2016年12月5日 星期一

『臺博新知』:仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」

賴婉婷/國立臺灣博物館研究組 
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士 
歐陽盛芝/國立臺灣博物館 


仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」今(2016)年8月由義大利聖安娜高等研究院(St. Anna School of Advanced Studies)仿生機器人研究所拉席(Cecilia Laschi)教授正式發表於《科技綜覽》(IEEE Spectrum)月刊,首創簡單控制和運動能力兼備的水下軟體機器人,具備柔軟觸手操縱或在狹小空間移動等章魚的獨特功能,可以用觸手爬行及抓取物件;研究團隊將機器人攜帶物品置於海中實際測試,透過網路控制Octo-bot的八隻觸手,可以模仿章魚彎曲觸手及快速游泳,遭遇波浪或海流仍可服從指令,在海中活動或鑽入碼頭下的狹小縫隙。以此為原型能製出只值100美元的軟體機器人,由於具有輕便、靈活、相對便宜的優越性,可作為一次性機器使用。  
仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」為兼具簡單控制和運動能力的水下軟體機器人(繪製者:王美乃)。
拉席教授於2007年起開始研究屬於軟體動物門頭足綱八腕目(Octopoda)的章魚,2009年起組成國際研究團隊共同執行「章魚整合計畫」(Octopus Integrating Project),經解剖發現章魚觸手是由斜、橫、縱向共三組肌肉組成一種十字交叉結構控制,利用肌肉性水壓調節構造(muscular hydrostat)機制,能伸展原始長度的兩倍以上;當縱向肌肉收縮時,觸手會變得更短、更胖;而當橫向肌肉收縮時,觸手會變得更長、更瘦。因此章魚得以進行移動、觸摸、抓握、擠壓和變形等各種靈活的動作。 

研究團隊試驗得知章魚的第一對觸手執行操縱功能,其餘三對則用於運動,因此依據章魚的真實對應功能計算出數學模型,使機器人的觸手在不同環境條件可達最佳運動模式,結果發現每隻觸手只要有一個微控制器充當其大腦,再以簡單的馬達提供動力,就可以使觸手執行動作。因此Octo-bot配備有一個模擬大腦的控制器,及八隻附有微控制系統的觸手,可使每隻觸手可以獨立行動,也可以成對協調動作,只要傳達簡單指令就能有效執行複雜的任務。  

八腕目(Octopoda)的章魚有四對靈活的觸手,第一對執行操縱功能,其餘三對則用於運動(圖片來源:歐陽盛芝)。

2005年以色列科學家就知道章魚具有相當複雜的神經系統,但只有一部分在腦部,其餘三分之二都位於沒有關節的觸手,但發現觸手切斷後,不需要腦部控制,每條臂神經節仍可單獨控制觸手肌肉的協調和收縮,產生有節奏的運動,即所謂的「肌肉記憶」,讓觸手具有許多複雜的自發性動作。拉席教授團隊進一步分析章魚的爬行動作,發現其僅運用兩隻觸手就能有序前進,先將附滿吸盤的觸手置於海底,接著將觸手延長以推進身體的其他部分前進,再收縮觸手使得其脫離海底,最後縮短觸手靠近身體為下次動作做好準備。這類僅由肢體根據環境作出對自己有利反應的概念被稱為「智能體現」(embodied intelligence),有利於工程師設計出動作更靈活的機器手臂、或是不需要大腦的機器人。  

  Octo-bot就是先建立觸手的仿生結構及運動模式,第一對機器觸手執行操縱功能,是由纖細的金屬電纜及易於彎曲、且在加熱後可恢復原有形狀的「形狀記憶合金」(shape-memory alloys, SMA)彈簧所組成,以縱向電纜和橫向彈簧模擬章魚十字交叉肌肉結構,連接到彈性的套筒構造,外覆一層具導電性記憶布(Electrolycra),以馬達供電帶動電纜組合,改變其電阻會產生不同的延展性,或以電流加熱不同部位的彈簧,機器人就能感受外界的觸感並回饋,使觸手能夠擺動,或視目標改變觸手形狀來抓取瓶子或捲住人的手;其餘三對機器觸手執行運動功能,由電纜和矽氧樹脂(silicone)組成,每個觸手上都有一個獨立的馬達提供動力,使電纜伸展彎曲,並將感應器嵌入矽氧樹脂模擬章魚吸盤,可視地形環境做出吸附和鬆開反應,以完成爬行運動。  

  研究團隊另模仿章魚吸水可膨脹套膜、再向後噴水產生推進力的原理,計算機器人使用的矽氧樹脂套膜(silicone mantle)尺寸、形狀、材料特性,及套膜因噴射的水變形之方式,成功製作出仿生套膜。海中實地測試時,Octo-bot用水膨脹可延展的套膜,僅以一個小馬達和幾條簡單的纜線,就能噴水產生推進力驅動變形運動游泳,速度可達每秒游動18公分的距離;爬行時則可有序的繃緊八隻鬆軟的觸手,沿著海底沙地漫步或是越過碎石;當被指示探索碼頭下方的狹小空間時,也能將柔軟的身體挪入細窄的間隙。  

  自2011年研究團隊發表一隻章魚觸手的仿生結構及運動模式成果後,至2015年已研發製造了自動化生產用的蔬果生產分裝機器人、生物醫學的內視鏡機器人和醫療微創手術機器手臂,及以腦神經操控的人體義肢等改變人類生活的各種實用性發明。未來Octo-bot除了可用於鑽過極窄的縫隙或穿行過碎屑堆執行救災行動、擔任家庭健康照護、或是在工廠處理細緻易碎物件外,仿真外型也可成功混入海洋生物之中,背負相機或攝影機等裝備觀測海中生物的行為和生態,或攜帶感測和記錄儀器獲得海流變化資料;又因具備能爬過而不陷入爛泥的特性,可應用於深海探勘、維修海底電纜或深海發電機;甚或應用於核能電廠進行檢修維護或廢爐作業,也不用擔心輻射傷害;如果縮小為奈米機器人,透過指令就可在人體內進行手術或治療。目前研究團隊還為Octo-bot研製特殊的皮膚,希望未來能執行太空任務,可鑽進管道內部等太空人無法涉足的空間檢修,或是爬入小洞探險,執行尋找外星水源等任務。  

  (以上新聞編譯自2016年8月15日發行之IEEE Spectrum月刊等)  

  本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿) 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館 

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館  

  日期:2016/12/1 

本單元學術名稱:生物醫農>動物學 

標籤:仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」  

  資料來源: 
Laschi, C. 2016. Robot octopus points the way to soft robotics with eight wiggly arms: a squishy underwater robot with limbs that bend in every direction requires unusual control strategies. IEEE Spectrum / Robotics / Robot Sensors & Actuators, August 15, 2016. 

Shen, H. 2016. Meet the soft, cuddly robots of the future. Nature / News Feature, February 3, 2016. 

延伸學習: 
Cianchetti, M., M. Calisti, L. Margheri, M. Kuba, and C. Laschi. 2015. Bioinspired locomotion and grasping in water: the soft eight-arm OCTOPUS robot. Bioinspiration & Biomimetics, 10(3): 035003 (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3190/10/3/035003). 

Calisti, M., M. Giorelli, G. Levy, B. Mazzolai, B. Hochner, C. Laschi, and P. Dario. 2011. An octopus-bioinspired solution to movement and manipulation for soft robots. Bioinspiration & Biomimetics, 6(3): 036002 (http://dx.doi.org/10.1088/1748-3182/6/3/036002).  

2016年11月28日 星期一

『臺博新知』:仿蛾眼石墨烯開創光電應用新願景



賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
2004年物理學家海姆(Andre Geim)和指導的博士生諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因為成功將石墨烯(graphene,碳質新材料)從石墨中分離出來,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。這種目前世界上最薄、電阻率最小、兼具彈性及導熱佳的奈米材料,硬度是鋼鐵的一百倍,為二維六角型蜂巢晶格結構的平面薄膜,面積約0.052nm²,密度為0.77mg/ ,厚度僅有一個碳原子。面積一平方公尺的單層原子的石墨烯總重僅0.77mg,卻可乘載四公斤內的重物;但缺點是無法有效捕捉光和熱,僅有2-3%吸光率,幾乎完全透明。今(2016)年2月英國薩里大學(University of Surrey)西瓦(S. Ravi P. Silva)教授發明了一種模仿偏瞳蔽眼蝶(Bicyclus anynana)的眼睛(以下簡稱蛾眼)表面奈米突起結構的高效能吸光材料,能夠捕捉光和餘熱發電,將石墨烯吸光率提高至99%,即使很微弱的光也可吸收,是已知材料中能吸收同等範圍光波中最薄且效率最高的,開創了石墨烯應用於光電領域的新願景。
模仿蝴蝶眼睛構造的仿蛾眼石墨烯具高效能吸光性,可廣泛應用於光電設備(繪製者:王美乃)。


這份在《科學進步》(Science Advances)期刊上刊登的研究報告指出,研究團隊利用一種稱為奈米紋理(nanotexturing)方式對石墨烯表面進行紋理調整,藉著非晶碳(amorphous carbon)和鐵薄層間的固態反應產生電子解耦(electronic decoupling)的石墨烯層,這種反應會讓其平面間啟動一個扭轉的角度,使各層分開並能保留個別層的電子性質。再以真空技術形成無序排列的奈米結構,讓其堆疊成多層解耦石墨烯層,組成厚度為15奈米的超薄吸收層。這種仿生蛾眼結構可吸收許多不同頻率的光,具有從中紅外線跨越可見光至紫外線光譜的強力超寬頻吸光能力。這種製程技術不但與目前業界使用的真空電漿沈積技術(vacuum plasma-deposition techniques)相容,並且日後有可能實現低成本的卷對卷生產(roll-to-roll production)技術。
仿生蛾眼石墨烯的新材料應用層面相當廣,雖然目前價格高達每公斤250-300美元,但仍具有巨大商機,已研發應用於單分子氣體偵測、光能飛行器、石墨烯奈米帶、積體電路、石墨烯電晶體、透明導電電極、導熱材料或熱界面材料、場發射源及其真空電子器件、超級電容器、海水淡化、太陽能電池、石墨烯生物器件、人造皮膚、抗菌物質、和石墨烯感光元件等方面。
 
緣黃毒蛾(Somena scintillans)雌蛾,本種又名雙線盜毒蛾,分布於低海拔山區(圖片來源:林士傑)。


早在1962年生物學家伯納德和米勒(C. G. Bernhard and William H. Miller)就觀察蛾眼構造,隨後其他科學家雖然發現許多昆蟲組成複眼的六角形小眼表面的奈米突起結構形狀、尺寸、和排列等有差異,但都具有類似原理,在很微弱光線下都看得清楚,爾後就通稱這類昆蟲的複眼結構為蛾眼構造。2006年荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)斯特芬嘉(Doekele G. Stavenga)教授經試驗得知,屬於鱗翅目蛺蝶科(Nymphalidae)的偏瞳蔽眼蝶,其小眼表面具有排列整齊、高度為210奈米的奈米突起,兩個突起間距為205奈米,當光線進入時能夠將其分別聚集到小眼的感光細胞而形成清晰圖像,由於只反射極少的光,因此光吸收力特別好。
太陽能電池是將太陽光轉化成電能的裝置,當光照到導體或半導體上時,光子與其中的電子作用,造成電子流動而產生電壓與電流。太陽能電池界已持續研發用輕薄的石墨烯材料製成新型太陽能電池,希望開發對環境無污染的環保發電方式,這種發電方式不僅可再生,而且不會產生二氧化碳等溫室氣體。太陽能電池依材質可分為單晶矽、多晶矽、薄膜、聚光型、染料敏化等類型,但目前應用最廣、產量最大的單晶矽與多晶矽太陽能電池商品,僅能將太陽能轉換成約15%的可用電能,其餘85%都轉換成無法利用的熱能,即平均效率只有15%左右,未來運用仿蛾眼研究成果增加石墨烯的吸光率以大幅增加轉換效率就成為太陽能電池應用的關鍵重點。
仿生蛾眼石墨烯除了可廣泛應用於光電設備,例如將此高度吸光薄層塗佈在太陽能電池表面,能夠顯著提高收集光線及轉換成電能的效率;也能用於抗反射塗層眼鏡、校正天線(rectennas, 矽控整流二極體天線)、和光電探測器等方面;這項技術也讓紅外線光電微機電系統設備(IR opto-MEMS)設計可應用於顯示技術,進而提高各種有關光捕獲和光學元件裝置的現有或新興技術的性能;這項發明甚或將改變我們的生活,包括發展可貼在窗戶或牆壁上發電的智能壁紙,以及可隨時充電、維持長效運用的智慧型手機電池或穿戴式裝置等。
(以上新聞編譯自2016226日發行之Science Advances雜誌等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)
責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
日期:2016/11/24
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:仿蛾眼石墨烯開創光電應用新願景
資料來源:
Anguita, J. V., M. Ahamd, S. Haq, J. Allam, and S. Ravi P. Silva. 2016. Ultra-broadband light trapping using nanotextured decoupled graphene multilayers. Science Advances, 2016, 2: e1501238 (http://dx.doi.org/10.1126/saciadv.1501238).
Anguita J. V. and S. Ravi P. Silva. 2016. Graphene ̍moth eyes̍ to power future smart technologies. SPIE / Newsroom, July 18, 2016.
Stavenga, D. G., S. Foletti, G. Palasantzas, and K. Arikawa. 2006. Light on the moth-eye corneal nipple array of butterflies. Proceedings of the Royal Society B, 265: 661-667 (http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2005.3369).
延伸學習:
太陽能電池。2016。維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%98%
B3%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0瀏覽日期2016/10/20
石墨烯。2016維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E5%A2%A8%
E7%83%AF(瀏覽日期:2016/10/19)。
聚恆科技股份有限公司。2016。太陽能模組介紹。聚恆科技股份有限公司/產品販售,http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html瀏覽日期:2016/10/20)。

2016年11月21日 星期一

『臺博新知』:步行至自我意識的仿生竹節蟲機器人「HECTOR」




賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊/國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
新一代具認知功能的六足自動機器人「HECTOR」(HExapod Cognitive au Tonomously Operating Robot20153月正式對外發表,體長約90公分,重12公斤,能夠背負接近體重三倍約30公斤貨物行動。這款模擬印度紅腳竹節蟲(Carausius morosus)的仿生機器人,獨特的身體架構使其具有靈活的自由度能自行走動,成功跨越階梯、走過碎石地、跨越崎嶇地形,特殊運動控制系統設計僅運動功能協調(Walknet & Navinet)方面就耗費74萬歐元(2,664萬台幣),但最令人驚豔的是此款機器人具自我意識及認知功能,因為生物智能行為的一個重要特性便是能夠想像、預先規劃,儘管HECTOR智力還遠不如模仿的目標昆蟲,但卻已表現出最簡單的智能行為,能處理複雜的感應器數據以協調足部的運動,前進時能自由選擇適合的步法,以適應路況多變的地面環境,可獨立行走並克服障礙物。
 
跨越階梯的仿生竹節蟲機器人「HECTOR」具自我意識及認知功能(繪製者:王美乃)。


國畢勒菲德大學「認知互動科技中心」(CITEC, Center of Excellence Cognitive Interaction Technology, Bielefeld University)的研究團隊包括電腦科學、生物學、材料科學、物理學和工程領域的科學家,他們觀察竹節蟲的行走運動方式,與脊椎動物的呼吸及運動一樣都屬於自主運動,採用超輕的碳纖維強化塑膠(carbon-fiber reinforced plastic, CFRP)製成的HECTOR的六隻機械足即以此為基礎設計,身體分成三段搭配三對足,每隻足具三個合計有18個佈滿感應器的電子關節,方便隨時轉換角度自由活動。此外每一隻足都有採用鋁合金材質製作的單獨驅動器和連接器,配有大量的感應器,是能夠獨立感應與行動的個體,幾乎不需進行訊息交換,能獨立偵測迴轉扭力的大小與施力結果,可以自行決定何時擺動、懸空與停止,如同具有天線與視覺的環境感應器。因此當前方遭遇大型障礙物,揮動的足便能偵測到發生撞擊,主動調節姿勢重新開始,直到攀越障礙物為止。

印度紅腳竹節蟲屬於竹節蟲目(Phasmida)笛竹節蟲科(Diapheromeridae),又稱為實驗室竹節蟲(Laboratory stick insect),體色是色調不一的暗綠或棕色、且夾雜一些深色斑點,雌成蟲的前足腿節基部內側呈亮紅色,胸部具有大量的小瘤或小結節,體長約7-10公分,為白天休息、夜間取食和活動的植食性無翅昆蟲,最大特徵就是會擬態小枝條。本種原產於印度,十九世紀末已帶入歐洲當成寵物飼養,目前遍佈南非、英國、和美國等世界各地。由於不能飛翔,因此特別纖細修長的六足善於行走,足末端也具備粘性的趾墊(toe pads)和不粘的後跟墊(heel)兩型足墊,覆蓋微毛的後跟墊在低壓時可加強摩擦力,在攀爬時提供額外的抓力以免掉落地面。因在實驗室內飼養方便,足很細長容易觀察,常成為仿生研究的對象。
 
津田氏大頭竹節蟲(Megacrania tsudai)僅分布於墾丁和綠島,是臺灣體型最大的竹節蟲(圖片來源:林士傑)。

一般的六足機器人通常會以形(左前/右中/左後足)與「〈」形(右前/左中/右後足)分兩組配對的方式,以三個支點同時支撐的「三腳架」方式行走,同時必須以事先設定的固定步法前進。HECTOR除三點式行進外,還額外加上演算法,分散控制機制(decentralized control mechanisms)能隨時偵測四周環境,進行目標規劃和路線選定,使機器人能在移動過程中根據地面情況靈活進行調整,能在崎嶇不平的路面持續前進,包括高低起伏的鵝卵石地;若遭遇臺階般有高低差的障礙物時,還會啟用迴避反射機制(evasion reflexes)。
HECTOR可以像竹節蟲的步行方式行走的基本軟體控制系統稱為「Walknet」,另一項「Navinet」控制系統,藉由感應器傳回的環境數據,處理後瞭解自己的位置,「思考」解決方案,負責選擇路線,定位導航抵達目標的路徑,使機器人以正確的步法穿過碎石地和上下樓梯。當WalknetNavinet無法解決問題時,「ReaCog」控制系統就會啟動,使機器人不僅完成自動預定操作,還進一步模擬與執行「想像的行為」,尋找新的解決方案,並評估該動作是否有意義,此為具備「意識」的核心特徵,因此研究團隊主張HECTOR具有自我意識。除了卓越跨越障礙的能力外,HECTOR還具有「可變化」的概念,可以因應不同的研究配備特殊設備,例如可感應遠、近距離應的全方位攝影鏡頭,或可切換為觸覺天線,以探索周圍環境,頭部的相機系統也已經能傳送機器附近的畫面。
研究團隊已在模擬機器觸角,希望能使仿生竹節蟲機器人可以準確感測環境,更靈活自如上下爬行,同時開發和測試新版軟體,希望2017年透過賦予機器人簡單的規劃能力,使之更智能化、更深思考能力。雖然HECTOR最初的研發目的不是救災,但藉由實際模擬昆蟲的運動,已為未來的救災團隊提供新的想法,將有助於開發新類型的自動搜索和營救車輛,在困難地形上運載貨物,甚至幫助太空科學家探索其他星球。
(以上新聞編譯自2016年德國畢勒菲德大學認知互動科技中心發佈之訊息等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿
責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
日期:2016/11/17
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:步行至自我意識的仿生竹節蟲機器人「HECTOR
資料來源:
Paskarbeit, J. and A. Schneider. 2016. HECTOR Bielefeld University Giant hexapod autonomous robot projects. CITEC, Bielefeld University (Visit date: 2016/09/23).
Cruse, H. and M. Schilling. 2015. Mental states as emergent properties: From walking to consciousness. In: Metzinger, T. and J. M. Windt (Eds.). Open MIND: 9(C). Frankfurt am Main: MIND Group, Germany ( http://dx.doi.org/10.15502/9783958570436).
Garcia-Saura, C. and M. Shanahan. 2015. Central pattern generators for the control of robotic systems. Independent Study Option report, Imperial College London (arXiv:1509.02417v1).
延伸學習:
CITEC, Bielefeld University. 2015. A robot prepared for self-awareness: Expanded software architecture for walking robot Hector. ScienceDaily / Science News, March 31, 2015.
Dürr, V. 2014. Stick insect antennae. Scholarpedia, 9(2): 6829 (http://dx.doi.org/10.4249/scholarpedia.6829).
James, M. 2015. Hector the robot stick insect. I Programmer / News / Robotics, January 4, 2015.
Paskarbeit, J., A. Schneider, M. Schilling, J. Schmitz. 2011. Designing a multi-legged robot as a test-bed for motion intelligence mechanisms. CITEC / Research / Projects / Archive, Bielefeld University (Visit date: 2016/09/29).
Phasmatodea. 2016. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Phasmatodea (Visit date: 2016/10/01).






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