當(dāng)今世界上存在的千萬種生物，都是經(jīng)過億萬年的適應(yīng)、進(jìn)化、發(fā)展而來，這使得生物體的某些部位巧奪天工，生物特性趨于完美，具有了最合理、最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、靈活的運(yùn)動(dòng)特性、以及良好的適應(yīng)性和生存能力。自古以來，豐富多彩的自然界不斷激發(fā)人類的探索欲望，一直是人類產(chǎn)生各種技

　　術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)造靈感不可替代、取之不竭的知識(shí)寶庫和學(xué)習(xí)源泉。道法自然，向自然界學(xué)習(xí)，采用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)、研制新型的機(jī)器、設(shè)備、材料和完整的仿生系統(tǒng)，是近年來快速發(fā)展的研究領(lǐng)域之一。

　　仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科。1960年9月，第一次世界仿生學(xué)大會(huì)在美國(guó)俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中，世界各國(guó)競(jìng)相展開仿生技術(shù)研究，仿生學(xué)理論和技術(shù)迅速發(fā)展，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現(xiàn)。我國(guó)在2003年召開了兩屆香山會(huì)議，即第214屆“飛行和游動(dòng)生物力學(xué)和仿生應(yīng)用”和第220屆“仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿”。此后，又分別在2010年和2011年召開了第387屆“分子仿生”、第395屆“高效降解生物質(zhì)的自然生物系統(tǒng)資源利用與仿生”以及第411屆“仿生材料與器件：結(jié)構(gòu)、力學(xué)與功能”三屆香山會(huì)議。

　　為促進(jìn)仿生學(xué)科的發(fā)展，由吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合15個(gè)國(guó)家的仿生學(xué)者牽頭發(fā)起成立了“國(guó)際仿生工程學(xué)會(huì)”，學(xué)會(huì)秘書處設(shè)在中國(guó)。這是國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)我國(guó)仿生工程研究水平和學(xué)術(shù)地位的認(rèn)可。仿生學(xué)研究的內(nèi)容包括力學(xué)仿生、分子仿生、信息與控制仿生、能量仿生等。其中，力學(xué)仿生主要研究生物的宏觀結(jié)構(gòu)性能，包括生物的靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性；分子仿生主要研究生物的微觀特性，包括生物體內(nèi)酶的催化作用、生物膜的選擇性等；信息與控制仿生主要研究生物對(duì)信息的處理過程，包括生物的感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；能量仿生主要是對(duì)生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程和新陳代謝進(jìn)行研究，包括生物肌肉的能量轉(zhuǎn)換、生物器官的發(fā)光等。仿生學(xué)的研究一般可分為以下三步：①對(duì)生物原型和生物機(jī)理進(jìn)行研究；②將生物模型用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行表示；③根據(jù)數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)物模型。
  　仿人機(jī)器人

　　仿人機(jī)器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動(dòng)、感知、操作、學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、情感交流等功能的智能機(jī)器人，可以適應(yīng)人類的生

　　活和工作環(huán)境。這是一個(gè)融合機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、傳感及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多門學(xué)科的高難度研究方向，是各類新型控制理論和工程技術(shù)的研究平臺(tái)，也是目前仿生機(jī)器人技術(shù)研究中具有挑戰(zhàn)性的難題之一。仿人機(jī)器人的研究可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。如圖2所示，仿人機(jī)器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從最初的單元功能實(shí)現(xiàn)，僅模仿人進(jìn)行簡(jiǎn)單行走，發(fā)展到能初步感知外界環(huán)境的低智能化，再到現(xiàn)在集成視覺、觸覺等多項(xiàng)技術(shù)并能根據(jù)外界環(huán)境變化作出自身調(diào)整，完成多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的擬人化、高智能化系統(tǒng)。

　　仿人機(jī)器人的研制開始于20世紀(jì)60年代末的雙足步行機(jī)器人。日本早稻田大學(xué)首先展開了該方面的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT

　　系列機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)基本行走功能。在此期間，日本、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等國(guó)家的多家機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了仿人形機(jī)器人的研究探索工作，并取得了許多突破性的成果，如美籍華人鄭元芳博士1986年研制出了美國(guó)第一臺(tái)雙足步行機(jī)器人SD-1以及其改進(jìn)版SD-2。

　　該階段主要還是側(cè)重實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能，并能實(shí)現(xiàn)一定程度的控制。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著傳感以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿人機(jī)器人具有一定的感知系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境的簡(jiǎn)單信息，可做出簡(jiǎn)單的判斷并相應(yīng)調(diào)整自己的動(dòng)作，使得運(yùn)動(dòng)更加連續(xù)流暢。如本田公司于2000年研發(fā)的仿人形機(jī)器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，因此轉(zhuǎn)彎時(shí)的步行動(dòng)作連續(xù)流暢，行走自如，是第一個(gè)具有世界影響力的仿人形機(jī)器人。索尼公司2003年推出的“QRIO”機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人的跑動(dòng)。其后，法國(guó)的“BIP2000”機(jī)器人、索尼公司的“SDR”系列機(jī)器人、日本JVC公司研制的“4”機(jī)器人、韓國(guó)的“HUBO”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復(fù)雜動(dòng)作。隨著控制理論的發(fā)展與控制技術(shù)的進(jìn)步，仿人機(jī)器人智能性更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作更復(fù)雜，運(yùn)行更穩(wěn)定，且能根據(jù)環(huán)境的改變和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作。如本田2011年發(fā)布的“ASIMO2011”機(jī)器人(圖3)，綜合了視覺和觸覺的物體識(shí)別技術(shù)，可進(jìn)行細(xì)致作業(yè)，如拿起瓶子擰開瓶蓋，將瓶中液體注入柔軟紙杯等，還能依據(jù)人類的聲音、手勢(shì)等指令，來從事相應(yīng)動(dòng)作，此外，還具備了基本的記憶與辨識(shí)能力。

　　2013年美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的“ATLAS”機(jī)器人(圖4)是當(dāng)前仿人形機(jī)器人的一個(gè)代表，除了具有人形外觀，還具備了人類簡(jiǎn)單的識(shí)別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類人機(jī)器人。該機(jī)器人能在傳送帶上大步前進(jìn)，躲開傳送帶上突然出現(xiàn)的木板，能從高處跳下穩(wěn)穩(wěn)落地，能兩腿分開從陷阱兩邊走過，能單腿站立，被從側(cè)面而來的球重撞而不倒。

　　該公司開發(fā)的另一款用于美軍檢驗(yàn)防護(hù)服性能的軍用機(jī)器人“Petman”(圖5)，除了具有較高靈活度外，還能調(diào)控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學(xué)中的自我保護(hù)功能，已經(jīng)一定程度上具有了人類的生理特性。