仿生机器人研究现状与发展趋势

王鑫+张炯+刘炼

摘要：仿生机器人是指依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段，并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深，结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题，导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异，“形似而神不似”，远未达到实际应用程度。指出仿生机器人正向着刚柔混合结构，高效的能量转换的类生命系统方向发展。

关键词：仿生机器人；研究现状；发展趋势

一、仿生机器人研究现状

仿生机器人的出现很好地体现了仿生应用的理念。人类最早进行了陆面仿生机器人的探索，如中国三国时期的木牛流马以及1893年由Rygg设计的机械马[12]；其次，进行了空中仿生机器人探索，最早模仿鸟类的飞行进行扑翼飞行器设计，1485年达芬奇设计的扑翼飞机图纸是世界上第一个按照技术规程进行的设计；最后，是水下仿生机器人的探索。纵观仿生机器人发展历程，到现在为止经历了三个阶段。第一阶段是原始探索时期，该阶段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飞行器，模拟鸟类的翅膀扑动，该阶段主要靠人力驱动。至20世纪中后期，由于计算机技术的出现以及驱动装置的革新，仿生机器人进入到第二个阶段，宏观仿形与运动仿生阶段。该阶段主要是利用机电系统实现诸如行走、跳跃、飞行等生物功能，并实现了一定程度的人为控制。进入21世纪，随着人类对生物系统功能特征、形成机理认识的不断深入，以及计算机技术的发展，仿生机器人进入了第三个阶段，机电系统开始与生物性能进行部分融合，如传统结构与仿生材料的融合以及仿生驱动的运用。当前，随着生物机理认识的深入、智能控制技术的发展，仿生机器人正向第四个阶段发展，即结构与生物特性一体化的类生命系统，强调仿生机器人不仅具有生物的形态特征和运动方式，同时具备生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如随着人类对人脑以及神经系统研究的深入，仿生脑和神经系统控制成为了该领域科学家关注的前沿方向。

二、仿生机器人存在问题

仿生机器人从诞生、发展，到现在短短几十年的时间里，对其研究取得了一系列的成果，开辟了机器人领域独特的技术发展道路和研究方法，大大开阔了人们的眼界，显示出了广阔的应用前景和极强的生命力。但由于其学科交叉性，发展至今依然存在“形似而神不似”、达不到生物系统的精巧程度、实际应用有限等诸多问题。究其原因，主要是在生物机理、机构及驱动设计、仿生材料、仿生控制、生物能量利用等方面存在问题。

三、仿生机器人发展趋势

目前，随着生物结构和功能逐渐被认知和掌握，仿生机器人技术已逐渐应用于军事、生产生活、康复医疗等诸多领域。仿生机器人研究的前提是对生物本质的深刻认识以及对现有科学技术的充分掌握，研究涉及多学科的交叉融合，其发展趋势应该是将现代机构学和机器人学的新理论、新方法与复杂的生物特性相结合，实现结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群体仿生的统一，以达到与生物更加近似的性能，适应复杂多变的环境，最终实现宏观和微观相结合的仿生机器人系统，从而实现广阔的应用。

1、仿生机理研究由宏观向微观发展

认识生物原型的特性是仿生学的前提。随着生物学、化学、物理学、机械学等多学科在仿生机理研究上的应用，仿生机理研究将跨越宏观、微观乃至纳观尺度的多层次结构和功能，由表及里逐渐深入，通过建立更为逼真的数学模型，为仿生机器人的设计提供理论基础。

2、仿生结构由刚性结构向刚柔一体化结构发展

仿生刚柔性混合结构成为目前机构设计的发展趋势之一，仿生结构的设计从刚性结构转向刚柔混合结构，既可具有生物刚性的支撑结构又可具有柔性的自适应结构。通过改进现有的机械设备和工具，或设计制造新型的仿生高效机械设备和工具，仿生机器人将实现结构轻便、质量小、精密程度更高的特点。此外，变结构的复合仿生机构可针对不同环境约束的变化具有更好的适应能力，因此研究模拟生物运动过程中开链、闭链结构的相互转换、复合，设计创新的非连续变约束复合仿生新机构，是仿生机构的另一个重要发展方向。

总结：自然界的生物在35亿年的物竞天择中，表现出了完美的生物合理性和对自然环境的高度适应性，这为机器人的研究发展提供了新思路、新方法，使得机器人这一学科突破了原有技术的束缚，借大自然之手开辟出仿生机器人这一新的发展道路。随着对仿生机器人研究的不断深入，生物的部分结构特性和功能已经被逐渐揭示，在仿生结构、仿生材料、生物信息感知等仿生机器人的重要领域取得了一定的研究进展，部分研究成果已经逐步在生产生活中开展了试验性应用，其优良的性能显示出了仿生机器人广阔的前景。在未来的发展中，应逐步摒弃传统的机器人研究方法，利用多学科优势并从生物性能出发，使得仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展，从而在生产生活中发挥重要的作用。

參考文献：

[1]赵理想，宁祎.仿生双足机器人步态规划研究现状及展望[J].现代制造，2016（27）：122-124.

[2]熊蓉.仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况[J].机器人技术与应用，2017（2）：29-36.

[3]牛婧媛，秦健.PVC仿生机器人校本课程的学习者学习需求调查研究——以西安铁一中滨河学校为例[J].才智，2015（14）.

[4]梁忠正，陈玉娟，沈家润，等.一种新型仿生蜘蛛机器人行走机构的设计研究[J].现代制造技术与装备，2016（9）：47-49.

[5]王安忆，刘贵杰，王新宝，等.身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析[J].机械工程学报，2016，52（17）：137-146.

[6]王丽慧，周华.仿生机器人的研究现状及其发展方向[J].上海师范大学学报（自然科学版），2007，36（6）：58-62.

作者简介： 作者信息：

刘炼，男，1995年8月2日，籍贯，湖南，哈尔滨远东理工学院学生，黑龙江省大学生创新创业项目“应急自动搜索智能机器人的研究”项目第二负责人，项目编号：201613301020

王鑫，女，1983年3月7日，副教授，籍贯，黑龙江，哈尔滨远东理工学院教师，黑龙江省大学生创新创业项目“应急自动搜索智能机器人的研究”项目指导教师