當(dāng)今世界上存在的千萬種生物，都是經(jīng)過億萬年的適應(yīng)、進(jìn)化、發(fā)展而來，這使得生物體的某些部位巧奪天工，生物特性趨于完美，具有了最合理、最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、靈活的運(yùn)動(dòng)特性、以及良好的適應(yīng)性和生存能力。

自古以來，豐富多彩的自然界不斷激發(fā)人類的探索欲望，一直是人類產(chǎn)生各種技術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)造靈感不可替代、取之不竭的知識寶庫和學(xué)習(xí)源泉。道法自然，向自然界學(xué)習(xí)，采用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)、研制新型的機(jī)器、設(shè)備、材料和完整的仿生系統(tǒng)，是近年來快速發(fā)展的研究領(lǐng)域之一

仿生學(xué)

仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科。1960 年 9月，第一次世界仿生學(xué)大會(huì)在美國俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中，世界各國競相展開仿生技術(shù)研究，仿生學(xué)理論和技術(shù)迅速發(fā)展，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現(xiàn)。

仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀

縱觀仿生機(jī)器人發(fā)展歷程，到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個(gè)階段。

第一階段是原始探索時(shí)期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥類的翅膀撲動(dòng)，該階段主要靠人力驅(qū)動(dòng)。至 20 世紀(jì)中后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動(dòng)裝置的革新，仿生機(jī)器人進(jìn)入到第二個(gè)階段，宏觀仿形與運(yùn)動(dòng)仿生階段。該階段主要是利用機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實(shí)現(xiàn)了一定程度的人為控制。進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著人類對生物系統(tǒng)功能特征、形成機(jī)理認(rèn)識的不斷深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人進(jìn)入了第三個(gè)階段，機(jī)電系統(tǒng)開始與生物性能進(jìn)行部分融合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動(dòng)的運(yùn)用。當(dāng)前，隨著生物機(jī)理認(rèn)識的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人正向第四個(gè)階段發(fā)展，即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類生命系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)仿生機(jī)器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)具備生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如隨著人類對人腦以及神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，仿生腦和神經(jīng)系統(tǒng)控制成為了該領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿方向。

我國仿生研究起步較晚，近 30 年來在 NSFC的大力資助下，經(jīng)歷了跟蹤國外研究、模仿國外成果到局部領(lǐng)域齊頭并進(jìn)三個(gè)階段。如北京航空航天大學(xué)孫茂教授利用Navier-Stokes方程數(shù)值解和渦動(dòng)力學(xué)理論研究了模型昆蟲翼作非定常運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)力特性，解釋了昆蟲產(chǎn)生高升力的機(jī)理，為微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，在國際昆蟲撲翼飛行機(jī)理研究方面占有一席之地 。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏教授研制的類人五指靈巧手，能靈活運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行物品的抓取，技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

仿生機(jī)器人存在問題

仿生機(jī)器人從誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間里，對其研究取得了一系列的成果，開辟了機(jī)器人領(lǐng)域獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路和研究方法，大大開闊了人們的眼界，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和極強(qiáng)的生命力。但由于其學(xué)科交叉性，發(fā)展至今依然存在“形似而神不似”、達(dá)不到生物系統(tǒng)的精巧程度、實(shí)際應(yīng)用有限等諸多問題。究其原因，主要是在生物機(jī)理、機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、仿生材料、仿生控制、生物能量利用等方面存在問題。

這些年來，通過 NSFC 項(xiàng)目的資助，中國在仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成績，對陸（陸地爬行的）、海（水中游的）、空（空中飛的）的常見生物體都進(jìn)行了不同程度的仿生研究。但由于僅僅對其自然功能與特性作簡單的認(rèn)識層面的解讀，沒有真正理解自然界生物所具有的機(jī)能，因而研究工作常?！膀唑腰c(diǎn)水”，未能在國際上形成中國特色的仿生機(jī)器人研究一席之地。

仿生機(jī)器人發(fā)展趨勢

目前，隨著生物結(jié)構(gòu)和功能逐漸被認(rèn)知和掌握，仿生機(jī)器人技術(shù)已逐漸應(yīng)用于軍事、生產(chǎn)生活、康復(fù)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。仿生機(jī)器人研究的前提是對生物本質(zhì)的深刻認(rèn)識以及對現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的充分掌握，研究涉及多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展趨勢應(yīng)該是將現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)的新理論、新方法與復(fù)雜的生物特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群體仿生的統(tǒng)一 ，以達(dá)到與生物更加近似的性能，適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀相結(jié)合的仿生機(jī)器人系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)廣闊的應(yīng)用。

自然界的生物在 35 億年的物競天擇中，表現(xiàn)出了完美的生物合理性和對自然環(huán)境的高度適應(yīng)性，這為機(jī)器人的研究發(fā)展提供了新思路、新方法，使得機(jī)器人這一學(xué)科突破了原有技術(shù)的束縛，借大自然之手開辟出仿生機(jī)器人這一新的發(fā)展道路。隨著對仿生機(jī)器人研究的不斷深入，生物的部分結(jié)構(gòu)特性和功能已經(jīng)被逐漸揭示，在仿生結(jié)構(gòu)、仿生材料、生物信息感知等仿生機(jī)器人的重要領(lǐng)域取得了一定的研究進(jìn)展，部分研究成果已經(jīng)逐步在生產(chǎn)生活中開展了試驗(yàn)性應(yīng)用，其優(yōu)良的性能顯示出了仿生機(jī)器人廣闊的前景。然而，現(xiàn)有仿生機(jī)器人的功能特性仍然與被模仿的生物存在很大差距，究其原因，仿生機(jī)器人的研究還存在對生物機(jī)理揭示不深，仿生結(jié)構(gòu)、仿生材料、仿生控制、仿生能量等方面都與生物相應(yīng)特性差距較大等問題，這都限制了仿生機(jī)器人的發(fā)展。在未來的發(fā)展中，應(yīng)逐步摒棄傳統(tǒng)的機(jī)器人研究方法，利用多學(xué)科優(yōu)勢并從生物性能出發(fā)，使得仿生機(jī)器人向著結(jié)構(gòu)與生物材料一體化的類生命系統(tǒng)發(fā)展，從而在生產(chǎn)生活中發(fā)揮重要的作用。