北京航空航天大學(xué)文力教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表評論文章“軟件機(jī)器人的仿生物理智能”闡述了自然生物在材料、結(jié)構(gòu)、形式等方面的物理智能特征和原理，介紹了實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人仿生物理智能的目的和關(guān)鍵技術(shù)和方法，列出了其典型應(yīng)用，最終展望了其未來的發(fā)展和挑戰(zhàn)。本文的第一作者是北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院博士生王世強(qiáng)。

　　隨著機(jī)器人從工廠、倉庫等高度結(jié)構(gòu)化的環(huán)境進(jìn)入千家萬戶、深海、太空、人體等復(fù)雜環(huán)境，需要在動態(tài)、不確定的環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，與人互動，對機(jī)器人的智能化提出了更高的要求。智能身體的智能不僅包括大腦中的計(jì)算智能(computationalintelligence)，還包括編碼在體內(nèi)的物理智能(physicalintelligence)，嵌入智能將兩者緊密耦合在一起(embodiedintelligence)。物理智能作為一種新的范式，有望使未來的機(jī)器人研究不僅局限于計(jì)算智能，而且探索機(jī)器人體內(nèi)的巨大潛力。

　　仿生物理智能的基本概念

　　自然界生物的物理智能及其原理

　　海參、捕蠅草、章魚等生物體在材料、結(jié)構(gòu)和形式上都具有獨(dú)特的物理智能。在材料方面，生物體幾乎都是由復(fù)合材料組成的，具有刺激響應(yīng)、剛度、自愈合等智能特性;雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)、張力整體結(jié)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu)也廣泛存在于自然生物中;同時(shí)，環(huán)境自適應(yīng)形式使生物克服固定形式的限制，擴(kuò)大活動范圍，迅速避免捕食者。

　　實(shí)現(xiàn)仿生物理智能的目的和方法

　　通過整合仿生物理智能，軟件機(jī)器人有望達(dá)到以下四個(gè)核心目的。

　　降低控制成本：生物系統(tǒng)通常不僅依靠大腦來控制身體，而且還將部分控制交付給身體本身。通過材料、結(jié)構(gòu)和形式的合理結(jié)合，機(jī)器人可以根據(jù)環(huán)境狀態(tài)的變化自適應(yīng)機(jī)械響應(yīng)，減少對傳感器和控制算法的依賴。

　　提高系統(tǒng)響應(yīng)速度：通過純機(jī)械反饋的被動響應(yīng)，軟機(jī)器人可以避免傳感和控制信號傳輸和處理的延遲，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

　　提高極端環(huán)境的魯棒性：在深海、太空、核電站等極端環(huán)境中，高溫、高壓、輻射等惡劣條件可能阻礙電子設(shè)備的運(yùn)行，使計(jì)算智能無法發(fā)揮作用。在這種情況下，物理智能將是機(jī)器人智能的重要選擇。

　　使微機(jī)器人智能化:自然界中個(gè)體微小的單細(xì)胞生物完全取決于物理智能，因?yàn)樗鼈儧]有神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)。宏觀尺度下的獨(dú)立傳感器、驅(qū)動器和控制器在微尺度下具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)微機(jī)器人的有效策略是用物理智能部分甚至完全取代計(jì)算智能。

　　自然界中的動植物依靠材料、結(jié)構(gòu)和形式，實(shí)現(xiàn)了豐富多樣的智能行為。受此啟發(fā)，軟機(jī)器人可以利用智能材料(如液晶彈性體、介電彈性體、形狀記憶合金、水凝膠等)、智能結(jié)構(gòu)(如折紙結(jié)構(gòu)、剪紙結(jié)構(gòu)、多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、拉伸整體結(jié)構(gòu)、超材料等)和智能形式(如仿生形式、自適應(yīng)形式等)實(shí)現(xiàn)其物理智能。

　　實(shí)現(xiàn)仿生物理智能的目的和方法

　　未來展望

　　軟機(jī)器人仿生物理智能有望在高速動態(tài)運(yùn)行、極端環(huán)境探索和微機(jī)器人智能方面發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢。雖然機(jī)器人仿生物理智能的研究在各個(gè)方面都取得了一定的進(jìn)展，但仍處于初級階段，還有仿生設(shè)計(jì)、智能材料、智能結(jié)構(gòu)、智能形式、系統(tǒng)集成等一系列問題和挑戰(zhàn)需要解決。仿生物理智能研究的進(jìn)一步發(fā)展需要生物學(xué)家、機(jī)器人學(xué)家、材料學(xué)家、化學(xué)家和計(jì)算機(jī)學(xué)家之間的充分溝通與合作。