『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 Robot）2015年3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）。

讓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Walknet及Navinet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).