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2020年07月27日 | 解析仿生机器人为了发展方向及趋势
2020-07-27 来源：工业电气网
当今世界上存在的千万种生物，都是经过亿万年的适应、进化、发展而来，这使得生物体的某些部位巧夺天工，生物特性趋于完美，具有了最合理、最优化的结构特点、灵活的运动特性、以及良好的适应性和生存能力。
自古以来，丰富多彩的自然界不断激发人类的探索欲望，一直是人类产生各种技术思想和发明创造灵感不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉。道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、研制新型的机器、设备、材料和完整的仿生系统，是近年来快速发展的研究领域之一
仿生学
仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。1960 年 9月，第一次世界仿生学大会在美国俄亥俄州的空军基地召开。此后几十年中，世界各国竞相展开仿生技术研究，仿生学理论和技术迅速发展，新的仿生原理和仿生装备不断涌现。
仿生机器人研究现状
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。
我国仿生研究起步较晚，近 30 年来在 NSFC的大力资助下，经历了跟踪国外研究、模仿国外成果到局部领域齐头并进三个阶段。如北京航空航天大学孙茂教授利用Navier-Stokes方程数值解和涡动力学理论研究了模型昆虫翼作非定常运动时的气动力特性，解释了昆虫产生高升力的机理，为微型仿生扑翼飞行器的设计提供了理论基础，在国际昆虫扑翼飞行机理研究方面占有一席之地 。哈尔滨工业大学刘宏教授研制的类人五指灵巧手，能灵活运动并进行物品的抓取，技术指标与国外同类产品相当。
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。
这些年来，通过 NSFC 项目的资助，中国在仿生机器人研究领域已经取得了一定的成绩，对陆（陆地爬行的）、海（水中游的）、空（空中飞的）的常见生物体都进行了不同程度的仿生研究。但由于仅仅对其自然功能与特性作简单的认识层面的解读，没有真正理解自然界生物所具有的机能，因而研究工作常常“蜻蜓点水”，未能在国际上形成中国特色的仿生机器人研究一席之地。
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。
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。然而，现有仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距，究其原因，仿生机器人的研究还存在对生物机理揭示不深，仿生结构、仿生材料、仿生控制、仿生能量等方面都与生物相应特性差距较大等问题，这都限制了仿生机器人的发展。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。
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史海拾趣
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