仿生機(jī)器人尚處初級(jí)階段，黃金時(shí)代的到來(lái)亦可期

當(dāng)前，對(duì)于機(jī)器人的研究，人們已經(jīng)不滿足于單一結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)，開(kāi)始把目光對(duì)準(zhǔn)生物界，力求從豐富多彩的動(dòng)植物身上獲得靈感，將它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式運(yùn)用到對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和控制的研究中。因此，仿生機(jī)器人已然成為了機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

“仿生機(jī)器人”是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。仿生機(jī)器人相較于其他移動(dòng)機(jī)器人，具有更大的適應(yīng)性和靈活性，更適合在人類生活、工作的環(huán)境中與人類協(xié)同作業(yè)，或代替人類工作。得益于人機(jī)交互、軟體機(jī)器人控制、機(jī)器人生物行走等新型技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前世界范圍內(nèi)仿生機(jī)器人的研究工作已經(jīng)取得了一定成果。具體來(lái)看，仿生機(jī)器人主要分為以下兩大類：

首先是仿人機(jī)器人。這類機(jī)器人是指模仿人類形態(tài)、運(yùn)動(dòng)、感知和交互功能的機(jī)器人系統(tǒng)。研究人員通過(guò)研發(fā)，最終希望仿生機(jī)器人可在危險(xiǎn)環(huán)境下代替人進(jìn)行工作，或在日常生活中為人提供服務(wù)。例如波士頓動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人Atlas、我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等研制開(kāi)發(fā)的雙足步行機(jī)器人等。

其次是仿動(dòng)物機(jī)器人。這類仿生機(jī)器人一般都是模仿自然界中的哺乳動(dòng)物、昆蟲、兩棲動(dòng)物等制造的，適合在野外、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等特殊環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)輸、救援作業(yè)。在這一領(lǐng)域中，小編不得不單獨(dú)提一提我國(guó)重點(diǎn)研究的仿魚機(jī)器人。研究仿生機(jī)器魚可以極大提升水下機(jī)器人的效率、性能和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，代替人類完成長(zhǎng)期水下監(jiān)控和作業(yè)。例如北京航空航天大學(xué)研制的SPC系列仿魚機(jī)器人，該型機(jī)器人在水下考古、環(huán)境監(jiān)控中進(jìn)行了應(yīng)用示范。

其實(shí)，仿生機(jī)器人研究目前存在諸多難題。仿生機(jī)器人誕生到發(fā)展短短數(shù)十年，積累的研究成果已經(jīng)非常豐碩，開(kāi)辟了機(jī)器人領(lǐng)域獨(dú)特的技術(shù)和研究方法，但由于其學(xué)科的交叉性，“仿生”機(jī)器人仍然存在諸多問(wèn)題。

從生物機(jī)理來(lái)講，對(duì)其揭示不夠，模型構(gòu)造過(guò)于簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)生物機(jī)理的研究，可以揭示生物自身的功能，為仿生機(jī)器人的研究提供依據(jù)，但由于生物體本身是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其神經(jīng)、骨骼、肌肉等構(gòu)造以及其運(yùn)動(dòng)功能細(xì)節(jié)非常繁瑣，目前所建立的模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能模擬生物的控制過(guò)程及反映過(guò)程。

仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生物結(jié)構(gòu)的合理性和精巧性相去甚遠(yuǎn)。在運(yùn)動(dòng)方面，生物的結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì)，使其自身具有靈活性、高效性和輕量化等特點(diǎn)，增強(qiáng)了其自身的運(yùn)動(dòng)性能和環(huán)境適應(yīng)能力。而現(xiàn)在的仿生機(jī)器人多為剛性結(jié)構(gòu)，其重量、尺寸與生物的差距也較大，因此無(wú)法對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)提供有效的設(shè)計(jì)原則。

高性能新型仿生材料研究不足，已有研究成果應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)窄。目前的仿生材料研究在生物力學(xué)和工程力學(xué)的銜接點(diǎn)、許多天然生物材料的模型抽象、仿生材料的設(shè)計(jì)制備方法等方面還有待于進(jìn)一步研究。而仿生機(jī)器人材料大多采用鋼、鋁、塑料等常規(guī)材料，無(wú)論剛度、柔性、韌性以及減阻性與生物自身差距很大，使得仿生機(jī)器人性能降低。

控制方法較傳統(tǒng)，神經(jīng)控制、肌電控制等仿生控制方法突破不夠。生物良好的環(huán)境感知能力也是仿生機(jī)器人研究的方向之一。生物可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等感官系統(tǒng)時(shí)刻對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知并做出準(zhǔn)確的判斷，以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。而現(xiàn)有的仿生機(jī)器人還無(wú)法準(zhǔn)確的模擬生物的感知特性，對(duì)周圍環(huán)境的感知能力存在精度較低、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、對(duì)復(fù)雜環(huán)境的感知準(zhǔn)確性不足等問(wèn)題。

我們認(rèn)為，仿生機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是個(gè)人／家庭服務(wù)的需要，例如，目前在西方國(guó)家，機(jī)器人寵物十分流行，仿人機(jī)器人的出現(xiàn)，可以彌補(bǔ)勞動(dòng)力不足，解決老齡化的家庭服務(wù)和醫(yī)療服務(wù)等；二是執(zhí)行特殊任務(wù)，比如，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)當(dāng)環(huán)境檢測(cè)的任務(wù)等。其關(guān)鍵技術(shù)在于機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的識(shí)別和處理，隨著人工智能技術(shù)不斷取得突破，仿生機(jī)器人也逐漸開(kāi)始發(fā)展。

在廣州中以機(jī)器人研究院常務(wù)副院長(zhǎng)張倫明看來(lái)，相較于以色列等國(guó)家，我國(guó)在仿生機(jī)器人方面的應(yīng)用還處在初級(jí)階段，廣東目前也未見(jiàn)有領(lǐng)先國(guó)際的仿生機(jī)器人企業(yè)及產(chǎn)品。張倫明表示，這背后既有研發(fā)方面的原因，也有技術(shù)以及市場(chǎng)方面的原因。我國(guó)仿生機(jī)器人的基礎(chǔ)研究還達(dá)不到國(guó)際水平，仿生機(jī)器人相關(guān)的視覺(jué)技術(shù)及傳感技術(shù)還需進(jìn)一步提高。而與市場(chǎng)對(duì)接的企業(yè)是逐利的，不少會(huì)做短平快的機(jī)器人項(xiàng)目及產(chǎn)品，仿生機(jī)器人目前還達(dá)不到大規(guī)模應(yīng)用的水平，也影響了其發(fā)展。

盡管我國(guó)的仿生機(jī)器人研究雖然已取得了不少成就，但要趕超那些在仿生機(jī)器人領(lǐng)域深耕多年的國(guó)家，就必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

首先是整體技術(shù)水平有待提高。在整體功能、穩(wěn)定性和可靠性方面，我國(guó)與日本相比還存在差距，本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制等關(guān)鍵技術(shù)也有待提高。

其次是精密減速器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等核心關(guān)鍵零部件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，亟須突破。這也是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的通病，不僅是仿生機(jī)器人領(lǐng)域，其它機(jī)器人領(lǐng)域亦然。

最后是企業(yè)參與度低。我國(guó)仿人機(jī)器人的研發(fā)，大都集中在高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)，而各機(jī)器人企業(yè)真正研究仿生機(jī)器人的寥寥無(wú)幾。