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仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」

本篇介紹仿生章魚軟體機器人「Octo-bot」,是首創同時具有簡單控制和運動能力的水下軟體機器人,可在狹小空間移動,透過網路控制觸手爬行和抓取物件,能仿真混入海洋生物及應用於深海探勘、核能電廠檢修或執行太空任務等
 
 
 
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。

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。

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
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