2019年2月27日

生物與人工的智慧結合–仿生機器人

林沛群/臺灣大學機械工程學系教授兼副主任,研究領域為機器人,以運動生成和控制為核心。

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(pxhere)

仿生緣起
仿生機器人,廣義來說,泛指研發機器人時,應用自然界生物系統的機制與設計,如外形、材料、感測器種類與分佈、驅動器配置、運動控制方法及智慧等,使機器人能展現該生物系統所具有某些特定功能。在此定義下,1960年代即開始發展,目前已廣泛應用於製造生產線上的機械手臂也是其中之一,畢竟機械手臂初始研發的動機,是在取代人類進行所謂3D工作,即骯髒(dirty)、無聊(dull)或危險(dangerous)。目前在學界中,普遍對仿生機器人具有共識但較狹義的認定,傾向於限定外型和生物具一定相似性且可產生移動運動的機器人,簡單來說,必須樣貌與動態行為都類似生物,這代表仿生機器人模仿的是系統層面的表現。一般來說由小到大為單一材料層次、元件層次、子系統層次,最後才是系統層次。

仿生機器人領域為何在近2、30年才開始引起學界業界注意?其主因可歸納為機器人整體系統所需使用的相關元件與技術逐漸趨於成熟(是否有能力仿生?),對生物系統的認知也隨著科儀的進步而有較長足的認知(如何去仿生?),而部分原因可歸於以其它方式進行移動的設計面臨瓶頸(為何要仿生?)。

生物 vs. 人造
以運動的角度出發,生物與人造物各有擅長的部分。生物在複雜環境中具有快速敏捷的運動能力,是演化後的結果,畢竟在食物鏈的架構下,狩獵者與獵物都需有強大的運動能力才能生存。人造系統在特定的條件下則具有強大的表現,甚至能大幅超越生物系統,但是都有特定的限制,如火車需要鐵軌、汽車需要公路、飛機需要機場及穩定氣流等。此發展狀態則衍生出一個問題:為何人造系統發展的方向和生物演化不同?簡單來說,兩者在設計和演進的本質上有顯著的差異。生物演化是以改變自身適應環境的方式進行,環境變異度高,本身所演化出的適應能力也越高。反之,人造系統則多有特定目的與使用方式。因此,在工程技術水平和經濟考量之下,目前多以系統製造和改變環境兩方面同步進行。

如前所說,建構人造系統多有特定目的和使用方式,不同於生物「要存活」的目標,即使工程目標相同,隨著過程,人造系統的設計和演進也未必和生物演化相同。因此,仿生一般應視為工程系統開發中所可能具有的一個解決方案,但並非唯一解。確實,現階段也存在許多目標是工程無法企及,但生物行為表現更佳的情況,此時,仿生工程就有其存在價值。除了找到可行解外,也藉由此過程,更深入的比對與驗證生物機制演化的本質與緣由,進而提供工程開發和設計的能力。本文所聚焦的仿生機器人,是探討系統面的運動能力,而這剛好是目前工程上沒有優良解決方案的議題。雖然人造的輪型載具或機器人在平地上有高速穩定的運動能力是生物所不可及的,但也不可否認,生物的足式運動在崎嶇環境中越障與動態運行的能力則是人造發明所無法比擬的。仿生機器人涵蓋陸海空3個運作空間,由於筆者本身研究主要是陸地的運動,因此後續的內容以探討足式仿生機器人為主。

仿生機器人的演進
生物所產生的足式運動具有2項特徵,一是強韌性,能適應各式複雜的自然地形;再來是敏捷性,能產生快速的運動。而這2項特徵的結合,也是生物體所必須具備的基本能力,使其能在食物鏈與天擇之演化機制下生存下來。從工程的角度來看,兩者則站在不同的極端。要能適應各式複雜環境,間接代表機器人需有高自由度,使身體能在不同的姿態下,都能伸展足部到適合的位置,以產生支撐力或推進力。高自由度的足部也代表系統複雜度高,提高建構機器人所需機械設計、機電整合、控制技術與系統整合的難度。但是,隨著系統複雜度的提高,體積重量也同步大幅增加,阻礙機器人產生敏捷運動的可能性。目前,在機器人上所使用的致動器(actuators)以馬達為大宗,但現今科技所製造出來馬達所具有的能量密度仍遠低於生物的肌肉系統,因此,若機器人與生物的重量相仿,機器人可產生的運動敏捷度就遠低於生物所能達到的。若未來有一天致動器的問題解決,下一個難題則落在控制方法上,由於至今仍沒有一個良好的控制架構與流程,來處理高自由度動態系統的問題,學理與實驗2個面向均有很大的發展空間。

由於現階段科技無法設計製作出機器人能同時滿足對環境的適應性與敏捷性,因此學術界過往的研究走向也分為2派:一為先探討環境適應性,設計高自由度的機器人,以較靜態緩慢的運動方式探討如何控制高自由度的運動;另一則為探討敏捷性,建構出低自由度輕重量的系統,切入動態運動的控制問題。近幾年,這2個流派終於開始逐漸整合,在機器人具有一定數目自由度的狀況下,也能展現出一些較動態的行為。美國波士頓動力公司(Boston Dynamics)的人形機器人Atlas就是一個經典的案例,其可以在雪地上行走或在草地上小跑步,也可以在特定的調整後,做出大多數人無法做到的後空翻動作。

仿生機器人研發案例
筆者自在美留學期間到現在均持續進行仿生機器人研究,以下就以其中一部具有許多仿生特質的六足機器人來作為案例進行說明:

(一)機器人採用可簡易控制的三腳步態(tripod gait)來行進:六足的昆蟲類在行進時,大多時間是使用三腳步態,簡單來說,就是把腳分成2組三角形後交替使用,每一組具有同一側的前後腳和對面側的中腳。由於3隻腳同時站立於地面,昆蟲重心落在三角形內,易於穩定的站立和前進。也由於先天具有的穩定特質,在崎嶇路面上也不太需要因地貌的變動做即時的腳運動調控。這對機器人開發是非常有利的,代表可以用很簡單的方式就讓足式機器人產生運動,腳的控制可以簡化到只要生成週期性的擺動即可,不需要複雜的即時的調控,這同時也代表,機器人上運算系統的規格不需要太高,環境感測也或可省略。......【更多內容請閱讀科學月刊第591期】

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