你所沒見過的仿生機器人，都在這裡

導言：動物優雅敏捷的運動行為很難被分析和模仿,這是因為運動是各個生物組件複雜相互作用的結果:中樞和周圍神經系統、肌肉骨骼系統以及環境。仿生機器人意在從生物學原理中獲取靈感來設計敏捷性可與動物相媲美的機器人，仿生機器人可用於流體力學、生物力學、神經科學和假體等領域的檢驗。這類應用或將有利於假體設備的設計製造，使其更好地貼合人體運動原理。

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編者註：

來源：《science》

原題：Biorobotics Using robots to emulate and investigate agile locomotion

作者：Auke J. Ijspeert編譯：機器人大講堂（潘月、施亞楠、湯信雅、克斯）轉載聯繫： zhangchuanyan88@139.com

一隻貓奔跑、攀爬、跳躍以及迅速地捕捉移動物體總會讓人目不轉睛。然而完成這些敏捷的運動需要中樞神經系統、周圍神經系統、肌肉骨骼系統和環境等複雜的相互作用。這種良好的運動能力對動物至關重要，對機器人也同樣如此。在仿生機器人領域，無論是受生物學的啟發或是直接仿生的機器人，其製造靈感都來自生物學原理，目的是使機器人的感覺運動能力接近於動物。這也增加了魚形、蛇形、貓形和人形機器人在搜索和救援、環境監測、農業、交通和建築領域的應用。

在生物力學和神經科學等生物領域，仿生機器人正起著越來越重要的回饋作用。為了游泳，細長的身體產生了行進波；為了爬行，蛇的鱗片提供非對稱摩擦力；為了行走，四肢在高摩擦位和低摩擦位間輪流交替。

游泳

游泳涉及變形體（比如魚起伏的身體或拍打的魚鰭）和水之間複雜的相互作用。這種相互作用能產生複雜的水位移，並能導致驚人的結果。仿生機器人可以在探索底層物理現象和關於魚的游泳機制的假設檢驗方面發揮重要作用。它可借鑒魚類的游泳技巧的靈活性，例如魚類不用怎麼減速就能迅速掉頭和能源效率。

自推進式機械胸鰭可用於變形鰭和水之間相互作用的研究。裝置作者還設計了一個由兩翼構成的設備，用來研究背鰭與臀鰭和尾鰭之間的相互作用。結果表明，兩翼之間的相互作用有利於增強推力。

飛行

目前，飛行機器人的研究也非常熱門。尤其是帶有旋轉翼（如四軸飛行器）和固定翼的機器人，比較少見的是被稱作撲翼機的自推進式撲翼機器人。它們種類繁多，有微型機器人、費斯托的仿生鳥以及能載人的大型撲翼機。

撲翅機器人在研究昆蟲和鳥類的飛行方面是非常有用的物理模型。與格雷悖論相似，昆蟲的翅膀以恆定速度扇動時似乎無法產生足夠的升力使其在氣流中保持靜止。這表明，翅膀的撲扇與旋轉運動以及翅膀的運動產生的渦流，都對產生飛行所需的升力十分重要。通過在驅動翼上安裝力感測器，研究扇動的翅膀如何產生升力才成為可能。研究還發現，昆蟲的飛行可以解釋為三種機制的相互作用：擊翼的延遲失速機制、旋轉環流機制和反向擊翼時的尾際捕獲機制。

爬行

許多動物在像干砂或礫石一樣的顆粒介質上運動。顆粒介質是複合物，具有固體和流體的特點。一些動物甚至能在沙里游泳。沙魚蜥蜴游泳不像水蛇，它們用大振幅行波。高速X射線成像顯示，蜥蜴在砂體中游泳，是靠身體擺動，而不是肢體。製作的模擬情況是動物在流體摩擦中游泳，靠摩擦阻力和推力決定的。開發的模型證實在砂體里游泳和在水中游泳是相似的。該模型表現良好，可以很好預測效率和最優波運動學，這機器人是由蜥蜴發展來的。

攀岩

在機器人的研究領域中，人們也探索了機器人的攀岩能力。通過蜥蜴控制它們的腳在乾燥的牆壁上攀岩，提高機器人的攀岩能力。分析認為，小的腳能使壁虎黏在牆上，所以仿蜥蜴機器人上安裝了小角毛髮聚合物。該機器人攀岩的時候，腳趾和踝關節容易放在其他位置，能更好的攀岩。因此，為了更好的攀岩，機器人需要腳能朝著不同的方向爬行。

四足動物的行走和奔跑

四足動物和多腿機器人的設計已經提上日程。該機器人是利用電纜和輕量級骨結構製造的。隨著肢體間協調機制研究的進展，神經耦合和機械耦合也被運用到機器人身上了。

雙足運動

雙足類和仿人機器人是區分開的，從生物力學的觀點來看，這些機器人都和人類相差甚遠，因為他們執行任何動作都需要驅動，人們的行走依賴於自然的動力，靠肌肉骨骼系統的肢體擺動來完成行走。從能源效率的觀點來看，這樣的機器人是高效率的。

靈活的外骨骼和關節

機器人靈活的外骨骼（用於支撐機器人肢體）和假體（用於更換機器人肢體）是綜合了機器人學、生物力學和人體運動控制學等學科的研究成果。為了讓機器人能夠更好地還原並增加像人類一樣的肢體運動，人們設計了一系列構造精巧的外骨骼配置。為了減少仿生外骨骼的尺寸和重量，研究人員研究了人體動力學。與外骨骼類似，踝關節和膝關節假肢已被研發並已成為公司的商業產品。目前人們想出了一個有趣的方法——使用模擬神經肌肉模型驅動電動踝足假肢。該假體提供的能量能適應不同類型的雨天並直接根據地面坡度進行調整。而且，測量所得的踝關節假肢的力矩和角度數據說明其步態特徵十分接近完整的人類步態。

未來的挑戰和機遇

仿生機器人是一個令人興奮的研究領域，主要有兩個目標：（i）從生物學原理中獲取靈感來設計能與動物敏捷性相適應的機器人；（ii）以機器人為工具，研究動物的適應性行為。

目前，機器人領域仍然存在許多需要機器人專家和生物學家共同解決的複雜問題。潛在的挑戰主要包括設計和控制即將推出的機器人，讓機器人能進行多樣化的運動，並學習非穩態行為以及量化並實現敏捷性。除了少數例外，大多數仿生機器人還尚未被推出，因為他們還不足以抵禦水、灰塵、泥土和瀑布，無法適應他們所處的複雜的環境。但是，很多科學性和工程類的工作仍然需要讓機器人進行。

仿生機器人不同於它們的生物原型，很少有機器人能像動物那樣進行多樣化的運動，也不能在不同的步態和運動行為中進行自由切換，當然也有例外。對於許多戶外機器人來說，多模態運動能力是非常重要的，這保證了它們能通過各種類型的環境而不會被卡住。

與此相關，無論是動物和機器人，都尚缺乏定量性指標來衡量的靈活性。例如，定義標準化的敏捷分數來評估並比較動物和機器人轉彎、增速、起立等行為將是非常有用的。顯而易見，量化機器人的多功能性是一個很有益的嘗試。對機器人專家和生物學家而言，定義各種敏捷性度量是令人興奮的，這不僅能評估現有的動物和機器人，還能為下一代機器人設計定下目標。

本文為機器人大講堂翻譯團隊編譯

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