普渡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)蜂鳥的身體構(gòu)造和行為模式，制造了一款仿生蜂鳥機(jī)器人。無(wú)論從形態(tài)、動(dòng)作，都非常逼真。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練，仿生機(jī)器人“知道”如何像蜂鳥一樣自行移動(dòng)，例如辨別何時(shí)執(zhí)行逃生機(jī)動(dòng)。

蜂鳥是世界上體積最小的鳥。其中體積最小的吸蜜蜂鳥僅重1.8克，只比一只成年蜜蜂重一點(diǎn)兒；而蜂鳥中體型最大的巨蜂鳥，體重也僅有20克，比兩節(jié)7號(hào)電池還輕。蜂鳥也是唯一可以倒飛的鳥，可以完成非常高難度的空中機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

由普渡大學(xué)機(jī)械工程副教授Xinyan Deng帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)蜂鳥的身體構(gòu)造和行為模式，制造了一款仿生蜂鳥機(jī)器人。無(wú)論從形態(tài)、動(dòng)作，都非常逼真。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以自動(dòng)執(zhí)行機(jī)動(dòng)動(dòng)作

其實(shí)蜂鳥機(jī)器人并非普渡大學(xué)首創(chuàng)，科學(xué)家對(duì)蜂鳥的研究由來(lái)已久。2011年，由美國(guó)國(guó)防部DARPA委托AeroVironment公司制造了一款蜂鳥機(jī)器人，但比較重，速度也不快，需要有人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。操作方式類似直升機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)有限的機(jī)動(dòng)性。

但是Deng研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這款仿生蜂鳥機(jī)器人，重量?jī)H為12g，和一只成年蜂鳥體重相當(dāng)，卻可以舉起27克的物體。使用兩個(gè)電機(jī)用來(lái)獨(dú)立控制每個(gè)機(jī)翼，也是借鑒了飛行動(dòng)物在自然界中實(shí)現(xiàn)高度敏捷性機(jī)動(dòng)的原理。

最關(guān)鍵的是，這款蜂鳥機(jī)器人使用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練，不僅可以學(xué)會(huì)蜂鳥的動(dòng)作，還可以學(xué)到蜂鳥做出該動(dòng)作的意圖。

這意味著從模擬中學(xué)習(xí)之后，仿生機(jī)器人“知道”如何像蜂鳥一樣自行移動(dòng)，例如辨別何時(shí)執(zhí)行逃生機(jī)動(dòng)。

人工智能與靈活的撲翼相結(jié)合，也讓機(jī)器人能夠自學(xué)新技巧。例如，雖然機(jī)器人沒(méi)有視覺(jué)傳感器無(wú)法看見(jiàn)，但可以通過(guò)觸摸表面來(lái)感知物體。每次觸摸都會(huì)改變電流，研究人員意識(shí)到，可以通過(guò)跟蹤電流變化來(lái)獲知障礙物邊界。

Deng教授說(shuō)，這款機(jī)器人可以在看不到周圍環(huán)境的情況下繪制地圖。也就是說(shuō)，這款機(jī)器人可以節(jié)省一個(gè)視覺(jué)傳感器，那么在完全黑暗的場(chǎng)景下尋找受害者就非常有用了。這意味著不僅僅可以節(jié)省成本，還可以降低設(shè)計(jì)難度和工藝流程的復(fù)雜度。

通過(guò)對(duì)昆蟲和蜂鳥物理學(xué)的進(jìn)一步研究，普渡大學(xué)的研究人員認(rèn)為他們能夠制造出比蜂鳥更小的機(jī)器人，像昆蟲一樣小，卻不會(huì)影響它們飛行的方式。而且Deng聲稱尺寸越小、機(jī)翼拍打頻率越高，飛行效率越高。

在制作工藝方面，采用了3D打印的機(jī)身，由碳纖維和激光切割膜制成的機(jī)翼。

該機(jī)器人可以像真正的蜂鳥一樣靜靜地飛行，使它們更適合秘密行動(dòng)。他們通過(guò)湍流保持穩(wěn)定，研究人員通過(guò)測(cè)試油箱中動(dòng)態(tài)縮放的機(jī)翼證明了這一點(diǎn)。

Xinyan Deng教授在天津大學(xué)獲得本科學(xué)位，并在加州伯克利獲得博士學(xué)位，目前在普渡大學(xué)任職機(jī)械工程副教授。由她帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)和在蒙大拿州花費(fèi)了好幾個(gè)夏天的時(shí)間研究蜂鳥。

左2為Xinyan Deng教授

未來(lái)將配上電池和傳感器

他們記錄了蜂鳥的關(guān)鍵動(dòng)作，例如快速的180度旋轉(zhuǎn)、并將它們轉(zhuǎn)換為機(jī)器人在連接到模擬時(shí)可以學(xué)習(xí)的算法。

Deng說(shuō)，蜂鳥有多組肌肉可以做動(dòng)力和轉(zhuǎn)向。機(jī)器人應(yīng)該盡可能的減輕體重，從而可以在最小的重量下獲得最大的性能。

研究人員表示，雖然目前機(jī)器人在飛行時(shí)需要電線來(lái)提供動(dòng)力，但這種情況不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間。

機(jī)器人可以像真正的蜂鳥一樣靜靜地飛行，使它們更適合秘密行動(dòng)。他們通過(guò)湍流保持穩(wěn)定，研究人員通過(guò)測(cè)試油箱中動(dòng)態(tài)縮放的機(jī)翼證明了這一點(diǎn)。

單純從目前該機(jī)器人的功能來(lái)看，似乎和無(wú)人機(jī)非常類似。然而蜂鳥機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)很多無(wú)人機(jī)無(wú)法完成的任務(wù)。

無(wú)人機(jī)受到螺旋槳的限制，體積很難縮小到蜂鳥機(jī)器人相同大小，而蜂鳥不使用傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)，它們的翅膀具有彈性，可以將體積做的非常小。

機(jī)器人蜂鳥不僅可以幫助進(jìn)行搜索和救援任務(wù)，還可以讓生物學(xué)家通過(guò)真實(shí)機(jī)器人的感官更可靠地在自然環(huán)境中研究蜂鳥。

設(shè)計(jì)具有更高升力的機(jī)器人為研究人員提供了更多可操作的空間。未來(lái)還可以添加電池和傳感器，例如相機(jī)和GPS。

這款機(jī)器人將會(huì)在“2019年IEEE國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)”上亮相，Xinyan Deng團(tuán)隊(duì)將在大會(huì)上進(jìn)行presentation。

研究人員已經(jīng)將模擬器在Github上開源，要求Python 3，模擬器引擎使用DART，接口使用pydart2。

仿生機(jī)器人現(xiàn)狀

仿生機(jī)器人是模仿自然界中生物的外部形狀、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式的系統(tǒng)，能從事具有生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人，類型非常多。

仿生機(jī)器人的主要特點(diǎn)，一是多為冗余自由度或超冗余自由度的機(jī)器人，機(jī)構(gòu)復(fù)雜；二是其驅(qū)動(dòng)方式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，通常采用繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅(qū)動(dòng)。

生物特性為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了許多有益的參考，使得機(jī)器人可以從生物體上學(xué)習(xí)如自適應(yīng)性、強(qiáng)健性、運(yùn)動(dòng)多樣性和靈活性等一系列良好的性能。因此仿生機(jī)器人同時(shí)具有生物和機(jī)器人的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸在反恐防爆、探索太空、搶險(xiǎn)救災(zāi)等不適合由人來(lái)承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景。

目前在仿生機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊無(wú)疑是波士頓動(dòng)力。即將商用的SpotMini機(jī)器狗，拉貨車的樣子像極了雪橇犬在雪地奔跑拉人，但更加有組織、有紀(jì)律，能夠完成任務(wù)的難度系數(shù)也要比雪橇犬們高得多。

而國(guó)內(nèi)也在大力發(fā)展仿生機(jī)器人。浙大的絕影、以及Laikago宇樹科技的Laikago四足機(jī)器人，號(hào)稱中國(guó)版波士頓動(dòng)力機(jī)器狗，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

仿人機(jī)器人如Nao、Pepper，四足機(jī)器人如索尼機(jī)器狗Aibo等已進(jìn)入教育、娛樂(lè)、陪伴、導(dǎo)游導(dǎo)覽等領(lǐng)域，如通過(guò)人臉識(shí)別識(shí)別不同說(shuō)話人、人機(jī)對(duì)話為人提供必要的信息服務(wù)和產(chǎn)品介紹、利用機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)研究、通過(guò)舞蹈表演、機(jī)器人比賽用于展示和教育。

中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的仿生機(jī)器魚系統(tǒng)在大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)用于仿魚運(yùn)動(dòng)機(jī)理、控制與協(xié)作的研究，在國(guó)內(nèi)多個(gè)科技館用于科普教育。

同時(shí)，該研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所（洛陽(yáng)）機(jī)器人與智能裝備創(chuàng)新研究院進(jìn)行了小型教育娛樂(lè)仿生機(jī)器魚的產(chǎn)業(yè)化，用戶可以通過(guò)手機(jī)遙控機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)靈活的水上運(yùn)動(dòng)。

國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)都研制開發(fā)了雙足步行機(jī)器人。北京理工大學(xué)研制的仿人機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)太極拳表演、刀術(shù)表演、騰空行走等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也開發(fā)了高仿真人形機(jī)器人。在仿人機(jī)器人乒乓球?qū)Υ颉⑷藱C(jī)器人乒乓球?qū)Υ蜓芯恐校本├砉ご髮W(xué)、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)等單位開發(fā)了乒乓球的高速識(shí)別與軌跡預(yù)測(cè)、擊球策略與控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多回合乒乓球?qū)Υ颉?/p>

麥肯錫全球資深董事合伙人卡雷爾·艾露特則認(rèn)為，中國(guó)機(jī)器人企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)品大多集中在低端市場(chǎng)，對(duì)于生產(chǎn)比較復(fù)雜的機(jī)器人有時(shí)候顯得力不從心。此外，中國(guó)只持有不到1%的工業(yè)機(jī)器人專利，該領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)相對(duì)匱乏。

但我們有理由相信，隨著國(guó)家對(duì)AI技術(shù)的支持，不久的將來(lái)，上述問(wèn)題會(huì)得到解決。