| 机器人 动物仿生机器人 新一代动物仿生机器人即将在实验室诞生 Jul 7th 2011 | ROME | from the print edition  直至近来，大多数机器人才被认为属于两大生物纲目之一。工具型机器人保持了机器人应有的基本元素，如装备了爪形机械，抓具和轮子，但看上去，它怎么都象是台机器（如R2-D2）。相比之下，类人形机器人则最大程度地与创造它们的人类相似，它们的运动臂上有自己的双手，下肢有真正的脚，有人类一样的脸（如C-3PO）。介于这两种极端情况之间的是少数具备动物特征的机器人，它们通常被做成宠物的模样（如索尼机器狗AIBO），但事实上，它们只不过是供娱乐的玩具。 但是这些机器人将不再被当作玩具。虽然有些迟晚，但机器人工程师们已逐渐认识到他们已经错失了一个机会。伟大的自然设计师—物种进化—已经为工具型机器人和类人型机器人不能解决的问题提供了答案。工程师想知道为什么不复制这些行之有效的生物原型，而偏偏费力地去猜测40亿年的自然选择。 结果有动物特征的机器人一直以来都得到迅猛发展。现在，工程师们的仿生对象不仅有狗，还包括长有胡须的鼩鼱,会游泳的七鳃鳗，抓力十足的章鱼，善于攀爬的蜥蜴和穴居蛤。他们甚至在努力模仿昆虫，研发可以振翅高飞的昆虫机器人。结果，工具型机器人和类人形机器人研究逐渐受到冷落。而动物形态仿生机器人研究正不断取得进展。 Cecilia Laschi及其研究小组来自意大利比萨市的圣安娜高级研究院,他们领导的国际财团正在研制章鱼机器人。在动物形态仿生机器人研究方面,他们可谓是极好的范例。  与单爪章鱼亲密接触 为了制造人工头足类机器人，他们开始从字面和隐喻意义上来了解章鱼的杀手武器：灵活而柔韧的臂腕触手。对脊椎动物的手臂而言，肌肉负责运动，骨骼承受重量。但章鱼的触手没有骨组织，因此它的肌肉必须能够承担运动及承重两项工作。它的优点是，除了能抓紧物体，还可将触手挤进同样尺寸的脊椎肢体无法到达的角落和缝隙。 研究了章鱼触手的运动方式后，Laschi博士和她的研究小组成功研制了一只人造触手，其运动方式与真章鱼完全相同。它的外壳由硅材料制成并安装了压力传感器，以便识别碰触到的物体。壳体内部装有数根电缆和弹簧，弹簧由具有特殊弹性的镍钛合金制成。实验结果表明，人造触手能将一个物体包裹起来，其运动方式与真章鱼有着惊人的相似之处。 肢体竞赛 到目前为止，Laschi博士的机器人只能算是单爪的章鱼，但是她计划在未来两年对此进行改进，增加另外七只臂爪并用控制系统协调它们的运动。她的目标是研制一个自动化机器人，以帮助人们从事有困难的水下作业——例如关闭泄漏石油的阀门。 在Paolo Dario和Cesare Stefanini的带领下，圣安娜高级研究院的另一组工程人员也在做水生动物的仿生研究。不过他们研究对象是一种鱼类：七鳃鳗。 七鳃鳗是一种最简单的活体脊椎动物。它们和章鱼一样都没有骨骼（尽管它们有一个软骨组织构成的基本骨架）。它们的神经系统也非常简单，这使它们成为神经布局研究的很好起点，因为人脑复杂的神经布局最终也是由这种简单神经演化来的。为此，斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所Sten Grillner的研究小组花了很多年时间来研究七鳃鳗，以获取对脊椎动物神经的更深见解。 他最近是通过观察鱼的机器人版本来了解脊椎动物的神经活动。Dario博士和Stefanini博士为他制作了一个形似“七鳃鳗”的机器人（见上图），它由许多环状关节组成，模仿了七鳃鳗的软骨脊椎结构原型。每个环状关节上都连接有电磁铁，靠头尾间的流通电流激发，多少象真实动物体内神经信号的传递方式。因此，一个关节先是吸引下一个关节，然后再释放，由此产生波纹似式的运动推动机器人前进。 七鳃鳗的眼睛就是小型摄像机，它能够利用摄像机收集到的颜色、形状信息来绕开障碍物。实际上，这个项目的主要目的是解释脊椎动物如何利用感知能力来指导它们的运动。但是七鳃鳗机器人的独特推进系统也可能有其它应用，比如它已被证明为推动机器在水中运动的有效方法。 Daniel Germann是另一位利用机器人来了解真实动物行为的动物学家，他来自苏黎世大学。他的研究对象是蛤，他正在制作蛤的仿生机器人以研究动物的贝壳对其生存机会的影响。 许多蛤类利用双壳及内部柔软强健足部的交替运动在河床上掘洞来逃避天敌。它的这两个部分轮流充当立足锚点，而另一部分则向沉积物深处挖掘。两片贝壳间喷射出的大量水分用来软化沉积物。这样，它们在受到威胁时能在几秒内迅速消失。 为了明白蛤运动的真实情况，Germann设计了一个蛤机器人。它具有双贝壳，分别由两根绳控制进行相对运动，还有用来排水的微型泵（他仍在寻找蛤足的最佳设计方案）。一旦证明这样的设计能够使机器人以令人满意的方式埋藏自身，他就会计划让不同壳体形状的机器人进行竞赛，以弄清楚哪些壳体形状能发挥更大的效用。在他准备仿制的壳类中，有一些属于化石物种。通过这些研究可以检验一种假设：即现代壳体要比古代壳体更为有效，从而用前者取代后者。 仿生壁虎脚 从学术角度来看， Grillner博士和Germann的研究项目确实非常有趣。但象Laschi博士那样的其它科研小组更倾向于实际应用的研究。斯坦福大学Mark Cutkosky领导的研究小组开发了一个称做"黏脚机器人III"的壁虎机器人，成为机器人实际应用上的极好范例。 真正的壁虎有攀爬墙壁和在天花板行走的能力，人们对此一直都很着迷。如果机器人也能完成这些动作，那它可能会有很多用途。壁虎行走的奥秘在于它的脚趾间布满了密密层层的精细结构，看上去有些象指纹脊线，不同的是脊线间存在着较深的沟痕。壁虎趾部触压表面时，通过一种称做"范德瓦尔斯力"的静电现象使壁虎脚隆起部位的分子与接触表面的分子产生黏合吸力。对于一个体重较轻的动物（或机器人），这种作用力足够使脚趾黏附在行走表面上。 "黏脚机器人III"和真正壁虎一样有四条腿。同时，它的脚趾也象壁虎那样布满了隆沟。人工蜥蜴具有和天生壁虎相同的攀爬绝技。它不仅能垂直墙壁上爬行，甚至还能在悬挂物体的表面上行走。 动物形态仿生机器人具备的不只是聪明的运动方式，它们还能模仿人类所不具备的感知能力。比如英国谢菲尔德大学的Tony Prescott 及其团队正在试图仿制伊特鲁里亚鼩极其敏感的胡须。 伊特鲁里亚鼩鼱生活在地下，它们在地洞四处活动时，靠胡须感知前方的物体。通过对鼩鼱活动时的慢镜头研究，Prescott博士及其同事们发现这种动物经常前后扫动它们的胡须，如果有什么东西引起了它们的兴趣，就会再次碰触它。 利用这些信息，研究人员制造了鼩机器人，其头部与真鼩一般无二。鼩鼱机器人有18根不同长度的胡须，每根胡须的活动都由软件进行单独控制，利用胡须收集到的信息来判断某个物体是否有进一步研究的价值。目前，鼩鼱机器人能够区分光滑和粗糙的表面。博士希望鼩鼱机器人很快能够识别球形，正方体，圆柱这样的基本形体。他的长期目标是研发能在视觉失效场所发挥作用的机器人，比如充满浓烟的建筑。  鼩鼱机器人功能距离可盘旋的DelFly仅一步之遥 所有研究似乎都进展得不错。机器人救护员也将会是项有用的发明。但是很多工程师真正想做的是为机器人装上飞行昆虫的振翅，使其具备飞行的能力，同时具有空中盘旋的功能。这种有飞行能力的微型机器人身上安装了摄像机，它能够代替人类进入微小空间或危险地带工作，比如进入敌人的军事掩体进行敌情侦察，然后将信息反馈回来。 DelFly是一种蜻蜓机器人，由荷兰德尔夫特大学Rick Ruijsink及其手下的研究人员开发，它有一对依靠电机运动的振翅，能在高速飞行和盘旋两种模式间切换，以便对感兴趣的地方进一步细致观察。第一个版本的DelFly主要靠远程控制进行操作，它还不是真正意义上的自动化机器人。但是它可以利用身载摄像机收集到的信息对自身的飞行高度和方向进行调整。Rick Ruijsink希望将DelFly的能力进行扩展，从而在未来实现真正的自动化。 异想天开 AirBurr是由洛桑理工学院Jean Cristophe Zufferey 采用不同方法研制的另一种飞行机器人。这种机器人看上去不象昆虫，但却能以昆虫的方式运动。特别的是，它对付障碍物的方法与昆虫类似。首先，它的设计思想并不是千方百计地躲避障碍物，而是偶尔“咚”的一声撞墙后，它能迅速调整自身状态，恢复飞行。为此，机器人的泪滴形翼和小型推进器被有减震作用的柔性碳棒保护起来。机器人采用的平衡保护方式是：即使坠落到地面，它的推进器方向也是经常朝上以便再度起飞，很象围绕你房间嗡嗡飞行拍不死的讨厌飞虫。 研究的结果是你无须为了实现某种动物的功能而让机器人复制它的模样。未来的机器人可能会象中世纪时期的怪物，具有的鼩鼱的头，章鱼的足，七鳃鳗的身体。但是更为可能的是，这种专家机器人将具备与空中侦察机器人协同作战的能力，为地面或海里执行不同的任务的机器人团队提供军事信息——你可以称它为“机器人生态系统”。 from the print edition | Science and Technology
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