仿生机器人研究综述及发展方向

简珣

（哈工大机器人(合肥)国际创新研究院，合肥，230051）

0 引言

仿生学诞生于20世纪60年代初，仿生学是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程[1]。仿生机器人是机器人技术和仿生学原理的结合，它集生物学原理和机器电控原理于一体，依据模仿生物的结构、运动特性、生物机理等设计具有优越性能的机电结构。

研究者对仿生机器人的研究是多方面的，也就是既要发展模仿人的机器人，又要发展模仿其他生物的机械（机器）。在分类上，仿生机器人主要利用仿生学原理，所涉及的技术包括机构仿生、感知仿生、控制仿生、智能仿生以及材料仿生等，包含的学科有生命科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学、系统科学等。

1 国内外研究现状

随着需求量的不断增长，仿生机器人呈现出种类繁多、形式多样、功能各异等特点。为更加清晰、系统、直观地对仿生机器人的研究现状进行梳理，本文主要从水下仿生机器人、地面仿生机器人和空中仿生机器人三个方面对机器人仿生典型研究成果加以介绍分析。

人类对仿生机器人的探索，最早可追溯到我国三国时期诸葛亮设计的木牛流马，仿生机器人的早期研究主要以日本、美国、德国等国的研究机构为主，背景多是出于国防、外空探索等目的。1960年9月，第一次世界仿生学大会在美国俄亥俄州的空军基地召开。此后几十年中，世界各国竞相展开仿生技术研究，新的仿生原理和仿生装备不断涌现。

1.1 水下仿生机器人

水下仿生机器人的功能十分强大，因水下环境较陆面复杂，水下仿生机器人在设计上较地面仿生机器人难度大，而且对各种技术的要求也高。正因如此，作为一个各种高科技的集成体，水下仿生机器人在军民等领域都呈现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

1.1.1 国外研究情况

1994年美国麻省理工学院通过模仿金枪鱼结构制造出了机器鱼“RoboTuna”（图1），其目的是探讨构建一个可重现金枪鱼游泳方式的机器人潜艇，研究人员致力于提高推进效率和灵活性。而后，美国海军位于东北的海洋学中心研制出机器龙虾。机器龙虾的身体结构可以使其在复杂的环境中保持稳定性，此外还具有极高的防水性。其肢体装配有防水毛传感器，大脑是一台超微型计算机，可用于探测水下矿藏[2]。

图1 美国麻省理工学院机器鱼“RoboTuna”

2018年美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室开发出一种名为“SoFi”的仿生软体机器鱼。该机器鱼大小和行为与真鱼相似，可通过一个防水游戏手柄近距离控制，使其在产生最小破坏性的前提下近距离观察所有水下生物。

2005年，英国埃塞克斯大学制造出G系列仿生鱼（图2），其外形逼真。在G系列仿生鱼的基础上，该团队又于2010年制造出MIT仿生机器鱼，主要运用于水下研究[3]。

图2 英国埃塞克斯大学G8机器鱼

1.1.2 国内研究情况

我国的国防科技大学、中科院自动化研究所、北京航空航天大学等相关机构最先在水下仿生机器人领域开展相关研究。2002年，北京航空航天大学机器人研究所为了解决水下勘测、检测等相关工作，研发出“SPC-I”水下仿生机器鱼，“SPC-I”对新型水动力布局的游动稳定性的研究发挥重要作用；2004年，该校研发出“SPCII”水下仿生机器鱼，性能在原有的基础上有所提高，应用于水下考古探测。

哈尔滨工程大学在2008年研制出生物型驱动器，即ICPF(Ionic Conducting Polymer Film离子导电聚合物薄膜)智能材料驱动，成功解决了水中微型机器人研发中的核心技问题，为水中微型机器人的研发打下基础。此材料的优点是，在具有传感功能的同时，驱动电压低，具有较高的能量转化效率，在交变电压作用下，会产生类似于鱼类尾部的左右摆动，适用于微型机器鱼的尾鳍驱动，而且ICPF重量轻、结构简单、易于小型化。到2011年，该大学利用ICPF技术研制出微型机器鱼，该机器鱼将控制电路板作为鱼的骨架，把机器鱼分成鱼身、尾鳍、胸鳍三部分，这种结构改变了传统的机器鱼设计理念。

1.2 地面仿生机器人

全球研究人员从仿生学角度出发，已经设计出一系列地面仿生机器人，用于替代人类执行地面侦察、探测、反恐以及生化放核等危险任务。

1.2.1 国外研究情况

20世纪80年代，美国航空航天局模仿青蛙的起跳方式，研制蛙形仿生跳跃机器人（图3），用于太空探索[4]。20世纪60年代末，日本早稻田大学展开了仿生机器人的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT系列机器人能实现基本行走功能。其他如加拿大麦吉尔大学、密执安大学、加州大学伯克利分校、卡内梅隆大学等机构在美国国防高级研究计划局(DARPA)的资助下，研制出“RHex”系列腿式机器人。

图3 蛙形仿生跳跃机器人

2018年德国著名自动化技术厂商费斯托公司推出一款名为“BionicWheelBot”的新型仿蜘蛛机器人。该机器人内置惯性传感器，能够实时掌握自身所处位置，实现连续翻滚，且翻滚速度远高于行走速度，可达其两倍，还可以爬上5°左右的坡路。由于较强的地形适应性和仿生性，该机器人有望应用于农业、探测以及战场侦查等领域。

2017年俄罗斯在先期研究基金会项目的支撑下，成功开发出一款仿人形机器人“Fedor”（费多尔）。费多尔具备很多“人”的功能，它拥有灵活的手指，能在规定场景中操作仪器并完成许多精细的运动技能，可在高危地区取代人类工作，可用于救援行动，其能力扩展后还能执行太空探索等任务，另外，该机器人的射击能力在军事作战方面表现出巨大的应用潜力。

1.2.2 国内研究情况

在国内，哈尔滨工业大学机器人研究所、上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的研究工作。其他如国防科技大学研发制作的蛇形机器人，重量1.8kg，直径0.06m，长1.2m，既能像蛇一样在陆地上蜿蜒前行，又能借助密封的外皮，模拟蛇在水中游动。蛇形机器人头部置入监视器，可以在机器人前行的过程中，实时监视前方的情况，并可以视频方式传输至后方的电脑系统中。科研人员利用此技术，可以根据影像事实监测、观察前方的情况，同时还可以通过遥控技术对机器蛇下指令。

在仿人机器人方面，2000年国防科学技术大学研制的“先行者”是我国第一台仿人型的机器人（图4）。该机器人在技术上实现了重大突破，不但有类人一样的身躯、头颅、眼睛、双臀和双足，而且还具备一定的语言功能。随后，北京理工大学研制“BHR”、哈尔滨工业大学研制“HIT”、清华大学研制“THBIP”等，逐渐可以实现平地行走、上下台阶、点头等简单的动作。2011年，北京理工大学研制的“汇童5”具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能，突破了高速视觉的灵巧动作控制、全身协调自主反应等关键技术。

图4 仿人型机器人“先行者”

1.3 空中仿生机器人

相较于地面和水下仿生机器人，空中仿生机器人具有体积较小、运动灵活的特点，且活动空间广阔，不受地形限制，因此，在军事侦察、灾害防御以及反恐等军民领域，空中仿生机器人展现出极大的应用前景，也越来越受到世界大国的重视。

1.3.1 国外研究情况

德国费斯托公司基于对狐蝠翅膀的独特研究，开发出一款仿生狐蝠无人机“BionicFlyingFox”，该款空中仿生机器人重量仅为580g，全身有4.5万个焊点，翼展为228cm，体长87cm，采用了以蜂巢结构编织的超级氨纶弹性纤维织物翼膜和碳纤维骨架[5]。在2012年亚洲PTC展会上，德国FESTO公司展出了飞行模型——仿生机器鸟“SmartBird”。它长196cm，重450g，翼展106cm，具有超轻便、强功率的特性，能够满足出色的空气动力学原理且灵活度实现最大化。在开发仿生机器鸟SmartBird过程中，FESTO公司通过分析流动现象，积累了优化产品解决方案的更多知识，并学会了更加有效地进行产品设计[6]。

美国加州大学伯克利分校利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”，该校研究人员利用一种类似玻璃纸的聚酰亚胺为原料,制造出了仿生翅膀。该仿生翅膀能够每秒扇动150次,而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行。该机器蝇重量只有100mg，身高不到3cm,在100m上空飞行时,人们用肉眼几乎发现不了它,而它却可以拍出极为清晰的地面照片。在未来的机器蝇身上,还可以安装许多传感器和微型摄像机,可以用来发现森林火灾,在灾难中搜寻废墟中的幸存者。此外，2018年5月，美国华盛顿大学开发出一款采用独立襟翼的无线机器昆虫——机器蝇（RoboFly）[7]（图5）。“RoboFly”制造成本低，非常适合在大型无人机无法到达的地方执行军事或民用监视侦察任务，例如：国防探测、大面积农作物生长情况监测、泄露气体嗅探等。

图5 美国加州大学伯克利分校“机器蝇”

1.3.2 国内研究情况

国内研究人员始终关注着空中仿生机器人的发展动态，同时在基础理论和应用上做了大量的研究工作。其中，北京航空航天大学长期从事昆虫飞行理论研究，通过试验观测、理论计算、模拟仿真的方法，研究昆虫飞行、悬停、转弯等动作的实现机理，为微型扑翼飞行器的设计提供了理论依据。

南京航空航天大学利用非定常涡格法的计算，通过分析模仿鸟复合振动的扑翼气动特性，制作出几种不同大小和形式的仿鸟扑翼飞行器，并于2002年首次试飞成功，其最新型号的控制水平与飞行时间，已经达到与美国“MicroBat”微型扑翼飞行器同等的技术水平。

西北工业大学研制的扑翼微飞行器样机重约16.5kg，采用聚合物锂电池做电源，微型电动机做驱动源，碳纤维做骨架，采用柔性机翼，扑翼频率10.5Hz,可自由飞行15s~21s。

此外，东南大学、扬州大学等也在仿生扑翼飞行机构的机理分析、扑翼飞行试验测试平台的建立等方面进行了探索。

2 发展趋势

鉴于当前科学家对生物结构及其机能的认知日益深入和完善，同时随着仿生机器人领域涉及的多学科技术的飞速发展，仿生机器人逐渐呈现出新的发展趋势，旨在使其达到更加逼真的仿生性能，以适应严酷多变的环境，实现更加智能的控制。

2.1 智能化

随着人工智能技术的发展，仿生机器人已从传统的纯机械式向智能化过渡。仿生机器人的智能化主要体现在执行任务的多样化、完成动作的人性化、控制水平的精确化等，这有利于其更加完美地模仿生物所具备的生理机能，更加安全地完成任务。

2.2 微型化

当前，机器人的使用场景逐渐趋向于精确化、狭窄化和复杂化，这种任务场景的需求必然加速仿生机器人向微型化方向转变。

仿生机器人微型化的关键是机电系统的微型化。要实现仿生机器人的微型化，比较突出的特征是能够有效实现机电系统的微型化，通过对控制器、传动装置以及驱动器等进行整合，发展形成微机电系统。

2.3 仿形化

仿生机器人的外形与所模仿生物的高度相似性，也是仿生机器人的发展趋势之一。机器人仿形化有助于其在军事侦察、掩护等作战场景更加隐蔽、安全地完成任务。在军事侦察和间谍任务中,如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致,将能更隐蔽地、更安全地完成任务。

2.4 多功能化

未来使用场景的多样化必然使得仿生机器人向多功能化的方向发展，目前科学家们已经开发出诸如蠕动机器人、蛇形机器人、爬壁机器人等形式多样的仿生机器人，其各自独特的运动形式有助于仿生机器人在不同环境中完成特定的任务。

人类逐渐开始步入老龄化社会的阶段中，通过制造多功能机器人，能够很好地弥补现阶段中年轻劳动力不足的现象，并且还能对医疗等社会问题以及老龄化社会的家庭服务问题等进行有效的解决。

2.5 群体化

通常应用在需要多机器人协作的场合,如机器人生产线、柔性加工工厂、消防、无人作战机群等。仿生机器人群体化主要是指通过对蚂蚁、蜜蜂或者是人的社会行为展开模仿，而繁衍形成的一种仿生系统，并且通过个体与个体之间的相互合作，而使得某种社会行为得以完成的过程。同时，其还能利用群体的行为来帮助自身智能的增强，进而有效地提高工作效率[8]。

3 结语

随着仿生技术的高速发展，仿生学在机器人领域的应用愈发广泛，这使得仿生机器人愈发智能化。当代机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航天航空、星际探索、军事侦察、资源勘探、水下探测、管道维护、疾病检查、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方向发展。未来，机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境下为人类工作，人们要求机器人不仅适应结构化的、已知的环境，更要适应非结构化的、未知的环境。