『臺博新知』：軟Q機器人

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組

李冬齡／美國馬里蘭大學植物學研究所博士

「有沒有想過，綁鞋帶其實對於機器人是多麼難的一件事情？」美國麻省理工學院電腦科學與人工智慧實驗室主任羅斯博士（Daniela Rus）表示「那就是我們希望機器人能擁有的能力！」這個願景已經開始逐步成形實現，美國麻州Soft Robotics公司已經開始生產軟Q機器手（爪），第一項產品已於2015年6月上市，標榜不需要複雜的程式控制系統，就可以做到許多過去只能依靠人工的工作，例如取拿磨菇、草莓、番茄等易損壞物件。

圖1. 阿爾德巴蘭（Aldebaran）公司開發的NAO智能機器人為傳統鋼鐵機器人（圖片來源：歐陽盛芝）。

傳統鋼鐵機器人係以脊椎動物的生理構造為基礎發展，強壯堅硬的四肢以人類無法企及的速度及力量擔負重複性負重工作，由於堅硬的肢體只有在關節處才能彎曲轉動，因此當需要處裡多樣化工作時，往往需要花費高額資金更新控制程式。機器人研究者改由章魚或毛蟲等動物擷取靈感，研發軟Q機器人，採軟性材質使機器人更容易融入周遭環境並發展新的動作，例如伸縮、扭轉、擠壓，並可以任意轉換形狀大小，可以彌補傳統機器人的不足。這波研發的成果主要是因為聚合物研究（polymer science）已有相當進展，新的鑄模技術及3D列印可將聚合物自由發揮，製成研究者想要的形狀，並更能快速測試設計。

哈佛大學的機器人研究者懷賽茲博士（George Whitesides）認為，大自然的生物演化出各式各樣的奇妙方式來移動、感應、抓取、餵食、獵食、游動、走動及滑行，都是傳統機器人所無法企及，但在軟Q機器人的發展卻有可能實現。他使用空氣來驅動形狀類似海星的軟Q機器人，肢體由含三層聚合物的夾層製成，夾在中間的一層含有許多袋狀空間及管道，外面的兩層有不同的彈性，當在不同部位充氣時，不對稱的膨脹使得這些肢體產生彎曲，這套設計已使軟Q機器人可在鋼琴上彈奏簡單童謠；另一個設計則能通過障礙測試，匍匐爬過高僅兩公分的縫隙，展現出軟Q機器人克服複雜地形的潛力。

 

圖2. 畫家筆下的軟Q機器人（繪製者：王美乃）。

義大利聖安娜高等研究院（St. Anna School of Advanced Studies）拉席博士（Cecilia Laschi）則正開發能模擬章魚動作的軟Q機器人，機器觸手使用形狀記憶合金製成的管線彈簧控制。這些易於彎曲，但在加熱後可恢復原有形狀的管線彈簧以不同的分布來控制觸手的動作，部分順著觸手長度分布以模擬章魚觸手的伸縮及彎曲，其他則由內部中心向外做放射狀分布以控制觸手的粗細，經由馬達帶動可使觸手做波浪狀的動作，甚至可以捲住人的手掌。

美國麻州塔夫斯大學（Tufts University）神經生物學家崔默教授（Barry Trimmer）使用類似概念開發機器毛蟲，他以3D列印出模擬煙草天蛾（Tobacco hornworm, Manduca sexta）的軟Q機器人不只能爬行，還可以做出毛蟲特有的捲曲彈射逃遁動作，將來可利用這些動作來迅速穿越障礙物，協助救災搜救工作。

但是軟Q機器人的發展還面臨許多挑戰，包括軟性材質遇外力時會如何變形、動作如何在軟性材質上傳導等都仍待研究，且由於其能量來源還是使用電池或壓縮氣體鋼瓶等硬性材質，需再進一步研究使用生化或再生能源的可能性。

（以上新聞編譯自2016年2月4日發行之Nature雜誌）

（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：2016/08/18

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：軟Q機器人

資料來源：Shen, H. 2016. The soft touch. Nature, 530: 24-26.

影片聯結：https://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=A7AFsk40NGE。

延伸學習：

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

Laschi, C., B. Mazzolai, M. Cianchetti, V. Mattoli, L. Bassi-Luciani, and P. Dario. 2009. Design of a biomimetic robotic octopus arm. Bioinspiration & Biomimetics, 4 (1), 015006 (4pp).

Lin, H.-T., G. G. Leisk, and B. Trimmer. 2011. GoQBot: a caterpillar-inspired soft-bodied rolling robot. Bioinspiration & Biomimetics, 6 (2), 026007 (14pp).