作者：阿里哥
過去我們曾經談過，如果想讓一隻機器人遵守人類的指令，順利完成負責的工作，不是一件容易的事，因爲它其實整合了許多領域的技術，包括工程（機械、電子、電機、電腦、仿生）、理學（數學和物理）和藝術（美學）等；如果更進一步思考機器人和人類及自然環境間的互動，那麼連心理與社會科學等知識，都會被涵蓋進這個範圍內。
認識仿生學
上面提到的科學中，有個新穎的名詞「仿生學」，我們常會聽到，但卻又不是那麼確定為何它會是與機器人有關的工程科學，今天我們就來聊聊仿生技術是什麼，以及它如何被應用在機器人領域上。
仿生學，原文 Bionics，是由希臘文「Bio」，意旨「生命」和「nic」，意旨「具有…的性質」兩個字所組成，它屬於觀察、研究、模擬自然界生物各種特殊本領的一門科學，著重於了解生物的結構與功能原理，並利用這些原理，開發新的工程技術或解決工程技術上所面臨的難題。
仿生學是一門迷人的科學。為了利用大自然中生物的本領幫助我們研發新的工程技術，在這過程中，我們一方面能夠追根究底地去探究生物的行為與機理，同時我們又能夠應用所習得的機理，發展出新的技術；換句話說，在探索大自然創造生物密碼的同時，又能持續研發、突破人類發展工程技術的邊界，在這大自然與技術整合過程中所激盪出的無窮可能性，真的非常令人著迷。
壁虎能夠攀附在光滑垂直牆壁，其腳底就具有極大的學問（Source）
仿生技術能以不同的形式應用在機器人身上。若將仿生技術當成零件或功能應用在機器人上，目標便是用來提供或加強機器人的功能，像是模擬生物嗅覺的人工鼻被用來賦予機器人的嗅覺能力；若應用的終極目標是去模擬生物體本身的行為表現，則像是製作出一隻動作和反應唯妙唯肖的機器貓。
仿生技術在感知部件上的應用
生物的感知能力，指的就是「生物獲得外界訊息的方式」，以人類來說，我們可以透過五官（眼耳鼻舌身）來獲取人類基本的五種感知能力，像是眼睛獲得的視覺、耳朵獲得的聽覺、鼻子獲得的嗅覺、舌頭獲得的味覺及皮膚獲得的觸覺等，但其實還有一些感知是人類感受較不明顯，而有些生物卻可明顯感受到的，像是電場感、磁場感、音波感、壓力感和偏振光感等。
上述的感知能力，都已經有相關的機構透過仿生技術在開發，目標是用來「提升機器人的感知能力」。對機器人而言，這些能夠提升感知能力的零件稱為感知器，而目前模擬人體基本五種感官的感知模組在市面上都已可以看到，包含視覺感知器（電子眼）、聽覺感知器（電子耳）、嗅覺感知器（電子鼻）、觸覺感知器（壓力感測器）、力量感知器（電子皮膚/可撓性觸覺感測片）及電子感知器等。
下面影片是美國聖路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）的團隊從蝗蟲的嗅覺獲得靈感，進而開發出來的「仿生嗅覺感知系統」，最讓人家驚豔的是，這個嗅覺感知器具有能夠聞出隱藏爆裂物的能力。
仿生技術在邏輯運算上的應用
機器人的判斷能力，或稱為「邏輯運算能力」，主要來自使用的控制晶片，而仿生技術晶片控制領域的應用，除了已經廣泛被應用在 AI 人工智能上的類神經網路概念，近年來隨著晶片開發及製程技術的提升，類人腦的計算晶片也漸漸嶄露頭角，吸引越來越多電腦和晶片設計大廠的投入。
由於類神經網路的理論從被提出到今天，已超過 30 多年，坊間已有大量的資料可以參考，因此我們今天不在這邊贅述，有興趣的朋友可以直接搜尋關鍵字「類神經網路」，肯定足夠讓您大開眼界，今天我們就來看看兩家主要電腦技術大廠所推出的類人腦晶片。
- Intel（英特爾）
英特爾實驗室在 2017 年公布了一款正在研發中，代號為「Loihi」的神經元晶片，它具有「自主學習」與「低能耗」的優點。Loihi 晶片內部由 128 個計算核心組成，每個核心有 1024 個「神經元」，總計超過 13 萬個神經元及 1.3 億個突觸連結，如果單以神經元的數量來看，Loihi 甚至比龍蝦的大腦還稍複雜。
Intel 開發的 Loihi 神經元晶片（圖片來源：wccftech）
這款神經元 AI 處理器，模仿了人類大腦的運作方式，透過神經元間的連結互動，無需刻意經由大量資料的訓練，就能夠直接藉由所接受到的訊息和反饋中進行學習，以適應新的任務。
- IBM
IBM 公司也發表了新一代的「神經突觸計算機晶片」，代號為「真北（TrueNorth）」。TrueNorth 晶片基於一種被稱為「認知計算系統」的全新架構，能夠模擬人腦認知的能力，它的尺寸僅約一張郵票大小，性能卻直逼超級計算機，有著 70 毫瓦的超低功耗表現。
IBM 開發的神經突觸計算機晶片（圖片來源：FOSSBYTES）
這一代的模擬大腦晶片，在一塊晶片上集成了 100 萬個「神經元」與 2.56 億個「突觸」，整個晶片上具有 4096 個「神經突觸」內核與 54 億個電晶體。
仿生技術在行動部件上的應用
仿生學最常被應用在機器人身上的就是讓機器人移動的方法。為了讓機器人能順利在各種空間中移動並執行任務，「如何讓機器人本體移動」是一個重要的課題，除了採用機械移動方式，像是輪子或是履帶，另一個普遍應用的方法，就是師法地球上各類可以自由移動生物的移動方式。
自然界中，常見的生物的移動方式，主要包含下列數種：雙足移動（例如：人類、企鵝）、四肢移動（狗、豹）、六足移動（昆蟲）、八足移動（蜘蛛）、腹足移動（蛇）、跳耀移動（袋鼠、跳蚤）、飛行（鳥類、昆蟲）、水中移動（魚類、有蹼動物）等，其中最讓人興𡚒的是，上述所有的移動方式，目前都已經有實驗室或研究機構開發出相關的機器人。
另外，特別值得一提的是「人造肌肉」，它也是目前另一個熱門發展中的技術，如下影片所示：
自然界中的動物可以在有限的軀幹空間內，以最有效率的能量消耗，做出各式各樣的動作，精細到穿針引線，極致到高速奔跑或是暴力舉起重物，這些都是依賴肌肉巧妙的配置而獲得的成果；其中最吸引人的是，這些動作都可以經由同一套系統來達成複雜動作的組合，因此如果可以將動物肌肉運作的原理，模擬應用到機器人身上，將可以大幅提升機器人的運動能力。
一般來說，人造肌肉是對「模擬生物肌肉的材料與裝置」的通稱。人造肌肉可以接受外部刺激（像是電壓，電流，壓力或溫度等），並做出類似肌肉的反應，如果能有效整合這些類似肌肉的反應，像是收縮、伸展或扭轉，我們就可以模擬出相似動物的運動方式。
由於同一組人造肌肉裝置就能同時模擬多重動作，因此和傳統制動器比較起來，它能實現以更少的零件完成相同的工作任務，同時擁有輕量化、高靈活度及省能的特性，是一項相當具有發展性與濳力的技術，不只能應用在機器人工業上，另外在汽車工業、軍事工業及醫療領域上也蘊含無限的可能。
小結
如果我們把機械這類老牌科學的發展視為博士等級，今天的仿生科技應該才剛上國二，儘管年紀輕輕卻已在許多技術突破上展露頭角，獲得令人驚喜的成果，但當前的仿生技術其實也面臨許多挑戰，像是如何提升目前仍過於簡化的生物機理模型、如何跨域整合、如何降低開發成本及如何讓技術更加普及等。綜合來看，仿生技術的前景充滿許多期待，無論在生物技術或是工程技術上，都有巨大的成長空間及可能性。
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（責任編輯：賴佩萱）
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