林沛群老師是臺大機械系副教授，專長是仿生機器人。仿生科技又稱為「生物啟發科技」（bio-inspired technology），主要是從自然界找出生物運作的關鍵特質，並將其運用在工程領域，因此可算是從生物多樣性的世界尋找靈感。有趣的是，老師在大學時曾參加自然保育社，其後雖然因為對工程有興趣而踏入工程領域，到美國後卻因緣際會開始接觸仿生機器人。本次專訪中，老師為我們介紹了仿生機器人發展過程，並且希望日後能從仿生機器人的角度，研究臺灣的特有動物。
蟑螂做為仿生機器人的靈感來源
問：請老師為我們介紹「仿生機器人」。
答：我在2000年到美國時才開始做仿生機器人，會接觸仿生機器人是因為當時實驗室的「6足機器人計畫」，背後的設計靈感是蟑螂。數億年來，蟑螂在自然及人工環境都活得很好，讓我們對背後的原因感到相當好奇。從製作機器人的角度來看，我們最在意的是運動能力，所以需要觀察蟑螂的運動方式，藉此做出像生物一樣靈活的機器人。
一般人可能會認為「生物就是最好的，我們應該要仿效生物的全部」，但就演化角度來看則未必，因為生物未必對當前環境達到最佳的適應狀態；再者，因為生物演化成什麼樣子有其背景，例如當時的環境、在食物鏈中的位置等因素都會決定生物是否能存活，而工程所關注的部分可能不同，所以如果生物有什麼構造就全部照抄，可能不會有太大效益，這是我認為在仿生機器人的概念上需要先釐清的部分。
雖然說生物是一步步經過突變才得以存活，但運動是所有動物在演化過程中共有的特質，因為生物在環境中必須運動得夠快才能吃到食物以及逃避天敵，而這也是動物和植物最大的差別。仿生機器人基本上是在模仿生物的運動，我們當時發現蟑螂的幾個特質，這些特質很多都是昆蟲的運動共有的，譬如說昆蟲大部分的運動方式都是3腳、3腳交錯移動，又稱做「3腳步態」，這是很穩的步態，因為3隻腳可以決定一個平面，就像桌子只要有3隻桌腳就不會倒。
同樣地，機器人只要有3隻腳站立就會穩，所以6足機器人在運動過程中可以保持自身的穩定；而4足類最常用的步態是2腳、2腳移動，不難想像只有2隻腳站立的時候是會晃的，所以使用4足步態需要有一定的智慧；雙足步態又更困難，所以當生物智能越來越高時，才同時開始有站立起來的步態。這個概念也可以從另外一個觀點來談：昆蟲從卵裡孵出後馬上可以行走，羊出生後3小時左右即可以站立可以行走，而人出生後要學會行走需要則一年，如果計算學會行走所需的時間占個體生命的比例，人類需要相對較多的時間學會行走，從這個角度可以看出步態本身分別需要多久時間才能學會，所以其實早期6足仿生機器人是最好做的，若希望機器人像人類一樣2足行動，代表機器人需要跟人類一樣聰明。
那要如何知道蟑螂走得好不好呢？以科學上的定義來談的話，因為自然環境是崎嶇的，所以我們就製作各種崎嶇面來讓蟑螂爬。我們發現不管怎樣的崎嶇面，蟑螂的爬法都是3隻腳、3隻腳移動，這代表3腳步態夠強韌，不需要換步態就可以通過各種崎嶇地，除非遇到較高的障礙物才會換步態，這時會換成前腳先上去障礙物，然後才換後方的腳移動。不過大部分的障礙物蟑螂直接走就夠了，所以這代表6隻腳的機器人只需要3隻腳、3隻腳操作，就可以像蟑螂一樣通過大部分的障礙物。
蟑螂的腳上關節很多。人的一隻腳就有7個動法，2隻腳則有14個動法，等同於有14個可以轉的關節，而蟑螂的關節加起來有4、50個。假設每個關節都要能活動，代表一個關節就要放一個馬達，但今天將4、50個馬達都放在一個機械蟑螂上面的話，一方面一定會太重，另一方面是不知道該如何控制這麼多馬達，我們可以用電動賽車來解釋：賽車容易操作是因為我們只需控制轉彎及加減速，所以我們的大腦只需要處理兩個訊號，但若將蟑螂想像成40個氣壓缸，表示每個關節都要控制伸跟縮兩個動作，我們要怎麼控制電腦讓它處理40個伸跟縮然後前進？
其實目前尚未有好的處理方法能讓機器人要同時控制這麼多關節，所以目前我們在設計機器人時所用的關節都會減少，少到一個以目前科技來說合理的數量。目前機器人科技的瓶頸有兩個，一個是控制器法則太複雜，還沒有找到能讓機器人動的最好的程式；另一個是目前的馬達都太重，裝太多會讓機器人動不了，我們如何選擇要留下哪些馬達就是一個仿生的過程。
「腳」的價值
生物基本上沒有輪的運動架構，人造的輪已經證明了在平地上可以是快速、省能又穩定，以現在的科技角度來看，若要在平面上產生運動的話使用輪是無懈可擊的，而我們希望開發有腳的機器人或是做與腳相關的研究，就是希望機械可以和生物一樣在崎嶇地上行動及跳躍。
今天若有一個溝渠或是山壁，輪過不去但腳可以用爬或是跳過，這是腳的特殊價值，所以目前仿生機器人的腳依然是一個很重要的主流，因為我們沒辦法把世界整個剷平，我們希望開發對環境友善的機制，讓機械也能像生物一樣，例如可以載人的汽車有腳所以可以像動物一樣，不需要透過馬路就能在山上活動，甚至像山羊一樣可以在山壁上跑跳，這是一個雖然還需要很多年去開發但是可能會發生的事情。我們需要得知生物在運動上有什麼特質，然後去抓到那些特質並放到機器人上面，這即是英文「bio-inspired」的意思。
仿生機器人的開發會經過「設計」與「控制」的階段
決定機器人3隻腳、3隻腳移動是控制的問題，而決定腳要以彈簧製作則是設計的問題，所以仿生機器人會經歷設計跟控制的階段，第一個階段設計決定了機器人的型，第二個階段則決定了機器人的功能。因為蟑螂不聰明，所以我們不會在控制上著墨太多，如果要看控制我們會針對4足類和2足類，主要可以研究如何平衡等。
那蟑螂到底有什麼設計，可以讓牠們不聰明但又活得很好？觀察後，我們發現蟑螂腳上有很多細毛，這也是昆蟲共通的特質。為了看這些細毛的功能，我們讓蟑螂在小網格上跑，接著我們得到幾個結論：首先，昆蟲是不選擇踏點的，而我們人類或是4足類在爬山時會選踏點；另外，昆蟲是沒有腳板的，或者也可以說牠們整隻腳就是一個腳板；再者，我們也發現昆蟲腳的中間部分碰到障礙物的機率最高。
接著我們觀察蜘蛛，牠們在網子上行動時腳不會掉到洞裡，是靠著腳毛去勾住旁邊的網子，蜘蛛只要用一根腳毛去卡住洞口就可以撐住整個身體，所以儘管地面上凹凹凸凸，昆蟲的腳只要有一兩根腳毛能夠勾到地面上的洞，就有辦法撐住身體往前推，就像是穿了一個容易抓地的鞋子所以不會打滑。為了證明腳毛是真的有用，所以我們拿沒有腳毛的螃蟹來試驗，結果發現螃蟹在網子上爬會卡住，但是如果幫螃蟹裝上腳毛就不會卡住了，所以腳毛的有無的確是有差別。
尾巴對於爬牆很關鍵
壁虎是這10年的顯學，會爬牆的生物都有一些特質，尾巴在上牆的過程中扮演重要腳色，它的功能是讓生物不會往後倒，而蟑螂是將後腳當尾巴用，仔細觀察可以發現蟑螂在牆上時牠的後腳拉得很長。我們曾經製作爬牆機器人，原本沒有製作尾巴，結果就是不管怎麼爬都會倒，加上尾巴後穩定性就差很多。那無尾熊為什麼可以爬呢？這是因為無尾熊的運動比較不動態，牠們主要是抱樹上去的，或是有些動物的爪很有力。
目前仿生機器人的瓶頸
其實做機器人就像做一部汽車，跟組裝工作很類似。機器人要做得好及能夠發展到什麼樣的程度，取決於所有的關鍵零組件是否夠好。仿生機器人能夠行動、有簡單的感測功能其實只是20幾年前的事情，而在那之前的零組件沒有好到可以支撐機器人的運動。譬如說馬達夠不夠力就是一個很大的關鍵因素，仔細觀察可以發現現在的人形機器人幾乎無法原地跳躍，這是因為馬達不夠力。
機器人無法做出人類許多的敏捷動作，不是程式的問題，而是因為馬達無法提供足夠的功率，即是所謂的「功率密度」，目前馬達夠產生的功率還是比同質量的肌肉差一個數量級。此外，目前在學理上對於很複雜的系統還未找到適合的處理方法，表示控制的問題依然存在。因為運動是二階微分方程，若有十個馬達就代表有十個變數的微分方程混在一起計算，這目前也還無解，因此在高複雜度系統的控制發展還有很長的路要走，這是我自己覺得現在做仿生機器人幾個比較大的瓶頸。
仿生機器人還有太多的關鍵部分不知道該怎麼處理，像汽車只需要控制轉彎跟加速就發展了100年。汽車主要有3個步驟，先需要感測，這得靠人類用眼睛觀察，接著大腦處理並做出決策，然後車子只負責兩個自由度的運動。機器人本身要做出40個自由度的運動就很困難了，更何況是讓機器人自己決定要怎麼行動，所以機器人真的要和生物相同其實還有很長的路要走。
在生物多樣性抽絲剝繭
雖然我們研究生物的運動，但我們現階段不是去找出生物之間的差異，反而是去觀察生物的共通特質，這才是仿生的依據。當仿生到一個階段、將共通特質都抓到後，才會開始比較不同物種運動的差異，譬如4足的腳有分為在身體旁邊(例如鱷魚)或是在身體下方(例如大象)的，這是不同生物間很明顯的差異。
在使用腳運動的機器人的領域，大家開始注意到腰的部分，因為豹的腰在跑步時扭動得非常厲害，讓豹的伸展動作可以拉到很大也可以縮到很小，我們發現一些跑得比較快的動物都有這個特質。生物多樣性是一個很複雜的系統，做仿生的人就是在生物多樣性裡去抽絲剝繭，看能不能發現到幾個共通特質，並且應用在工程及現有的機器人。
利用現代工程去探索自然界生物的機制
問：請問老師大學參加自然保育社的經歷，和您後來所選擇研究仿生機器人有什麼關係？
答：研究訪生機器人算是因緣際會，而我本來就很喜歡自然的東西。我認為人類不要發展太多，但這是不可逆的。我覺得世界文明的發展應該站在萬物均等的角度下發展，只是世界並不是這樣運作，我們都是以對人類最佳化的角度去發展。我因為覺得工程有趣所以進行工程的研究，但我不太喜歡純粹為了人類文明而投入工程發展，所以才覺得仿生機器人很好玩，而我站的角度是利用現代工程去探索自然界生物的機制。所以，一開始只是因為對會動的東西很感興趣，後來做了機器人研究剛好是自己本來喜歡的，所以算是偶然。
我探討生物的機制是從工程角度去切入。我喜歡觀察自然科學的問題，生物的運動方式及背後機制對我來說很有趣，但這不是一般工程上做研究的方法。工程上問的問題是很實務面的，例如東西要怎麼使用、如何讓電池的電力多一點等，我對這類研究比較沒興趣。雖然待在工學院，但我認為自己做的東西其實蠻偏向自然，我的一些思維方式也跟自然科學比較像。
問：目前老師在台灣是否有跟生物領域的人合作呢？
答：目前還沒有真正合作，因為我在臺灣的生物領域，還找不到有人專門研究動物在地表的運動。我很想做青蛙的相關研究，因為青蛙在地上跳動很有趣，而台灣的特有種蛙類很多，算是只有台灣才可以做的研究。我想知道台灣的特有物種是否有特殊運動模式，但目前還沒有走到這邊。
「跳」是我有持續在關注的步態，因為這是一個對地表需求最低的步態，也就是對於地表的歧異有最大的容忍度。跳是一個能量的轉換，在落地瞬間的衝擊量最大，所需產生的動能也要最大，這個也是目前科技上的瓶頸，跳在動態的控制上要怎麼進行，或是該怎麼設計這麼強力的機械系統都是未知的。
