你所没见过的仿生机器人，都在这里

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导言：动物优雅敏捷的运动行为很难被分析和模仿,这是因为运动是各个生物组件复杂相互作用的结果:中枢和周围神经系统、肌肉骨骼系统以及环境。仿生机器人意在从生物学原理中获取灵感来设计敏捷性可与动物相媲美的机器人，仿生机器人可用于流体力学、生物力学、神经科学和假体等领域的检验。这类应用或将有利于假体设备的设计制造，使其更好地贴合人体运动原理。

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编者注：

来源：《science》

原题：Biorobotics Using robots to emulate and investigate agile locomotion

作者：Auke J. Ijspeert
编译：机器人大讲堂（潘月、施亚楠、汤信雅、克斯）
转载联系： [e-mail]

一只猫奔跑、攀爬、跳跃以及迅速地捕捉移动物体总会让人目不转睛。然而完成这些敏捷的运动需要中枢神经系统、周围神经系统、肌肉骨骼系统和环境等复杂的相互作用。这种良好的运动能力对动物至关重要，对机器人也同样如此。在仿生机器人领域，无论是受生物学的启发或是直接仿生的机器人，其制造灵感都来自生物学原理，目的是使机器人的感觉运动能力接近于动物。这也增加了鱼形、蛇形、猫形和人形机器人在搜索和救援、环境监测、农业、交通和建筑领域的应用。

在生物力学和神经科学等生物领域，仿生机器人正起着越来越重要的回馈作用。为了游泳，细长的身体产生了行进波；为了爬行，蛇的鳞片提供非对称摩擦力；为了行走，四肢在高摩擦位和低摩擦位间轮流交替。

游泳

游泳涉及变形体（比如鱼起伏的身体或拍打的鱼鳍）和水之间复杂的相互作用。这种相互作用能产生复杂的水位移，并能导致惊人的结果。仿生机器人可以在探索底层物理现象和关于鱼的游泳机制的假设检验方面发挥重要作用。它可借鉴鱼类的游泳技巧的灵活性，例如鱼类不用怎么减速就能迅速掉头和能源效率。

自推进式机械胸鳍可用于变形鳍和水之间相互作用的研究。装置作者还设计了一个由两翼构成的设备，用来研究背鳍与臀鳍和尾鳍之间的相互作用。结果表明，两翼之间的相互作用有利于增强推力。

飞行

目前，飞行机器人的研究也非常热门。尤其是带有旋转翼（如四轴飞行器）和固定翼的机器人，比较少见的是被称作扑翼机的自推进式扑翼机器人。它们种类繁多，有微型机器人、费斯托的仿生鸟以及能载人的大型扑翼机。

扑翅机器人在研究昆虫和鸟类的飞行方面是非常有用的物理模型。与格雷悖论相似，昆虫的翅膀以恒定速度扇动时似乎无法产生足够的升力使其在气流中保持静止。这表明，翅膀的扑扇与旋转运动以及翅膀的运动产生的涡流，都对产生飞行所需的升力十分重要。通过在驱动翼上安装力传感器，研究扇动的翅膀如何产生升力才成为可能。研究还发现，昆虫的飞行可以解释为三种机制的相互作用：击翼的延迟失速机制、旋转环流机制和反向击翼时的尾际捕获机制。

爬行

许多动物在像干砂或砾石一样的颗粒介质上运动。颗粒介质是复合物，具有固体和流体的特点。一些动物甚至能在沙里游泳。沙鱼蜥蜴游泳不像水蛇，它们用大振幅行波。高速X射线成像显示，蜥蜴在砂体中游泳，是靠身体摆动，而不是肢体。制作的模拟情况是动物在流体摩擦中游泳，靠摩擦阻力和推力决定的。开发的模型证实在砂体里游泳和在水中游泳是相似的。该模型表现良好，可以很好预测效率和最优波运动学，这机器人是由蜥蜴发展来的。

攀岩

在机器人的研究领域中，人们也探索了机器人的攀岩能力。通过蜥蜴控制它们的脚在干燥的墙壁上攀岩，提高机器人的攀岩能力。分析认为，小的脚能使壁虎黏在墙上，所以仿蜥蜴机器人上安装了小角毛发聚合物。该机器人攀岩的时候，脚趾和踝关节容易放在其他位置，能更好的攀岩。因此，为了更好的攀岩，机器人需要脚能朝着不同的方向爬行。

四足动物的行走和奔跑

四足动物和多腿机器人的设计已经提上日程。该机器人是利用电缆和轻量级骨结构制造的。随着肢体间协调机制研究的进展，神经耦合和机械耦合也被运用到机器人身上了。

双足运动

双足类和仿人机器人是区分开的，从生物力学的观点来看，这些机器人都和人类相差甚远，因为他们执行任何动作都需要驱动，人们的行走依赖于自然的动力，靠肌肉骨骼系统的肢体摆动来完成行走。从能源效率的观点来看，这样的机器人是高效率的。

灵活的外骨骼和关节

机器人灵活的外骨骼（用于支撑机器人肢体）和假体（用于更换机器人肢体）是综合了机器人学、生物力学和人体运动控制学等学科的研究成果。为了让机器人能够更好地还原并增加像人类一样的肢体运动，人们设计了一系列构造精巧的外骨骼配置。为了减少仿生外骨骼的尺寸和重量，研究人员研究了人体动力学。与外骨骼类似，踝关节和膝关节假肢已被研发并已成为公司的商业产品。目前人们想出了一个有趣的方法——使用模拟神经肌肉模型驱动电动踝足假肢。该假体提供的能量能适应不同类型的雨天并直接根据地面坡度进行调整。而且，测量所得的踝关节假肢的力矩和角度数据说明其步态特征十分接近完整的人类步态。

未来的挑战和机遇

仿生机器人是一个令人兴奋的研究领域，主要有两个目标：（i）从生物学原理中获取灵感来设计能与动物敏捷性相适应的机器人；（ii）以机器人为工具，研究动物的适应性行为。

目前，机器人领域仍然存在许多需要机器人专家和生物学家共同解决的复杂问题。潜在的挑战主要包括设计和控制即将推出的机器人，让机器人能进行多样化的运动，并学习非稳态行为以及量化并实现敏捷性。除了少数例外，大多数仿生机器人还尚未被推出，因为他们还不足以抵御水、灰尘、泥土和瀑布，无法适应他们所处的复杂的环境。但是，很多科学性和工程类的工作仍然需要让机器人进行。

仿生机器人不同于它们的生物原型，很少有机器人能像动物那样进行多样化的运动，也不能在不同的步态和运动行为中进行自由切换，当然也有例外。对于许多户外机器人来说，多模态运动能力是非常重要的，这保证了它们能通过各种类型的环境而不会被卡住。

与此相关，无论是动物和机器人，都尚缺乏定量性指标来衡量的灵活性。例如，定义标准化的敏捷分数来评估并比较动物和机器人转弯、增速、起立等行为将是非常有用的。显而易见，量化机器人的多功能性是一个很有益的尝试。对机器人专家和生物学家而言，定义各种敏捷性度量是令人兴奋的，这不仅能评估现有的动物和机器人，还能为下一代机器人设计定下目标。

本文为机器人大讲堂翻译团队编译

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