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當國產智慧機器人遇上人因工程:張禎元兒時的鋼彈夢在臺灣壯大

109/08/27 瀏覽次數 2269
張禎元研發機器手,讓鋼彈不是夢想!(圖/fatcat11繪)張禎元研發機器手,讓鋼彈不是夢想!(圖/fatcat11繪)
 
「我這隻手燃燒如鮮紅烈火,它高聲叫我緊緊抓住勝利,爆熱,石破天驚拳!」
 
這段動漫迷耳熟能詳的台詞,來自日本機器人動畫「G鋼彈」系列,風靡當時臺灣的七八年級生,主角多蒙・卡修駕駛閃光鋼彈的英姿,深深烙印在無數觀眾的腦海。誰想得到那遙不可及的體感操作夢想,即將在今日的臺灣化作現實!
 
執行科技部輔具計畫之開發成果,其成果更進一步由科技部輔導成立富伯生醫科技股份有限公司,由企業重新研發打造並產品化。(圖/張禎元提供)執行科技部輔具計畫之開發成果,其成果更進一步由科技部輔導成立富伯生醫科技股份有限公司,由企業重新研發打造並產品化。(圖/張禎元提供)
 
工程師之路與醫學的殊途同歸

鋼彈系列也許是清華大學動力機械工程學系特聘教授張禎元茶餘飯後的童年回憶,姑且不去細究「鋼彈」對於張禎元職涯選擇的影響,自從將「成為工程師」設定為人生目標,圓夢的過程讓他跑遍了太平洋周邊。

即便張禎元從小對於實作與機械充滿興趣,經營煉鋼廠的祖父輩仍舊期望他走上醫學的道路。然而受到賈伯斯(Steve Jobs)從使用者角度改變世界之啟發,張禎元毅然選擇走上工程的道路,並前往以電子計算機聞名世界的美國卡内基・美隆大學深造。

當時九零年代正是奈米微機電興起的階段,指導教授卻眼光獨具地說服了張禎元鑽研相對冷門的機械振動,並取得相當豐碩的成果。這也讓張禎元親身體驗到了機械工程研究的根本——即是由智慧專業所累積起來的核心技術,這是臺灣最需要的,而非隨波逐流。

其後,張禎元在國際商業機器公司(IBM)參與硬體研發期間,適逢超高精密度硬碟機設計與組裝機械自動化的技術革新,眼見產品良率顯著提升,將自動化技術應用到尚未普及之生醫領域的想法逐步成形。

最終,張禎元秉持回饋社會與改善國人生活和教育的初衷回到臺灣,希望藉由對學生的訓練與刺激思辨,將臺灣提升到技術領導的層次。

輔助人體運動的機器外骨骼

也許是命運安排,在張禎元回臺不久後,就在工研院會議上巧遇了林口長庚醫院復健科醫師裴育晟,他們是失聯多年的國小同學,這樣的契機讓他們產生了各顯所長的合作靈感,結合臨床知識與機器人技術之突破,恰巧可以滿足復健需求日漸成長的問題。
 

鑑於全球高齡化與慢性病患快速增加,高齡醫療照護需求持續湧現,人口統計更是預期 2025 年臺灣將邁入超高齡社會,健康支出和經濟社會資源耗費也將迅速攀升。面對廣大的職能與物理復健需求,現有的治療方法卻大多仰賴復健師的密集勞力執行。

相對於上肢與下肢復健等大運動範圍的復健已經存在機械化的應用,腕手部精密運動的復健需求,卻缺乏能獨立控制各指間關節之機械治療儀或輔具;若要朝此方向發展,則有諸如結構精密、過重、驅動方式複雜、維修價格昂貴……等困難需要克服。
 
基於雙方的專業,張禎元與裴育晟的團隊合作測量了人體結構與運動範圍後,設計出各手指關節可分別進行生物化運動的機器外骨骼,近幾年內已協助許多復健傷者或中風患者重獲新生。這項研究成果已發表於期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics1,未來希望能形成商業模式,甚至推動政府以租用的方式提供給鄉鎮使用,使居家復健不再遙遠。
 
取得國際專利可由線張力評估關節鬆緊程度的復健機器手。(圖/張禎元提供,作者中文化)取得國際專利可由線張力評估關節鬆緊程度的復健機器手。(圖/張禎元提供,作者中文化)
 
模擬人類運動功能的機器手

在研發復健外骨骼的過程中,張禎元同時觀察到長照智慧機器人領域中的共同技術缺口:「手」。許多機器人在視覺、聽覺甚至溝通上都相當進階聰慧,但是手卻不夠靈巧,無法勝任照護以及陪伴的關鍵目的。於是張禎元團隊中也有部分主力專注於機器手的研發,並已在數年之中取得相當驚人的突破。這項研究成果已發表於期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics2

張禎元團隊的機器手有什麼特別呢?第一,百分之百國產的多功能智慧夾爪,除了工程規格具國際競爭力,擬人機器人手亦可作為義肢使用;第二,內嵌多重感知系統以提升表現,除了可以將人類肢體動作數位化精準記錄之外,指尖上運用磁力計量測磁場轉換成力量資訊的 3D 力量感測裝置,更可做為機械手感知來源,精密地回饋受力狀況。

再者,張禎元團隊應用數位化人體動作的研究成果,設計精巧擬人的機械手臂與手掌,透過虛實整合以及數位分身的技術,模擬並重現人類各種可能的流暢動作,這是過去機器人領域從未見過的。對於未來幾年的研究方向,張禎元有意將機械手臂跟外骨骼結合在一起,將人體外骨骼中記錄到的動作訊號,經由數位演化投射到外部的其他機器之上,進一步實現類似文章開頭閃光鋼彈的遠端體感操作,將不可能變成可能!
 
技術突破:可用於機器人或者義肢的精巧擬人機器人手以及內嵌多重感知穿戴系統。(圖/張禎元提供)技術突破:可用於機器人或者義肢的精巧擬人機器人手以及內嵌多重感知穿戴系統。(圖/張禎元提供)
 
從教育突破臺灣現有局限
 
即便在國際工程領域叱吒風雲,張禎元最注重的卻是教育,希望從教育層面扭轉目前臺灣仍舊存在的代工命運。「臺灣工程領域其實相對於歐美國家坐擁很多優勢,只可惜文化包袱依舊存在,學生很聰明卻不敢自我行銷,有時甚至妄自菲薄地忘卻了臺灣的工程產業鏈其實非常完整,小而美,請大家要對自己有信心!」張禎元語重心長地說道。

張禎元列舉出他曾經因工作而定居過的新加坡與紐西蘭為例:雖然技術突破的產出落後於臺灣,卻由於國民對自己價值的認知定位與政府的行銷宣傳政策,大腦實力(brain value)廣為世人所知,造就了國際上普遍承認其技術領導地位的結果。

張禎元的目標是喚起學子們的自信與意識:學生不該被期刊排名與學校名氣等外部因子定義,更應該理性批判地去觀察與思考自身與學術環境的現狀。縱使臺灣工程方面的高等教育已經可以滿足多數學子的需求,張禎元仍鼓勵學生秉持著國家的使命感,出國歷練與定期學術交流。

至於張禎元自己和其他學術掌舵者的工作,則是繼續協助政府系統性地改進產學合作的環境,例如協助科技部效法美國國家工程院融合工程與科學資源,而非競爭性地分配;或者仿造德國技術法人跟教授融合在學校中的模式,整合過去分散的資源與注意力。

「臺灣是一流人才的搖籃,加上跨領域的合作研發,將創造無限機會與價值。」張禎元如此期勉臺灣學生。期待有朝一日,萌芽於這片土地上的夢想能持續茁壯,結出令國際刮目相看的果實。
 
張禎元教授(右)、清大動機系博士生卜書偉(左)研究團隊跨領域合作,為運動失能者開發穿戴式機器人手掌、手指復健輔具。(圖/張禎元提供)張禎元教授(右)、清大動機系博士生卜書偉(左)研究團隊跨領域合作,為運動失能者開發穿戴式機器人手掌、手指復健輔具。(圖/張禎元提供)
 
參考資料
1. Pu S. W., Pei Y. C. & Chang J. Y. (2020). Decoupling Finger Joint Motion in an Exoskeletal Hand: A Design for Robot-Assisted Rehabilitation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(1).
2. Chang H. T. & Chang J. Y. (2020). Sensor Glove Based on Novel Inertial Sensor Fusion Control Algorithm for 3-D Real-Time Hand Gestures Measurements. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(1).
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