生物机器人研究现状及其发展方向

生物机器人的研究现状及其发展方向

（天津理工大学 机械工程学院，天津）

摘 要：随着机器人技术的发展，生物机器人的研究正受到学者们的普遍关注。本文主要对对国内外生物机器人的研制工作做了综述，并介绍其应用前景及对其未来发展进行了展望。

关键词：生物机器人；运动诱导；神经控制；研究现状；发展方向

Abstract: With the development of robotics, researchers are paying more and more attention to the research on bio-robots. With the discussion of the current status at home and abroad, this paper describes the application prospects and forecasts the future of bio-robots.

Key words: bio-robots; locomotion modulation; neuro-control; current status; prospect

0前言

在35亿年的进化过程中，动物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。自从仿生机器人诞生以来，对工业生产、民用事业和国防科技等各方面都产生了深远的影响。随着仿生技术、控制技术和制造技术进一步发展，现代仿生学和机器人科学相结合，在机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生等多个方面取得了大量可喜成果和积极进展。伴随着人类医疗诊断、探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加，人们对机器人的性能也提出了更高的要求。生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较机器人 (或仿生机器人 )具有更明显的优势，可广泛应用在海洋开发、探索太空、反恐侦查、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面。近年来对生物运动规律和动物机器人的研究受到更多的重视。20世纪90年代开始，各国科研人员展开了利用生物控制技术研制动物机器人的研究。例如，日本政府早在1995年就投入500万美元，资助日本东京大学的Isao Shimoyama 教授研究蟑螂的生物控制技术；美国DARPA (国防部高级研究计划局) 也投资2400万美元，资助美国国内6大实验室以老鼠、猿猴为研究对象，进行有控制的生物系统计划。

1生物机器人的基本概念

生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受

传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制，从而利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务。而仿生机器人只是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂； 二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。

利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪 90年代，和工程控制系统相比，动物运动的神经调控系统要复杂得多。作为一个分层次的多级控制系统，其调控网络存在不同水平的控制中心。运动系统从低级到高级分别由脊髓、脑干的下行系统和大脑皮层的运动区这三个水平的神经结构组成。三个水平串行和平行并举, 直接和间接共存，形成一个相互联结的复杂的功能性网络 (图1) 。

图1运动系统层次结构与相互关系

2 国内外生物机器人的研究概况

生物机器人的研制虽然只有 10多年的历史，然而其研究工作进展迅速，特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在世界前列。目前，国内外许多学者正从事该领域研究工作，生物机器人已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。

2.1刺激感受器诱导动物运动

动物运动过程中除接受肌梭、腱器官等运动觉传入进行反馈性调节，还需要综合其它包括视觉、听觉和触觉等感受器的传入信息来进行调控。常见的蟑螂和苍蝇头部的触须、老鼠和猫嘴角两侧的胡须都是它们重要的触觉感受器，决定着这些动物的运动方向。日本东京大学Isao Shimoyama教授领导的研究团队在

1997年研制出蟑螂机器人, 实现了蟑螂直线前进的人工控制 (图2) 。首先利用轨迹球—计算机装置（图2a ），获得了电刺激蟑螂触角传入神经进行运动诱导的合适刺激参数；然后，实验人员去除蟑螂翅膀和头上的触须，在触角（触觉感受器）处植入金属微电极，通过遥控刺激器并结合光学传感器的反馈，进行运动诱导，初步实现了控制蟑螂沿直线前进。此后，研究人员又进一步减轻遥控刺激器（图2c) 的重量，基本可以实现蟑螂的左右转，前移或者后退等运动的人工控制。

a) 电刺激嶂螂诱导运动的分析装置b) 实时控制蟑螂沿直线前进c) 背负遥控刺激器的蟑螂

图2日本蟑螂机器人

2.2刺激基底神经节诱导动物运动

基底神经节是大脑皮层下一些神经核团的总称，是大脑皮层下的一个运动调节中枢，其主要结构是纹状体。鸟类的纹状体高度发达，是其最高级的运动中枢。2007年，山东科技大学完成了鸽子机器人（机器人鸟 ）（图3a ）的研制。他们用计算机产生具有一定规律的电信号编码，通过植入家鸽丘脑的腹后外侧核和古纹状体内的数根微电极，施加人工干预控制指令，使家鸽在人工诱导下实现了起飞、盘旋、左转、右转、前进等特定动作(图3b) 。

(a)鸽子头部的微刺激发生装置 (b)鸽子控制飞行示意图

图3鸽子机器人

2.3刺激感觉皮层或边缘系统诱导动物运动

2.3.1基于奖赏—触觉导引机制的大鼠机器人

2002年，Nature 杂志报道，美国纽约州立大学的Talwar 博士领导的科研小组成功实现了人工诱导老鼠的各种运动行为（图4b ）。科研人员通过刺激感觉皮层和边缘系统的一个“奖赏中枢 ”制导老鼠运动，他们在大白鼠脑内植入了三对刺激微电极，其中两对电极植入接受左右胡须输入的体感运动皮层区（somatosensory cortex，SI ），对其刺激用作左右胡须的虚拟的触觉信号，另一对电极植入内侧前脑束（medial forbrain bundle， MFB），用作老鼠服从命令的奖赏强化。三对电极连同大鼠背负的多通道遥控导航系统相连（图4a ）。他们的实验分成四个节段，第一阶段，先在8字形的迷宫对大鼠进行训练，先单独刺激MFB ，作为前进运动的强化（即使老鼠将单独的MFB 刺激解释为前进）；当所有实验大鼠学会在单独MFB 刺激时持续前进时，就进入第二节段，即通过左右SI 电极的刺激训练老鼠左右转弯，方向转对时就刺激MFB ，以强化老鼠对虚拟胡须触觉的条件反射；最后，通过三、四阶段在实验室内将训练任务由平面线路过渡到三维复杂路线（图4b ）。最后经过训练的大鼠可以在实验室外执行具体任务：实验人员通过遥控导航系统的遥控，500m 外可遥控大鼠完成转弯、前行、爬树以及跳跃等动作，甚至可以控制老鼠执行违背其自然习性的运动，比如在光线充足的广阔的室外场地执行任务。而且，大鼠可以平均0.3m/s的速度进行长达一小时的实验。这些大鼠能用于现代机器人无法胜任的各种搜救任务中。

国内一些研究团队如山东科技大学苏学成教授、浙江大学郑筱祥教授领导的 团队，以及中国科学院自动化研究所宋卫国和王永玲等也进行了类似的研究。

（a ）大鼠遥控导航系统 (b)大鼠遥控导航线路

图4美国大鼠机器人

2.3.2基于嗅觉诱导的“鲨鱼特工 ”

美国国防部高级研究计划局 (DARPA )正在进行将各种动物变成遥控间谍的“机器生命计划 ”(Project Robolife) 。2006年，中国国防报报道，美国罗得岛州纽波特市美国海军海战中心 (Naval Undersea Warfare Center， NUWC)在DARPA 的资助下，正进行“鲨鱼特工 ”(图5) 的研究计划：通过植入鲨鱼大脑的微电极对鲨鱼中枢神经系统的某些特定部位进行刺激来遥控鲨鱼的行为，将鲨鱼变成动物机器人，以远距离指挥鲨鱼秘密跟踪刺探敌方船只的运动，完成各种危险的间谍任务。

图5 DAPA的“鲨鱼特工”

据New Scientist 杂志报道，相关前期研究已由波士顿大学Atema 的科研小组完成。波士顿大学的科研人员利用鲨鱼异常灵敏的嗅觉、会主动追踪猎物气味巡游捕食的特点，成功在实验室内实现了对白斑角鲨游动的遥控控制。他们在白斑角鲨大脑的嗅觉中枢植入微电极，通过电刺激嗅觉中枢产生虚拟气味刺激，诱发鲨鱼进行气味跟踪的游动。实验发现对鲨鱼大脑某一记得那时侧嗅觉中枢的电刺激可以引发转向同侧的巡游运动 (图6) ，电刺激信号越强, 鲨鱼转弯就越急。

图6白斑角鲨游动的控制

同时，另一由密西根大学Kipke1领导的研究小组也正在DARPA 资助下，利用微电极植入技术记录铰口鲨( nurse shark) 的脑部活动，以观察气味、电磁场

等不同变化与鲨鱼脑部神经元活动的对应关系。目前正进行麻醉状态下的脑部记录，下一步准备进行清醒自由活动状态下的研究。目前，美国海军水下作战中心已开发出一种目的在于通过神经植入进行动物行为控制的电子标签（fishtag) 。这种电子标签包含一个多通道神经记录和刺激装置，可用于遥控鲨鱼的研究，由于无线电信号不能在水下传播，科研人员计划采用声呐进行控制。控制者从海军声波信号塔发射出定向声呐，对鲨鱼行动进行控制。

2.4通过脑干刺激诱导动物运动

脑干的许多核团和脑区具有重要的运动调控功能。电刺激脑干不同区域可以诱发动物的攻击，防卫，转圈和逃跑等运动行为。南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所作为国内较早开展动物机器人研究的单位之一。研究人员以大壁虎为研究对象，利用自制大壁虎的脑立体定位仪系统，发现电刺激中脑可以诱导大壁虎的转向运动 (图7) ，进一步的实验表明, 通过刺激中脑内相关的核团可以实现对大壁虎转向运动的诱导。以此为基础，近期研究人员还在通道中成功实现了大壁虎8字形运动诱导 (图8) 。

a ）大壁虎运动路线图 b）给定位置的大壁虎的运动位置(录像25帧/s) （b ）3中的白线表示某一时刻大壁虎运动位置以大壁虎两侧前肢中点和后肢中点的连线

图7清醒状态下电刺激大壁虎中脑诱发左转运动

图8大壁虎通道实验中的8字形运动诱导

2.5纳米生物机器人

纳米生物机器人的组件可以是单个的原子或分子，但利用自然界存在的、具有一定结构和功能的原子团或分子的集合分子功能器件组装纳米机器人，更加高效和现实可行。即按照分子仿生学原理，利用大量存在的天然分子功能器件设计、组装纳米生物机器人。

在国外，美国、日本以及欧盟较早地开始了纳米生物机器人的研究。美国 2000年开始了国家纳米技术计划NNI ，国家卫生研究院（NIH ）和国家癌症研究所（NIC ）于2002年开展了DNA 分子马达的研究。NASA 高级概念研究院（NIAC ）和Rutgers 大学在2002年提出了纳米生物机器人研究50年发展规划；2002年日本Osaka 大学启动了生命科学前沿研究计划，其中包括 ATP马达的研究； 欧盟2002年正式推出了研究纳米技术的第6框架计划（2002～2006年），其中纳米生物技术的研究重点为生物分子或复合物的处理、操纵和探测。在国内，上海交通大学 DNA 计算机交叉团队BDCC （Bio ＆DNA Computer Consortium）是目前国内唯一从事纳米生物机器人研究的交叉科研团体，并提出了基于病毒的纳米生物机器人的概念模型。

2.5.1基于病毒的纳米生物机器人研究

上海交通大学DNA 计算机交叉团队（BDCC ）纳米生物机器人小组，利用自然界广泛存在的生物分子部件及其特性，结合机器人概念和特点，首次提出了通过直接改造病毒来构造纳米生物机器人的设想，从而开展以下方面的研究：通过改造病毒基因组及对病毒表面糖蛋白进行修饰，使基于病毒的纳米生物机器人可以对病变细胞进行识别和治疗，并通过内部修饰使基于病毒的机器人有条件地进行复制繁殖；通过控制病毒周围生理环境，如PH 值、温度、离子浓度等，利用病毒的门控呼吸模型机制将病毒改造为定点给药机器人系统（DDS ），杀死病变细胞；通过对病毒复制过程进行研究和描述，综合相关环境变量、条件变量和状态变量，建立纳米生物机器人的自复制模型；对病毒结构和机械特性进行分析，对基于病毒的纳米生物机器人在微流体环境下的动力学和运动学进行研究，同时进行病毒侵染宿主细胞时蛋白质构象变化的动力学研究；另外，利用生物分子部件的生物兼容性及 DNA的互补装配特性，开展DNA 计算机与纳米生物机器人接口的研究, 目标是将BDCC 研制的DNA 计算机移植到基于病毒的纳米生物机器人中，对人体细胞内生理信号进行监测，实现真正具有控制芯片的纳米生物机器人系统。图9为基于病毒的纳米生物机器人模型。

图9 基于病毒的纳米生物机器人

2.5.2未来的细菌机器人

把微生物变成“超级虫”工厂，生产从食物到能源、到药品的一切东西。这在过去，听起来好象是科学幻想，可是，今天它已经变成或即将成为现实。细菌，将成为未来的生物机器人。美国通用电器公司的一个生物学家成功地培育出了一种以石油为“食”的完全新型的细菌。这种“超级细菌”能同时分解四种烃，它能“吃”掉原油中的三分之二的烃，“消化”速度比其他任何微生物要快，效率又高。天然细菌要花一年时间才能除去海上的浮油，超级细菌只要几小时就行了。如果油船在海上遇难，石油污染的灾难性后果，将会很快被这种超级细菌消除。

微生物机器人正在各个生产部门工作着。从地下开采出来的石油中，往往含有较多的硫化物，影响石油的品位和质量。用一般化学方法脱硫，不很理想。近年来，人们已开始让细菌来帮助除去石油中的硫化物。在矿井里，常常有甲烷气体聚集，会引起矿井爆炸事故。人们为消除这种有害气体，绞尽了脑汁。最近，科学家发现了一种能“吃”掉大量甲烷气体的细菌，这种细菌放在由甲烷构成的培养基内，一周后，它就“吃”掉了15%的甲烷气体。为此，科学家建议，可以用专门的容器来培殖这种细菌，然后把它们播放到矿井的每个角落，“吃”掉矿井里的甲烷气体，从而保证矿井的安全。此外，美国亚利桑那州发现了一种爱“吃”磷的细菌，生物学家对此很感兴趣。人们期望不久的将来，能培养出一种会吃磷酸盐的细菌，利用它除去水中有毒化合物，帮助人类保护水源，免受污染。 3生物机器人的应用前景

3. 1 反恐安全方面的需求

“9. 11事件”之后世界各国均面临反恐斗争的严峻挑战。随着我国在国际事务中地位的不断提升，未来我国反恐安全的需要更加迫切。因此，包括我国在

内的世界各国在反恐装备研制方面均给予了高度重视。目前，从生物体系获得灵感，研制微小型生物机器人，解决反恐面临的问题已成为国内外的研究热点，利用这种生物机器人可以追踪、监视恐怖分子的活动和预警，必要时还可先发制人，遏制恐怖企图，解救人质。

3.2安全保卫方面的需求

目前针对VIP （非常重要人员）的安全保卫，需要对其活动的场所及其周边的各种可能通道做出检查。其中狭小空间的检测多数选用身材瘦小的侦察员来完成。这种方法对人员素质要求高、而且工作环境恶劣、效率低。而生物器人体形小，速度快，可以方便地代替人类完成狭小空间（如大楼管道系统、中央空调的管道系统等）侦查任务。

3.3 从事复杂危险环境下搜救的需求

对复杂危险环境（如倒塌建筑物内）的搜救，目前广泛使用搜救狗、机器蛇和光纤软管。与之对比，生物机器人能够在各种几何表面和更加狭小的空间实现无障碍运动，速度快，成效显著。因此，具有更大的优势。。

3.4狭小空间内工业表面的状态检测需求

据了解我国现有各类管道 13340km， 未来几年我国的油田集输、高压长输、中压配送3类管道的长度增加到8万～10万km 。如何完成如此浩大工程的管道检修任务，是我国工程人员亟需解决的难题。而生物机器人作为目前采用的管道机器人的重要补充，在管道狭小、空间受限制时，以及在转角、直径较小的管道和非圆管道应用中具有明显的优势。因此，此类机器人在狭小空间检测，管道或大楼空调系统检修等业务中具有广泛的应用市场。

3.5 在人体康复上的应用需求

传统的运动功能障碍的康复手段，都需要病人有一定程度的自主运动控制能力，因此，对那些完全瘫痪的病人是不适用的。现在如果采用脑机接口技术，即利用人脑信号直接控制外部设备， 就可以帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流（如环境控制、轮椅控制、操作计算机等）。这种技术还可以用于控制康复机器人，帮助运动障碍患者进行康复训练，以减小治疗人员的工作量，保证康复方案的执行质量。

4生物机器人的发展趋势

从国内外的研究现状可以看出，动物机器人的研究对象正不断增加：从无脊椎动物（各种昆虫，如蟑螂）到脊椎动物，从低等脊椎动物（如软骨鱼类：白斑

角鲨）到两栖类（海龟）和爬行动物（大壁虎），从鸟类（鸽子）到高等哺乳动物（小白鼠、大白鼠），其研究对象几乎遍布生物进化的各个不同阶段。同时，控制生物的方法、手段也不尽相同，并伴随不同学科、技术的融合而不断发展。控制从有线到无线，从单纯的神经肌肉刺激诱导，到利用奖赏机制结合脑内电刺激进行的刺激诱导；以及利用黑箱原理，通过对动物在某一特定行为中相关控制中枢的神经信号提取，经分析、解码，然后用计算机模拟重构神经电信号，再通过适当接口（脑机接口）引入动物的神经系统进行的运动诱导。动物机器人正由起初的基本可控向着更可靠、更精细的方向不断前进，并进一步深化人们对动物脑部运动等行为控制的认识，促进脑功能研究的发展。动物机器人与一般的工业机器人、仿生机器人相比，有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。但是由于受到生物学、神经学、MEMS 技术、控制技术、通讯技术、传感技术以及数学方法等相关学科发展的制约，至今基本上仍处于实验室研制的阶段。尤其是在克服生物疲劳性、适应性以及可靠实现预期运动行为等方面还不是十分理想，离实际应用还有相当长的一段距离。为提高制导动物运动的精确性和稳定性，未来的生物机器人将在以下几方面进一步发展。

4.1生物学和神经学的发展

科学家们在研究生物运动行为过程中发现，在生物体内植入电极后，即使生物可存活较长时间，但在多次重复刺激后，生物就会产生疲劳效应和适应性，无法达到预期目标。人们对生物运动行为的机理了解得还不十分透彻，还需要进一步探索生物运动系统的神经控制网络，深入研究生物运动的调控机理。相信随着生物学和神经学的发展，科学家会找到有效的控制策略，从而实现生物运动行为的可靠控制。

4.2 MEMS技术和集成技术的发展

受生物体态和生物负重能力的限制，控制生物运动行为的微控制器有严格的尺寸和重量要求。在有限的设计空间内，需要集刺激发生器、传感器、微型摄像机和电源等元器件于一体。在制备和植入微电极时，要求与神经纤维接触良好， 而与周围组织绝缘。这些严格的要求必须得有高度发展的MEMS 技术和集成技术作为基础。这为MEMS 技术的发展提出了新的课题。

4.3控制技术和软件技术的发展

可靠实现生物的运动行为，需要有更复杂、更精确的控制方法和简约有效的控制算法。对生物大脑中多个记录电极产生的大量信息，要做到可视并实时进行

分析、识别和处理，如在试验猴子思维控制机械手臂的运动时，在猴脑中植入96片电极，为实现更复杂的控制运动行为，科学家们还计划在猴大脑植入多达1000片记录电极，如此巨大的信息量处理，需要先进的计算机技术和软件支持。

4.4传感技术的发展

为了高效发挥动物机器人的作用，未来的动物机器人身上需要安装大量传感器，如用于收集、传递生物各类感觉（如视觉、触觉等) 的反馈信息的传感器，以及生物在执行特殊任务时携带的气味、温度传感器等一些特殊用途的传感器。因此，研制开发动物机器人也将促进传感器技术的进一步发展。

5结束语

随着动物运动调控研究的深入和核心技术的发展，将进一步推动人们对动物运动相关脑区及其功能的认识，推动微电子技术和通信技术的进步，这些进步将有助于生物机器人的研究和发展，生物机器人是人类社会生活中不可缺少的好帮手，生物机器人的明天会更加灿烂辉煌。

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