引 言
生物在自然界經(jīng)過了億萬年的進化與篩選， 每種生物都有其獨特的適應(yīng)環(huán)境的能力與適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)。仿生學（Bionics）是模仿生物的特殊本領(lǐng)的一門學科。仿生學通過了解生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制新型機械和技術(shù)，或解決機械技術(shù)方面的難題。1960 年由美國的J.E.Steele 首先提出。仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領(lǐng)，包括生物自身的結(jié)構(gòu)、原理、行為及器官功能等，從而為科學技術(shù)中利用這些原理提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)科學。科學家們將對自然界中生物結(jié)構(gòu)和功能的研究應(yīng)用于機器人，從而制造出具有生物結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特性的仿生機器人。仿生機器人是仿生學和機器人需求的高度融合， 極大地促進了機器人領(lǐng)域的發(fā)展，開拓了機器人領(lǐng)域的疆土， 使人們將從大自然中獲取的靈感應(yīng)用于實際的生產(chǎn)實踐中。仿生學在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用引起了各國研究人員的關(guān)注，并取得了大量成果。
1 仿生機器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 水下仿生機器人
因水下環(huán)境較陸面復(fù)雜，諸如水深壓強、線路絕緣與防漏、低能見度環(huán)境識別等問題均需考慮。但由于水下仿生機器人的功能十分強大，各國并沒有因此而中斷研究。
1994 年美國麻省理工學院（MIT）通過模仿金槍魚結(jié)構(gòu)制造出了機器魚RoboTuna，如圖 1 所示。該項目始于1993 年， 其目的是探討構(gòu)建一個可重現(xiàn)金槍魚游泳方式的機器人潛艇， 研究人員致力于提高推進效率和靈活性。
而后美國海軍位于東北的海洋學中心研制的機器龍蝦如圖 2 所示，它不僅擁有很高的靈活性，還能游泳和爬行。其外形酷似真龍蝦，長著能夠感知障礙物的觸須，8 條腿允許它們朝著任意一個方向移動，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它環(huán)境中保持身體的穩(wěn)定性。
它由一種特制的防水電池提供動力，頭部的兩根長須是一種靈敏度極高的防水天線，腳上都裝配有防水毛傳感器， 大腦是一臺超微型計算機，可用于探測水下礦藏。
我國的相關(guān)研究機構(gòu)如北京航空航天大學、中科院自動化研究所、國防科技大學等也在此領(lǐng)域有相關(guān)研究。北京航空航天大學研制的“SPC-II”仿生機器魚可在水下連續(xù)工作2 ～3 小時。中科院自動化所、國防科技大學、哈爾濱工程大學亦研究出不同形態(tài)的水下仿生機器人。
1.2 陸面仿生機器人
美國斯坦福大學研制的壁虎機器人“Stickybot”，足底長著人造毛（由人造橡膠制成）。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積足夠大，從而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。在每個吸力手上都有數(shù)百萬根由人造橡膠制造的毛發(fā)， 每根細毛的直徑大約為 500 nm，長度則不到 2 μm，這使得吸力手能非常接近玻璃壁的表面，使得人造橡膠毛發(fā)中的分子和玻璃壁分子的距離異常接近，機器人通過分子間作用力在墻壁上自由行走。這款壁虎機器人可應(yīng)用于太空等不能依靠負壓吸附或不能依靠磁力吸附的環(huán)境中。
上個世紀七十年代，日本東京工業(yè)大學的Hirose 教授就已經(jīng)開始了蛇形機器人的研究。Hirose 教授于1972 年研制出了第一臺蛇形機器人（Active Cord Mechanism-ACMIII）。該機器人總長 2 m，具有 20 個關(guān)節(jié)，依靠伺服機構(gòu)來驅(qū)動關(guān)節(jié)左右擺動。為與地面有效接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪， 其最大速度為 40 cm/s，只能在平面上運動。繼第一臺蛇形機器人之后，Hirose 教授的研究室又先后研制出了一系列蛇形機器人。ACM-R3 是最近的研究成果，ACM-R3 機器人采用完全無線控制的方式，每個關(guān)節(jié)自帶電源，且 ACM-R3 為三維結(jié)構(gòu)，能夠在三維環(huán)境中運動并完成復(fù)雜的動作。而挪威科技工業(yè)研究院（SINTEF Research Institute）已設(shè)計出一種用于火星表面探測的蛇形機器人。該機器人的研究在國內(nèi)起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所、上海交通大學等單位首先進行了蛇形機器人仿生方面的研究工作。2002 年，國防科技技術(shù)大學研制了一個蛇形機器人樣機，該樣機不但可以在平面內(nèi)運動，采用密封外皮后還能在水面上蜿蜒運動。中科院沈陽自動化所機器人重點實驗室也開始了蛇形機器人的研究。
1.3 空中仿生機器人
“機器蒼蠅”由美國加州大學伯克利分校研制，其通過模仿蒼蠅的飛行原理而獲得蒼蠅的出色飛行性能。機器蒼蠅大小與普通蒼蠅類似，有 4只翅膀，體重只有六十 mg，翼展僅為 3cm，翅膀由碳纖維做成，翼震頻率 150Hz。頭部裝有微型傳感器和攝像機，可以將拍攝的圖像傳回，用途十分廣泛， 它不僅可以用于軍事偵察，還可以進行災(zāi)后搜救。機器蒼蠅實物圖如圖 3所示。
美國加州理工學院等聯(lián)合研制了微型蝙蝠無人機MiroBat，它是一種小型電動撲翼機，機翼采用微電機系統(tǒng)技術(shù)，由電池驅(qū)動，無線電遙控控制，通過齒輪機構(gòu)、雙連桿機構(gòu)驅(qū)動機翼上下?lián)鋭印４送?，美國密歇根大學、美國北卡羅來納州立大學均研制出了蝙蝠機器人，這些蝙蝠機器人可完成偵察人物和數(shù)據(jù)收集的任務(wù)。而荷蘭代爾夫特科技大學也開發(fā)出了形如雨燕的機器人，可像雨燕般靈活飛行，德國奧斯托公司在 2013 年設(shè)計出了蜻蜓機器人，其擁有良好的靈活性，且可通過智能手機進行控制。
國內(nèi)研究人員也在空中仿生機器人方面做了大量的研究工作。南京航空航天大學制作出了幾種不同大小和形式的仿鳥撲翼飛行器，達到了同時段的領(lǐng)先水平。西北工業(yè)大學、東南大學等也在仿生撲翼飛行方面做出了探索。
2 仿生機器人的發(fā)展趨勢
2.1 由傳統(tǒng)機電機器人向生物機器人發(fā)展
在機器人未來的發(fā)展中，逐步由傳統(tǒng)的機器人控制方式轉(zhuǎn)向肌點信號、腦電信號等方式進行活體生物的人工控制，通過神經(jīng)元進行仿生機器人的精細控制。這是生物學與機器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。
2.2 結(jié)構(gòu)的微型化
仿生機器人朝著微型化發(fā)展，可用于更加精確的場所， 可進入人體檢查和開展靶向治療而不傷害人體，也可進入狹小的環(huán)境進行作業(yè)。這需要實現(xiàn)機電系統(tǒng)的微型化和機器人整體微型化。
3 結(jié) 語
隨著仿生機器人受重視程度的逐漸加深，仿生機器人將越來越多的運用到日常情景中。仿生移動機器人在工業(yè)和服務(wù)業(yè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景，爬行仿生機器人運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和測繪探測中。同時仿生機器人在醫(yī)療器械和玩具市場中也有很好的發(fā)展前景。
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