大英雄天團在泛科學

如果家中有個機器人，能提供醫療照護、療癒心靈、還能像鋼鐵人般的勇猛，那該有多好！

獲得2015年奧斯卡金像獎最佳動畫獎、也是2014年最賣座的動畫電影《大英雄天團》（Big Hero 6）成功地塑造出劇中主人翁天才科技少年濱田廣最佳貼身玩伴──杯麵（Baymax）這樣的角色，在可愛、惹人憐愛的外型之外，「他」同時具有醫療功能，能適時地給你一個愛的抱抱，必要時也能像鋼鐵人般飛天遁地，毫無意外、順理成章地繼哆啦A 夢之後，成為讓人最想擁有的居家型機器人。當然，我們就得好好來審視一下動畫裡的杯麵，真的有可能成為我們現今家居生活中的一份子嗎？

杯麵，可行嗎？

在杯麵所擁有的十八般武藝中，其中的醫療照護可不是幻想，的確是目前學界研發居家照護機器人所關注的重點，當然電影中僅僅憑藉著簡單的掃描就能偵測出全身裡裡外外的內外傷，顯然是不切實際，如果真能如此，那醫院裡的醫師和種種貴重儀器就都可以全擺在一邊了。目前居家照護機器人的進展包括，能偵測出家中成員是否跌倒或失去反應、並送出求救訊號，提醒用藥時間、並給予適當藥品，也可以充當助行器，提供扶持、協助行走等。在台灣邁向老年化社會之際，這些功能都具有相當實質的功效，一方面可減輕醫療資源的負擔，另一方面也可讓需要照護的長輩保有獨立自主的能力與尊嚴。

來一個愛的抱抱，療癒系機器人

除了醫療照護功能外，杯麵長得白白胖胖，走起路來就像個會動的棉花糖，光看起來就很療癒，但機器人終究不具有感情，它真的有可能深入我們的心靈，讓我們得到貼心的撫慰嗎？懷疑歸懷疑，事實上寵物造型的機器人早已經悄悄地執行它們的療癒任務一段時間了！話說在2012年在台北舉辦的國際自動化工業大展中，就曾經出現過一隻號稱具有療癒功能的擁抱機器人「咖咖熊」，在展場中出盡鋒頭。

顧名思義，咖咖熊是以熊為造型，外型相當可愛、親切，廠商開發它是有感於現代人無處抒發的苦悶，想藉由擁抱的方式給大家加油打氣。筆者當然不會錯過實地體驗「療效」的機會，根據工作人員指示，面對它時，你先要呼喊「咖咖熊」來引起它的注意，然後大聲說出「我要抱抱」，咖咖熊就會搖晃過來與你擁抱，在此同時也會一併測量你的心跳與呼吸，算是連帶的健康檢查。

在大庭廣眾下大喊「我要抱抱」，真是有點尷尬，以達到啟動系統的目的來看，其實喊甚麼應該都沒有關係，廠商的用意就是好玩嘛！話說此「熊抱」稱得上厚實，心中油然升起溫暖的心情，略為觀察其他人被擁抱過的反應，大部分人流露出類似靦腆、滿足之感，好像真的有被療癒到，這也讓人不禁思考起機器人的擁抱到底傳達出甚麼樣的訊息？它足以取代真人的感覺嗎？真的有可能誘發出人類的情感嗎？

世界第一的療癒系機器寵物—Paro

談到療癒系機器人，就一定不能錯過號稱世界第一名的機器寵物Paro，它是由位於日本筑波的產業技術綜合研究所柴田崇德博士（Takanori Shibata）於2001 年所推出，海豹造型、全身毛茸茸的Paro，具有細緻的觸感、慵懶的眼神，以及惹人愛憐的叫聲，一觸摸到它就會蜷曲自己的身體，並用它無辜的大眼睛看著你，真的是超級卡哇伊。可別以為它只是個可愛的大玩偶，Paro 已經獲得醫學認證，對於躁鬱、失智等症狀具有醫療效果，是個貨真價實的療癒系機器人，它也曾在日本311 海嘯過後，前往災區撫慰失去親人的倖存者。在日本，它已經被納入醫療系統，並已成功地推廣到全世界多個國家。由於Paro 確有療效， 台灣的工業技術研院也加以採購、並進行相關研究，期待能開發出更具療癒功能的寵物機器人。

Paro 剛問世時，曾經被送到筑波的醫院陪伴一位近乎失智的老太太，老太太已經有一段時間不跟外界溝通，包括醫生和護士，神奇的是她竟然開口和Paro 說話，震驚了所有人， 也讓Paro 開始得到外界的注意，許多人都想問，它究竟是怎麼辦到的？有個說法是因為Paro 是機器寵物，可以被我們所控制，所以容易產生安全感，也有人說，可愛的外型加上身體的觸感，以及類似有智慧的互動所產生的親切感使然。為甚麼人會對機器寵物產生眷念呢？這其中的緣由可真是個謎。就有待認知、心理等領域的專家進一步的探討與分析吧！

我們以工程眼光來仔細檢視一下Paro，它並沒有雙腳，並不會行走，在訪談人稱「Paro 之父」的柴田博士過程中，他說Paro 就是設計來讓人們「抱」，所以不賦予它行動能力， 但卻讓它擁有相當多的感應器，對聲音、光線、溫度與身體接觸都有感覺，能與人進行簡單的互動，會撒嬌、展現萌樣，也有所謂的情緒需求，會渴望你來摸摸、抱抱它，它也會回應你滿足的笑容。以技術層面來看，Paro 的組成並不是非常複雜，這樣就足以打動人心了嗎？

仔細想想，Paro 身為機器寵物，不會有自我意識，可以想見它並不知道自己在做甚麼， 當然也無從主動投入情感，所以我們感受的溫暖是來自本身的移情作用，願意沉浸於想像中自在、安全的氛圍裡，而機器寵物所能提供的實體感與多重感知上的回饋，比起一般的玩具寵物，更能營造出擬真互動的情境。

Paro 的成功可不僅於此，它身上的馬達、感應器等，全部手工製造，極其精巧、細緻， 讓擁抱它的人感覺相當自然、舒適，但卻不見得全然地模仿真的海豹，正如柴田博士所說， 當初選擇海豹造型，而非貓或狗，乃是基於人類對於海豹的印象是相當可愛，但並不熟悉， 想想誰家隔壁會住一隻海豹啊？也因此不至於對Paro 的外型與叫聲與真實海豹到底像不像有所成見。而他們團隊也持續不斷地根據使用者的回饋，調整出一代又一代更貼近使用者需求的產品，也由於這份貼心，讓原本該是冷冰冰、不具情感的機器寵物，卻溫暖了人心。

ROBOT學堂考：

1. 《大英雄天團》裡的杯麵所擁有的功能中，哪些恰好是目前學界的研發重點呢？
2. 目前居家照護機器人已有那些進展？
3. 日本所開發的Paro，真的具有醫療效果嗎？
4. 人類為甚麼能從機器寵物身上感受到溫暖呢？

本文摘自《羅伯特玩假的？破解機器人電影的科學真相》，由國立交通大學出版社出版。

雷葆的概念自行車設計超級酷！它的設計原理是什麼呢？為什麼現在只有磁浮列車？卻沒有磁浮車、磁浮機車、磁浮自行車呢？

這個問題的答案很簡單。首先我們得先區分，「磁浮」和「磁動（勢）」這兩個概念。「磁浮」是形容磁體浮在超導體上面的狀態，此時的磁鐵與超導體體所受總力為零，也就是說向下的重力與向上的磁浮力達到平衡。而所謂的「磁動（勢）」現象，則是描述電流流過導體所產生磁通量的勢力（force），是用來是用來度量磁場或是電磁場的一種「量」。

所以，回到問題本身，為什麼除了列車之外，我們還必須讓汽車、機車、腳踏車懸浮呢？

我們平時所接觸的交通工具，從自行車、汽車直到火車，大都是依靠摩擦材料之間的機械摩擦力，讓它們從奔馳的狀態中停下來，它們主要利用機械連杆、液壓油或者壓縮空氣……等等不同的方式達到煞車目的。而《大英雄天團》中雷葆的磁浮自行車，則是利用電磁感應的方式產生制動力，讓材料之間不需要有實際的摩擦，但可以達到煞車的目的。因此，自行車可以進行無摩擦自由轉動和制動，能量的運轉更有效率、速度也可以更快。

目前在現實世界，相關實際運用的技術是渦流制動技術（eddy current brake），中國大陸甚至據此技術在２０００年的時候，設計規劃上海磁浮列車，在２０１３年３月７日，由中國全國政協委員、中國鐵道科學研究院主任李和平在接受采訪時公開透露，中國已經掌握了最高時速５００公里的高速列車渦電流制動試驗技術。但是，在電影中，雷葆的磁動齒輪自行車，除了使用渦電流制動技術之外，它非常特別的地方是，車輪非常的輕薄可以輕易的自車體拆卸下來──甚至可以當成飛盤使用！

這麼優質的技術與概念，為何目前只有被應用在列車上呢？最主要的原因就是，運輸工具利用磁浮與磁動技術的同時，也得依賴軌道的設計，才能利用電與磁的作用，改變運輸工具的前進方向。（註一：磁浮列車的前進原理是利用線性馬達將線圈排成直線狀，車輛本身是被地面產生的磁力拖拉或推進而獲得動力。功能線圈是使用交流電，N 極與 S 極會互換，依照車輛量與超導性磁鐵位置，磁鐵的 N 極和 S 極能適時互換即可達到加速，由於車體與軌道間沒有摩力，能量不會因此而消耗。）然而，也因為磁鐵的同極互相排斥，令列車升高，當與路軌接觸時，會有不容易固定列車的狀況喔。

更多好文請看：《高溫超導體形成的秘密－電子袋》

雷葆的自行車還有許多需要克服的難題，比方說，若要因應不同體重的人們騎乘，就必須產生不同程度大小的磁托力；另外，車子移動的方向若不停的改變，又沒有像磁浮列車有輔助的軌道，電磁力的控制與計算就變的非常的重要，也是目前技術實施上最大的困難。

使用磁浮概念的新科技使用日新月異，2014年十二月德國重工業巨擘ThyssenKrupp就研發出沒有線纜的磁浮電梯，突破了傳統設計，製造出可以橫向移動的電梯，不僅速度快，也可讓多台電梯行走在單一通道中，充分的利用摩天大樓的空間。

德國大眾汽車（Volkswagen）在２０１２年北京車展的時候，提出了一個非常有趣的懸浮概念車的構想，它主張利用土壤中飽含的磁鐵礦，產生能量，進而促使汽車懸浮與前進。這款磁浮概念車，可以自動駕駛，透過聲控系統可以辨別人聲，並且開啟ＧＰＳ定位且自動導航。最特別的是它的安全感應器系統，它能根據當時行駛的速度和周圍汽車的距離，自動計算出最安全的行駛距離，當可能發生危險時，懸浮概念車就會自動下沉。

附上影片：《Volkswagen’s The People’s Car Project: Hover Car PART 1》

期待未來的磁浮世界，能讓我們的生活空間的樣貌會更為豐富、更有彈性、也更有樂趣！

參考資料：

• ThyssenKrupp unveils new directions for lifts – to the left and right

《大英雄天團》中古靈精怪的男主角阿廣，偷偷請記者在文章開始前，要先考考聰明的大家一個問題啦！機器人（Robot）的語源，最早到底來自什麼時候呢？是近代的科幻電影嗎？還是某一個酷炫的器械發明呢？都不是喔！正確答案是，捷克科幻作家恰配克在西元1920年所撰寫的舞台劇《羅索姆的萬能機器人》。當年的原文是「Robota」，後來才成為現今通行的「Robot」！

無論是什麼時代的人們，對於能夠以機械仿做出代替人類勞役負重的機器，都懷有高度的熱情與無限的想像力。隨著時代的演進，除了隨著工業改革因而率先出現的工業機器人（例如，操作機、控制器、自動控制……等等），許多不同種類的機器人，從仿生機器人到戰鬥機器人也相應誕生。

阿廣曾經非常熱衷於機器人格鬥競賽，究竟電影中的刺激的地下機器人擂台競賽，在現實生活當中又會是什麼樣子呢？從近期精彩的知名電影《變形金剛》、《鋼鐵擂台》……等等科幻大片，我們可以略窺一二，人們對於格鬥機器人想像的無窮無盡。而因應而帶起的旋風，熱血而又刺激的格鬥機器人擂台，正如火如荼的在世界各地進行著！除了從1997年就持續舉行的Robocup，日本也有零星小型的機器人格鬥賽，近年亦舉辦大型的Robo-One格鬥賽，台灣更在2012年由台灣發展研究院，舉辦第一屆Robot Boxing League（RBL）並延續至今。

關於競技機器人的相關報導請見：〈機運 — 那晚，我們一起作的機器人夢〉、〈機運2 — 機器人與我們，當互動開始有了溫度〉

目前的格鬥機器人的競賽規則，參考現實世界的拳擊賽設計，但各地都不大相同，也無標準賽制。以台灣舉辦的RBL來說，格鬥賽每回合限時三分鐘，以單次回合down少者晉級。機器人有規格限制，不能裝發射液體、粉末或噴火、放電等暗器，機械手臂也不能超過一定的比例。

和電影《大英雄天團》當中，充滿了各式各樣、新奇有趣的格鬥機器人的地下競技場不同，現在的機器人格鬥賽相較之下顯得單調無聊。為了因應競賽規則，不僅有重量限制，還有規格限制、功能限制，讓格鬥機器人的創意樣態受到重重的限制與綑綁。許多人不禁開始擔心，是否試圖維持競賽公平正義的規則，會反過頭來，扼殺了格鬥機器人的多元發展可能呢？

另外，人類與格鬥機器人的互動又可以到什麼樣的程度呢？除了在場邊操縱控制器之外，格鬥機器人和人類還能夠有更為緊密的結合嗎？電影中，阿廣所發明的微型機器人（Micro-Robots），甚至透過電磁感應與腦神經技術的結合，讓人機介面的技術（Brain-Machine Interface）突破限制。

近幾年微型機器人的發展讓許多科學家趨之若鶩，這種透過讓體型微小的機器人共同行動的現象，稱為「群體行為」：swarm behavior。這個概念的發想來自於自然界的昆蟲，例如螞蟻或是蜜蜂，研究人員利用成千上萬、成群結隊的微型機器人，以「整體行為」的組合為表現行動。和一般以個體為主的機器人最大的不同點，是一個大的機器人假如失效了，任務也終結了；然而，一整群體的微型機器人，假若有零散的幾個機器人失敗，任務仍然可以繼續。

在２０１４年的春天，Michael Rubenstein、Alejandro Cornejo和 Radhika Nagpal等人，在《Science》期刊上發表了一篇關於微型機器人相關應用的論文：〈Programmable self-assembly in a thousand-robot swarm〉，引起了熱烈的討論。因為他們突破了以往微型機器組合的規模（約莫１００個左右是極限），讓１０００個微型機器人可以自行組裝成複雜的樣態，且不須透過人腦或是任何的人為控制！但是目前的限制在於，它們只能排列平面的複雜圖案，例如字母Ｋ、明星的臉、板手等等2D圖案。

附上由研究室所提供的影片：

至於人機介面的技術發展，目前亦多用於醫療領域，利用人腦中的神經元來操控假義肢，幫助不良於行的人們。更加人性化的實驗也持續進行中。例如，美國的史丹佛大學，有專門的實驗室正在進行相關的臨床試驗。另外，自2011年美國食品藥物管理局（the U.S. Food and Drug Administration）放鬆測試先進技術的規定（例如：Brain-Machine Interface）以來，約有三分之一的患者接受手術喔。

期待有一天，機器人格鬥競賽能夠成為未來生活娛樂的一部份，用腦神經控制面板的技術也可以更為卓越，一想到能夠有這樣的機器人格鬥賽，不禁讓人熱血沸騰啊！

參考資料：

• Robocup
• Robo-One
• Robot Boxing League(RBL)
• Brain-machine Interfaces : Web focus : Nature
• Yim, M. Dept. of Mech. Eng. & Appl. Mech., Pennsylvania Univ., Philadelphia, PA Wei-Min Shen ; Salemi, B. ; Rus, D. ; Moll, M. ＂Lipson, H. ; Klavins, E. ; Chirikjian, G.S.”Modular self-reconfigurable robot systems”, IEEE Trans. Robotics,vol.14, no.1, pp.43-52 2007
• Michael Rubenstein, Alejandro Cornejo, and Radhika Nagpal, “Programmable self-assembly in a thousand-robot swarm”, Science 15 August 2014: 795-799. [DOI:10.1126/science.1254295]
• Intracortical Neural Prosthetics Clinical Trial Recruitment, Stanford University
• tanford joins BrainGate team developing brain-computer interface to aid people with paralysis
• A Brain-Controlled Robotic Arm | MIT Technology Review