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【生物多樣大學堂】生物多樣性與機器人科學的對話:林沛群專訪

2014年05月23日
作者:台大無限期支持生物多樣性團隊

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。

《生物多樣性與機器人科學的對話:林沛群老師專訪》

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。