【編者按】本文作者@沐陽浸月，中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生，主攻水下機(jī)器人。

說起機(jī)器人，可能由于受名詞中“人”字的影響，大部分人腦海里出現(xiàn)的可能要么是憨態(tài)可掬、動(dòng)作靈活的小NAO機(jī)器人，要么是彬彬有禮、動(dòng)作規(guī)范的ASIMO機(jī)器人，亦或是電影《人工智能》里有著和人一模一樣的外表的大衛(wèi)。其實(shí)，這些機(jī)器人都屬于仿人機(jī)器人，這些機(jī)器人是模仿人的形態(tài)和行為而被設(shè)計(jì)與制造出來的，一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。

然而，除了仿人機(jī)器人，仿生機(jī)器人中有很大一部分是仿照我們?nèi)祟惖呐笥选切┳匀唤绲纳飩?，通過它們帶給我們的靈感而制造出來的機(jī)器人。上篇我在雷鋒網(wǎng)的文章是主要探討陸地仿生機(jī)器人，產(chǎn)生了不小的影響，有興趣的朋友可以看看這篇文章：機(jī)器人界那些另類的朋友們 ，是怎么誕生的？ 

而接下來我就向大家介紹一下我們那些出色的機(jī)器間諜們，本篇主要將介紹水、空仿生機(jī)器人。

1、機(jī)器魚 

機(jī)器魚，故名思議，外形像魚的機(jī)器人。與傳統(tǒng)的基于螺旋槳推進(jìn)的水下潛器（AUV）相比，機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器與舵的統(tǒng)一，具有高效、高機(jī)動(dòng)、低擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，從而更加適合在狹窄、復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測、搜索、勘探、救援等作業(yè)。

海洋生物經(jīng)過長期的自然選擇進(jìn)化出了非凡的水下運(yùn)動(dòng)能力，效率高、速度快、機(jī)動(dòng)性高。水下生物的推進(jìn)方式有身體尾鰭 (body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式，中間鰭對鰭 (median and/or paired fin, MPF)推進(jìn)模式，噴射推進(jìn)模式等：

• 身體、尾鰭推進(jìn)模式(BCF)：采用這種模式游動(dòng)的魚類主要通過身體的波動(dòng)和尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，其瞬時(shí)游動(dòng)的加速性能好，周期游動(dòng)的巡航能力強(qiáng)。

• 中間鰭、對鰭推進(jìn)模式(MPF)：這種方式主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，其機(jī)動(dòng)性能好。

• 噴射推進(jìn)模式：這種方式主要依靠腔體壓縮噴水形成反作用力產(chǎn)生推進(jìn)力。

大部分魚類采用前兩種推進(jìn)模式。自從1994年MIT研制了世界上第一條仿金槍機(jī)器魚 (Robotuna)，開啟了機(jī)器魚研制的先河。國際國內(nèi)對于機(jī)器魚的研究大量涌現(xiàn)。各種形式的機(jī)器魚、機(jī)器海豚不斷被報(bào)導(dǎo)。它們采用了形式各異的機(jī)械結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的控制方法。國外做的比較好的機(jī)構(gòu)主要有麻省理工學(xué)院等，國內(nèi)做的比較好的有中科院自動(dòng)化研究所等。今年5月28日的《Nature》上，MIT的一款軟體機(jī)器魚由于其出色的性能而被綜述文章《Design, fabrication and control of soft robots》(《軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造與控制》)收錄并介紹，所以我以這款機(jī)器人為代表對機(jī)器魚進(jìn)行一下介紹。

MIT的機(jī)器魚主要著眼于使機(jī)器人能夠進(jìn)行快速的逃避反應(yīng)。

該機(jī)器人采用了符合真實(shí)魚體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)部位裝有嵌入式系統(tǒng)。該機(jī)器人具有一個(gè)新穎的流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)，并且具有傳統(tǒng)的機(jī)器人的所有子系統(tǒng)板載：電源，驅(qū)動(dòng)器，處理器和控制器。這條機(jī)器魚效仿除了真魚類逃避反應(yīng)，并采用C行啟動(dòng)控制，因?yàn)檫@樣的游動(dòng)需要快速加速身體并進(jìn)行連續(xù)游動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)，這條機(jī)器魚可以在短短160毫秒內(nèi)完成逃避反應(yīng)。

除了在水中如同魚一般自由游動(dòng)的機(jī)器魚，還有一種生物，其既可以在水中游動(dòng)，又可以在陸地上行走，那就是兩棲機(jī)器魚。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的艾斯皮特及其合作者設(shè)計(jì)了一種機(jī)器蠑螈，并將其成果刊登在《Science》雜志。他們?yōu)闄C(jī)器蠑螈設(shè)計(jì)了6個(gè)脊柱樞紐、4個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的肢關(guān)節(jié)、10個(gè)馬達(dá)，可令它模仿兩棲動(dòng)物S型的身體起伏模式。由電腦無線傳輸發(fā)送的電信號(hào)，可以調(diào)節(jié)機(jī)器蠑螈的行動(dòng)速度、方向和步態(tài)類型。這一調(diào)控機(jī)制與脊椎動(dòng)物神經(jīng)中樞發(fā)送信號(hào)的過程相類似。這種控制方法也被命名為Central Pattern Generator（CPG，中樞模式發(fā)生器），成為很多仿生魚類的控制方法，影響深遠(yuǎn)。仿生蠑螈的第二版被命名為Pleurobot，其在形態(tài)上則更加趨近于真實(shí)蠑螈，性能上也有所提升。

 2、機(jī)器水母

在上面的推進(jìn)模式的介紹中，機(jī)器魚主要采用前兩種推進(jìn)模式，而噴射推進(jìn)模式則是大自然中水母采用的推進(jìn)模式。噴水推進(jìn)模式噪聲和振動(dòng)較小，比具有螺旋槳的船舶低7-10分貝。吃水淺、淺水效應(yīng)小、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單、附件阻力小、保護(hù)性能好，而且日常保養(yǎng)及維護(hù)較為容易。同時(shí)相對于仿生機(jī)器魚的體尾鰭推進(jìn)模式和中間鰭對鰭推進(jìn)模式相比，更加也有無半徑轉(zhuǎn)向以及平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。有這么多的優(yōu)點(diǎn)自然也是科學(xué)家們爭相模仿的對象。

說到一收一縮的噴射推進(jìn)，人們首先想到的當(dāng)然就是讓制作機(jī)器水母的材料自己“抽搐”，所以在前期利用智能材料制作的仿生水母層出不窮，諸如SMA (shape memory alloy)，IPMC (ionic polymer metal composite)，EMA （electromagnetic actuation）以及復(fù)合材料等新型材料作為推進(jìn)器屢見不鮮。但是由于智能材料形變量較小，所以后期便出現(xiàn)了利用機(jī)械材料制成的仿生機(jī)器水母。最有代表性的便是FESTO公司的AquaJelly。

AquaJelly是由一個(gè)半透明的半球和八個(gè)推進(jìn)觸角組成。在AquaJelly中心是一個(gè)水密激光燒結(jié)體。它安裝一個(gè)中央電動(dòng)機(jī)，兩塊鋰離子聚合物電池，充電控制單元以及伺服電機(jī)。

相信看過其在水中漫游姿態(tài)的人都被他優(yōu)美的“舞姿”深深折服。

 3、機(jī)器龍蝦

機(jī)器龍蝦是約瑟夫·艾爾斯為美國海軍位于東北的海洋學(xué)中心研制的。 

機(jī)器龍蝦擁有很高的靈活性，可用于探測水下礦藏。這只機(jī)器龍蝦由一種特制的防水電池提供動(dòng)力，它頭部的兩根長須是一種靈敏度極高的防水天線，能夠感知障礙物，八條腿允許它們朝著任意一個(gè)方向移動(dòng)，并都裝配有防水傳感器，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它環(huán)境下保持身體穩(wěn)定性，它的大腦則是一臺(tái)超微型計(jì)算機(jī)。

它能夠像真龍蝦一樣適應(yīng)不規(guī)則的海底，在不同的深度敏捷地行動(dòng)，并且可以靈巧地應(yīng)付洶涌的波濤和變化的海流，躲避各式各樣的海底礁石。

4、機(jī)器螃蟹

機(jī)器螃蟹是一款型號(hào)為Crabster CR200的多節(jié)機(jī)器人，2013年由韓國海洋科學(xué)技術(shù)院和韓國內(nèi)5所大學(xué)聯(lián)合研發(fā)成功， 重約600公斤，是當(dāng)今世界上個(gè)頭最大的深水行走機(jī)器人，其外表和工作方式看起來就像是一只螃蟹。

Crabster CR200能夠勝任諸如海底地貌勘測、水下管道架設(shè)等普通設(shè)備難以完成的工作，由4名人員駕駛，最多可以在200米深的海底進(jìn)行工作。一次下水可以長時(shí)間在海底利用10個(gè)攝像頭搜集各種視頻資料，兩個(gè)前腿還可以采集樣品。

相對于韓國龐大的機(jī)器螃蟹，日本Kondo公司的Hexapod六角機(jī)器人就小的多了，這臺(tái)機(jī)器螃蟹由10.8V/800mAh的電池驅(qū)動(dòng)，不僅可以通過傳感器繞過障礙，還能做各種賣萌的動(dòng)作。

5、機(jī)器章魚

一項(xiàng)由歐盟委員會(huì)資助的ICT-FET OCTOPUS項(xiàng)目，受到章魚形態(tài)學(xué)的啟發(fā)以及通過觀察章魚在游動(dòng)時(shí)的特點(diǎn)，Michael Sfakiotakis和他的合作者設(shè)計(jì)了一種八臂的仿生機(jī)器章魚，這八個(gè)臂的材質(zhì)有兩種，分別為柔性材料和剛性材料，可以像真實(shí)章魚般完成劃臂和振臂游動(dòng)，其推動(dòng)方式與水母類似，也為噴射式推進(jìn)模式。

 6、機(jī)器蛇

讀到這里，你可能要問，蛇不是陸地動(dòng)物嗎，怎么跑到水里來了？

其實(shí)我這里要介紹的這款機(jī)器蛇，是我看到他的視頻后大呼精彩的一款兩棲機(jī)器蛇，這款機(jī)器蛇由由日本制造，名為ACM-R5. 當(dāng)你看到ACM-R5的時(shí)候可能你第一感覺它看有點(diǎn)像湯姆克魯斯主演的那部《世界大戰(zhàn)》那個(gè)驚悚的外星人的觸角。

ACM-R5在不僅可以在水下相當(dāng)自然地滑行，而且還能自如地爬行、攀登以及滾動(dòng)，簡直就是一只機(jī)器巨蛇。這只八公斤機(jī)器蛇是由一塊鋰電池供電，在此期間在遠(yuǎn)程操作者設(shè)定一個(gè)方向，而帶有傳感器的32位微處理器指導(dǎo)實(shí)際水下雜技和陸地地形決策。這款機(jī)器蛇將首先用在幫助定位地震等災(zāi)害的受害者等人道主義場景。但我相信，這款機(jī)器人被武器化也是必然趨勢，綁幾個(gè)炸彈，或者和士兵參與反恐戰(zhàn)爭都將成為它可能的用途。

 7、機(jī)器蝴蝶

接下來登場將是世界上重量級(jí)德國機(jī)器人公司FESTO的三款驚世駭俗的產(chǎn)品，第一個(gè)就是可以如同真實(shí)蝴蝶可以在空中偏偏飛舞的機(jī)器蝴蝶。它可以通過獨(dú)立控制的翼來調(diào)整自己，并按照預(yù)編程的路線飛行。機(jī)器蝴蝶通體藍(lán)色，每只翼展長度為50厘米，重量只有32克。其有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)兩只翅膀，裝有一個(gè)IMU（慣性測量單元，檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)以及載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)），還有兩個(gè)90毫安的聚合物電池。

機(jī)器蝴蝶機(jī)翼本身使用的是碳纖維骨架，并覆蓋更薄的彈性電容膜。其每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可達(dá)到2.5m/s，飛行3-4分鐘就得充15分鐘的電，所以續(xù)航力仍有待提升。

 8、機(jī)器蜻蜓

機(jī)器蜻蜓是德國FESTO研制的又一款新型機(jī)器人。它能夠在空中任何方向顫振翅膀，并在空中盤旋，它采用四翼碳纖維折疊翅膀，每秒可拍打20次，我們還可以通過手機(jī)對其進(jìn)行控制，并發(fā)送至難以抵達(dá)的區(qū)域。機(jī)器蜻蜓雖然自身的重量很輕，但是身上的傳感器、制動(dòng)器等硬件全都具備，因此能夠以獨(dú)特的方式飛行。

所有這些零件全都安裝在一個(gè)緊湊的空間中，相互精準(zhǔn)咬合在一起。機(jī)器蜻蜓翼展達(dá)63厘米，體長達(dá)到44厘米，重量為175克，個(gè)頭比實(shí)際的蜻蜓稍大。

它與真實(shí)蜻蜓的相似之處在于，能夠以任何方向飛行，并執(zhí)行最復(fù)雜的飛行策略，且敏捷性很好。

機(jī)器蜻蜓的成功首先體現(xiàn)在有模型能夠在直升機(jī)、普通飛機(jī)、甚至滑翔機(jī)的所有飛行條件下完成飛行任務(wù)。盡管其構(gòu)造復(fù)雜，但其內(nèi)部高度集成化的系統(tǒng)卻能夠通過智能手機(jī)來操控，操作簡單，這一點(diǎn)十分令人贊嘆。

9、機(jī)器鳥

機(jī)器鳥是德國FESTO研制的又一款新型機(jī)器人，命名為SmartBird，它既能夠模擬鳥類在天際滑翔，也能過極其逼真地?fù)鋭?dòng)翅膀。這只機(jī)器鳥的靈感來源于鯡魚銀鷗，他的體重只有450克，兩翼寬1.96公尺，可以按照杠桿原理上下拍動(dòng)翅膀。還可以按照一定角度扭轉(zhuǎn)身體、搖動(dòng)尾巴和腦袋來改變方向。

機(jī)器鳥用料極少，機(jī)構(gòu)也很輕，移動(dòng)和拍翅方式與真鳥非常接近，在空中航飛行時(shí)很容易被認(rèn)為是一致真正的鳥。

 10、機(jī)器蝙蝠

科學(xué)家從自然界獲得靈感，萌發(fā)了研制機(jī)器蝙蝠的念頭。而在微型飛行器領(lǐng)域（MAV），像蝙蝠這種做搖擺飛行的動(dòng)物，是最有效果的微型飛行器。這個(gè)機(jī)器蝙蝠由北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員研制，其只有手掌大小，是用于偵察或者收集其他信息的絕好的微型飛行器。它的四肢處的關(guān)節(jié)用形狀記憶合金做成，肌肉則用智能材料合金組成。這種合金具有超強(qiáng)的彈性，能夠給機(jī)器人蝙蝠提供全系列的運(yùn)動(dòng)，而又總是能返回到原來的滑翔狀態(tài)。

 11、機(jī)器蒼蠅

機(jī)器蒼蠅是以蒼蠅為原型的仿生機(jī)器人。2013年5月，哈佛大學(xué)開發(fā)出世界上第一款機(jī)器蒼蠅。機(jī)器蒼蠅主體用碳纖維制成，體重只有80毫克，翼展3厘米。飛行時(shí)，它每秒振翅120次，頻率幾乎接近真蒼蠅，快得肉眼根本無法看清，它還能在空中盤旋并沿著預(yù)先設(shè)好的路線加速飛行。

在實(shí)驗(yàn)室飛行測試中，機(jī)器蒼蠅展示了穩(wěn)定、可控的飛行性能，能連續(xù)飛行超過20秒。它飛行時(shí)的消耗功率大約19毫瓦，經(jīng)折算與真蒼蠅的消耗大體一致。

 在未來的機(jī)器蒼蠅身上，將安裝大量傳感器和微型攝像機(jī)，因此他們能做的事情還有很多。比如可以用來發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，在災(zāi)難中搜尋廢墟中的幸存者。在太空探索中，機(jī)器蠅也大有可為。在未來登上新星球后，機(jī)器蒼蠅可代替航天員，在各種復(fù)雜條件下完成拍照、攝影、取樣等工作?？梢韵胂?，隨著機(jī)器蒼蠅能力與穩(wěn)定性的一步步提升，四旋翼無人機(jī)的日子估計(jì)也會(huì)變得不那么輕松起來。

12、總結(jié)

1936年科幻作家雷蒙德·格魯恩發(fā)表在《新奇科幻》雜志上的《圣甲蟲》中描述了一種圣甲蟲機(jī)器人。格魯恩寫道：“圣甲蟲摩擦著后腿，蒼蠅不飛的時(shí)候也會(huì)這樣。在感覺舒適的時(shí)候，它會(huì)展開翅膀上面鞘翅狀甲片。發(fā)出嗡嗡的聲音，不知情的人會(huì)誤以為它真是一只甲蟲……。”

經(jīng)過上億年的進(jìn)化與演進(jìn)，地球上的生物已經(jīng)進(jìn)化出一系列適應(yīng)生存環(huán)境的身體結(jié)構(gòu)與行為特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中生存，而我們的制造機(jī)器人的許多靈感也正來源于此。

在軍事應(yīng)用上，機(jī)器人需要解決的問題中隱蔽性是一個(gè)重要的能力。對于仿生機(jī)器人來說，由于其外形與真正的生物極其相似而且運(yùn)動(dòng)形態(tài)也十分相像，因此在對敵監(jiān)察中可以完美地解決隱蔽性的目的。其實(shí)早在2007年，在一次反戰(zhàn)示威活動(dòng)上空盤旋著一群怪誕的飛行物，這招致人們對美國政府涉嫌秘密研發(fā)昆蟲無人機(jī)的指責(zé)。官方的否認(rèn)以及昆蟲學(xué)家有關(guān)，并堅(jiān)稱它們實(shí)際是蜻蜓的說法，但這樣都未能平息人們的猜測。

接下來的一年，美國空軍揭開了昆蟲大小間諜飛機(jī)的神秘面紗，聲稱它們“微小如大黃蜂”，難以被發(fā)現(xiàn)，并可飛入建筑物中“進(jìn)行拍照，錄音，甚至襲擊抵抗分子和恐怖分子”。長期以來，美國國防部高級(jí)研究項(xiàng)目局一直在對納米-仿生微型無人機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。研究人員現(xiàn)在研發(fā)出的仿生無人機(jī)，有蟲子的眼睛，蝙蝠的耳朵，鳥的翅膀，甚至還有蜜蜂的絨毛等，以感知生物、化學(xué)和核武器。

雖然仿生機(jī)器人成為機(jī)器間諜的前景十分廣闊，但是要想做到“隨風(fēng)潛入夜，偵察細(xì)無聲”，真正突破防空網(wǎng)潛入偵察，它們還面臨著重重難關(guān)：

難點(diǎn)一、續(xù)航力

由于機(jī)器間諜體形小巧，使其搭載的電池的體積和容量有限，導(dǎo)致其游動(dòng)或者飛行時(shí)間航程較短以及有效載荷較小。未來使用燃料電池等下一代電池技術(shù)或利用機(jī)身天線接收地面?zhèn)魉偷奈⒉芰康姆绞侥軌驍U(kuò)展無人機(jī)的航程，但要成為真正的間諜無人機(jī)，還需要技術(shù)方面的突破。

難點(diǎn)二、保持航線

機(jī)器間諜體積小而速度低，幾乎不存在慣性，很容易受到不穩(wěn)定水流和氣流的影響。在這種情況下如何保持其航線，并可執(zhí)行操作人員的機(jī)動(dòng)命令，是控制方面的一大挑戰(zhàn)。

難點(diǎn)三、遠(yuǎn)距離通信

此外，機(jī)器間諜要執(zhí)行偵察或間諜任務(wù)，機(jī)身必須搭載各種偵察傳感器，如視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)及生化探測器等。這些都必須是超輕重量的微型傳感器，因而部件小型化是傳感器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。而且，一旦潛入水中或者飛到空中，機(jī)器間諜就必須保持與操作人員之間的通信聯(lián)系，而無線信號(hào)在傳播時(shí)候的衰減必須考慮，尤其是在水中，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信也成為間諜未來發(fā)展道路上的主要挑戰(zhàn)之一。

不過，仿隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，也許數(shù)年之后，爬到你身邊的蟑螂或飛進(jìn)室內(nèi)的蒼蠅也許竟然是來竊聽和竊照的間諜；也許當(dāng)你聽到落在窗前電線上的鳥兒在歌唱時(shí)，它可能就是一個(gè)正在把鏡頭對準(zhǔn)你的機(jī)器人！

 細(xì)思極恐……

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