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2019-03-01生物與人工的智慧結合– 仿生機器人 591 期

Author 作者 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。
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。......【更多內容請閱讀科學月刊第591期】