魚(yú)、昆蟲(chóng)只有簡(jiǎn)單的腦，黏菌甚至根本沒(méi)有腦。但與人類(lèi)相比，這些生物的動(dòng)作性能卻非常高。通過(guò)解析其中的根本原理，可以實(shí)現(xiàn)前所謂有巧妙控制。

　　“傳統(tǒng)仿生的著眼點(diǎn)大多是生物的‘物’（結(jié)構(gòu)）。而今后，研究生物的動(dòng)作及其原理，也就是‘事’將變得更加重要”。

　　控制技術(shù)專(zhuān)家、大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究科機(jī)械工學(xué)專(zhuān)業(yè)教授大須賀公一這樣強(qiáng)調(diào)。大須賀是“仿事”的提倡者，也就是從控制的角度出發(fā)，通過(guò)分析生物的動(dòng)作和活動(dòng)等，解明并利用生物的控制結(jié)構(gòu)。按照這一理論的思路，通過(guò)深入探索本質(zhì)，可以獲得“放之生物而皆準(zhǔn)”的知識(shí)。

　　大須賀指出，東北大學(xué)電氣通信研究所教授石黑章夫的研究成果就是仿生技術(shù)的一個(gè)好例子。石黑發(fā)現(xiàn)生物具備的自主分布式控制的原理，并將其應(yīng)用于四足行走機(jī)器人，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了像馬一樣自然的行走。

　　過(guò)去的行走機(jī)器人大多采取的是依賴(lài)高性能中央運(yùn)算裝置的“中央集權(quán)式強(qiáng)壓控制方法”（石黑），而另一方面，就算是沒(méi)有腦的原始生物，也能在移動(dòng)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)的環(huán)境變化。也就是說(shuō)，即使沒(méi)有高性能的中央運(yùn)算裝置，也有可能實(shí)現(xiàn)像生物一樣靈活的動(dòng)作。這是因?yàn)樯锏倪\(yùn)動(dòng)采用的是自主分布式控制方法，分散配置的每個(gè)單元都會(huì)自發(fā)性地相互協(xié)調(diào)。實(shí)際上，在某些昆蟲(chóng)的體內(nèi)，存在著名為“擴(kuò)散神經(jīng)”的分散式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　研究真黏菌的動(dòng)作

　　在研究生物的自主分布式控制方式的時(shí)候，石黑把目光對(duì)準(zhǔn)了結(jié)構(gòu)和動(dòng)作單一的“真黏菌”（圖1）。這是“變形菌”的一種，沒(méi)有腦和神經(jīng)。即便如此，這種菌依然會(huì)像動(dòng)物一樣到處尋找食物。真黏菌由溶膠狀的“內(nèi)質(zhì)（原生質(zhì)）”與凝膠狀的“外質(zhì)”組成。在移動(dòng)時(shí)，真黏菌是通過(guò)外質(zhì)各個(gè)部分的收縮、舒張，使內(nèi)質(zhì)發(fā)生流動(dòng)，從而帶動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)。

圖1：試制模擬真黏菌的機(jī)器人

　　東北大學(xué)試制了真黏菌型機(jī)器人（a）。真黏菌由溶膠狀的“內(nèi)質(zhì)”和凝膠狀的“外質(zhì)”組成（b）。裝滿(mǎn)水的氣球充當(dāng)內(nèi)質(zhì)，配置在氣球周?chē)亩鄠€(gè)“摩擦控制單元”通過(guò)彈簧連接成環(huán)狀，作為外質(zhì)（c）。真黏菌的自律控制規(guī)則運(yùn)用于蛇型機(jī)器人，成功對(duì)其進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)（d）。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)東北大學(xué)的資料制作）

　　石黑為了探索真黏菌的自主分布式控制方法，試制出了模仿真黏菌的機(jī)器人。用裝滿(mǎn)水的氣球代替內(nèi)質(zhì)部分。外質(zhì)采用的則是用彈簧連接多個(gè)機(jī)械單元（摩擦控制單元）組成的環(huán)狀體。

　　彈簧既能被動(dòng)也能主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這款機(jī)器人的原理，是在調(diào)整彈簧的長(zhǎng)度和摩擦控制單元與地面之間的摩擦系數(shù)的同時(shí)，通過(guò)擠壓、拉伸內(nèi)部的氣球，使整體實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。

　　石黑為這臺(tái)機(jī)器人采用自己推測(cè)出的自主分布式控制規(guī)則，在驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)后，再根據(jù)結(jié)果修改自主分布式控制規(guī)則，重新在機(jī)器人身上進(jìn)行嘗試。經(jīng)過(guò)不斷摸索，終于得到了動(dòng)作與實(shí)際真黏菌一致的自主分布式控制規(guī)則。其重點(diǎn)是在彈簧伸縮的時(shí)候，增加調(diào)整伸縮時(shí)間（相位）的項(xiàng)目，以防止彈簧承受超出其能力范圍的力。在這一項(xiàng)目中，要以“差距函數(shù)”減少為前提，調(diào)整伸縮的時(shí)機(jī)。差距函數(shù)以公式的形式，表現(xiàn)出了控制系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、周?chē)h(huán)境之間產(chǎn)生的“差距”。

　　具有普遍性的差距函數(shù)

　　石黑發(fā)現(xiàn)，通過(guò)真黏菌得到的自主分布式控制規(guī)則有不少地方與很多生物相通。實(shí)際上，在為蛇型機(jī)器人直接采用這種自主分布式控制規(guī)則后，與石黑開(kāi)發(fā)的老式蛇型機(jī)器人相比，其動(dòng)作更接近于真蛇。當(dāng)然，蛇的結(jié)構(gòu)比真黏菌復(fù)雜得多，要想實(shí)現(xiàn)更接近蛇的動(dòng)作，還需要研究出專(zhuān)用的自主分布式控制規(guī)則。

　　不過(guò)，“基于差距函數(shù)的設(shè)計(jì)方案可以運(yùn)用于其他生物的自主分布式控制規(guī)則”（石黑）。根據(jù)這一思路，石黑成功試制出了四足行走機(jī)器人（圖2）。并且通過(guò)這臺(tái)機(jī)器人，得到了能夠像馬、貓等四足行走的動(dòng)物一樣運(yùn)動(dòng)的自主分布式控制規(guī)則。這種控制規(guī)則“適用于馬、駱駝、貓等所有四足行走的生物”（石黑）。四足行走生物實(shí)際的行走方式存在許多差異，例如四肢中只有一條離地的“正常步”，右前腿和左后腿對(duì)角線同時(shí)落地、離地的“斜對(duì)步”等。這是“因?yàn)槊糠N動(dòng)物的重心不同”（石黑）。實(shí)際上，在四足行走的自主分布式控制規(guī)則中加入不同動(dòng)物的重心信息后，行走方式也會(huì)隨之改變。使貓像貓，馬像馬，駱駝像駱駝那樣行走。

圖2：流暢的四足行走成為現(xiàn)實(shí)

　　東北大學(xué)為試制的多種四足行走機(jī)器人采用了真黏菌的自律控制規(guī)則（a）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，又發(fā)現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)“正常步”、“斜對(duì)步”、“側(cè)對(duì)步”等四足行走的公式（b）。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)東北大學(xué)的資料制作）

　　而且，試制的四足行走機(jī)器人可以從靜止?fàn)顟B(tài)馬上進(jìn)入行走狀態(tài)。一條腿發(fā)生故障時(shí)，其他腿會(huì)采取相應(yīng)的動(dòng)作，消除故障的影響。

　　今后，石黑還將把范圍擴(kuò)大到雙足行走機(jī)器人、海星型機(jī)器人等眾多機(jī)器人，繼續(xù)致力于研究不同生物的自主分布式控制規(guī)則。

　　源自魚(yú)類(lèi)的防撞汽車(chē)

　　在生物之中，有一些生物雖然成群結(jié)隊(duì)，但在移動(dòng)的時(shí)候，既能躲避障礙物，又能彼此之間不發(fā)生碰撞。如今，日產(chǎn)汽車(chē)正準(zhǔn)備把這種生物的動(dòng)作運(yùn)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。

　　該公司模仿魚(yú)群的動(dòng)作，開(kāi)發(fā)出了能夠避免撞擊周?chē)臋C(jī)器人和障礙物的機(jī)器人車(chē)“EPORO”（圖3）。魚(yú)類(lèi)會(huì)根據(jù)與最近的伙伴和障礙物的距離，通過(guò)三種規(guī)則改變動(dòng)作。這三種規(guī)則分別是在距離伙伴太遠(yuǎn)時(shí)拉近距離的“接近”，與伙伴保持適當(dāng)距離并配合其速度和前進(jìn)方向的“并行”，以及在距離過(guò)近時(shí)改變前進(jìn)方向，防止與伙伴相撞的“沖撞回避”。

圖3：結(jié)合魚(yú)群的活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“不撞的機(jī)器人”

　　日產(chǎn)汽車(chē)結(jié)合魚(yú)群的活動(dòng)，開(kāi)發(fā)出了能夠避免與周?chē)臋C(jī)器人和障礙物碰撞的機(jī)器人車(chē)“EPORO”。檢測(cè)周?chē)鷻C(jī)器人的距離和方向使用兩種傳感器。分別是使用紅外激光的測(cè)距傳感器和UWB通信模塊。EPORO利用UWB通信模塊與周?chē)臋C(jī)器人進(jìn)行通信，根據(jù)通信耗費(fèi)的時(shí)間推測(cè)距離。

　　研究表明，魚(yú)類(lèi)是利用能夠敏感察覺(jué)近處物體的側(cè)線感覺(jué)、能夠望遠(yuǎn)的視覺(jué)兩種感覺(jué)器官來(lái)完成上述控制。為此，日產(chǎn)汽車(chē)使用紅外激光的測(cè)距傳感器替代側(cè)線感覺(jué)，使用UWB（ultrawide band）通信模塊替代了視覺(jué)。利用UWB通信模塊與周?chē)臋C(jī)器人進(jìn)行通信，根據(jù)通信所需的時(shí)間推測(cè)距離。

　　通過(guò)在能夠并行多臺(tái)的寬敞道路和只能容許一臺(tái)通過(guò)的狹窄道路上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，EPORO在寬敞的道路上分散前進(jìn)，而在狹窄的道路上則排成了一列，與魚(yú)群的動(dòng)作如出一轍（圖4）。而且，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物的時(shí)候，EPORO也通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，順利避開(kāi)了障礙物。

圖4：行駛狀態(tài)根據(jù)情況改變

　　日產(chǎn)汽車(chē)的機(jī)器人車(chē)“EPORO”能夠根據(jù)情況改變集體行駛的狀態(tài)。舉例來(lái)說(shuō)，在寬敞的道路上，EPORO保持安全間隔，分散行駛，而在狹窄的道路上，EPORO則排成1列行駛。前方出現(xiàn)障礙物的時(shí)候，還會(huì)改變行駛的隊(duì)形，避開(kāi)障礙物。

　　利用測(cè)距性能的誤差模仿生物的特點(diǎn)

　　有意思的是，因?yàn)閁WB通信模塊測(cè)距性能參差不齊，每一臺(tái)EPORO都表現(xiàn)出了自己的“個(gè)性”。比方說(shuō)，保持一排隊(duì)形的時(shí)候，EPORO并不是等間距，而是前后左右略有錯(cuò)開(kāi)，表現(xiàn)出了具有生物特色的動(dòng)作。

　　通過(guò)反復(fù)進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，EPORO做到了在維持群體的同時(shí)，順利避開(kāi)障礙物。在沒(méi)有結(jié)合生物算法的時(shí)候，“沖撞回避”和“群體前進(jìn)”很難實(shí)現(xiàn)兼顧。如果為了維護(hù)個(gè)體的安全，在回避時(shí)采取較大幅度的動(dòng)作，就會(huì)脫離群體。如果為了維持群體前進(jìn)，緊跟著伙伴不放，就難以避開(kāi)障礙物。而這一次，上述問(wèn)題全部得到了解決。

　　人工制造昆蟲(chóng)腦

　　通過(guò)模仿昆蟲(chóng)腦控制機(jī)器人——東京大學(xué)尖端科學(xué)技術(shù)研究中心副所長(zhǎng)、生命智能系統(tǒng)領(lǐng)域教授神崎亮平率領(lǐng)的研究組正在開(kāi)展這項(xiàng)研究。

　　與人等哺乳類(lèi)動(dòng)物相比，昆蟲(chóng)的腦極其簡(jiǎn)單。有研究表明，組成人腦的神經(jīng)細(xì)胞有1011個(gè)，而昆蟲(chóng)只有105～106個(gè)左右。盡管如此，昆蟲(chóng)依然具備巧妙躲開(kāi)障礙物，在危險(xiǎn)前面隱蔽自己的能力。而且，對(duì)于危險(xiǎn)的反應(yīng)速度比人還要快。在存在外部干擾的情況下，還能對(duì)干擾進(jìn)行修正。也就是說(shuō)，“只要能夠人工制造出昆蟲(chóng)的腦，就可以制造出前所未有的節(jié)能、機(jī)敏的高性能機(jī)器人”（神崎）。

　　為了了解昆蟲(chóng)的腦，神崎研究組研究的對(duì)象，是家蠶蛾對(duì)特定的氣味物質(zhì)（信息素）做出反應(yīng)并向其移動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　通過(guò)神經(jīng)的可視化制造人工腦

　　研究大致分為兩個(gè)方向。一是解明昆蟲(chóng)腦的回路結(jié)構(gòu)，制造出人工腦，使用人工腦驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。二是直接使用昆蟲(chóng)腦驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。研究組希望通過(guò)二者的比較研究，對(duì)人工腦進(jìn)行修正和拓展，從而提高人工腦的精度（圖5）。

圖5：對(duì)昆蟲(chóng)腦實(shí)施IC化

　　通過(guò)解明家蠶蛾朝信息素發(fā)生源的方向移動(dòng)的腦結(jié)構(gòu)，制造人工腦，用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)的資料制作）

　　人工腦的制作方式如下。首先，向昆蟲(chóng)腦的神經(jīng)細(xì)胞中插入含有熒光色素的玻璃管電極，通入微弱電流，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行熒光染色，利用共焦激光掃描顯微鏡觀察，測(cè)量每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)，利用單個(gè)的神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)建神經(jīng)回路（網(wǎng)絡(luò)），明確家蠶蛾腦神經(jīng)回路的概要。

　　為了揭示把氣味物質(zhì)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究組還特別調(diào)查了昆蟲(chóng)腦在檢測(cè)信息素時(shí)把信息傳送到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)接收到了與觸發(fā)器電路相同的信號(hào)（圖6）。而通過(guò)對(duì)生成信號(hào)的神經(jīng)細(xì)胞順藤摸瓜，與信息素檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)全過(guò)程相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也水落石出。

圖6：家蠶蛾的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是觸發(fā)器響應(yīng)

　　在制作使用昆蟲(chóng)腦驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人的過(guò)程中，研究組發(fā)現(xiàn)了左右的動(dòng)作是通過(guò)觸發(fā)器響應(yīng)的方式傳送。動(dòng)作通過(guò)信號(hào)的長(zhǎng)短表現(xiàn)。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)的資料制作）

　　而且，研究組還利用程序模仿檢測(cè)氣味物質(zhì)并激發(fā)動(dòng)作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，制成了人工腦。

　　在超級(jí)計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)昆蟲(chóng)腦

　　直接使用昆蟲(chóng)腦控制的機(jī)器人分為兩種。一種是家蠶蛾利用自己的腿控制的機(jī)器人“昆蟲(chóng)操控機(jī)器人”，一種是取下家蠶蛾的頭部，只利用腦的“昆蟲(chóng)腦操控機(jī)器人”。

　　昆蟲(chóng)操控機(jī)器人是把家蠶蛾放置到可以自由旋轉(zhuǎn)、類(lèi)似于乒乓球的球體上，利用家蠶蛾進(jìn)行控制。當(dāng)家蠶蛾活動(dòng)腿腳，向目標(biāo)方向前進(jìn)的時(shí)候，球會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，傳感器將檢測(cè)到動(dòng)作。根據(jù)信號(hào)，機(jī)器人會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。昆蟲(chóng)腦操控機(jī)器人則是取下家蠶蛾的頭部，通過(guò)檢測(cè)傳導(dǎo)至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的觸發(fā)器信號(hào)，利用這種神經(jīng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。

　　通過(guò)研究利用昆蟲(chóng)腦的機(jī)器人，研究組發(fā)現(xiàn)，即使讓致動(dòng)器的動(dòng)作比家蠶蛾的腦做出反應(yīng)延時(shí)約600ms，或是沿左右方向做不對(duì)稱(chēng)動(dòng)作，家蠶蛾的腦也能對(duì)這些外部干擾進(jìn)行糾正。

　　神崎研究組認(rèn)為，通過(guò)對(duì)比使用人工腦和昆蟲(chóng)腦的機(jī)器人，不斷進(jìn)行改進(jìn)，能夠制造出抗干擾能力強(qiáng)的機(jī)器人?，F(xiàn)在，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”重現(xiàn)家蠶蛾更詳細(xì)的神經(jīng)回路，實(shí)施模擬其功能的研究也在進(jìn)行之中。如果這項(xiàng)研究取得成功，人們將有可能對(duì)基于腦設(shè)計(jì)圖的神經(jīng)回路功能進(jìn)行檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)，制造出更接近昆蟲(chóng)腦的人工腦。

　　考察蟋蟀的回避能力

　　神崎也與日產(chǎn)汽車(chē)開(kāi)展了合作研究。研究的內(nèi)容是具備蜂類(lèi)和蟋蟀的回避能力的機(jī)器人。

　　其中，日產(chǎn)汽車(chē)對(duì)蟋蟀的回避能力寄予了強(qiáng)烈關(guān)注。因?yàn)楫?dāng)接近的移動(dòng)體和障礙物不止一個(gè)時(shí)，蟋蟀能夠?yàn)槠渑哦▋?yōu)先順序，有效進(jìn)行回避。與之相比，EPORO只能避開(kāi)近處的障礙物，沒(méi)有像蟋蟀那樣排序。

　　神崎表示，在為機(jī)器人賦予蟋蟀的回避能力后，機(jī)器人在模擬中，依次避開(kāi)了16個(gè)移動(dòng)體。實(shí)際試制的機(jī)器人也成功避開(kāi)了多個(gè)移動(dòng)體。（未完待續(xù)，記者：根津禎、中道理）