【機器人講堂】仿生科技在機器人上的應用

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。

(責任編輯:賴佩萱)

阿里哥

阿里哥

九號空間創辦人,熱愛機器人,設立九號空間希望能讓人們更容易進入機器人的世界!
阿里哥

Author: 阿里哥

九號空間創辦人,熱愛機器人,設立九號空間希望能讓人們更容易進入機器人的世界!

Share This Post On
468 ad

Submit a Comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *