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步行至自我意識的仿生竹節蟲機器人「HECTOR」
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
 
 
 
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。

德國畢勒菲德大學「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。
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
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