模仿动物机器人的创新信息
1．模仿动物生理机制机器人的新成果
⑴模仿动物大脑机制，研发出“混沌”机器人。
2010年1月，德国伯恩斯坦计算神经科学中心，研制成一种应用混沌理论的小型机器人，其简单的“大脑”可以处理大量信息并发出指令，从而完成复杂任务。
研究者指出，现有的小型机器人一旦接收到太多信息，其能力有限的“大脑”，处理起来就相当困难，而自然界中的蟑螂等昆虫虽然大脑神经系统简单，却能灵活地调整身体应对环境变化。
此次设计的机器人有6条腿，由18个微型马达驱动，另有18个光、热和触觉传感器收集信息。虽然机器人的中央处理器——“大脑”非常简单，但在应用混沌理论后，这个“大脑”可以高效分析和处理传感器信息，迅速做出躲避“天敌”、爬坡、越过障碍物等行动。
有关专家评论说，这个“混沌”机器人，对研究动物神经系统具有重要参考价值。
⑵模仿动物觅食机制，开发吃昆虫产生能量的机器人。
2006年 4月，英国布里斯托尔机器人实验室克里斯·梅尔惠西负责的研究小组，正在设计他们最新式的“吃虫子”机器人：生态机器人三号（Ecobot III）。这是一种实验室里研制的，通过吃昆虫和其他生物以产生能量的机器人。
梅尔惠西说：“现在，我们所有人都在谈论这种能够自己补充能量、智能而且全自动的机器人。但事实上，没有能量，这种机器人就什么也做不了。”今天，大多数机器人是通过外接电源、太阳电池板或电池获取能量。但是，在未来，机器人将不必依靠电网、日照，也不需要人工协助。梅尔惠西研究小组认为，与野生动物觅食的方式一样，这些机器人可以自己觅食，满足能量需要。他说：“动物的习性就是证据，这是可能实现的。”
近十年来，梅尔惠西研究小组，已经发明了很多依靠糖、腐烂的苹果或者死苍蝇，提供能量的机器人。通过一系列“会吃东西”的微生物燃料电池，生物能转化为电能。这种“活电池”：微生物燃料电池，当微生物“消化”了植物和动物后，菌群就可以产生电能。实验室推出的第一个装置，名叫“斯拉宝”，这是一个人造的“肉食动物”，是用来搜捕粘糊糊的菜园害虫而设计的。但是，“斯拉宝”不会消化它的猎物，它却是未来靠生物发电的机器人的“祖先”。2004年，研究人员发明了生态机器人二号（Ecobot II），外观大小像一个甜点盘子，这种装置“吞下”8只苍蝇，就可以维持12天的行走。
伊奥尼斯·伊洛珀洛斯是生态机器人二号的一名研究人员，这项研究也是他博士课程的一部分，他说，把整个苍蝇，喂给机器人携带的每块燃料电池。当电容充电后，这种机器人能以每小时8到16厘米的速度“行走”，而且一边朝着有光的方向移动，一边记录温度，通过无线发射机传送数据。
虽然速度较慢，但它是第一个通过生物获取能量的机器人。它能够感知周围的世界，能够自行处理，采取行动，也可以把相关信息与控制者分享。因此，研究人员对此非常乐观，他们认为，在未来将实现能够自动供能的机器人。研究人员说，如果真的想让机器人进行监控菜园、海洋，以及污染程度或二氧化碳等，就需要非常廉价的小型机器人。目前，机器人体积很大，但是，在20～30年后，它们将是非常小的。
然而，微生物燃料电池技术，是否先进到可以为机器人提供足够的能量，还不确定。到目前为止，梅尔惠西研究小组仍然是人工抓捕苍蝇，喂给它们的机器人，但如果研究人员想要实现机器人自动供能的话，那么，机器就需要自己去寻找食物。梅尔惠西表示，使用信息素作引诱的捕蝇器或抽吸泵，可能会吸引昆虫来寻找食物来源。他说，必须研制一种较好的消化系统。这方面，还存在很多需要解决的问题。
2．模仿动物体貌特征机器人的新成果
⑴模仿蜜蜂视觉系统特征，研制视觉机器人。
2005年11月，伦敦大学学院眼科学院的一个研究小组，公布的研究成果称，他们发现蜜蜂的视觉系统，比人们以前认识的要复杂得多。该发现解释了蜜蜂大脑是怎样解决视觉挑战的，它如何在不同颜色的光线下辨别出不同的物体。研究人员表示，将利用这个研究成果，帮助人们研制未来机器人的视觉系统。
研究人员用食物奖励的方法，训练大黄蜂在不同颜色的人造花中，找到一种特定颜色的花。然后，他们测试这些蜜蜂，同时在紫外线黄色、蓝色、黄色和绿色等四种不同颜色的光照明场景中，找到同一颜色花的能力。为解决这样的难题，蜜蜂会快速把这些场景根据不同的照明，分割成几个不同的区域，然后在每个区域中找出正确的花来。
研究表明，蜜蜂小小的大脑，不仅能解决目前最精密的电子计算机都不能解决的难题，而且还告诉我们，它们是通过使用同一场景中不同物体的色彩联系，这些联系在统计学意义上讲，是它们的经验中最有用的。
研究人员称，他们的长期目标，是进一步深入这方面的研究，然后利用取得的成果，制造出视觉机器人，就象蜜蜂用它们仅有的一百万个视觉神经，可以在杂乱草丛中找到一朵简单的花一样，目前还没有任何机器人可以做得到。
⑵模仿蜜蜂视觉系统特征，开发可以产生三维画面的机器人立体视觉系统。
2006年4月，墨西哥恩塞纳达科学研究与高等教育中心，古斯它夫·欧拉归和恺撒·普恩特等人组成的一个研究小组，开发出一种新型机器人立体视觉系统，在布达佩斯举行的第8届有关图像分析与信号处理的先进计算会议上，作了精彩演示，并获得头奖。
研究人员表示，这项成果，是受蜜蜂找食技巧启发研究而成的。蜜蜂大脑仅有100万个神经细胞，但视觉辨析能力极强。研究人员想，如果给机器人装配类似蜜蜂的视觉系统，通过模仿蜜蜂告诉其它蜜蜂哪里有花采的方式，将赋予机器人更强的视觉能力，可能就会看到三维立体景象。
研究人员说，通过两台摄像机从不同角度来捕获画面，机器人就可以产生三维立体图像。可是，这种机器人计算的强化效果只适应于大画面。虽然复杂的统计技术可以用来挑选画面的重要特征，但还还需要时间来完善。他们认为，此系统并不简单。它使用了虚拟蜜蜂导向，跟踪潜在的有利位置，然后再呈现三维画面。在程序设计下，虚拟蜜蜂在二维图像中找出潜在的有利特征，查找的标准可依照质地和边缘等。比如，这样做可以让它们在一间空房子里集中看一个人或突出的物体。
此蜜蜂软件，可以由探测者蜜蜂随意启动，以处理图像的不同部位。识别出潜在的有利特征后，探测者蜜蜂就会招募其它虚拟蜜蜂，即所谓的“收割机”，来调查更加详细的细节特征。招募的“收割机”越多，说明这区域最值得关注。如果“收割机”也发现了此有利区域，它们会集中调查此区域。之后，系统会根据所有蜜蜂的行动，将此区域的三维画面显示出来，最终帮助机器人导航，或与周围环境更有效地进行互动。
这一搜寻法则能节省时间，欧拉归说，“收割机”由探测者锁定目标，只观察有希望的区域。在测试中，欧拉归研究小组用了8000个探测者蜜蜂和3200个虚拟“收割机”，呈现了生动的三维立体画面。
⑶模仿毛毛虫蜷缩伸展自如的体貌特征，研制可担当重任的毛毛虫机器人。
2007年2月，有关媒体报道，美国波士顿塔夫兹大学巴里·特里莫教授、大卫·卡普兰教授共同负责的一个研究小组，正在研究一种毛毛虫机器人，未来它可以在狭小空间大显身手。
研究人员说，未来毛毛虫机器人，能够蜷缩成一个小团再恢复原形，还能在粗糙表面进行攀爬、在狭小空间里检查。该研究小组，已经开始启动自己的一项制造软体机器人的计划。
研究人员指出，这种毛毛虫机器人将能够从事，从人体内检查帮助医师确诊，到检查工业管线损坏情况的各种事情。它还能够用于通过危险区域，如核反应堆或是雷场，或者是维修太空飞行器上的太阳能电池板。
特里莫教授说，“或许明年我们就将制造出一个能够爬行的毛毛虫机器人。”他已经研究毛毛虫和软体动物神经系统多年，以便更好地理解它们，如何更好地用一个小小的大脑，来控制自己的波浪似的运动。他成功地确定了一些负责特定运动的脑细胞的功能。
由于这些动物是软体动物没有骨骼，他们的运动要比那些拥有骨骼系统的动物，所受限制少得多。例如，人类的肘部只能向两个方向运动，目前许多刚性的机器人，都具有类似的关节。毛毛虫可以向许多方向运动，而且并不需要太多的神经系统实现这种能力。它们的肌肉可以对简单的大脑信号做出反应，具有做出卷曲等动作以爬上树枝和树叶下面的能力。研究人员设想，建造一个机器人控制系统，并模拟毛毛虫的神经系统和肌肉动作。
卡普兰教授的部门，将进行软体材料研究，以制造毛毛虫机器人的身体和电子元件。它致力于遗传工程和纳米技术的研究，以制造出像蜘蛛丝一样的弹性材料。
最后，特里莫说，他的研究小组希望制造出一个毛毛虫机器人，你可以拿起它，它会在你的手心缩成一小团，让它走，它就能走开了。
3．模仿动物行走方式机器人的新成果
⑴研制出用健壮八肢走路的 “蝎子机器人”。
2005年2月10日，《自然》杂志报道说，迄今，登临地外行星进行科学探测的机器人，均靠轮子行走，然而轮动机器人最大的局限在于很难探测峭壁和小块岩石。最近，德国不来梅大学的机器人专家研制出一种“蝎子机器人”，这种机器人是模仿蝎子走路方式设计的，像狗一般大小，有8条腿，能够满足在其他星球上探险和研究的许多条件，比轮动机器人更具优势，它们既能走得远又能下陡坡、攀悬崖，甚至能钻进裂隙，因而更适宜在诸如火星、土卫六等行星上进行科学探测。
据报道，“蝎子机器人”，很快将送至美国航空航天局加利福尼亚基地进行评估。如果评估结果令人满意，这种“蝎子机器人”将会大量生产，以供未来对其他星球的探索和研究，当然，这种机器人也可以运用到其他科学研究领域。
⑵制造出能在水面行走的黾机器人。
2007年7月，卡内基·梅隆大学的机械工程学博士生宋演武，与机械工程学助理教授梅丁·西蒂等人组成的研究小组，制造出一个能够模仿水黾“水上漂”功夫的机器人。
这款可以在水上行走的机器人，无论是外观还是设计都与水黾类似：它不仅不会破坏水面张力，而且还拥有高度的可操作性和灵活性。与其他可在水面漂浮的机器人有所不同的是，这种小型机器人重量较轻，而且拥有长”腿”，因此它能够充分利用水面张力，进而保持飘浮状态。相比之下，水上机器人中的“大块头”必须依靠浮力，而这种依靠还要取决于它们的体积。研究人员预测，这样的微型机器人，可能的应用是通过无线通信，进行环境监控。此外，它们也可以用于教育和娱乐目的。
⑶开发出用猴子行走信息遥控的机器人。
2008年1月，有关媒体报道，美国科学家通过读取猴子在行走时的大脑信息，成功遥控远在日本京都的机器人同步行走。
美国杜克大学的研究人员，让恒河猴在跑步机上行走，然后用电极读取猴子大脑中，控制行走区域内的数百个神经细胞所产生的信号，并分析出这些信号和猴子腿部运动之间的对应关系，再通过互联网，把分析数据传输给位于日本京都的国际电气通信基础技术研究所。
日本研究人员接收到数据后，将其输入一个类人型机器人。这个机器人身高155厘米，体重85公斤，全身有51个依靠油压装置活动的关节。在信号的指引下，机器人开始行走，步调与远在美国的猴子基本一致。
4．模仿动物攀爬方式机器人的新成果
⑴研制可自由攀爬粗糙墙面的“蜘蛛”机器人。
2005年8月，外电报道，斯坦福大学马克·卡特克斯基教授，与他的学生组成的研究小组，研制出一种能够在各种水泥墙、抹灰墙以及砖墙上攀爬地机器人。它的制造灵感来自于自然，研究人员模仿蟑螂和蜘蛛，在机器人的脚趾上装上了细小的尖刺。
该机器人被命名为“带刺的小虫”，是由斯坦福大学的马克·卡特克斯基教授和他的学生共同研制的。它能够用于探测许多人类难以深入的地方，如灾难现场、摩天大楼或是公路的地下道。
此外，由于“带刺小虫”体积很小，行动起来又很安静，因此它还可以被用作监视。卡特克斯基说：“这是直接把生物学上的启示应用在了机器人技术上。”到目前为止，大多数能够攀爬垂直表面的机器人的足部，都是使用吸盘、磁体或者粘性物质的设计而成的。而他们只能局限在特定的表面上才能有效地发挥作用，如磁体只能在金属表面，如船的外壳上攀爬；而吸盘在玻璃或其他十分光滑的表面才能发挥作用。
所有这些攀爬方式，都无法在典型的建筑和桥梁的布满灰尘且崎岖不平的表面攀爬。现在，这种自重只有400克的“带刺小虫”，却能够在任意表面攀爬，这主要靠其6个指头发挥作用：它的每个指头上，都有10对细小的钢刺，能够抓住水泥、抹灰和砖墙上微小的凹凸不平之处。在这些指头上用软硬塑料把这些钢刺固定住，以提供在指头脱离凹凸不平处时所必要的稳定性和弹性。
此外，这种机器人还有一条尾巴轻轻地贴着墙壁。当有一只腿未能稳当地抓住墙壁时，它能够提供额外的支撑并保持平衡。避免当机器人攀爬时向两边摇晃得太厉害。
这种机器人的有效载荷为400克，在它的后部还架有一个摄象机，能够拍摄它进行垂直攀爬的情形。
尽管，现在“带刺小虫”已经能成功地完成岩石攀爬，但离它真正被用于建筑和桥梁的探测还有一段路要走。
科学家们已经考虑研制下一代机器人，这种机器人带有人工合成干性粘剂以及细小的钢刺，能够模仿壁虎的技能。
⑵研制出可沿天花板爬行的壁虎机器人。
2006年5月，美国斯坦福大学的科学家马克·卡特科夫斯基教授领导的研究小组，研制成功一种可沿垂直墙面爬行的壁虎机器人。
研究人员介绍说，这个壁虎机器人安装有特制的机械臂，能够非常安全地沿垂直墙壁和天花板爬行。之所以能够产生这一奇特的效果，是因为在机器壁虎的四爪下面遍布着数百万根茸毛。每一根茸毛都能够对墙面产生一定的吸附力，从而保障机器壁虎牢牢地“抓住“墙面。
目前，这项最新发明，已引起美国国防部的注意。据悉，美国军方正在考虑利用这项最新技术，开发出具有“粘力”的手套。而卡特科夫斯基则认为，壁虎机器人将具有广泛的应用领域，其中就包括作为机器人救生员。
⑶研制在斜面或垂直表面上稳定移动的机器人。
2006年8月，俄罗斯科学院医学和生物研究所主任鲍瑞斯·帕洛夫领导的研究小组，在《独立报》上发布消息说，他们现在正在研发一种新型高粘力材料，这种材料可以使机器人在斜面或垂直表面上稳定移动。
帕洛夫说：“这项研究，是受一年前所发现的一种自然现象的启发。研究人员找到了壁虎为什么可以轻而易举地黏附于陡峭表面的原因。”
研究人员指出，壁虎展示的这种非凡的粘力，实际上并不是它的爪子分泌出了什么特殊的黏胶物质，而是它的爪子覆盖了数百万个微小绒毛。每个绒毛是人类头发平均厚度的两倍，绒毛顶端有一千个微小垫子，那些垫子体积很小，所以它们可以以分子级黏附于物体表面。
俄罗斯研究人员已经制造出一个机器人样机，它可以“站立”在天花板上，同时还能承受数公斤的重量。研究人员进行的研究，旨在研发出一种可以在露天场所执行研究的攀爬机器人。
⑷开发出可沿垂直墙面爬行的机器人。
2008年6月，美国SRI研究机构的研究人员，在《计算机世界》网络版上发表研究成果称，他们研制出可沿垂直墙面爬行的特殊机器人。研究人员使用的称为“柔性电子附着”的技术，可让新型机器人借助静电产生的吸引力在垂直的墙壁上爬行。实验表明，它能在每平方厘米的接触面产生1.5牛顿的附着力，并能负重34公斤进行攀爬。
新型机器人不但能沿砖墙爬行，还可沿垂直的用混凝土、木头、铁、玻璃制成的墙壁及不涂泥灰的石墙和砖墙爬行。至于爬行物体的表面是否导电并非必要的条件。除此之外，即使存在着大量的灰尘和垃圾也不会给机器人带来麻烦。但是这项技术的一个缺陷是，在潮湿表面上机器人的攀爬会比较困难一些。
研究人员以往在设计会攀爬的机器人时，一般都是使用微纤维设计，来模仿壁虎脚上的刚毛来产生黏着力。与此不同的，SRI机器人的工作原理是，在墙面上诱发静电电荷，机器人本身产生相反的电荷，以此形成墙面与机器人的吸附力。SRI机器人具有的优势是，这种吸附力可随时关闭，从而使机器人的运动更加简单。它还能使机器人的吸附表面自清洁，从而避免表面的灰尘和污垢对机器人的阻滞。
SRI国际的商业开发主管菲利普·古根伯格称，对美国军方而言，具有爬墙能力的机器人，可让士兵更好地在战区执行侦察或其他任务。除了军事用途，这种机器人甚至能够在废墟中靠着墙壁爬行，一旦实用化后将可用来进行救援，探寻受灾人员。
5．模仿动物飞行方式机器人的新成果
⑴研制像昆虫一样飞行的微型机器人。
2006年4月，国外媒体报道，瑞士联邦工学院让•克利斯托夫•茹弗里博士领导的研究小组，研制出一个微型飞行机器人，重量只有10克、翼展为36厘米，能模仿昆虫的飞行。他们还将进一步缩小飞行机器人体积，最终使它将成为苍蝇大小。
茹弗里博士表示，许多人从昆虫身上获得灵感，但是迄今为止还没有研制出类似昆虫那样，能在封闭房间里飞行机器人。的确，在房间里几乎所有的东西如墙壁、角落、天花板、家具等等物体，都会成为微型飞机的障碍物。为了及时发现这些障碍物，飞行机器人必须拥有很强的计算能力和大量传感器，但是这些组成部分都会增加其重量。通常，重一些的飞行机器人，为了保持在空中需要比轻一些飞行机器人飞行得更快才行。当然，同样还会不可避免地遇到导航问题。
对昆虫的研究表明，苍蝇为了控制在空中的姿态，它会利用自己的复眼，同时通过双翅目，即不发达的第二对翅膀，帮助它在飞行中头朝下时不会发生翻转现象。苍蝇时常会沿直线飞行，发现障碍物时会一直飞到障碍物旁边时，才突然改变90度并重新沿直线飞行。
茹弗里博士及其同事，把苍蝇这一飞行能力，应用到自己研制的微型飞行机器人上：它利用2台低分辨率微型摄像机，模仿苍蝇的视力，2台摄像机分别安装在每个翅膀上。微芯片大小的陀螺仪起着双翅目第二对翅膀的作用。
在实验过程中，这种微型飞行机器人，在一间长宽各为 7米房间里试飞，房间墙壁被涂成垂直的黑白条纹，结果它自动飞行了近5分钟。在此基础上，瑞士科学家抓紧研制更小的飞行机器人，它的尺寸可与苍蝇相比拟，并能自动调整自己的飞行高度。
⑵研制像蝙蝠一样摇摆飞行的机器人。
2009年7月，《生活科学》网站报道，美国北卡罗来纳州立大学机械工程学博士格奥尔基·博吉特，以及他的指导教授斯蒂芬·史拉克等人组成的研究小组，正在研制一种手掌般大小的蝙蝠机器人，它重量不到6克，可谓轻如鸿毛。这种蝙蝠机器人，是一种完美的微型飞行器，未来可作为侦察或者数据收集的用途。它的四肢处的关节，用形状记忆合金做成，肌肉则用智能材料合金组成。
据研究人员表示，他们从自然界获得灵感，才萌发了研制机器人蝙蝠的念头。史拉克说：“我们正试图尽可能多地模仿大自然，因为这是一种非常有效的方式。而在微型飞行器领域，大自然告诉我们，像蝙蝠这种作摇摆飞行的动物，是最有效果的微型飞行器。”
研究小组使用一种特殊的形状记忆合金作为机器人蝙蝠的关节，是因为它具有多种优点。这种合金具有超强的弹性，能够给机器人蝙蝠提供全系列的运动，但又总是能返回到原来的滑翔状态。
而智能材料合金，也被应用到蝙蝠机器人的肌肉上。据史拉克介绍，研究人员使用的这种合金能够对电流产生的热作出敏感回应，热驱动合金里面头发般大小的微型电线，使“金属肌肉”收缩，在收缩的过程中，“金属肌肉”里面的电线电阻也跟着改变，从而提供同步行动和感觉输入的双重功能，将有助于减少机器人蝙蝠的重量，使其如同现实生活中真正的蝙蝠一样，能够对不断变化的条件迅速作出应对。
6．模仿动物生活习性机器人的新成果
模仿蟑螂群体生活习性，研制当“卧底”的蟑螂机器人。
蟑螂时常出没在厨房和卧室，给人们带来烦恼。它常躲在墙角旮旯里，出来后又爬行敏捷，难以消灭。现在，人们不用愁了，科学家已着手在蟑螂队伍中培养“卧底”。“卧底”能够影响和改变蟑螂的生活习性，引其出洞，以便剿杀。
2007年11月16日出版的美国《科学》杂志上报告说，比利时、法国和瑞士的研究人员，在实验中把几个蟑螂机器人，混入真蟑螂队伍中。通过程序控制，以假乱真的蟑螂机器人，能明显影响整个蟑螂群体的决策，使它们行为变得怪异。研究人员希望通过蟑螂机器人，来研究像蟑螂这样成群出没的动物如何进行“群体决策”。
法国的研究人员，在分析研究蟑螂的行为后发现，蟑螂喜欢群体生活，但没有领袖，成员都很平等，而蟑螂常会跟随同伴行动。因此，研究人员认为，如果能在蟑螂队伍中培养“卧底”，就可能把蟑螂带出黑暗的角落。
这些蟑螂机器人，外形上并不太像真蟑螂，但体积很小，和真蟑螂的个头差不多。研究人员给机器人外表敷了一个涂层。这种涂层，是由不同化合物混合制成的，与真蟑螂身体表面的化学组成成分十分类似。因此，机器人会发出一种蟑螂气味，让真蟑螂确信这是自己的同类。
机器人放入真蟑螂群体后，很快就与真蟑螂“打成一片”。机器人开始参与到群体决策过程中，并显示出“影响力”。比如，蟑螂喜欢黑暗、成群活动，它们的活动决策由两个因素决定：那个地方有多黑、同伴们是否都去那儿。当面对明暗不同的两个藏身地点时，被研究人员编程的几个蟑螂机器人，选择了亮一些的去处。尽管行为稍显异常，但机器人却成了“带头大哥”，整个蟑螂群也跟着一起前往。
研究小组在报告中写道，这说明机器人的确可以改变动物的群体习性。他们希望这项实验以及其他动物机器人研究，能够有助于理解动物行为以及群体决策过程等。
研究人员认为，蟑螂机器人的成功研制及运用，将使人类在控制动物方面取得突破性进展。该项目负责人说：人类利用“内奸”控制动物，其实是非常古老的方法，猎人和渔民都是这方面的老手。不同的是，现在研究的是混入动物并与其沟通的机器动物。
不过，蟑螂似乎头脑稍微简单了些，对于和自己大小、气味差不多的东西都能欣然接受。专家指出，研制蟑螂机器人只是第一步，科学家还将研制防止羊群集体跳崖、鼓励鸡做运动的各种机器人。科学家们要想打入一群更高等的动物内部，可能就得想办法研制出更精密、更逼真的机器人。
摘自张明龙、张琼妮《国外电子信息领域的创新进展》知识产权出版社2013年版，第381～389页。
