有关于陆上陆上杆机构运动仿生目前状况、关键技术及未来进展

论文导读：
摘要：从运动仿生的生物学基础、仿生运动体的发展和存在问题、运动仿生的未来发展等几个方面回顾和评述运动仿生面临的问题和发展机遇。分析了四足动物运动的生物学机制和国内外现有仿生机器人发展现状及存在的问题，并预测先进环境感知技术、分布式驱动和智能源于：论文大纲www.7ctime.com
驱动材料、杆机构机器人与智能控制技术和动物运动规律的研究将是未来运动仿生发展的方向。
关键词：运动仿生；智能机器人；智能驱动材料；环境感知
1005-2615（2012）05-0621-08
运动是动物的基本特征，动物的运动是其实现扑食逃逸、求偶繁衍等基本生存能力的关键。在百万年的演化和进化中，动物的运动能力——跑、游、跳、飞，均达到了令人类惊叹的地步。另一方面，对运动的控制和实现，也是人类科技发展和技术进步的主要表现之一。
自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，获得了实现优异运动能力的核心技术，如环境感知、冗余信息处理、运动能力多变的机构、节能和分布式驱动等，这些技术不少已经为人们所感悟，并用于人类所创造的运动系统。相传早在大禹时期，中国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。同样的技术发明在四大文明古国均有历史记录或者考古发现。因此，可以说仿生的历史一直蕴含在人类的文明进化的过程中。
飞行一直是人类所追求的梦想，飞行技术的发展和进步，是仿生学成功的典范。16世纪初，意大利人达芬奇及其助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了一架扑翼机。1891年，德国的工程师Lilienthal成功地进行了可重复的滑翔飞行。莱特兄弟发明带动力的飞行器，改变了人类运动的方式。两次世界大战的军事需求，促进了飞行仿生技术的发展，在世界大战期间和战后几十年来，飞机的机翼形状、机身外形、抗疲劳和稳定性设计等方面的设计进步，几乎都受到动物飞行翼、动物外形和结构特征的启发。
20世纪90年代初，各国都在为发展“仿生”相关交叉学科的基础研究作了精心长期的计划准备。美国在DARPA，N，空军和海军等项目支持下，发展了一系列的高端仿生技术，如脑机接口技术、智能机器人技术、动物的运动控制等领域，同时还优先发展先进制造、先进材料、先进军事装备研究的长期计划；德国在DFG，BMBF等项目支持下，在仿生电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了大量财力和人力。前苏联和俄罗斯一直把仿生作为主要的原创技术来源，其独特的对地观测系统源于昆虫复眼研究的结果，Frantsevich院士为此获得列宁勋章。英国、日本以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研究的全球性竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。
国内20世纪50年代，以中科院生物物理所为核心，曾结合国家的安全目标，形成一个研究的小，后因中断。2000年前，仿生研究还比较零散，主要代表包括吉林大学的任露泉、金属研究所的周本廉等。近年来国内仿生学研究发展迅猛，主要研究集中在材料、表面、运动等领域，形成群雄并起的局面。
在仿生的诸多领域中，运动仿生受到人们的格外重视。国内2003年10月第214次香山科学会议的主题是“飞行和游动的生物力学与仿生技术”，同年12月第220次香山科学会议的主题是“仿生学的科学意义与前沿”。路甬祥、童秉纲等9位中国科学院和中国工程院院士对中国仿生科学与工程的发展寄予殷切的期望。会后，国内的仿生研究进展很快，已经建立了不少以“仿生”为主题的研究机构。特别是运动仿生和智能机器人技术相结合，在国内形成了很好的研究氛围。研究涉及四足机器人、仿鱼机器人、仿人机器人、仿壁虎机器人、仿蝴蝶和仿鸟机器人、仿蟹机器人、仿蛇机器人等，国内从事自动化、机械电子、信息技术等领域的学者纷纷从不同的角度开展研究，形成了运动仿生和机器人研究的。
在当前国家面临的特殊国际环境下，发展军用运动仿生对于形成非对称抗衡能力，促进科学的发展和论文导读：
技术的源头创新，是一个重要的选择。
本文从运动的生物学基础、仿生运动体的发展和存在问题及运动仿生的未来发展几个方面回顾和评述运动仿生面临的问题和发展机遇。
1 运动仿生的生物学基础
动物运动所处的环境分为水中、空中和陆地上。部分动物具有海、陆、空全空间的运动能力，如东方龙虱，它可在水中游，在地上跑，还可在空中飞，这类动物的驱动和运动机构相当复杂，并存在运动驱动和机构切换的行为。
动物在不同的环境中运动，所面临的关键问题是不同的。在水中，主要问题是水对动物运动的阻力，不少海洋动物演化获得了出色的降低阻力的体表质构（微结构、材料和拓扑分布）。在空中，面临的主要问题是产生足够的升力平衡身体自重。因此，这类动物进化了轻质身体结构、高效驱动肌群、精巧的空气动力感知和控制技术。在陆上，动物形式多样，行为复杂，运动所面临的关键问题为克服自身的重力的同时适应陆地复杂多变的形态和环境。这种环境下，动物进化出了3种基本的运动模式——腿结构运动机构、无腿运动机构和滚动运动。
滚动运动：一般认为，轮子的发明和对滚动运动的利用是人类创造力的典型代表，事实上不少动物也利用滚动实现逃逸。活板门蛛在遇到猎蛛蜂攻击时，会把腿上的5个关节迅速收拢，8条腿将身体围成圈，身体会像轮子一样从沙丘上滚下。这个“车轮”每秒钟转动40多转，滚出2m远，时速可达40km/h。
无腿运动模式：自然界中以蛇为代表的无腿运动具有很好的环境适应性，蛇不仅能够在山地、草丛、树木等复杂表面上运动，甚至可以在水中游动。近十年来国内外不少团队从事蛇运动仿生的研究，取得了一批不错的成绩，但总体而言，仿蛇机器人的运动能力还远远落后于蛇本身的运动能力。源于：www.7ctime.com

2.2对脚的研究不够

在动物运动中，脚具有感知接触力和接触状态、增加接触的稳定性、减少接触冲击力等多种功能。而目前机器人研究对脚的研究关注不够。如何提高脚的感知能力、接触适应性、增强脚的降低冲击和稳定性的能力，将是一个重要的方面。笔者在研究蝗虫脚掌降低冲击力、增加粘附接触能力的基础上，发明了一款柔性机器人脚，已经在所研究的四足机器人上使用。采用仿壁虎机器人关键的脚底刚毛阵列的制造技术，国外已经可实现10倍于壁虎脚底粘附力的碳纳米管阵列（美国CASE的戴黎明），但阵列的力学性能还有待进一步深化研究。国内李清文和笔者合作正在研制类同的阵列。

2.3驱动单元和驱动系统落后

目前机器人驱动电机和电源占机器人质量的比重依然偏大，多数微电极度具有大减速比，测定效率低，能耗高。而且很多时候电机的输出方式与机器人的驱动需求不一致。发展高效、轻质的驱动方式、驱动系统和驱动模块，对未来机器人的发展，具有重要的引导作用。流体驱动可能成为机器人驱动的重要方式之一。智能驱动材料和驱动结构是一个长期但重要的研究方向，将为机器人的发展和性能的提升带来质的飞跃。

2.4环境感知技术不足

目前很多机器人采用的视觉及图像处理技术实现定位。但该系统耗时长，需要的资源多。发展高效快速的复眼视觉技术可为机器人视觉定位提供新的选择。多维的接触力学和状态的感知将是杆机构机器人必须发展的核心技术之一。

2.5控制系统的设计有待整合

目前人们对动物运动神经系统的认识远没有所想象的那么深入，这很大程度上源于缺乏跨学科的人才及跨学科交流的不足，而这种交流需要有一定的对方学科的知识，以便可以理解交叉学科的概念、内涵和行为方式，还需要有持续的坚持，才可能达到融合的程度。机器人运动的哪些方面需要按CPG模式？其适应到什么样的层次？不同控制级别的分工各相互交汇模式还有待于深化。

2.6电源与节能技术

受电池储能量限制的移动机器人工作能力不足是一个全世界都在进一步探索的问题。目前机器人的电机驱动系统减速比多在100以上，其中不少齿轮是滑动轴承支撑，一般而言效率低于50%。而且不少情况下电机减速系统的质量和电机的质量相当，这又反过来增加了对驱动力的需求。以电池为动力源的情况下，电池的质量往往大于其他系统质量的和。发展新的驱动方式、能源供给模式和节能驱动方式是机器人走向商业化和实用化的重要一步。
杆机构机器人作为机器人技术的一个重要方面，在没有道路的复杂非结构环境下具有难以替代的作用。
3 运动仿生的未来发展
回顾动物运动的生物学机制和现有仿生论文导读：为，IPMC可能是一类有前景的驱动材料。其研究可归为：（1）IPMC仿肌肉材料的制备和特性；（2）IPMC的致动机理研究；（3）设计和应用技术研究。1992年，美国的Shahinpoor等、Sadeghipour等及日本的Oguro等几乎同时独立发现IPMC的电致动特性。1998年Shahinpoor等人采用全氟磺酸聚合物（Nafion）、1999年Oguro等人采用全氟碳酸聚合物（Flemio
机器人存在的问题，笔者大胆预测未来运动仿生的发展。

3.1先进环境感知技术与单元

动物的环境感知是触觉、视觉、味觉、听觉等多信息融合的过程，动物体内的感觉神经元具有分布式、种类多样、每个感觉神经元功能特定、纳米尺度等特点，动物感觉神经元的结构和功能特点为人们发展新的传感器技术提供了很好的启示。而结构更加小巧、灵敏度更高、分布广泛的传感器系统，迫切需要采用纳米技术实现传感器的设计、制造和包装。依次为基础传感信息的采集、传输和处理，对信息技术提出了新的课题和挑战。同时，纳米技术和信息技术在动物感知方面的模拟和仿生应用又为人们认识动物感觉神经系统的工作提供了更好的模板和可行性，帮助解释动物脑神经系统运算和选择的规律性。

3.2分布式驱动和智能驱动材料

驱动技术是机械系统进步的重要标志。从蒸气机、内燃机到电动机的技术革新，使机械系统的灵活性、能量利用效率和使用方便性得到了一次次飞跃和提升。尽管电机在体积、重量、传动效率等方面已得到很大的改进，但仍不能满足高性能机器人（特别是仿生机器人、微型机器人）高灵活性、高效率、高冗余度和高负载/质量比的需要，是机器人性能远落后于所仿生动物的主要原因之一。动物的分布式（肌肉）直接驱动是它们具有运动灵活性（驱动自由度多）、鲁棒性（具有动能代偿）、高效率（最佳位置力输出）和高驱动能量密度（传统微型飞行器电机和传动占总体重的30%～50%）的主要原因。微机电系统发展呼唤新型驱动材料和驱动部件的发明和创新，已成为未来材料、机械和电气工程交叉领域迫切需要解决的关键问题之一。
目前有望用于分布式驱动的材料包括形状记忆合金（Shape memory alloy，A）、电磁致动材料（Electromagnetic brake，EM）、压电材料（Piezoeletric material）、电活化聚合物材料（Elec-troactive polymers，EAPs）等，这些材料的工作频率和输出能量密度如图3所示，可见EPAM（一种EAP材料）在10～104Hz范围内具有最好的比功率（能量输出/质量），此外，EAP还有具有柔性、易于控制、性能类似于天然肌肉等特点。按工作原理，EAPs可分为电子型和离子型两类。电子型EAP靠电场驱动，所需电压相当高（场强约为150V/μm）；离子型EAP是基于带电离子的迁移和扩散实现驱动的。离子交换聚合金材料（Ionic polymer metallic composite，IPMC）是一种离子型的EAP材料。与其他驱动材料相比，IPMC驱动电压低、位移量大；其变形收缩能力超过质地脆硬的电学陶瓷100倍以上，而且在响应时间、低重量及弹性上源于：论文 格式www.7ctime.com
大大超过形状记忆合金，成为近年来国内外研究的热点。
笔者认为，IPMC可能是一类有前景的驱动材料。其研究可归为：（1）IPMC仿肌肉材料的制备和特性；（2）IPMC的致动机理研究；（3）设计和应用技术研究。1992年，美国的Shahinpoor等、Sadeghipour等及日本的Oguro等几乎同时独立发现IPMC的电致动特性。1998年Shahinpoor等人采用全氟磺酸聚合物（Nafion）、1999年Oguro等人采用全氟碳酸聚合物（Flemion）作为基底聚合物，在含Pt和Ag等金属离子复合物水溶液中进行离子吸附和交换，随后通过化学还原过程在基体表面深处形成一层金属纳米颗粒，分别制备了IPMC。IPMC的致动机理比较复杂，尚没有公认的理论。但是许多针对某一具体实验现象的电学模型和力学模型的建立以及材料致动行为的研究提高了人们对于IPMC的理解。目前学者们认为，IPMC在结构上，基底Nafion分子同时具有亲水和憎水基团，在成膜中内部形成了许多纳米尺度的微管道。外加电场作用下，微管道内的溶剂化离子定向迁移，导致Nation薄膜本体的形变（位移），进而产生张力。因此，持续的水分子迁移是保证IPMC工作的必要条件。
IPMC驱动器的性能主要表现为：驱动电压低（低于10V，一般3V左右），输出位移大（弯曲位移超过32%），激励电压和频率对位移输出有明显影响。现有的IPMC驱动器主要存在两个缺点：（1）力输出较低；（2）离水工作时间较短，IPMC工作需要水合离子的参与，现有的IPMC适合用于水中或潮论文导读：
湿环境，对IPMC的进一步推广存在限制。近年的大量研究集中在上述方面，以便进一步提高IPMC的性能和工业应用的可能性。
尽管IPMC存在上述不足，它的独特性能和广泛应用潜力还是吸引了很多学者和工业界开展IPMC应用的尝试。美国JPL实验室和新墨西哥大学的人工肌肉研究所研究用IPMC做四爪抓取器，设计使用IPMC作为人体心脏或人工心脏的辅助压缩舒张装置。韩国Kim等人研制了IPMC驱动的八足机器人。日本公司EAMEX用IPMC驱动的人工鱼已经商业化，一次充电它可在鱼缸里游半年。Zhang等研制了能实现泳动、行走和漂浮的水下机器人；Yeom等研制了仿水母机器人。这些研究和研制展示了IPMC潜在的应用市场，也预示着科学把幻想变为现实的可能性。
仿生驱动领域关于分布式驱动的研究尚未开展，基于智能驱动材料的驱动单元的研究和研制还不能满足工程的需要。

3.3杆机构机器人与智能控制技术

美国在阿富汗战争中，毛驴战胜“悍马”，表明山地环境下杆机构动物的运动能力远胜于轮式运动系统。因此，美国DARPA在原来BIGDOG（大狗）的基础上，近期又投入320万美元发展运动能力更强的LS3。中国西藏和新疆也是高海拔的山地环境，而且也是分裂势力从事恐怖活动比较活跃的地区，有着和阿富汗类似的问题。同时，中印边境也是不够稳定的地区。保障山地环境的运输能力，对降低特种兵的体力消耗、提高作战能力有重要支持作用。外空探索是近来航天活动的主要内容之一。无论是月球探测、或者是火星探测等，具有高度环境适应性的移动机器人，是实现在外星球上运动的重要手段。杆机构机器人环境适应性好，具有较强的运动功能代偿能力，是外空探测机器人的重要候选机构。
仿壁虎杆机构机器人除了上述杆机构机器人的特点外，还能够借助于范德华力粘附机制，实现不依赖于空气压力的干式、自清洁、多次重复使用的粘附。这种粘附机制实现的抓取在卫星轨道上依然有效，因此本项目发展的干式源于：论文要求www.7ctime.com
粘附机器人手，能够在空间环境下，比较容易地实现对非合作目标的对接。例如，可以用该粘附机器人抓取其他先进国家的卫星和航天器，从而实现获取相关技术、木马植入等，为基于航天的信息战和反信息战提供一种选择。同时，可以用于航天站内物体在航天器上的固定（干式粘附）。仿壁虎机器人在特种侦察、杆机构机器人在救灾等领域也有需求。
对杆机构机器人运动、控制、驱动、节能等行为规律的认识，还将反过来促进对动物运动、控制和感知机制和行为方式的收入认识，为残障人士的康复提供帮助。

3.4动物运动规律的研究

对动物运动规律的揭示，在运动仿生研究中具有重要位置，是工程科学研究回馈和促进动物学研究的重要手段，也是动物学研究深化的必然需求。如在流体（水和空气）中运动的动物，其运动力学量的检测依然十分困难，现有实验研究以飞行翅一动物整体运动行为的观测为主，同时辅助流场观测和基于流场观测的数值分析计算，依次获得动物运动中和环境问力学相互作用的信息。发展载体无线的超低力学量测试技术，直接获得动物在流体中运动时生物力学规律，具有重要意义和价值。目前已知海洋动物具有出色的降低身体和水界面阻力的能力，初步的仿生实践证明，可减低飞机阻力5%，船舶阻力12%，有巨大的经济和环境效益。纳米尺度功能器件的制造难以通过传统的去材方法实现，生物的自组织生长制造技术一旦推广应用，将改变制造科学的面貌，成为节能、节材微纳器件制备的核心技术。
4 结束语
从动物运动的生物学和仿生机器人的现状看，未来运动仿生发展的方向可以概括如下：
基于动物运动机构和驱动系统的生物机器人研究，科学问题是揭示动物运动相关脑区（核团）的相互关系、运动相关神经信息的传输规律和外界刺激下神经信息的演变规律。技术难点在于运动调控核团的精确定位方法和技术、阵列电极无干扰地定点植入技术、动物运动状态神经信息采集和调控的微型遥测遥控技术。
智能材料与仿生驱动技术，现有的智能驱动材料可能满足微型机器人运动的驱动力要求，如何像动物一样把各基本驱动单元的力募集起来，实现对较大型机器人的运动驱动，还需要做很多的工作。分布式驱动可能对未来机械系统的发展产生重要变革，这方面的研究有待深入。
纳米技术用于感知传感器的制造，将使仿生机器人更加灵活、智能；多信息采集、融合与信息技术结合，将进一步提高机器人的智能化。