【編者按】本文作者@沐陽浸月，中國中科院自動化所複雜系統國家重點實驗室研究生，主攻水下機器人。
說起機器人，可能由於受名詞中“人”字的影響，大部分人腦海裡出現的可能要麼是憨態可掬、動作靈活的小NAO機器人，要麼是彬彬有禮、動作規範的ASIMO機器人，亦或是電影《人工智慧》裡有著和人一模一樣的外表的大衛。其實，這些機器人都屬於仿人機器人，這些機器人是模仿人的形態和行為而被設計與製造出來的，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。
然而，除了仿人機器人，仿生機器人中有很大一部分是仿照我們人類的朋友——那些自然界的生物們，通過它們帶給我們的靈感而製造出來的機器人。
而接下來我就向大家介紹一下我們那些出色的機器間諜們，本篇主要將介紹水、空仿生機器人。
1、機器魚
機器魚，故名思議，外形像魚的機器人。與傳統的基於螺旋槳推進的水下潛器（AUV）相比，機器魚實現了推進器與舵的統一，具有高效、高機動、低擾動等優點，從而更加適合在狹窄、複雜和動態的水下環境中進行監測、搜索、勘探、救援等作業。
海洋生物經過長期的自然選擇進化出了非凡的水下運動能力，效率高、速度快、機動性高。水下生物的推進方式有身體尾鰭 (body and/or caudal fin, BCF)推進模式，中間鰭對鰭 (median and/or paired fin, MPF)推進模式，噴射推進模式等：
§ 身體、尾鰭推進模式(BCF)：採用這種模式遊動的魚類主要通過身體的波動和尾鰭的擺動產生推進力，其暫態遊動的加速性能好，週期遊動的巡航能力強。
§ 中間鰭、對鰭推進模式(MPF)：這種方式主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動產生推進力，其機動性能好。
§ 噴射推進模式：這種方式主要依靠腔體壓縮噴水形成反作用力產生推進力。
大部分魚類採用前兩種推進模式。自從1994年MIT研製了世界上第一條仿金槍機器魚 (Robotuna)，開啟了機器魚研製的先河。國際與中國市場對於機器魚的研究大量湧現。各種形式的機器魚、機器海豚不斷被報導。
它們採用了形式各異的機械結構和獨特的控制方法。國際市場上做的比較好的機構主要有麻省理工學院等，中國做的比較好的有中科院自動化研究所等。
今年5月28日的《Nature》上，MIT的一款軟體機器魚由於其出色的性能而被綜述文章《Design, fabrication
and control of soft robots》(《軟體機器人的設計、製造與控制》)收錄並介紹，所以我以這款機器人為代表對機器魚進行一下介紹。
MIT的機器魚主要著眼於使機器人能夠進行快速的逃避反應。
該機器人採用了符合真實魚體的形態結構，其驅動部位裝有嵌入式系統。該機器人具有一個新穎的流體驅動系統驅動身體運動，並且具有傳統的機器人的所有子系統板載：電源，驅動器，處理器和控制器。這條機器魚效仿除了真魚類逃避反應，並採用C行啟動控制，因為這樣的遊動需要快速加速身體並進行連續遊動。通過實驗，這條機器魚可以在短短160毫秒內完成逃避反應。
除了在水中如同魚一般自由遊動的機器魚，還有一種生物，其既可以在水中遊動，又可以在陸地上行走，那就是兩栖機器魚。
瑞士洛桑聯邦理工學院的艾斯皮特及其合作者設計了一種機器蠑螈，並將其成果刊登在《Science》雜誌。他們為機器蠑螈設計了6個脊柱樞紐、4個可轉動的肢關節、10個馬達，可令它模仿兩棲動物S型的身體起伏模式。由電腦無線傳輸發送的電信號，可以調節機器蠑螈的行動速度、方向和步態類型。這一調控機制與脊椎動物神經中樞發送信號的過程相類似。
這種控制方法也被命名為Central Pattern Generator（CPG，中樞模式發生器），成為很多仿生魚類的控制方法，影響深遠。仿生蠑螈的第二版被命名為Pleurobot，其在形態上則更加趨近於真實蠑螈，性能上也有所提升。
2、機器水母
在上面的推進模式的介紹中，機器魚主要採用前兩種推進模式，而噴射推進模式則是大自然中水母採用的推進模式。噴水推進模式雜訊和振動較小，比具有螺旋槳的船舶低7-10分貝。吃水淺、淺水效應小、傳動機構簡單、附件阻力小、保護性能好，而且日常保養及維護較為容易。
同時相對於仿生機器魚的體尾鰭推進模式和中間鰭對鰭推進模式相比，更加也有無半徑轉向以及平穩等優點。有這麼多的優點自然也是科學家們爭相模仿的物件。
說到一收一縮的噴射推進，人們首先想到的當然就是讓製作機器水母的材料自己“抽搐”，所以在前期利用智慧材料製作的仿生水母層出不窮，諸如SMA (shape memory alloy)，IPMC (ionic polymer
metal composite)，EMA （electromagnetic
actuation）以及複合材料等新型材料作為推進器屢見不鮮。但是由於智慧材料形變量較小，所以後期便出現了利用機械材料製成的仿生機器水母。最有代表性的便是FESTO公司的AquaJelly。
AquaJelly是由一個半透明的半球和八個推進觸角組成。在AquaJelly中心是一個水密鐳射燒結體。它安裝一個中央電動機，兩塊鋰離子聚合物電池，充電控制單元以及伺服電機。
相信看過其在水中漫遊姿態的人都被他優美的“舞姿”深深折服。
3、機器龍蝦
機器龍蝦是約瑟夫·艾爾斯為美國海軍位於東北的海洋學中心研製的。
機器龍蝦擁有很高的靈活性，可用于探測水下礦藏。這只機器龍蝦由一種特製的防水電池提供動力，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方向移動，並都裝配有防水感測器，爪子和尾巴則幫助它們在湍急的水流以及其它環境下保持身體穩定性，它的大腦則是一台超微型電腦。
它能夠像真龍蝦一樣適應不規則的海底，在不同的深度敏捷地行動，並且可以靈巧地應付洶湧的波濤和變化的海流，躲避各式各樣的海底礁石。
4、機器螃蟹
機器螃蟹是一款型號為Crabster CR200的多節機器人，2013年由韓國海洋科學技術院和韓國內5所大學聯合研發成功， 重約600公斤，是當今世界上個頭最大的深水行走機器人，其外表和工作方式看起來就像是一隻螃蟹。
Crabster CR200能夠勝任諸如海底地貌勘測、水下管道架設等普通設備難以完成的工作，由4名人員駕駛，最多可以在200米深的海底進行工作。一次下水可以長時間在海底利用10個攝影機搜集各種視頻資料，兩個前腿還可以採集樣品。
相對於韓國龐大的機器螃蟹，日本Kondo公司的Hexapod六角機器人就小的多了，這台機器螃蟹由10.8V/800mAh的電池驅動，不僅可以通過感測器繞過障礙，還能做各種賣萌的動作。
5、機器章魚
一項由歐盟委員會資助的ICT-FET OCTOPUS專案，受到章魚形態學的啟發以及通過觀察章魚在遊動時的特點，Michael Sfakiotakis和他的合作者設計了一種八臂的仿生機器章魚，這八個臂的材質有兩種，分別為柔性材料和剛性材料，可以像真實章魚般完成劃臂和振臂遊動，其推動方式與水母類似，也為噴射式推進模式。
6、機器蛇
讀到這裡，你可能要問，蛇不是陸地動物嗎，怎麼跑到水裡來了？
其實我這裡要介紹的這款機器蛇，是我看到他的視頻後大呼精彩的一款兩栖機器蛇，這款機器蛇由由日本製造，名為ACM-R5. 當你看到ACM-R5的時候可能你第一感覺它看有點像湯姆克魯斯主演的那部《世界大戰》那個驚悚的外星人的觸角。
ACM-R5在不僅可以在水下相當自然地滑行，而且還能自如地爬行、攀登以及滾動，簡直就是一隻機器巨蛇。這只八公斤機器蛇是由一塊鋰電池供電，在此期間在遠端操作者設定一個方向，而帶有感測器的32位元微處理器指導實際水下雜技和陸地地形決策。
這款機器蛇將首先用在幫助定位地震等災害的受害者等人道主義場景。但我相信，這款機器人被武器化也是必然趨勢，綁幾個炸彈，或者和士兵參與反恐戰爭都將成為它可能的用途。
7、機器蝴蝶
接下來登場將是世界上重量級德國機器人公司FESTO的三款驚世駭俗的產品，第一個就是可以如同真實蝴蝶可以在空中偏偏飛舞的機器蝴蝶。它可以通過獨立控制的翼來調整自己，並按照預程式設計的路線飛行。機器蝴蝶通體藍色，每只翼展長度為50釐米，重量只有32克。其有兩台電動機獨立地驅動兩隻翅膀，裝有一個IMU（慣性測量單元，檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號以及載體相對於導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，並以此解算出物體的姿態），還有兩個90毫安培的聚合物電池。
機器蝴蝶機翼本身使用的是碳纖維骨架，並覆蓋更薄的彈性電容膜。其每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可達到2.5m/s，飛行3-4分鐘就得充15分鐘的電，所以續航力仍有待提升。
8、機器蜻蜓
機器蜻蜓是德國FESTO研製的又一款新型機器人。它能夠在空中任何方向顫振翅膀，並在空中盤旋，它採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對其進行控制，並發送至難以抵達的區域。機器蜻蜓雖然自身的重量很輕，但是身上的感測器、制動器等硬體全都具備，因此能夠以獨特的方式飛行。
所有這些零件全都安裝在一個緊湊的空間中，相互精準咬合在一起。機器蜻蜓翼展達63釐米，體長達到44釐米，重量為175克，個頭比實際的蜻蜓稍大。
它與真實蜻蜓的相似之處在於，能夠以任何方向飛行，並執行最複雜的飛行策略，且敏捷性很好。
機器蜻蜓的成功首先體現在有模型能夠在直升機、普通飛機、甚至滑翔機的所有飛行條件下完成飛行任務。儘管其構造複雜，但其內部高度集成化的系統卻能夠通過智慧手機來操控，操作簡單，這一點十分令人讚歎。
9、機器鳥
機器鳥是德國FESTO研製的又一款新型機器人，命名為SmartBird，它既能夠模擬鳥類在天際滑翔，也能過極其逼真地撲動翅膀。這只機器鳥的靈感來源於鯡魚銀鷗，他的體重只有450克，兩翼寬1.96公尺，可以按照杠杆原理上下拍動翅膀。還可以按照一定角度扭轉身體、搖動尾巴和腦袋來改變方向。
機器鳥用料極少，機構也很輕，移動和拍翅方式與真鳥非常接近，在空中航飛行時很容易被認為是一致真正的鳥。
10、機器蝙蝠
科學家從自然界獲得靈感，萌發了研製機器蝙蝠的念頭。而在微型飛行器領域（MAV），像蝙蝠這種做搖擺飛行的動物，是最有效果的微型飛行器。這個機器蝙蝠由北卡羅來納州立大學的研究人員研製，其只有手掌大小，是用於偵察或者收集其他資訊的絕好的微型飛行器。它的四肢處的關節用形狀記憶合金做成，肌肉則用智慧材料合金組成。這種合金具有超強的彈性，能夠給機器人蝙蝠提供全系列的運動，而又總是能返回到原來的滑翔狀態。
11、機器蒼蠅
機器蒼蠅是以蒼蠅為原型的仿生機器人。2013年5月，哈佛大學開發出世界上第一款機器蒼蠅。機器蒼蠅主體用碳纖維製成，體重只有80毫克，翼展3釐米。飛行時，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，它還能在空中盤旋並沿著預先設好的路線加速飛行。
在實驗室飛行測試中，機器蒼蠅展示了穩定、可控的飛行性能，能連續飛行超過20秒。它飛行時的消耗功率大約19毫瓦，經折算與真蒼蠅的消耗大體一致。
美國五角大樓一直對有望成為“微型間諜”的機器蒼蠅極為重視，自1998年這項研究剛剛開始時就一直大力資助。他們設想，機器蒼蠅可以幫助軍方完成偵察阿富汗山洞或是尋找伊拉克秘密武器等艱巨任務。
而在未來戰爭中，機器蒼蠅甚至可以帶上微型炸藥，飛到敵方總部，將其指揮官炸死，或炸掉其指揮中心的所有儀器。總之，機器蒼蠅將完成過去“007”遠遠完成不了的任務，成為名副其實的超級間諜。
在未來的機器蒼蠅身上，將安裝大量感測器和微型攝影機，因此他們能做的事情還有很多。比如可以用來發現森林火災，在災難中搜尋廢墟中的倖存者。在太空探索中，機器蠅也大有可為。在未來登上新星球後，機器蒼蠅可代替太空人，在各種複雜條件下完成拍照、攝影、取樣等工作。可以想像，隨著機器蒼蠅能力與穩定性的一步步提升，四旋翼無人機的日子估計也會變得不那麼輕鬆起來。
12、總結
1936年科幻作家雷蒙德·格魯恩發表在《新奇科幻》雜誌上的《聖甲蟲》中描述了一種聖甲蟲機器人。格魯恩寫道：“聖甲蟲摩擦著後腿，蒼蠅不飛的時候也會這樣。在感覺舒適的時候，它會展開翅膀上面鞘翅狀甲片。發出嗡嗡的聲音，不知情的人會誤以為它真是一隻甲蟲……。
”
經過上億年的進化與演進，地球上的生物已經進化出一系列適應生存環境的身體結構與行為特點，能夠在複雜多變的環境中生存，而我們的製造機器人的許多靈感也正來源於此。
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