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從藝術到科技--水下機械生物「水之械」

採訪/黃渝婷、謝瑩霖
攝影/張裕民
圖片提供/舒靜珉

將藝術與科技結合,可以激發出什麼樣的火花?工研院的舒靜珉開發設計出具有娛樂、美觀、具發展性的水下機器人「水之械」。目前「水之械」已有五代, 每一代都有不同的設計構想,雖然都有著以魚為設計概念的仿生外觀設計,但每代獨特的研發技術卻創造出不同的差異性。科技與藝術相結合,將為我們的未來世界 添加更多的美感。

跨界藝術家

目前在工研院服科中心的舒靜珉經理,與團隊設計出水下機器人「水之械」,這是工研院從2005 年開始的專案計劃, 這項專案計劃延續了幾年,製作出了共五代的「水之械」成品。團隊的主要負責人舒靜珉卻不是我們想像中的機械電機專業出身的理工科人, 反而是不折不扣的美術藝術家。

相信很多人都會有這樣的疑問:「『水之械』明明就是機器人,裡面有很多東西是要專業人士才能想到的吧?一個非機械相關科系出身的人要怎麼設計出來呢?」

但舒靜珉就是有這樣的能耐,撇開他本身的美術底子不說,也因為他擁有很高的學習動力。他為了完成這個計劃,花了一個多月時間把工程師丟給他的相當於 電子學教科書的檔案讀完,完全自學電子電路的基礎。雖然沒辦法跟一路唸機械電子上來的工程師比, 但舒靜珉說:「懂了一些基礎後,我在設計跟溝通上就比較有概念,像在設計時我可以把機械跟電子的構造和所需空間一併設計進去。而有了共通的語言,在與工程 師溝通時也快很多。」舒靜珉也堅持自己動手做,自己想辦法克服困難點。他說:「剛做第一代時很多東西都是第一次,所以碰上許多需要解決的問題。像是我們想 到了用絲襪來製模,以及用針筒來抓漏。這些都是非常簡單但是需要自己實際動手才能想到的,實際去執行後你就會發現問題在哪裡,然後想辦法解決它。」

針筒抓漏法。

「水之械」的開發

不同於一般由內部往外部開發的設計順序,「水之械」採用由外而內的開發方式,先繪製2D 平面圖再利用3D繪圖軟體做出實際的樣子,接著安排機構位置,並用圖像讓上司與技術團隊能清楚了解設計方向。因此開發與提案的速度都大幅提升。「水之械」 開發到現在已有五代,而由於舒靜珉喜歡水中生物,因此每一代的外觀都採仿生的設計,有的像魟魚,有的像座頭鯨,提供給使用者更容易親近的感覺,另外它們的 外觀皆無凸出的零組件,這讓移動的過程中不會產生鉤扯的狀況,使移動的流暢性更為提高。而「水之械」更有著許多特殊的專利設計,這些都是在一次又一次的測試中所得到的成果,也因為這些特殊設計, 使得「水之械」與過往的表演型機器人比較起來差異性較大,也激發了許多新的機器人設計觀點。

內部程式撰寫方面,舒靜珉採用常應用於底層硬體操作且自由度高執行速度快的組合語言,另外因為機器人機身較小,需採用單晶片來做為核心,使用組合語言較容易與單晶片產生搭配效應。

手繪草稿。

發展再創造

看到「水之械」的第一眼,並不會覺得這是一款機器人,反倒像是做工精細的模型玩具,可是實際上它卻是具有許多特殊設計的互動型機器人,由於舒靜珉的美術背景,讓「水之械」不會淪於外表冰冷堅硬的一般機器人,而是流露著一股柔性的藝術美。結合藝術與科技兩個領域是舒靜珉的特色,與其說他做的是機器人,不如說他做的是一項藝術品。

舒靜珉也希望現代的人在思考或是學習上可以有結合不同領域的概念,不要為自己設限。從他身上我們可以看到結合不同領域可以做出令人為之一亮的產品, 讓科技不再那麼無趣,也讓藝術品不再只是裝飾用的東西。

他也表示非常感謝一路走來各級長官的支持,及院內外所有合作夥伴的努力!

「水之械」一代∼五代介紹

一代:由外而內開發出的第一臺水下機器人
第一代的「水之械」, 舒靜珉以魟魚為仿生對象,設計成稍有弧度外觀,內部採用七顆高速馬達,每顆馬達分別控制兩個噴水孔,因此在機器人的表面共有14 個噴水孔, 透過程式的微調讓「水之械」在水裡不管水平或是直立都能自由活動。而由於是首次開發,光是在塑模的過程中就花費相當大的心力。

首先要利用3D 繪圖軟體輸出模具的輪廓,再將一片片的模板雷射切割出來,像製作燈籠一樣,將木桿穿過模板串起來製成骨架,再用絲襪將這些組件包覆起來。補土做出子模再開出母模,有了母模就能直接開模做出原型,以土法煉鋼的方式做出第一臺「水之械」。設計採整臺包覆,但仍有孔洞,因此會有漏水問題,此時舒靜珉想到使用醫療用的注射針筒插入機器人尾端的孔洞,透過擠壓空氣進入機體,藉由溢出的氣泡位置,便可測試出哪些地方有漏水,而在後來的每一代都會在尾端預留漏水偵測尾管裝置,讓之後的除錯速度提升不少。但百密必有一疏,漏水只能減量不能完全避免,而少量的水加上內部核心的溫度,又多了一個鏡頭會起霧的問題,但舒靜珉說:「一直在想著如何將核心溫度降低,反而無法避免起霧,將溫度拉得愈高愈好,內部起霧問題便迎刃而解。」

之後舒靜珉更將一代機器人外觀變形,將左右兩邊側翼切開,讓部分動力機構外露,也讓水流入部分機體,核心一樣透過特殊防水技術將水隔離在外。另外由於機體分開代表外殼須分開設計,也衍生出下一代可已更換外殼的設計。
二代:固定機器人核心與可更換的外殼

在一代的後期,由於讓水流入部分機體內,衍生出將機器核心與外殼分開設計的念頭。一代在關於浮沉方面的設計,舒靜珉刻意將機身比重設計成與水相近,因此可以擺放在水中任何一個位置,再採用噴射高壓水柱來直接推動機體,但速度不快且效率不佳。而在某次的因緣際會下,他運用跟魚膘類似的原理控制浮沉(魚膘是可改變魚體比重的器官)經過不斷的嘗試,製作出微型薄膜浮沉系統,並且榮獲美國(臺灣)設計專利。

薄膜浮沉系統。

另外由於一代機身重量較重且機體大,舒靜珉在二代做了大幅度的變化,將機身縮小至一個巴掌大,並將動力裝置由高壓噴水孔換成直流馬達控制螺旋槳,大大地減少機器人的馬達用量,重量也減輕許多;再搭配薄膜浮沉系統,較小機體能更快速且靈敏的變更水下的位置。但縮小化的設計也出現了不少缺點,因為機體較小,能放置的元件有限,使得機器人功能性稍稍下降。

另外, 開發出控制的互動對戰系統,就算是小機體也能有大樂趣。此種設計就像現今的七年級生小時候曾玩過的怪獸對打機一樣,不過不需要看著點陣排列的黑白螢幕,而是真實的機器人,也可能開發出更大的商業模式。

三代:透過互動裝置,不用碰水也可以撫摸「水之械」

三代特殊之處在於利用UWB(Ultra-Wide Band ,超頻寬)來感測人體的心跳頻率, 透過UWB 打出的超音波撞擊到人體心臟時,可因心跳頻率不同而回傳不同的訊息給機器人,使機器人作出相對的互動反應,再透過程式撰寫許多動作設定給Dummy互動裝置。每當Dummy 辨識到不同手勢時,就會傳送訊號給機器人,機器人再依照相對應的動作設定來做出動作。如此一來,就可以在不用碰觸到水的情況下,使機器人收到等同於實際撫摸的訊息,進一步進行互動行為。

可與「水之械」互動的裝置Dummy 。

舒靜珉分享到:「在三代開發時有個小插曲,因為每一代在開發過程中,都要先用3D 軟體繪製出外型的模擬圖,但在實際開模做出機器人後,卻發現外型與模擬圖有明顯差異。」這是因為在3D 原型設計時, 所採用的廣角鏡產生變形之誤判所致,因此後來便會先進行一些細部調整來確保整體美感。

四代:黃綠紅開發水下新視界

由於小型機體可做的事情有限,到第四代時為了開發水下視覺這塊領域,舒靜珉又將機體變大以利於加入攝影機鏡頭及傳送數據資料的裝置。

另外,在水下傳送數據容易被水影響而傳送效率不佳,因此開發了三臺分別為綠、黃、紅的機器人,透過攝影鏡頭, 利用RGB 影像辨識讓彼此在水中保持固定的距離, 因此而能夠在水中保持固定的影像傳輸距離。影像拍攝及傳送順序方面,先由裝有攝影機綠色機來拍攝影像,再將影像資料透過630MHz 的頻段將數據資料傳送到作為中繼站的黃色機,接著使用730MHz 的頻段將數據資料傳輸到紅色機,而紅色機則裝有較大頻段(2.4GHz)的無線影像傳輸裝置,可將影像數據傳輸到水面上距離較遠的電腦中。

RGB 定位畫面。

舒靜珉也開發新的外部機構快拆裝置,如此一來當機器人內部電路故障時,可輕鬆打開外殼檢查機體內部電路。此外由於機體較大,原本的薄膜浮沉系統效能降低,因此以2 個60cc針筒製作出浮沉平衡器系統,並修正電路,以確保大型機體進行浮沉時能更為順暢。

五代:只要摸水族箱就可以直接互動

直到五代, 舒靜珉又想回歸先前三代的互動控制,但這次已經不需要手上的Dummy 了, 只要觸摸水族箱就可以直接與機器人互動,也無須透過UWB 感測人體心跳速率,只要透過碰觸水族箱前方的觸控薄膜薄膜就能傳輸訊息給機器人,機器人還可自己作出生氣、開心等動作,並且擁有前面四代的特色,這樣的一 臺水下機器人,誰會不感興趣呢?可惜的是「水之械」進行到了第五代計劃就宣告結束,沒能繼續研發出更新奇多元的水下機器人,看著舒靜珉介紹自己手繪的設計圖並感慨地說:「想做的事情實在太多了,只可惜時間太少,而經費也是另一個考量,只好將這個計劃暫時停掉。」

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2013/7月號

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