一、仿生機器人的前途

首先，模仿某些昆蟲而制造出來的機器人并非簡單。比如，國外有的科學家觀察發(fā)現(xiàn)，螞蟻的大腦很小，視力極差，但它的導航能力高超：當螞蟻發(fā)現(xiàn)食物源后回去召喚同伴時，是把這一食物的映像始終存儲在它的大腦里，并利用大腦里的映像與眼前真實的景像相匹配的方法，循原路返回。科學家認為，模仿螞蟻這一功能，可使機器人在陌生的環(huán)境中具有高超的探路能力。

其次，不論何時，對仿生機械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要發(fā)展模仿人的機器人，又要發(fā)展模仿其他生物的機械（器）。機器人未問世之前，人們除研究制造自動偶人外，對機械動物非常感興趣，如傳說諸葛亮制造木牛流馬，現(xiàn)代計算機先驅(qū)巴貝吉設計的雞與羊玩具，法國著名工程師鮑堪松制造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名。

在機器人向智能機器人發(fā)展的時程中，就有人提出“反對機器人必須先會思考才能做事”的觀點，并認為，用許多簡單的機器人也可以完成復雜的任務。20世紀90年代初，美國麻省理工學院的教授布魯克斯在學生的幫助下，制造出一批蚊型機器人，取名昆蟲機器人，這些小東西的習慣和蟑螂十分相近。它們不會思考，只能按照人編制的程序動作。

幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動物園制造電子機器鳥，它能模仿母兀鷹，準時給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造了一種電子機器蟹，能進行深?？販y，采集巖樣，捕捉海底生物，進行海下電焊等作業(yè)。美國研制出一條名叫查理的機器金槍魚，長1.32米，由2843個零件組成。通過擺動軀體和尾巴，能像真的魚一樣游動，速度為7.2千米/小時?？梢岳盟诤Ｏ逻B續(xù)工作數(shù)個月，由它測繪海洋地圖和檢測水下污染，也可以用它來拍攝生物，因為它模仿金槍魚惟妙惟肖。

有的科學家正在設計金槍魚潛艇，其實就是金槍魚機器人，行駛速度可達20節(jié)，是名副其實的水下游動機器。它的靈活性遠遠高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進入海底深處的海溝和洞穴，悄悄地溜進敵方的港口，進行偵察而不被發(fā)覺。作為軍用偵察和科學探索工具，其發(fā)展和應用的前景十分廣闊。

同樣，研究制造昆蟲機器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研制一種有彈性腿的機器昆蟲，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障礙，一小時幾乎可前進37米。這種機器昆蟲最特殊的地方是突破了“牽動關節(jié)必須加發(fā)動機”的觀念。發(fā)明家用的新方法是：由鉛、鋯、鈦等金屬條構成一個雙壓電晶片調(diào)節(jié)器。當充電時，調(diào)節(jié)器彎曲，充完電了它又彈回原狀，反復充電，它就成了振動條。在振動條上裝有昆蟲肢體，振動條振動就成了機器昆蟲的動力，每次振動都會使這種爬行昆蟲前進2毫米。通過一只“蟲王”就可以控制一大群機器昆蟲，由它以接力形式把控制指令傳送給每個機器昆蟲。應用這種機器昆蟲可以在戰(zhàn)場上完成偵察、運送物品，或在其他星球進行探路。

二、仿生機器人體系結構

機器人體系結構，就是指為完成指定目標的一個或幾個機器人在信息處理和控制邏輯方面的結構方式。

1、基于功能來分解

基于功能分解的體系結構在人工智能上屬于傳統(tǒng)的慎思式智能，在結構上體現(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”的模式進行信息處理和控制實現(xiàn)。以美國國家航天局和美國國家標準局所提出的NASR人MtI〕為典型代表。這種體系結構的優(yōu)點是系統(tǒng)的功能明了，層次清晰，實現(xiàn)簡單。但是申行的處理方式大大延長了系統(tǒng)對外部事件的響應時間，環(huán)境的改變導致必須重新規(guī)劃，從而降低了執(zhí)行效率。因此只適合在已知的結構化環(huán)境下完成比較復雜的工作。

2、基于行為來分解

基于行為分解的體系結構在人工智能上屬于現(xiàn)代的反應式智能，在結構上體現(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”的模式并行進行信息處理和控制。以麻省理工的R.A.Brooks所提出的行為分層的包容式體系結構(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基于MotorSc hema的結構為典型代表。其主要優(yōu)點就是執(zhí)行時間短、效率高、機動能力強。但是由于缺乏整體的管理，很難適應于各種情況。因此只適用于在沐淘環(huán)境下執(zhí)行比較簡單的任務。

3、基于智能分布來分解

基于智能分布的體系結構在人工智能上屬于最新的分布式智能，在結構上體現(xiàn)為分散分布，在執(zhí)行上屬于協(xié)同執(zhí)行，既可以單獨完成各自的局部問題求解，又能通過協(xié)作求解單個或多個全局問題。以基于多智能體的體系結構為典型代表。這種體系結構的優(yōu)點是既具有“智能分布”的特點，又有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機制。但是如何在各個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踐。該體系結構在許多大型的智能信息處理系統(tǒng)上有著廣泛的應用。

除以上三類主要的體系結構之外，還有一些改進的混合式體系結構，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構、基于功能分解的多智能體結構等等。但是從整體上來看，它們或是在功能模塊的靈活性和擴展性上不足，或是沒能很好的協(xié)調(diào)慎思式智能與反應式智能，或是各層次間的交流機制不夠完善。

三、仿生式體系結構的思想原理

從本質(zhì)上來講，慎思式智能、反應式智能以及分布式智能，都是對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構就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為基礎，充分借鑒基于慎思式智能、反應式智能和分布式智能等三種體系結構思想的優(yōu)點與不足之處，針對機器人特別是未知環(huán)境下工作的移動機器人在控制體系結構方面所存在的缺點和問題，提出一種具有適應行為與進化能力的新的控制思想與理念。

借鑒分布式智能的思想，在控制體系結構中引人社會式行為控制層；

借鑒生物的自適應性思想，在控制體系結構中實現(xiàn)本代內(nèi)的由慎思式行為層到反射式行為層的學習；

借鑒生物的自進化性思想，在控制體系結構中實現(xiàn)多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進化(或退化)。

所以，仿生式體系結構共有四個行為控制層組成，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式行為控制層，它們并行接收來自感知層的外部和內(nèi)部信息，各自作出邏輯判斷和反應，發(fā)出控制信息到末端執(zhí)行層，通過競爭和協(xié)調(diào)來調(diào)節(jié)自身并適應外部環(huán)境，從而按照目標完成工作任務。

四、仿生機器人實例

1、機器蝎子

長約50厘米的機器蝎子與其他傳統(tǒng)的機器人不同，它沒有解決復雜問題的能力。機器蝎子幾乎完全依靠反射作用來解決行走問題。這就使得它能夠迅速對困擾它的任何事物做出反應，它的頭部有兩個超聲波傳感器。如果碰到高出它身高50%%的障礙物，它就會繞開。而且，如果左邊的傳感器探測到障礙物，它就會自動向右轉(zhuǎn)。

2、機械蟑螂

不只是蝎子，就連蟑螂也能給科學家提供設計的靈感，科學家們發(fā)現(xiàn)，蟑螂在高速運動時，每次只有三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環(huán)反復，根據(jù)這個原理，仿生學家制造出機械蟑螂，它不僅每秒能夠前進三米，而且平衡性非常好，能夠適應各種惡劣環(huán)境，不遠的將來，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地.

3、機器梭子魚

麻省理工學院的機器梭子魚，是世界上第一個能夠自由游動的機器魚。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，從而使這條機器梭子魚既堅固又靈活。一臺伺服電動機為這條機器魚提供動力。

4、機器蛙

機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。機器蛙在地球上一躍的最遠距離是2.4米；而在火星上，由于火星的重力大約為地球的1/3，機器蛙的跳遠成績則可遠達7.2米，接近人類的跳遠世界紀錄。因此它不會再像2007年的火星越野車那樣在一塊小石頭面前一籌莫展了。

5、機器蜘蛛

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觸角，當它邁動細長的腿時，這些觸角可探測地形和障礙。機器蜘蛛原形很小，直立高度僅18厘米，比人的手掌大不了多少?！爸┲雮b”們不僅能攀爬太空越野車無法到達的火星陡坡地形，而且成本也經(jīng)濟許多，這樣，一大批太空“蜘蛛俠”就會遍布在火星大地的各個角落。

6、機器金槍魚

機器金槍魚機器金槍魚是麻省理工學院自“查理”之后在機器魚研制方面取得的最新成果。這個新原型擁有柔軟的身體，體內(nèi)只裝有1臺發(fā)動機以及6個移動部件，使其能夠在更大程度上模擬真實魚的移動。

7、機器人壁虎

珠海新概念航空航天器有限公司李曉陽博士和他領導的研究組，2008年11月15日研制成功仿生機器人壁虎“神行者”。仿生機器人壁虎“神行者”作為一種體積小、行動靈活的新型智能機器人，有可能在不久的將來廣泛應用于搜索、救援、反恐，以及科學實驗和科學考察。據(jù)李曉陽博士介紹，這種機器人壁虎，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，能夠自動辨識障礙物并規(guī)避繞行，動作靈活逼真。其靈活性和運動速度可媲美自然界的壁虎。

8、機器水母

美國海軍研究辦公室研制一種“機器水母”，它可用于監(jiān)測水面艦船和潛艇，探測化學溢出物，以及監(jiān)控回游魚類的動向。這些機器水母是由生物感應記憶合金制成的細線連接，當這些金屬細線被加熱時，就會像肌肉組織一樣收縮。