 王田苗，孟偲，裴葆青.仿壁虎机器人研究综述[J].机器人，2007，29（3）：290-297.
作者简介
殷铭，四川大学附属中学；曹文博，通讯作者，西南民族大学计算机科学与技术学院硕士研究生。
[关键词]仿生机器人 结构仿生 材料仿生 控制仿生
中图分类号：TD553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0384-01
仿生學是20世纪60年代兴起的生物科学与工程技术的边缘学科，通过对生物系统的结构、功能及控制机制等进行学习、模仿来改进现有的或者创造新的机械、仪器，从而提高人类适应和改造自然的能力。仿生机器人就是仿生学在机器人科学中的具体应用，成为机器人研究热点之一，按照研究领域可分为结构仿生、材料仿生、控制仿生等。
1.结构仿生
结构仿生的基础是工程力学原理，即建造类似生物机体构造的机械装置，通过结构相似实现功能相近。结构仿生机器人研究方向主要有仿鱼机器人、仿蛇机器人、仿腿式机器人、仿昆飞行机器人。
仿鱼机器人根据鱼类体形特点与结构、游动的前进原理，通过机械、电子元器件或者智能材料，实现水下潜行。现代仿鱼机器人研究成果丰硕，如日本运输船舶技术研究所研发的机器鱼UPF–2002，麻省理工学院的金枪鱼Robotun，美国DRPER实验室的机器鱼VCULV等。我国仿鱼机器人研制起步晚但领域较广，如华中理工大学柔性尾鳍推进装置研究，中科院自动化所科学实验室与北航机器人所多微小型仿生机器鱼群体协作与控制研究等。通过研究鱼类等水下生物的运动机理，探寻微机械设计，是目前仿鱼机器人研究热点。
仿蛇机器人具备蛇自由灵活的运动能力，在军事侦察等特殊环境下能实现关键目标打击，主要研究内容包括蛇的运动原理、机器人的结构构造以及控制机器人运动等，需解决的主要问题是机器人的运动效率（即运行速度和能源消耗的关系）。美日等国已展开大量实践与应用，研制出多种仿蛇机器人模型，实现了蜿蜒爬行、逃避障碍以及侧滑、翻滚等多种仿蛇类运动模式。如日本的Baraki大学ACM-R3，美国NASA Snakebots。我国蛇形机器人相关研究如上海交通大学、中科院沈阳自动化所等。
仿腿式机器人通过对腿机构、行走过程控制、腿动力学建模及其稳定性分析等研究，研制出仿蟹机器人、仿人机器人、仿蟑螂机器人等。国内外研究取得了突破进展：美国凯斯西储大学与美国海军研究院研制了能够灵活地跑动、避障、越障、转弯等的仿蟑螂机器人“Whegs IV”；美国DARPA与Robot机器人公司能够完成任务模的仿蟹扫雷机器人Ari-el；哈尔滨工程大学能够前进、后退、左右转弯、横行等动作的仿蟹机器人；北京理工大学会腾空行走、打太极拳的仿人机器人BRH。受到控制技术、机构学、人工智能等相关学科发展制约，行走速度、稳定性和自适应能力等与现实需要还存在一定距离。
仿昆飞行机器人由各国通过昆虫空气动力学和电子机械技术研究，进展较快。1980年美国加州大学伯克利分校已研制出了MFI，一种能够独立自主操纵的微飞行机器；美国加州大学洛杉矶分校与加利福尼亚技术研究所拍翅微飞行器（MAV），日本东京大学由静电驱动的微拍翅机构，我国东南大学小型仿昆飞行机器人的核心技术研究。能源动力系统以及昆虫飞行空气动力学基础是仿昆飞行机器人研究的两大难点。
2.材料仿生
仿生机器人不仅依赖机、光、电等无机元器件，还要利用仿生材料制造出有机元器件。材料仿生是以生物功能的实现来考虑，研制的材料要有特殊的强度、韧性和相关生物的特性，并在机器人设计和制作中加以应用，达到提高机器人相关性能的目的。比如结合生物体高分子的特性研制离子交联聚合物，通过对分子的控制实现不同的物理、化学性能。依据珠母贝的力学性能优势，让材料具有陶瓷材料的强度和化学稳定性的同时，还具备金属材料的抗冲击能力等。
3.控制仿生
基于行为的仿生控制的基本思路是机器人的运动由一系列同时发生的简单动作组成，以自组织实现系统的复杂行为，具有即时性和自组织的特点。MIT的genghi、六足机器人阿蒂拉等都是行为控制实践的产物。
基于神经系统的仿生控制采取人工神经网络和模糊控制方式模仿动物神经系统机理实现。人工神经网络主要是对大脑神经系统结构与功能进行模拟，每个神经元结构与功能简单，但大量处理单元组合成的神经元网络系统可完成繁复的任务。模糊控制是对于大脑神经系统的模糊识别、推断功能等进行模拟，可进行语词计算和不确定性、不精确性以及模糊信息的处理。
基于遗传算法的仿生控制是从生物进化过程中的自然选择、优胜劣汰、适者生存以及物种遗传规律等思想融入人工控制领域，由美国学者John. Holland创建的运用空间搜索实现求解问题，在非线性复杂大系统的全局优化方面适用。
基于群的仿生控制通过研究蚂蚁、蜜蜂等社会性昆虫群体生活，将生物群体特性与大量简单个体通过交互产生集体智能，实现系统工作效率提高相结合。尤其研究高度的冗余性、较强的抗扰动能力和适应动态环境能力实现群智能。群智能借鉴生物社会系统，通过研究成群社会生物体具有自组织、分布式控制和涌现的行为实现控制优化。群智能机器人系统由许多无差别的自治机器人组成，通过机器人之间的交互实现整个系统的智能行为。
4.生物机器人
人工控制活体生物的生物机器人是仿生机器人研究的最高境界。许多国家针对生物机器人开展了大量研究，如美国纽约州立大学在老鼠体内植入微控制器，实现人工控制老鼠的前进、转弯、跳跃和爬树等动作。日本东京大学切除蟑螂的翅膀和头上的探须，插入电极和微处理器等，运用遥控信号产生电刺激从而控制蟑螂的前进方向。
5.展望
本文从材料仿生学、控制仿生学、系统仿生学等几个方面，阐述了仿生机器人的发展现状和未来趋势。我国从十几年前开始投入大量资金和技术力量支持仿生机器人的科发与推广，仿生机器人从无到有，从局部到整体、从宏观到微观，已然有了长足的进步，目前已在国防工业、医疗、采矿等领域发挥重要作用。此外，仿生机器人的商业价值也引起了民间资本的重视，前景巨大。
未来仿生机器人还将在诸如航天、气象、采矿、自然灾害控制等领域发挥巨大作用。例如我国第一辆登月机器人玉兔号月球车大量采用仿生技术。美国开发的RASSOR采矿机器人可以在外太空勘探、采矿。未来仿生机器人不仅会出现在陆地、海洋，甚至是浩瀚无垠的宇宙和人类身体中，我国的仿生机器人也将在世界舞台大放光彩。
参考文献
[1] 杨忠，樊琼剑.基于胡须传感器的仿生机器人研究进展[J].机器人，2007，29（2）：171-178.
[2] 陈东良.仿生机器蟹两栖步行机理与控制方法研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[3] 唐晶晶.六足减灾救援仿生机器人虚拟样机研究[D].南京林业大学，2011.
[4] 杨清海，喻俊志，谭民.两栖仿生机器人研究综述[J].机器人，2007，29（6）：601-608.
[5] 成巍，苏玉民，秦再白.一种仿生水下机器人的研究进展[J].船舶工程，2004，26（1）：5-8.
[6] 王田苗，孟偲，裴葆青.仿壁虎机器人研究综述[J].机器人，2007，29（3）：290-297.
作者简介
殷铭，四川大学附属中学；曹文博，通讯作者，西南民族大学计算机科学与技术学院硕士研究生。