當今世界上存在的千萬種生物，都是經(jīng)過億萬年的適應、進化、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)化的結構特點、靈活的運動特性、以及良好的適應性和生存能力。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
術思想和發(fā)明創(chuàng)造靈感不可替代、取之不竭的知識寶庫和學習源泉。道法自然，向自然界學習，采用仿生學原理，設計、研制新型的機器、設備、材料和完整的仿生系統(tǒng)，是近年來快速發(fā)展的研究領域之一。
仿生學是研究生物系統(tǒng)的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的技術科學，是一門生命科學、物質科學、數(shù)學與力學、信息科學、工程技術以及系統(tǒng)科學等學科的交叉學科。1960年9月，第一次世界仿生學大會在美國俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中，世界各國競相展開仿生技術研究，仿生學理論和技術迅速發(fā)展，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現(xiàn)。我國在2003年召開了兩屆香山會議，即第214屆“飛行和游動生物力學和仿生應用”和第220屆“仿生學的科學意義與前沿”。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：結構、力學與功能”三屆香山會議。
為促進仿生學科的發(fā)展，由吉林大學工程仿生教育部重點實驗室聯(lián)合15個國家的仿生學者牽頭發(fā)起成立了“國際仿生工程學會”，學會秘書處設在中國。這是國際學術界對我國仿生工程研究水平和學術地位的認可。仿生學研究的內容包括力學仿生、分子仿生、信息與控制仿生、能量仿生等。其中，力學仿生主要研究生物的宏觀結構性能，包括生物的靜力學特性和動力學特性；分子仿生主要研究生物的微觀特性，包括生物體內酶的催化作用、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)絡等；能量仿生主要是對生物體內能量轉換過程和新陳代謝進行研究，包括生物肌肉的能量轉換、生物器官的發(fā)光等。仿生學的研究一般可分為以下三步：①對生物原型和生物機理進行研究；②將生物模型用數(shù)學的方法進行表示；③根據(jù)數(shù)學模型制造出可在工程技術上進行試驗的實物模型。
仿人機器人
仿人機器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動、感知、操作、學習、聯(lián)想記憶、情感交流等功能的智能機器人，可以適應人類的生
活和工作環(huán)境。這是一個融合機械電子、計算機科學、人工智能、傳感及驅動技術等多門學科的高難度研究方向，是各類新型控制理論和工程技術的研究平臺，也是目前仿生機器人技術研究中具有挑戰(zhàn)性的難題之一。仿人機器人的研究可以推動仿生學、人工智能學、計算機科學、材料科學等相關學科的發(fā)展，因此具有重要的研究價值和意義。如圖2所示，仿人機器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從最初的單元功能實現(xiàn)，僅模仿人進行簡單行走，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、觸覺等多項技術并能根據(jù)外界環(huán)境變化作出自身調整，完成多項復雜任務的擬人化、高智能化系統(tǒng)。
仿人機器人的研制開始于20世紀60年代末的雙足步行機器人。日本早稻田大學首先展開了該方面的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT
系列機器人能實現(xiàn)基本行走功能。在此期間，日本、美國、歐盟、韓國等國家的多家機構均進行了仿人形機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年研制出了美國第一臺雙足步行機器人SD-1以及其改進版SD-2。
該階段主要還是側重實現(xiàn)機器人的行走功能，并能實現(xiàn)一定程度的控制。進入21世紀，隨著傳感以及智能控制技術的發(fā)展，仿人機器人具有一定的感知系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境的簡單信息，可做出簡單的判斷并相應調整自己的動作，使得運動更加連續(xù)流暢。如本田公司于2000年研發(fā)的仿人形機器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預測下一個動作并提前改變重心，因此轉彎時的步行動作連續(xù)流暢，行走自如，是第一個具有世界影響力的仿人形機器人。索尼公司2003年推出的“QRIO”機器人首次實現(xiàn)了仿人機器人的跑動。其后，法國的“BIP2000”機器人、索尼公司的“SDR”系列機器人、日本JVC公司研制的“4”機器人、韓國的“HUBO”機器人，實現(xiàn)了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復雜動作。隨著控制理論的發(fā)展與控制技術的進步，仿人機器人智能性更強，能實現(xiàn)動作更復雜，運行更穩(wěn)定，且能根據(jù)環(huán)境的改變和它自身的判斷結果自動確定與之相適應的動作。如本田2011年發(fā)布的“ASIMO2011”機器人(圖3)，綜合了視覺和觸覺的物體識別技術，可進行細致作業(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、手勢等指令，來從事相應動作，此外，還具備了基本的記憶與辨識能力。
2013年美國波士頓動力公司研制的“ATLAS”機器人(圖4)是當前仿人形機器人的一個代表，除了具有人形外觀，還具備了人類簡單的識別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類人機器人。該機器人能在傳送帶上大步前進，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防護服性能的軍用機器人“Petman”(圖5)，除了具有較高靈活度外，還能調控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學中的自我保護功能，已經(jīng)一定程度上具有了人類的生理特性。
