仿生机器人

仿生機器人一、仿生學Bionics研究生物系統的結構和性質以為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。

仿生學一詞是1960年由美國J.E.斯蒂爾根據拉丁字“bios”(“生命方式”的意思)和字尾“nic”(“具有……的性質”的意思) 構成的。

他認為“仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、或是以類似於生物系統方式工作的系統的科學”。

儘管人類在文明進化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學討論會的召開為標誌。

【2】仿生學的研究範圍主要包括﹕1.力學仿生，研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。

例如，建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。

2.分子仿生，研究與模擬生物體中脢的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。

例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構後，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲。

3.能量仿生，研究與模仿生物電器官、生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程。

4.信息與控制仿生，研究與模擬感覺器官、神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。

例如根據象鼻蟲視動反應製成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。

根據鱟複眼視網膜側抑制網絡的工作原理，研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的一些裝置。

此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。

5.某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的範圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。

一方面由於自動化向智能控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。

人工智能和智能機器人研究的仿生學方面──生物模式識別的研究，大腦學習、記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等──是仿生學研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關係密切。

兩者都研究生物系統中的控制和信息過程，都運用生物系統的模型。

但前者的目的主要是構造實用人造硬件系統；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。

模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。

其目的是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。

在仿生學研究中存在下列3個相關的方面﹕生物原型、數學模型和硬件模型。

前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋樑。

由於生物系統的複雜性，搞清生物系統的機制需要相當長的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。

【1】二、人工肌肉我們之所以能夠行動、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協調運動。

肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質交錯排列而成。

十多年前，美國太空總署為了在外太空工作，計劃開發新型的機器手臂，來完成傳統油壓機器手臂無法做的精密動作。

藉由模仿人類手臂肌肉的動作，開發出多種材料，可以藉由電流的通過產生收縮現象，這類的材料稱為電致動聚合物。

電致動聚合物的動作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會產生不同程度的形狀改變。

通電時，電致動聚合物內部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結構變成偏往某一端聚集，整個外觀看起來，就像是整條電致動聚合物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長。

當電位的方向改變時，又會使電致動聚合物向另一個方向彎曲。

電致動聚合物的這種特性，為其贏得了「人工肌肉」的稱號。

人工肌肉可以應用於機器手臂，由於聚合物的重量比金屬輕了許多，應用於外太空可以大幅減少載重。

目前國外已經成功利用電致動聚合物製造出機器手臂和機器臉，機器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動作，未來可以開發出手術用的機械手臂，機器臉也有能力做出像是眨眼或動嘴唇的腜情。

電致動材料的發展與應用目前尚處於初期的階段，現有的電致動聚合物仍有許多缺點等待克服，如降低驅動電壓、增進機械強度、加大變形程度、以及加快反應速度等。

除了上述機械手臂和機械臉的應用外，電致動聚合物也被製成機器昆蟲或可以在水中游泳的機器魚。

電致動聚合物也可以用在醫療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來替換受損傷的肌肉組織。

當病患的肌肉壞死無法動作時，醫療人員便可利用電致動聚合物植入患處，配合適當的電刺激，使殘障者可以重新活動，不需要再倚賴輪椅和柺杖了。

藉由仿效自然法則，模擬感官接收、傳遞、運作的方法與機制，可以為人類帶來許多福祉。

未來仿生科技結合奈痙材料及生物技術，可以製造人工視網膜、人工味蕾、人工神經傳導系統等更複雜的人工感官系統，必會對人類的生活提供更多的助益。

三、i-Limb的新型仿生手據報導，這只堪稱“全球第一手”的精良仿生手系由蘇格蘭觸摸仿生公司製造，其發明者是英國國家衛生體系蘇格蘭洛錫安區的復康部主管大衛·高醫生，目前已經申請專利。

高醫生潛心研究義肢20年，9年前開始嘗試研製仿生手。

他表示，"這是當今市場上首只指頭可以像真手般活動的義肢。

因此技術堪稱世界一流。

"由於其材料選用類似製造汽車引擎零件的輕量化塑膠製成，完全防水，並且比真手還輕。

Touch Bionics仿生公司宣稱這是迄今能做出最細微動作的義肢。

用戶只要輕輕動手臂肌肉便能操縱仿生機械手，手上５根指頭都可獨立運作，並通過患者的思維和肌肉來控制動作任意做出打字、撥號碼、用鑰匙開鎖等複雜動作，宛如真手一般靈活自如。

發明該仿生手的醫生表示，這只仿生手是目前最先進的，這是市場上首只仿生手的手指頭能夠像真手般活動的義肢。

“i-LIMB”的每根手指都安裝有一個微型馬達，並且可由其穿戴者發出的神經脈衝加以控制。

該仿生手憑手臂肌肉推動，其表面覆蓋有一層類比人類皮膚的半透明人工美容皮膚，逼真度極高。

只要裝上仿生手，貼在穿戴者手臂的電極會將信號傳送至微型馬達，推動仿生手做出各種動作。

不過，就手的觸覺來說，這只仿生手目前只能做到利用小部份的感覺信號，經由神經系統傳達到大腦，所以還有相當大的發展空間。

更讓人驚奇的是，這只生化電子手能和截肢者的身體完美的結合，造福傷殘人士。

而在這項發明中，最令我們雀躍的是神經末端和電子手部間的無線傳達，為支援熱插拔（hot-swap）的嵌入性手臂開創了新契機。

仿生手未推出前曾作臨床實驗，14名分別來自英國及美國的人裝上仿生手，他們大都表示，仿生手遠比一般義肢好用。

四、仿生機器人1仿生機器人的基本概念仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀、運動原理和行為方式的系統，能從事生物特點工作的機器人。

仿生機器人的類型很多，主要為仿人、仿生物和生物機器人3大類。

仿生機器人的主要特點：一是多為冗餘自由度或超冗餘自由度的機器人，機構復雜；二是其驅動方式有些不同于常規的關節型機器人，通常採用繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅動。

2仿生機器人的國內外研究現狀(1)水下仿生機器人水下機器人由于其所處的特殊環境，在機構設計上比陸地機器人難度大。

在水下深度控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅動原理、週圍模糊環境的識別等諸多方面的設計均需考慮。

以往的水下機器人採用的都是魚雷狀的外形，用渦輪機驅動，具有堅硬的外殼以抵抗水壓。

魚類的推進方式已成為人們研制新型高速、低噪音、機動靈活的柔體潛水器模仿的對象。

仿魚推進器效率可達到70% ～90% ，與水的相對速度比螺旋槳推進器小得多，有效地解決了噪音問題水下機器魚和機器蟹的靈活性遠遠高于現有的潛艇，幾乎可以達到水下任何區域，由人遙控，它可輕而易舉地進入海底深處的海溝和洞穴，可用于測繪海洋地圖，檢測水下污染，拍攝海洋生物，也可以悄悄地溜進敵方的港口，進行偵察而不被發覺，作為軍用偵察和科學探索的工具，其發展和應用的前景十分廣闊。

【5】(2)空中仿生機器人空中機器人即具有自主導航能力，無人駕駛的飛行器。

這類機器人活動空間廣闊、運動速度快，居高臨下而不受地形限制，在軍事、森林火災以及災難搜救中，前景極好。

其飛行原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。

目前國內外廣泛關注的微型飛行器側重于撲翼機的研究，它模仿鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理，將舉升、懸停和推進功能集于一個撲翼系統，可以用很小的能量做長距離飛行，同時具有較強的機動性，適合于長時間無能源補給及遠距離條件下執行任務。

(3)地面仿生機器人可以攀爬管道的蛇形機器人，這種蛇形機器人大部分由輕質的鋁或塑料組成，最大也只有成人手臂大小，機器人配有攝像機和電子傳感器，可以接受遙控指揮。

蛇形機器人可以成功上下一根塑料管道，並可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來去自由，讓蛇形機器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災難救援工作帶來了技術突破。

【4】(4)仿人機器人自1983年以來，美國研制出一系列7自由度擬人單臂和雙臂一體機器人，並已用于空間站實驗.1986年美國猶他州大學工程設計中心研制成功了著名的UTAHM IT靈巧手，該手有4指，拇指2關節，其餘3指各有3關節，手指關節繩索驅動並設有張力傳感器。

1990年由貝爾實驗室完成了靈巧手的軟硬件控制系統，並模擬人手的拿、夾、抓、握物體等多種動作進行了實驗.1992年日本進行多指仿人手臂真實作業的研究，系統由主從手臂及傳感控制系統組成，其靈巧手有4指，每指有3個關節，手具有14個自由度。

隨著多指靈巧手研究的發展，具有靈巧手的仿人臂及其系統的研究愈來愈受到重視。

日本本田公司和大阪大學聯合推出的P1、P2和P3型仿人步行機器人，將仿人機器人的研究推向一個嶄新的度。

在P3的基礎上本田公司又研制了“Asimo”智能機器人，如圖6所示.“Asimo”機器人高1. 2m，體重43kg，它可以爬樓梯，以6km /h的速度奔跑，可以識別各種各樣的聲音，還能夠通過頭部照相機捕捉到的畫面和事先設計好的程序識別人類的各種手勢運動以及10種不同的臉型，可以和人手拉著手走路，使用手推車搬運物品等。

國內一些科研院所也進行了仿人機器人的研究。

北京航空航天大學機器人研究所在國家" 863"智能機器人主題支持下，研制出了能實現簡單抓持和操作作業的3指9自由度靈巧手。

哈爾濱工業大學機器人研究所研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行機器人，其仿人手臂具有工作空間大、關節無奇異姿態、結構緊湊等特點，通過軟件控制可實現避障、回避關節極限和優化動力學性能等。