一、仿生機(jī)器人的前途

首先，模仿某些昆蟲(chóng)而制造出來(lái)的機(jī)器人并非簡(jiǎn)單。比如，國(guó)外有的科學(xué)家觀察發(fā)現(xiàn)，螞蟻的大腦很小，視力極差，但它的導(dǎo)航能力高超：當(dāng)螞蟻發(fā)現(xiàn)食物源后回去召喚同伴時(shí)，是把這一食物的映像始終存儲(chǔ)在它的大腦里，并利用大腦里的映像與眼前真實(shí)的景像相匹配的方法，循原路返回?？茖W(xué)家認(rèn)為，模仿螞蟻這一功能，可使機(jī)器人在陌生的環(huán)境中具有高超的探路能力。

其次，不論何時(shí)，對(duì)仿生機(jī)械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要發(fā)展模仿人的機(jī)器人，又要發(fā)展模仿其他生物的機(jī)械（器）。機(jī)器人未問(wèn)世之前，人們除研究制造自動(dòng)偶人外，對(duì)機(jī)械動(dòng)物非常感興趣，如傳說(shuō)諸葛亮制造木牛流馬，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)先驅(qū)巴貝吉設(shè)計(jì)的雞與羊玩具，法國(guó)著名工程師鮑堪松制造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名。

在機(jī)器人向智能機(jī)器人發(fā)展的時(shí)程中，就有人提出“反對(duì)機(jī)器人必須先會(huì)思考才能做事”的觀點(diǎn)，并認(rèn)為，用許多簡(jiǎn)單的機(jī)器人也可以完成復(fù)雜的任務(wù)。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授布魯克斯在學(xué)生的幫助下，制造出一批蚊型機(jī)器人，取名昆蟲(chóng)機(jī)器人，這些小東西的習(xí)慣和蟑螂十分相近。它們不會(huì)思考，只能按照人編制的程序動(dòng)作。

幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動(dòng)物園制造電子機(jī)器鳥(niǎo)，它能模仿母兀鷹，準(zhǔn)時(shí)給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造了一種電子機(jī)器蟹，能進(jìn)行深?？販y(cè)，采集巖樣，捕捉海底生物，進(jìn)行海下電焊等作業(yè)。美國(guó)研制出一條名叫查理的機(jī)器金槍魚(yú)，長(zhǎng)1.32米，由2843個(gè)零件組成。通過(guò)擺動(dòng)軀體和尾巴，能像真的魚(yú)一樣游動(dòng)，速度為7.2千米/小時(shí)。可以利用它在海下連續(xù)工作數(shù)個(gè)月，由它測(cè)繪海洋地圖和檢測(cè)水下污染，也可以用它來(lái)拍攝生物，因?yàn)樗７陆饦岕~(yú)惟妙惟肖。

有的科學(xué)家正在設(shè)計(jì)金槍魚(yú)潛艇，其實(shí)就是金槍魚(yú)機(jī)器人，行駛速度可達(dá)20節(jié)，是名副其實(shí)的水下游動(dòng)機(jī)器。它的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達(dá)到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進(jìn)入海底深處的海溝和洞穴，悄悄地溜進(jìn)敵方的港口，進(jìn)行偵察而不被發(fā)覺(jué)。作為軍用偵察和科學(xué)探索工具，其發(fā)展和應(yīng)用的前景十分廣闊。

同樣，研究制造昆蟲(chóng)機(jī)器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研制一種有彈性腿的機(jī)器昆蟲(chóng)，大小只有一張信用卡的1/3左右，可以像蟋蟀一樣輕松地跳過(guò)障礙，一小時(shí)幾乎可前進(jìn)37米。這種機(jī)器昆蟲(chóng)最特殊的地方是突破了“牽動(dòng)關(guān)節(jié)必須加發(fā)動(dòng)機(jī)”的觀念。發(fā)明家用的新方法是：由鉛、鋯、鈦等金屬條構(gòu)成一個(gè)雙壓電晶片調(diào)節(jié)器。當(dāng)充電時(shí)，調(diào)節(jié)器彎曲，充完電了它又彈回原狀，反復(fù)充電，它就成了振動(dòng)條。在振動(dòng)條上裝有昆蟲(chóng)肢體，振動(dòng)條振動(dòng)就成了機(jī)器昆蟲(chóng)的動(dòng)力，每次振動(dòng)都會(huì)使這種爬行昆蟲(chóng)前進(jìn)2毫米。通過(guò)一只“蟲(chóng)王”就可以控制一大群機(jī)器昆蟲(chóng)，由它以接力形式把控制指令傳送給每個(gè)機(jī)器昆蟲(chóng)。應(yīng)用這種機(jī)器昆蟲(chóng)可以在戰(zhàn)場(chǎng)上完成偵察、運(yùn)送物品，或在其他星球進(jìn)行探路。

二、仿生機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)

機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，就是指為完成指定目標(biāo)的一個(gè)或幾個(gè)機(jī)器人在信息處理和控制邏輯方面的結(jié)構(gòu)方式。

1、基于功能來(lái)分解

基于功能分解的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于傳統(tǒng)的慎思式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為串行分布，在執(zhí)行方式上屬于異步執(zhí)行，即按照“感知一規(guī)劃一行動(dòng)”的模式進(jìn)行信息處理和控制實(shí)現(xiàn)。以美國(guó)國(guó)家航天局和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局所提出的NASR人MtI〕為典型代表。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的功能明了，層次清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是申行的處理方式大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)時(shí)間，環(huán)境的改變導(dǎo)致必須重新規(guī)劃，從而降低了執(zhí)行效率。因此只適合在已知的結(jié)構(gòu)化環(huán)境下完成比較復(fù)雜的工作。

2、基于行為來(lái)分解

基于行為分解的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于現(xiàn)代的反應(yīng)式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為并行(包容)分布，在執(zhí)行方式上屬于同步執(zhí)行，即按照“感知一行動(dòng)”的模式并行進(jìn)行信息處理和控制。以麻省理工的R.A.Brooks所提出的行為分層的包容式體系結(jié)構(gòu)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基于MotorSc hema的結(jié)構(gòu)為典型代表。其主要優(yōu)點(diǎn)就是執(zhí)行時(shí)間短、效率高、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)。但是由于缺乏整體的管理，很難適應(yīng)于各種情況。因此只適用于在沐淘環(huán)境下執(zhí)行比較簡(jiǎn)單的任務(wù)。

3、基于智能分布來(lái)分解

基于智能分布的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于最新的分布式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為分散分布，在執(zhí)行上屬于協(xié)同執(zhí)行，既可以單獨(dú)完成各自的局部問(wèn)題求解，又能通過(guò)協(xié)作求解單個(gè)或多個(gè)全局問(wèn)題。以基于多智能體的體系結(jié)構(gòu)為典型代表。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既具有“智能分布”的特點(diǎn)，又有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制。但是如何在各個(gè)智能體之間合理的劃分和協(xié)調(diào)仍然需要大量的研究和實(shí)踐。該體系結(jié)構(gòu)在許多大型的智能信息處理系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用。

除以上三類(lèi)主要的體系結(jié)構(gòu)之外，還有一些改進(jìn)的混合式體系結(jié)構(gòu)，如帶反饋環(huán)節(jié)的行為分解模式、基于分布式智能的分層體系結(jié)構(gòu)、基于功能分解的多智能體結(jié)構(gòu)等等。但是從整體上來(lái)看，它們或是在功能模塊的靈活性和擴(kuò)展性上不足，或是沒(méi)能很好的協(xié)調(diào)慎思式智能與反應(yīng)式智能，或是各層次間的交流機(jī)制不夠完善。

三、仿生式體系結(jié)構(gòu)的思想原理

從本質(zhì)上來(lái)講，慎思式智能、反應(yīng)式智能以及分布式智能，都是對(duì)生物控制邏輯和推理方式的一種借鑒和仿生，但由于客觀條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個(gè)角度和方向?qū)ι镏悄艿囊环N片面的、局部的模仿。本文的仿生式體系結(jié)構(gòu)就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為基礎(chǔ)，充分借鑒基于慎思式智能、反應(yīng)式智能和分布式智能等三種體系結(jié)構(gòu)思想的優(yōu)點(diǎn)與不足之處，針對(duì)機(jī)器人特別是未知環(huán)境下工作的移動(dòng)機(jī)器人在控制體系結(jié)構(gòu)方面所存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題，提出一種具有適應(yīng)行為與進(jìn)化能力的新的控制思想與理念。

借鑒分布式智能的思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中引人社會(huì)式行為控制層；

借鑒生物的自適應(yīng)性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)本代內(nèi)的由慎思式行為層到反射式行為層的學(xué)習(xí)；

借鑒生物的自進(jìn)化性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進(jìn)化(或退化)。

所以，仿生式體系結(jié)構(gòu)共有四個(gè)行為控制層組成，即本能式行為控制層、反射式行為控制層、慎思式行為控制層和社會(huì)式行為控制層，它們并行接收來(lái)自感知層的外部和內(nèi)部信息，各自作出邏輯判斷和反應(yīng)，發(fā)出控制信息到末端執(zhí)行層，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)自身并適應(yīng)外部環(huán)境，從而按照目標(biāo)完成工作任務(wù)。

四、仿生機(jī)器人實(shí)例

1、機(jī)器蝎子

長(zhǎng)約50厘米的機(jī)器蝎子與其他傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，它沒(méi)有解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。機(jī)器蝎子幾乎完全依靠反射作用來(lái)解決行走問(wèn)題。這就使得它能夠迅速對(duì)困擾它的任何事物做出反應(yīng)，它的頭部有兩個(gè)超聲波傳感器。如果碰到高出它身高50%%的障礙物，它就會(huì)繞開(kāi)。而且，如果左邊的傳感器探測(cè)到障礙物，它就會(huì)自動(dòng)向右轉(zhuǎn)。

2、機(jī)械蟑螂

不只是蝎子，就連蟑螂也能給科學(xué)家提供設(shè)計(jì)的靈感，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蟑螂在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，每次只有三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環(huán)反復(fù)，根據(jù)這個(gè)原理，仿生學(xué)家制造出機(jī)械蟑螂，它不僅每秒能夠前進(jìn)三米，而且平衡性非常好，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，不遠(yuǎn)的將來(lái)，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地.

3、機(jī)器梭子魚(yú)

麻省理工學(xué)院的機(jī)器梭子魚(yú)，是世界上第一個(gè)能夠自由游動(dòng)的機(jī)器魚(yú)。它大部分是由玻璃纖維制成的，上覆一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成，從而使這條機(jī)器梭子魚(yú)既堅(jiān)固又靈活。一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)為這條機(jī)器魚(yú)提供動(dòng)力。

4、機(jī)器蛙

機(jī)器蛙腿的膝部裝有彈簧，能像青蛙那樣先彎起腿，再一躍而起。機(jī)器蛙在地球上一躍的最遠(yuǎn)距離是2.4米；而在火星上，由于火星的重力大約為地球的1/3，機(jī)器蛙的跳遠(yuǎn)成績(jī)則可遠(yuǎn)達(dá)7.2米，接近人類(lèi)的跳遠(yuǎn)世界紀(jì)錄。因此它不會(huì)再像2007年的火星越野車(chē)那樣在一塊小石頭面前一籌莫展了。

5、機(jī)器蜘蛛

這是太空工程師從蜘蛛攀墻特技中得到靈感而創(chuàng)造出的。它安裝有一組天線模仿昆蟲(chóng)觸角，當(dāng)它邁動(dòng)細(xì)長(zhǎng)的腿時(shí)，這些觸角可探測(cè)地形和障礙。機(jī)器蜘蛛原形很小，直立高度僅18厘米，比人的手掌大不了多少。“蜘蛛俠”們不僅能攀爬太空越野車(chē)無(wú)法到達(dá)的火星陡坡地形，而且成本也經(jīng)濟(jì)許多，這樣，一大批太空“蜘蛛俠”就會(huì)遍布在火星大地的各個(gè)角落。

6、機(jī)器金槍魚(yú)

機(jī)器金槍魚(yú)機(jī)器金槍魚(yú)是麻省理工學(xué)院自“查理”之后在機(jī)器魚(yú)研制方面取得的最新成果。這個(gè)新原型擁有柔軟的身體，體內(nèi)只裝有1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以及6個(gè)移動(dòng)部件，使其能夠在更大程度上模擬真實(shí)魚(yú)的移動(dòng)。

7、機(jī)器人壁虎

珠海新概念航空航天器有限公司李曉陽(yáng)博士和他領(lǐng)導(dǎo)的研究組，2008年11月15日研制成功仿生機(jī)器人壁虎“神行者”。仿生機(jī)器人壁虎“神行者”作為一種體積小、行動(dòng)靈活的新型智能機(jī)器人，有可能在不久的將來(lái)廣泛應(yīng)用于搜索、救援、反恐，以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)考察。據(jù)李曉陽(yáng)博士介紹，這種機(jī)器人壁虎，能在各種建筑物的墻面、地下和墻縫中垂直上下迅速攀爬，或者在天花板下倒掛行走,對(duì)光滑的玻璃、粗糙或者粘有粉塵的墻面以及各種金屬材料表面都能夠適應(yīng)，能夠自動(dòng)辨識(shí)障礙物并規(guī)避繞行，動(dòng)作靈活逼真。其靈活性和運(yùn)動(dòng)速度可媲美自然界的壁虎。

8、機(jī)器水母

美國(guó)海軍研究辦公室研制一種“機(jī)器水母”，它可用于監(jiān)測(cè)水面艦船和潛艇，探測(cè)化學(xué)溢出物，以及監(jiān)控回游魚(yú)類(lèi)的動(dòng)向。這些機(jī)器水母是由生物感應(yīng)記憶合金制成的細(xì)線連接，當(dāng)這些金屬細(xì)線被加熱時(shí)，就會(huì)像肌肉組織一樣收縮。

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