動物仿生機器人

物種進化的偉大設計師——大自然，為機器人提供了最佳的效仿對象。

到目前為止，大多數機器人被分為兩類。一種是工具機器人(Widgetophora)，裝有爪子、抓取裝置和車輪，只安裝必要的部件，看上去和其他的機器沒有兩樣(如電影《星球大戰(zhàn)》中的R2-D2)。另一種是類人型機器人(Anthropoidea)，和工具機器人相反，這些機器人竭力被塑造成人類的樣子，有可以活動的胳膊和手掌，有雙腿和雙腳，還有人類一樣的臉(如電影《星球大戰(zhàn)》中的C-3P0)。除了這兩種之外，還有少數仿生機器人類似于寵物(如索尼的機器狗AIBO)但大多數這些仿生機器人只不過是用來取樂的玩具。

但現在的仿生機器人不再僅僅是玩具了，機器人工程師似乎開始意識到他們還缺些什么。物種進化是最偉大的自然設計師，它已經為工具機器人和類人型機器人無法解決的問題找到了解決方法。工程師想到與其費力去想些根本沒有的東西，不如直接模仿這些自然經過四十億年的選擇留存下來的生物原型。由此，仿生機器人得到了迅猛發(fā)展。工程師現在不僅僅復制狗的原型，還能仿造長著胡須的鼯，在水里游的七鰓鰻可以抓物的章魚，會爬樹的蜥蜴和會挖洞的蛤蜊。他們甚至想仿造出像昆蟲一樣拍著翅膀就能飛起來的機器人。這樣一來，工具機器人和類人型機器人就被冷落到了一旁，仿生機器人則得到了長足的發(fā)展。

意大利比薩市圣安娜進修學院的塞西莉亞·拉斯基和她的團隊是這一趨勢的一個很好的代表。他們領導的國際團隊正在試圖研發(fā)一種機器章魚。

與單爪章魚親密接觸

為了研制仿真章魚，他們首先開始研究它名副其實的“殺手武器”：柔韌靈活的觸角。

脊椎動物的臂膀中，肌肉負責運動，骨骼承受體重。而章魚的觸角中沒有骨骼，所以肌肉既要負責運動，又要承受自身體重。這樣的優(yōu)勢在于，除了能夠緊緊抓握物體，還能將身體擠進很小的角落，而同等體積的脊椎動物完全無法做到。

在了解章魚觸角的運動方式之后，拉斯基博士和她的團隊成員研制出了能夠以同樣方式運作的仿真章魚。它的外殼由硅膠構成，安裝有壓力感應裝置來感知觸覺。殼的內部是由具有特殊彈性的鎳鈦合金制成的線纜和彈簧。這樣的仿真章魚能纏繞在物體周圍，運動方式和章魚驚人相似。

觸角競賽

拉斯基博士的機器人只能算是單爪章魚，不過她計劃在未來兩年內再加上七只觸角，并由一個控制裝置來協(xié)調這些觸角，目的是制造出一種能夠幫助人們在水下進行高難度作業(yè)的機器，比如在水下關閉漏油的閥門等等。

由保羅·達里奧和切薩雷·斯特凡尼領導的另一組圣安娜學院的工程師也在仿制一種水生生物，他們所仿制的是一種叫七鰓鰻的魚類。

七鰓鰻是最簡單的活體脊椎動物。和章魚一樣，它們也沒有骨骼，只有軟骨構成的基本骨架。它們的神經系統(tǒng)也很簡單，因此可以作為研究神經系統(tǒng)結構的最佳起點，正是這樣的神經系統(tǒng)最后會演變成像人腦這樣的復雜神經系統(tǒng)。斯德哥爾摩卡羅琳斯卡研究所的特恩·格瑞尼團隊已經花了多年時間研究七鰓鰻，試圖更深入地了解脊椎動物的神經系統(tǒng)。

他們制作了一條仿真七鰓鰻，完全模擬了七鰓鰻由多個環(huán)狀關節(jié)組成的軟骨脊椎。每個環(huán)狀關節(jié)都安裝了一個電磁體，當電流從頭部到達尾部時，這些電磁體就被激活，這與神經信號在動物體內的傳遞過程很相似。因此，一個關節(jié)吸引著另一個，再釋放它去吸引下一個關節(jié)，這樣就形成了波狀的運動推動機器前進。七鰓鰻的眼睛就如同小型的照相機，能夠辨別顏色和形狀以繞開障礙物。事實上，整個項目的主要目的就是解釋脊椎動物是如何利用感知來指導它們的運動。不過七鰓鰻獨特的推進系統(tǒng)還有其他的應用，如它能夠使機器順利地在水下運動。

另一位蘇黎世大學的仿真生物學家丹尼爾·杰曼使用機器人來觀察真實動物的行為。他正在通過觀察蛤蜊來制作仿真蛤蜊模型，以弄清動物的外殼形狀如何影響它們的存活機率。

很多蛤蜊能夠通過交替使用外殼和外殼里柔韌的足部在河床內掘洞來躲避捕食者。蛤蜊的這兩個部位輪流充當著力點，另一個部位則向著沉積物深處挖掘。蛤蜊還會通過它們外殼之間的間隙向外噴水來軟化沉積物，因此，一旦遇到危險，它們能在幾秒鐘內消失不見。

為了能夠清楚地了解這一過程，杰曼設計了一只仿真蛤蜊。它有兩瓣外殼，有兩條線控制兩瓣外殼進行相對運動，還有一個小的水泵能向外噴水。他還在為足部尋找最佳的設計方案。要是他能夠讓這個裝置以適當的方式隱蔽自己，他就能夠在外殼不同的仿真蛤蜊間展開一場競賽，以觀察哪種外殼更有效。其中幾種用來復制的外殼形狀來自一些化石。這項研究將驗證現代的蛤蜊外殼形狀比古代的更為有效，才會淘汰了那些古代的外殼形狀。

仿生壁虎腳

格瑞尼博士和杰曼的項目在學術上來說確實很有趣。不過其它的一些項目，比如拉斯基博士就更注重對實際運用的研究。黏黏蟲三代(StlckyBotⅢ)是斯坦福大學馬克，庫特科斯基的團隊研制出的一種機械壁虎，這是一個很好的范例。

真實的壁虎能夠攀爬墻壁，在天花板上行走，很多人覺得這很神奇。一個有著同樣功能的機器將會有很多的用途。壁虎爬墻的秘密在于它的腳趾上布滿了類似指紋脊線的精細結構，但是這些脊線之間有著較深的縫隙。當這個結構接觸物體表面時，這些脊線通過范德瓦爾斯靜電現象和物體表面吸附在一起。體重較輕的動物或機器完全能夠讓腳趾和接觸的表面緊緊吸附在一起。

和真的壁虎一樣，黏黏蟲三代也有四條腿，腳趾上同樣布滿了同樣的溝脊。仿真蜥蜴也能像真的蜥蜴那樣攀爬，不僅能夠在豎直的墻壁上爬行，甚至還能在懸掛在天花板上。

仿生物機器人能做的不止是獨特的運動能力。它們還能模擬人類不具備的感知能力。英格蘭謝菲爾德大學的托尼·普雷斯科特和他的團隊正在試圖復制伊特魯里亞鼩精細的觸須結構。

這些鼩在地下活動，在洞穴中行走時依靠它們的觸須來感知前方的物體。通過研究它們行動的慢鏡頭，普雷斯科特博士及他的同事們發(fā)現它們常常來回掃動觸須，反復觸碰它們感興趣的物體。

利用這些信息，研究者們研制出了機器鼩，仿制了鼩的頭部。它有18根長短不一的觸須，軟件可以單獨控制每一根觸須，并利用搜集到的信息來決定哪些物體值得進一步的探究。現在，機器鼩已經能夠辨別平滑的表面和粗糙的表面。普雷斯科特希望它在不久的將來能夠辨別像圓形，立方體和圓柱體這樣的基本形狀，并能夠在人類視線范圍以外的區(qū)域(如充滿煙霧的建筑)進行作業(yè)的機器人。

這些研究項目進展得都很順利。救援機器人將會是很用的發(fā)明。不過工程師們真正希望機器人能做的是像昆蟲一樣飛行，而且同時能夠在空中盤旋。這樣帶有攝像頭的微型飛行器能夠進入很小或很危險的地方并反饋信息，比如進入敵方軍事掩體進行偵察。

荷蘭代爾夫特大學里克·瑞杰辛克領導的研究人員研制出的DelFly是一種機器蜻蜒，能夠通過電機運轉振動翅膀，而且能夠在高速飛行和盤旋兩種模式之間切換，以便更好地勘察現場。第一代DelFly大多數是在遠程控制下運行，它還不是真正自主運行的機器人。不過，該機器安裝了攝像頭，能夠利用攝像頭傳回的圖像來調整飛行的高度和方向。研究人員希望未來能真正實現這一功能的自動運行。

奇思妙想

AirBurr也是一種飛行器，由瑞士洛桑理工學院的Jean Crlstophe Zufferey研制，但使用的原理截然不同。靜止時它看上去并不像昆蟲，但是運動的時候像昆蟲，特別是辨認障礙物的方式和昆蟲很相似。它并不是盡量避免障礙物，而是能夠在撞到墻壁時能夠很快進行調整并繼續(xù)飛行。它水珠狀的機翼和小型推動器被具有減振作用的柔性碳棒保護起來，而且為了保持平衡，即使墜落到地面，它的推進器方向也是保持朝上以便再度起飛，就像圍繞你房間嗡嗡飛行還怎么都拍不死的討厭飛蟲一樣。

因此，人們無需完全復制某種動物的形態(tài)就能實現它的功能。未來的機器人可能會像中世紀時期的怪物，有鼩的頭，章魚的觸角，七鰓鰻的身體。這種專業(yè)機器人還會具備與空中偵察機器人協(xié)同作戰(zhàn)的能力，為地面或海里執(zhí)行不同任務的機器人團隊提供軍事信息，它們可以被統(tǒng)稱為“機器人生態(tài)系統(tǒng)”。