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仿生机器人

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塔林理工大学正在开发两个u-CAT机器人，以降低水下考古作业的成本

仿生机器人运动是仿生设计的一个新兴分支。它是从自然界中学习概念并将它们应用于实际工程系统的设计。更具体地说，这个领域是关于制造受生物系统启发的机器人。仿生学和仿生设计有时会混淆。仿生学是模仿自然，而仿生设计则是向自然学习，并创造一种比在自然中观察到的系统更简单且更有效的机制。仿生学已经促成了机器人学的另一个分支——软机器人学的发展。生物系统已经根据它们的栖息地针对特定任务进行了优化。然而，它们是多功能的，并不是只为一种特定功能而设计的。仿生机器人是研究生物系统，并寻找可能解决工程领域问题的机制。然后，设计人员应该尝试简化和增强针对特定任务的机制。仿生机器人科学家通常对生物传感器(如眼睛)、生物执行器(如肌肉)或生物材料(如蜘蛛丝)感兴趣。大多数机器人都有某种运动系统。因此，本文介绍了不同的动物运动模式和相应的仿生机器人的例子。

1 生物运动编辑

生物运动或动物运动通常分为以下几类:

1.1 表面运动

在表面上运动可以包括陆地运动和树木运动。

大耳朵汤森蝙蝠(棒状杆菌属townsendii)

1.2 流体中的运动

在血流中运动，游泳和飞行。有许多由机器人专家设计和制造的游泳和飞行机器人。[1][2][3]

2 行为分类(地面运动)编辑

有许多动物和昆虫在陆地上移动，有腿或没有腿。我们将在本节讨论腿和无肢运动，以及攀爬和跳跃。锚定脚是陆地运动的基础。增加牵引力的能力在光滑岩石表面和冰面上进行无滑动运动时非常重要，对于爬坡尤其重要。

有许多生物机制提供的起重装置：爪子依赖于摩擦机制；壁虎的脚依靠范德华壁力；以及一些昆虫的足部依靠液体介导的黏附力。[4]

Rhex:可靠的六足机器人

2.1 腿运动

腿式机器人根据应用可能有一个，[5][6][7]二个，[8]四个，[9]六个，[10][11]或者很多腿[12]。用腿代替轮子的主要优点是能更有效地在不平坦的环境中运动。在仿生机器人领域，两足、四足和六足运动是最受欢迎的腿运动类型。Rhex（作为一种可靠的六足机器人）和猎豹[13]是迄今为止跑得最快的两个机器人。iSprawl是由斯坦福大学开发的另一种灵感来源于蟑螂运动的六足机器人。[10]这个机器人每秒能跑15个身体长度，速度可达2.3米/秒。该机器人的最初版本是气动驱动的，而最新的一代使用单个电机进行运动。[11]

2.2 无肢运动

对于大多数生物体和仿生机器人来说，在地形涉及一定长度范围的地貌都是具有挑战性的。这样的地形很容易被像蛇这样的无肢生物越过。包括蠕虫、蜗牛、毛虫和蛇在内的几种动物和昆虫能够进行无肢运动。Hirose等人对蛇形机器人进行了综述。[14]这些机器人可以分为带有被动轮或主动轮的机器人、具有主动步态的机器人和使用垂直波或线性扩展的波动机器人。大多数蛇形机器人使用轮子，轮子在左右移动时摩擦力大，但向前滚动时摩擦力小(可以防止向后滚动)。大多数蛇形机器人要么使用横向波动，要么使用直线运动，难以完成垂直爬行。Choset最近开发了一种模块化机器人，它可以模仿几种蛇的步态，但不能执行“蛇腹式运动”。佐治亚理工学院的研究人员最近开发了两个名为斯卡里博特的蛇形机器人。这些机器人的研究重点是蛇腹鳞在不同方向调节摩擦特性方面的作用。这些机器人可以主动控制它们的鳞片来改变它们的摩擦特性，并在各种表面上有效地移动。[15]CMU的研究人员已经开发了可伸缩的蛇形机器人[16]和常规驱动的蛇形机器人。[17]

2.3 攀爬

攀爬是一项特别困难的任务，因为攀爬者犯的错误可能会导致攀爬者失去抓柄并跌落。大多数机器人都是围绕生物学上同类的单个功能构建的。壁虎机器人[18]通常使用仅在光滑表面上起作用的范德华力。粘胶机器人[19][20][21][22]和[23]使用定向干胶，在光滑的表面效果最好。Spinybot[24]和RiSE[25]机器人是使用刺的类昆虫机器人之一。腿式攀爬机器人有几个局限性。它们不能处理大的障碍物，因为它们不灵活，需要很大的移动空间。他们通常不能攀爬光滑和粗糙的表面，也不能处理垂直到水平的过渡。

2.4 跳跃

跳跃是各种生物体通常执行的任务之一。岩羊、野兔、袋鼠、蚱蜢、跳蚤和蝗虫都是最好的跳跃动物。受蝗虫的启发，EPFL研发了一种小型7g跳跃机器人，可以跳至138 厘米。[26]通过释放弹簧的张力来引起跳跃运动。跳得最高的微型机器人的灵感来自蝗虫，重23克，最高跳跃到365厘米是“陶博”(以色列特拉维夫大学和布劳德工程学院)。[27]它使用扭力弹簧作为储能装置，并包括一个金属丝和闩锁机构来压缩和释放弹簧。苏黎世联邦理工学院报道了一种基于甲烷和笑气燃烧的软体跳跃机器人。[28]软体燃烧室内部的热气体膨胀大大增加了燃烧室容积。这导致了2 kg机器人跳跃到20 厘米。这款软性机器人的灵感来自于一个胖胖的玩具，着陆后它将自己重新定向到直立的位置。

3 行为分类(水中运动)编辑

3.1 游泳(鱼)

计算表明，某些鱼类游泳时，其推进效率可达90%以上。[29]此外，它们可以比任何人造船只或潜艇更好地加速和操纵，并且产生更少的噪音和水干扰。因此，许多研究水下机器人的研究人员希望复制这种运动方式。[30]著名的例子是埃塞克斯大学计算机科学机器鱼G9，[31]和由野外机器人研究所制造的金枪鱼机器人，用来对鲔行式运动进行分析和数学建模 。[32]由德国费斯托公司设计和制造的“水企鹅”[33]模仿了企鹅的流线型外形和前“鳍”的推进力。Festo还制造了Aqua Ray和Aqua Jelly，分别模仿蝠鲼和水母的运动。

机器鱼:iSplash-二

2014年由埃塞克斯大学博士生理查德·詹姆斯·克拉彭和胡霍生教授研发了iSplash-II。它是第一种在平均最大速度(以身体长度/秒衡量)和耐力(保持最高速度的持续时间)方面优于真正的鲹形鱼的机器鱼。[34]这个构造达到了11.6BL/s(即3.7m/s)的游泳速度。[35]第一版本的构造，iSplash-I (2014)是第一个应用全身长度的鲹行式游泳运动的机器人平台，该运动的表现比传统的后向受限波形方法增加了27%的游泳速度。[36]

4 形态学分类编辑

4.1 模块化

本田多啦A梦未来科学展:人形机器人

模块化机器人通常能够执行几项任务，特别适用于搜索和营救或探索任务。这一类别中的一些特色机器人包括有在EPFL开发的受蝾螈启发的会走路和游泳的机器人，[37]卡内基-梅隆大学开发的一种受蛇启发的机器人具有四种不同的陆地运动模式，[38]受蟑螂启发的机器人可以在各种复杂的地形上奔跑和攀爬。[38]

4.2 类人动物

仿人机器人是看起来像人类或受人类形体启发的机器人。有许多不同类型的人形机器人用于个人协助、接待、工业工作或陪伴等应用。这些类型的机器人也用于研究目的，最初是为了给人类制造更好的矫形器和假肢而开发的。佩特曼是波士顿动力学开发的最早也是最先进的人形机器人之一。本田多啦A梦未来科学展等一些人形机器人是过度驱动的。[38]另一方面，有一些仿人机器人，像康奈尔大学开发的机器人，没有任何执行器，只能被动地走下浅坡。[39]

4.3 集群

多年来，研究人员一直对动物的集体行为感兴趣。蚂蚁可以制造像木筏一样的结构，以便在河上生存。大群的鱼能更有效地感知周围的环境。群体机器人是一个相当新的领域，其目标是使机器人能够协同工作，传输数据，组成一个群体，等等。[40]

4.4 软体机器人

软体机器人[41]是完全由软体材料组成并通过气压移动，类似于章鱼或海星。这样的机器人足够灵活，可以在非常有限的空间(如人体)中移动。第一个多步态软体机器人[42]于2011年研发成功，第一个完全集成、独立的软体机器人(带有软电池和控制系统)[43]于2015年研发成功。

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