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仿生軟機器人!Soft robot

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・2012/01/30 ・392字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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雖然生物使用很多種方式運動,但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物,使用關節、支架跟驅動器來達成運動。但是有一類的生物,像是軟體動物,是利用軟組織本身的變形來做運動,沒關節、沒骨骼,這類運動卻很少被應用在機器人身上,現在研究人員利用類似的想法做出了下面這個軟的爬行機器人:

主要的原理很簡單:先利用立體印表機設計出模子,模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙,然後用矽膠去翻模,就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖,在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序,就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。

這樣的軟機器人的設計成本不高,因為整體沒有關節根支架的分別,製造上也容易,或許在未來像是跟人體互動的接觸或是需要柔和方式的運動時可以派上用場!

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AI 是理科「主場」? AI 也可以成為文科人的助力!
研之有物│中央研究院_96
・2022/08/13 ・5646字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/田偲妤
  • 美術設計/蔡宛潔

AI 的誕生,文理缺一不可

人工智慧(Artificial Intelligence,簡稱 AI)在 21 世紀的今日已大量運用在生活當中,近期掀起熱議的聊天機器人 LaMDA、特斯拉自駕系統、AI 算圖生成藝術品等,都是 AI 技術的應用。多數 AI 的研發秉持改善人類生活的人文思維,除了仰賴工程師的先進技術,更需要人文社會領域人才的加入。

中央研究院「研之有物」專訪院內人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員,帶大家釐清什麼是 AI?文科人與工程師合作時,需具備什麼基本 AI 知識?AI 如何應用在人文社會領域的工作當中?

中央研究院人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員。圖/研之有物

詩詞大對決:人與 AI 誰獲勝?

一場緊張刺激的詩詞對決在線上展開!人類代表是有「AI 界李白」稱號的蔡宗翰研究員,AI 代表則是能秒速成詩的北京清華九歌寫詩機器人,兩位以「人工智慧」、「類神經」為命題創作七言絕句,猜猜看以下兩首詩各是誰的創作?你比較喜歡哪一首詩呢?

猜猜哪首詩是 AI 做的?哪首詩是人類做的?圖/研之有物

答案揭曉!A 詩是蔡宗翰研究員的創作,B 詩是寫詩機器人的創作。細細賞讀可發覺,A 詩的內容充滿巧思,為了符合格律,將「類神經」改成「類審經」;詩中的「福落天赦」是「天赦福落」的倒裝,多念幾次會發現,原來是 Google 開發的機器學習開源軟體庫「Tensor Flow」的音譯;而「拍拓曲」則是 Facebook 開發的機器學習庫「Pytorch」的音譯,整首詩創意十足,充滿令人會心一笑的魅力!

相較之下,B 詩雖然有將「人工」兩字穿插引用在詩中,但整體內容並沒有呼應命題,只是在詩的既有框架內排列字句。這場人機詩詞對決明顯由人類獲勝!

由此可見,當前的 AI 缺乏創作所需的感受力與想像力,無法做出超越預先設定的創意行為。然而,在不久的將來,AI 是否會逐漸產生情感,演變成電影《A.I. 人工智慧》中渴望人類關愛的機器人?

AI 其實沒有想像中聰明?

近期有一則新聞「AI 有情感像 8 歲孩童?Google 工程師爆驚人對話遭停職」,讓 AI 是否已發展出「自我意識」再度成為眾人議論的焦點。蔡宗翰研究員表示:「當前的 AI 還是要看過資料、或是看過怎麼判讀資料,經過對應問題與答案的訓練才能夠運作。換而言之,AI 無法超越程式,做它沒看過的事情,更無法替人類主宰一切!

會產生 AI 可能發展出情感、甚至主宰人類命運的傳言,多半是因為我們對 AI 的訓練流程認識不足,也缺乏實際使用 AI 工具的經驗,因而對其懷抱戒慎恐懼的心態。這種狀況特別容易發生在文科人身上,更延伸到文科人與理科人的合作溝通上,因不了解彼此領域而產生誤會與衝突。如果文科人可以對 AI 的研發與應用有基本認識,不僅能讓跨領域的合作更加順利,還能在工作中應用 AI 解決許多棘手問題。

「職場上常遇到的狀況是,由於文科人不了解 AI 的訓練流程,因此對 AI 產生錯誤的期待,認為辛苦標注的上千筆資料,應該下個月就能看到成果,結果還是錯誤百出,準確率卡在 60、70% 而已。如果工程師又不肯解釋清楚,兩方就會陷入僵局,導致合作無疾而終。」蔡宗翰研究員分享多年的觀察與建議:

如果文科人了解基本的 AI 訓練流程,並在每個訓練階段協助分析:錯誤偏向哪些面向?AI 是否看過這方面資料?文科人就可以補充缺少的資料,讓 AI 再進行更完善的訓練。

史上最認真的學生:AI

認識 AI 的第一步,我們先從分辨什麼是 AI 做起。現在的數位工具五花八門,究竟什麼才是 AI 的應用?真正的 AI 有什麼樣的特徵?

基本上,有「預測」功能的才是 AI,你無法得知每次 AI 會做出什麼判斷。如果只是整合資料後視覺化呈現,而且人類手工操作就辦得到,那就不是 AI。

數位化到 AI 自動化作業的進程與舉例。圖/研之有物

蔡宗翰研究員以今日常見的語音辨識系統為例,大家可以試著對 Siri、Line 或 Google 上的語音辨識系統講一句話,你會發現自己無法事先知曉將產生什麼文字或回應,結果可能正是你想要的、也可能牛頭不對馬嘴。此現象點出 AI 與一般數位工具最明顯的不同:AI 無法百分之百正確!

因此,AI 的運作需建立在不斷訓練、測試與調整的基礎上,盡量維持 80、90% 的準確率。在整個製程中最重要的就是訓練階段,工程師彷彿化身老師,必須設計一套學習方法,提供有助學習的豐富教材。而 AI 則是史上最認真的學生,可以穩定、一字不漏、日以繼夜地學習所有課程。

AI 的學習方法主要分為「非監督式學習」、「監督式學習」。非監督式學習是將大批資料提供給 AI,讓其根據工程師所定義的資料相似度算法,逐漸學會將相似資料分在同一堆,再由人類檢視並標注每堆資料對應的類別,進而產生監督式學習所需的訓練資料。而監督式學習則是將大批「資料」和「答案」提供給 AI,讓其逐漸學會將任意資料對應到正確答案。

圖/研之有物

學習到一定階段後,工程師會出試題,測試 AI 的學習狀況,如果成績只有 60、70 分,AI 會針對答錯的地方調整自己的觀念,而工程師也應該與專門領域專家一起討論,想想是否需補充什麼教材,讓 AI 的準確率可以再往上提升。

就算 AI 最後通過測試、可以正式上場工作,也可能因為時事與技術的推陳出新,導致準確率下降。這時,AI 就要定時進修,針對使用者回報的錯誤進行修正,不斷補充新的學習內容,讓自己可以跟得上最新趨勢。

在了解 AI 的基本特徵與訓練流程後,蔡宗翰研究員建議:文科人可以看一些視覺化的操作影片,加深對訓練過程的認識,並實際參與檢視與標注資料的過程。現在網路上也有很多 playground,可以讓初學者練習怎麼訓練 AI,有了上述基本概念與實務經驗,就可以跟工程師溝通無礙了。

AI 能騙過人類,全靠「自然語言處理」

AI 的應用領域相當廣泛,而蔡宗翰研究員專精的是「自然語言處理」。問起當初想投入該領域的原因,他充滿自信地回答:因為自然語言處理是「AI 皇冠上的明珠」!這顆明珠開創 AI 發展的諸多可能性,可以快速讀過並分類所有資料,整理出能快速檢索的結構化內容,也可以如同真人般與人類溝通。

著名的「圖靈測試」(Turing Test)便證明了自然語言處理如何在 AI 智力提升上扮演關鍵角色。1950 年代,傳奇電腦科學家艾倫・圖靈(Alan Turing)設計了一個實驗,用來測試 AI 能否表現出與人類相當的智力水準。首先實驗者將 AI 架設好,並派一個人操作終端機,再找一個第三者來進行對話,判斷從終端機傳入的訊息是來自 AI 或真人,如果第三者無法判斷,代表 AI 通過測試。

圖靈測試:AI(A)與真人(B)同時傳訊息給第三者(C),如果 C 分不出訊息來自 A 或 B,代表 AI 通過實驗。圖/研之有物

換而言之,AI 必須擁有一定的智力,才可能成功騙過人類,讓人類不覺得自己在跟機器對話,而這有賴自然語言處理技術的精進。目前蔡宗翰的研究團隊有將自然語言處理應用在:人文研究文本分析、新聞真偽查核,更嘗試以合成語料訓練臺灣人專用的 AI 語言模型。

讓 AI 替你查資料,追溯文本的起源

目前幾乎所有正史、許多地方志都已經數位化,而大量數位化的經典更被主動分享到「Chinese Text Project」平台,讓 AI 自然語言處理有豐富的文本資料可以分析,包含一字不漏地快速閱讀大量文本,進一步畫出重點、分門別類、比較相似之處等功能,既節省整理文本的時間,更能橫跨大範圍的文本、時間、空間,擴展研究的多元可能性。

例如我們想了解經典傳說《白蛇傳》是怎麼形成的?就可以應用 AI 進行文本溯源。白蛇傳的故事起源於北宋,由鎮江、杭州一帶的說書人所創作,著有話本《西湖三塔記》流傳後世。直至明代馮夢龍的《警世通言》二十八卷〈白娘子永鎮雷峰塔〉,才讓流傳 600 年的故事大體成型。

我們可以透過「命名實體辨識技術」標記文本中的人名、地名、時間、職業、動植物等關鍵故事元素,接著用這批標記好的語料來訓練 BERT 等序列標注模型,以便將「文本向量化」,進而找出給定段落與其他文本的相似之處。

經過多種文本的比較之後發現,白蛇傳的原型可追溯自印度教的那伽蛇族故事,傳說那伽龍王的三女兒轉化成佛、輔佐觀世音,或許與白蛇誤食舍利成精的概念有所關連,推測印度神話應該是跟著海上絲路傳進鎮江與杭州等通商口岸。此外,故事的雛型可能早從唐代便開始醞釀,晚唐傳奇《博異志》便記載了白蛇化身美女誘惑男子的故事,而法海和尚、金山寺等關鍵人物與景點皆真實存在,金山寺最初就是由唐宣宗時期的高僧法海所建。

白蛇傳中鎮壓白娘子的雷峰塔。最早為五代吳越王錢俶於 972 年建造,北宋宣和二年(1120 年)曾因戰亂倒塌,大致為故事雛形到元素齊全的時期。照片中雷峰塔為 21 世紀重建。圖/Wikimedia

在 AI 的協助之下,我們得以跨時空比較不同文本,了解說書人如何結合印度神話、唐代傳奇、在地的真人真事,創作出流傳千年的白蛇傳經典。

最困難的挑戰:AI 如何判斷假新聞

除了應用在人文研究文本分析,AI 也可以查核新聞真偽,這對假新聞氾濫的當代社會是一大福音,但對 AI 來說可能是最困難的挑戰!蔡宗翰研究員指出 AI 的弱點:

如果是答案和數據很清楚的問題,就比較好訓練 AI。如果問題很複雜、變數很多,對 AI 來說就會很困難!

困難點在於新聞資訊的對錯會變動,可能這個時空是對的,另一個時空卻是錯的。雖然坊間有一些以「監督式學習」、「文本分類法」訓練出的假新聞分類器,可輸入當前的新聞讓機器去判讀真假,但過一段時間可能會失準,因為新的資訊源源不絕出現。而且道高一尺、魔高一丈,當 AI 好不容易能分辨出假新聞,製造假新聞的人就會破解偵測,創造出 AI 沒看過的新模式,讓先前的努力功虧一簣。

因此,現在多應用「事實查核法」,原理是讓 AI 模仿人類查核事實的過程,尋找權威資料庫中有無類似的陳述,可用來支持新聞上描述的事件、主張與說法。目前英國劍橋大學為主的學者群、Facebook 與 Amazon 等業界研究人員已組成 FEVEROUS 團隊,致力於建立英文事實查核法模型所能運用的資源,並透過舉辦國際競賽,廣邀全球學者專家投入研究。

蔡宗翰教授團隊 2021 年參加 FEVEROUS 競賽勇奪全球第三、學術團隊第一後,也與合作夥伴事實查核中心及資策會討論,正著手建立中文事實查核法模型所需資源。預期在不久的將來,AI 就能幫讀者標出新聞中所有說法的資料來源,節省讀者查證新聞真偽的時間。

AI 的無限可能:專屬於你的療癒「杯麵」

想像與 AI 共存的未來,蔡宗翰研究員驚嘆於 AI 的學習能力,只要提供夠好、夠多的資料,幾乎都可以訓練到讓人驚訝的地步!圖/研之有物

AI 的未來充滿無限可能,不僅可以成為分類與查證資料的得力助手,還能照護並撫慰人類的心靈,這對邁入高齡化社會的臺灣來說格外重要!許多青壯年陷入三明治人(上有老、下有小要照顧)的困境,期待有像動畫《大英雄天團》的「杯麵」(Baymax)機器人出現,幫忙分擔家務、照顧家人,在身心勞累時給你一個溫暖的擁抱。

機器人陪伴高齡者已是現在進行式,新加坡南洋理工大學 Gauri Tulsulkar 教授等學者於 2021 年發表了一項部署在長照機構的機器人實驗。這名外表與人類相似的機器人叫「娜丁」(Nadine),由感知、處理、互動等三層架構組成,可以透過麥克風、3D和網路鏡頭感知用戶特徵、所處環境,並將上述資訊發送到處理層。處理層會依據感知層提供的資訊,連結該用戶先前與娜丁互動的記憶,讓互動層可以進行適當的對話、變化臉部表情、用手勢做出反應。

長照機構的高齡住戶多數因身心因素、長期缺乏聊天對象,或對陌生事物感到不安,常選擇靜默不語,需要照護者主動引導。因此,娜丁內建了注視追蹤模型,當偵測到住戶已長時間處於被動狀態,就會自動發起話題。

實驗發現,在娜丁進駐長照機構一段時間後,住戶有一半的天數會去找她互動,而娜丁偵測到的住戶情緒多為微笑和中性,其中有 8 位認知障礙住戶的溝通能力與心理狀態有明顯改善。

照護機器人娜丁的運作架構。圖/研之有物

至於未來的改進方向,研究團隊認為「語音辨識系統」仍有很大的改進空間,需要讓機器人能配合老年人緩慢且停頓較長的語速,音量也要能讓重聽者可以清楚聽見,並加強對方言與多語混雜的理解能力。

臺灣如要發展出能順暢溝通的機器人,首要任務就是要開發一套臺灣人專用的 AI 語言模型,包含華語、臺語、客語、原住民語及混合以上兩種語言的理解引擎。這需花費大量人力與經費蒐集各種語料、發展預訓練模型,期待政府能整合學界與業界的力量,降低各行各業導入 AI 相關語言服務的門檻。

或許 AI 無法發展出情感,但卻可以成為人類大腦的延伸,協助我們節省處理資料的時間,更可以心平氣和地回應人們的身心需求。與 AI 共存的未來即將來臨,如何讓自己的行事邏輯跟上 AI 時代,讓 AI 成為自己的助力,是值得你我關注的課題。

延伸閱讀

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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牠如何長出一雙「隱形的翅膀」?——玻璃翼蝶的成長日誌
Curious曉白_96
・2021/10/28 ・3597字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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蝴蝶的美,源於牠們擁有的千變萬色的翅膀,這些色彩是門面,也是保護傘,鮮豔顯目派警戒掠食者別靠近!小心牠們有毒(即便有些蝶其實没毒 XD);擬態派能巧妙地偽裝成自然環境中的枯葉、樹木等騙過掠食者的眼睛,或是如猛禽眼睛樣貌的翅膀,嚇唬掠食者。多數蝴蝶們視顏色為性命,但對玻璃翼蝶來說……就是不給顏色瞧瞧,幾近透明如玻璃的翅膀,即使飛行也如穿上一層隱形罩袍,讓大家都難以察覺牠的存在。究竟,這個蝶界的「小透明」是如何成長?又何以成為科學家們研發新型抗反射材料的重要靈感?Let’s check it out !

玻璃翼蝶的成長日誌

玻璃翼蝶,又名寬紋黑脈綃蝶(學名:Greta oto,俗稱透翅蝶),屬於鳳蝶總科的蛺蝶科(Nymphalidae),主要分布在中南美洲的雨林及山區。牠們的卵殼型態非常多變,有些如珍珠般光滑透亮,有些點綴上小撮鱗毛,有些具有雕刻般的紋路。

玻璃翼蝶, 又名寬紋黑脈綃蝶 ,俗稱透翅蝶,為蛺蝶科寬紋黑脈綃蝶屬。圖/EOL

幼蟲時,牠們主要吃的是夜香樹屬的植物,這類植物含有具毒性的生物鹼,且能夠存儲於幼蟲體內,當有些鳥兒吃了他們,輕則拉肚子,重則中毒身亡。玻璃翼蝶向來與眾不同,即便同屬鱗翅目(Lepidoptera),他們卻不與其他蝶一般擁有鱗翅目的招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛,取而代之的是光滑剔透如玻璃般的翅膀,而成蟲的牠們一樣喜愛吃「毒」口味的食物,例如菊科(含生物鹼 (pyrrolizidine alkaloids))、馬纓丹屬植物,讓掠食者們敬而遠之。

鱗翅目招牌特徵 —— 成蟲全身布滿鱗毛。圖/EOL
可從罌粟分離出生物鹼-嗎啡。圖/維基百科

隱形翅膀的誕生

玻璃翼蝶是如何生成如此獨特的翅膀呢?帕特爾(Nipam H. Patel)和他的同事們首度將玻璃翼蝶詳細的成長時間序公開於《實驗生物學期刊》(Journal of Experimental Biology),他們分別在其成蛹不同時間點(16, 30, 48, 60 hr)進行解剖,並觀察其生成翅膀型態的變化(如圖一)。

  • 成蛹 16 小時

起初牠們與其他鱗翅目物種一樣,蛹翅由一層輕薄、勻稱的上皮組織組成,接著許多表皮細胞已分化為平行排列的感覺器官前細胞(Sensory Organ Precursor cells , 以下簡稱 SOP 細胞)。在翅膀生成前期,帕特爾等人發現翅膀透明區域與非透明區域相比,具有較低密度的 SOP 細胞,因此他們猜測,玻璃翼蝶翅膀上形成透明區域及非透明區域的關鍵點就在於 SOP 細胞密度的差異,導致兩個區域的 SOP 細胞日後受到不同的調節,進而影響成體翅膀上兩區域的鱗片密度和表面翼膜分布具有極端的差異。

  • 成蛹 30 小時

此時玻璃翼蝶身上的 SOP 細胞開始分化成為鱗狀細胞(scale cells)及似人類的神經膠質細胞的界面上皮細胞(socket cells),鱗狀細胞主要位於翅膀內部,而界面上皮細胞肌動主要負責連接每個鱗狀細胞,並位於翅膀較為表層的位置。此外,他們透過染色技術發現翅膀上開始出現由肌動蛋白組成的小圓柱狀增生鱗片,而這群增生鱗片甚至長到超出翅膀表面。這個階段的透明翼區域鱗片細胞型態跟不透明區域的未分化鱗片細胞一樣,像極了一個個被吹成橢圓狀的氣球。

  • 成蛹 48 小時

鱗狀細胞開始延展並擴散生長,這時候透明翼區和非透明翼區要開始分道揚鑣了!非透明翼區(尤其是翅膀周圍有顏色的分界線)有很粗的肌動蛋白束,鱗片細胞呈圓扁狀;而透明翼區的鱗狀細胞開始向上延伸,並產生兩種型態(短小倒三角狀及狹長鬃毛狀)的細胞交替分布於其中。

  • 成蛹 60 小時

透明翼區的短小倒三角鱗狀細胞們的兩個角角開始伸出「觸鬚」,形成兩個似觸角型的細胞並開始延伸生長,而長鬃毛鱗狀細胞的長度早已生長至一定長度,甚至還長到彎曲。非透明翼區的鱗狀細胞則會再長得更長、更寬、更平坦(葉狀),並在尖端處形成鋸齒狀。

隨成蛹時間翅膀發育變化。 圖中洋紅色螢光為 SOP 細胞,綠螢光為肌動蛋白,粉紅色螢光為鱗狀細胞膜,成蛹 30 小時,透明翼區(Clear)與非透明翼區(Opaque)細胞分布密度差異大,成蛹 48 小時後兩區域細胞開始發展成截然不同的型態。 圖(一)/參考資料3

我們之所以能看到非透明物體具有色彩,是由於物體會吸收部分光線,並將其他光線反射入我們的眼睛。反射程度主要取決於生物組織和環境介質之間的折射率差異,差異越大,表面反射越高。以會呈現透明的水生生物為反例,因為其組織與周遭環境(水)的折射率相近,因此他們就能施展「隱身術」。但是呢!在陸地上,要隱身可難囉~因為陸地生物組織的折射率(n=~1.3-1.5)和空氣(n=1)的折射率差異很大,所以易產生極大的表面反射。

有色翅膀的蝴蝶擁有於一排排扁平、重疊的鱗片,每個鱗片都可以通過色素沉澱產生顏色,並與光於奈米結構層級上進行交互作用,產生所謂的「結構色(structural coloration)」,選擇性吸收特定波長的光,且使光發生散射、漫反射、衍射或干涉而產生各式炫麗色彩。相反地,像透明翼蝶與部分蛾類的翅膀之所以會呈現透明,讓光線穿透,並能夠從透明翅膀區域看見他們身後的物體,關鍵在於他們只含有一層幾丁質膜(chitin membrane,也稱甲殼質),這層膜並不會明顯地吸收或反射光線,因此光線能輕易透射這層膜。

仿生靈感:抗反射材料的誕生

然而,幾丁質膜的加持還不夠,因為幾丁質本身具高折射率(n=1.56),因此即便透明,還是會有反射光。為此,透明翼蝶的翅膀發展出一款新型態的「抗反射構造」,造就此構造的三大功臣:微小且垂直稀疏的鱗片、幾丁質組成的奈米柱、蠟質層。垂直的鱗片能順著光線移動,使光線更容易致穿透翅膀;奈米柱使翅膀顯得凹凸不平,不但能減少因相同角度反射所產生的眩光,還能使光線呈現漫反射的效果;可是,透過電子顯微鏡的觀察,科學家們發現透明翼蝶的透明翼區的漫反射率僅約 2 % (空氣與翅膀介面的比率),後來他們查出這是翅膀表面覆蓋蠟質層的功勞,蠟質層似緩衝膠,因為比空氣密度大,能緩衝光線穿透翅膀的速度,還能大幅減緩光線照射鱗片所產生的眩光,若去除透明翼區的奈米柱及蠟質層,則會使反射率提升 2.5 倍,使翅膀受光照而閃亮。

這項驚人的發現不只有帕特爾等人注意到,卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology)的研究團隊也曾於 2015 年在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表,玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射,並透過蝕刻沈積技術(etching techniques)製造了仿透明蝶翅的塗層,厚度僅 500 奈米,且具有防水及自潔功能。

雖然目前研究處於測試階段,但在未來可望將這類新型塗層應用於防眩光的眼鏡鏡片、相機鏡頭、3C 產品的螢幕上,還能用於太陽能板以提升太陽能轉換效率,甚至軍事領域能發展出「隱形效果」的武器或裝備,這就是透明翼蝶帶來的重大效應。

卡爾斯魯厄理工學院研究團隊於 2015 年在《自然通訊》期刊中發表玻璃翼蝶翅膀表面不規則的奈米結構能降低反射。圖/參考資料4

結語

來自杜克大學的生物學家桑克‧強森(Sonke Johnsen)曾指出儘管許多具透明性質的物種都在身體結構上演化出奈米柱,但蠟質層倒是個令人費解的新發現,蝴蝶的幾丁質覆蓋層是個牢固的結構,為何還要加上蠟質層削弱其堅固度呢?因此他認為這個問題的解答或許會發掘出更多酷東西!不過一想到能在大太陽底下使用仿透明翼蝶的仿生手機,不再受惱人的反光所擾,這個對重度使用 3C 產品的捧由們已經是件很酷的事了!

仿生透明翼蝶產品,對人類來說,是一個保護眼睛、免於反光摧殘的一項發明。 圖/GIPHY

參考資料

  1. See through the Glasswing Butterfly’s Fascinating Wings
  2. New images clarify how glasswing butterflies make their wings transparent
  3. Developmental, cellular and biochemical basis of transparency in clearwing butterflies
  4. The role of random nanostructures for the omnidirectional anti-reflection properties of the glasswing butterfly
  5. How glasswing butterflies grow their invisible wings
  6. 抗反射塗層 仿透明蝶翼
  7. 科技大觀園:抗反射表面塗層仿生透明蝶翅
  8. 求真百科:玻璃翼蝶
  9. 寬紋黑脈綃蝶:形態特徵,棲息環境,生活習性,分布範圍,繁殖方式,種群現狀,保護級別
  10. MPlus | 隱形的翅膀:玻璃蝴蝶的透明演化之謎
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在機器與人的交會之處——《再.創世》專題
再・創世 Cybernetic_96
・2021/09/08 ・6672字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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  • 作者/施奇廷|東海大學應用物理學系 
「羅梭的萬能機器人」(Rossum’s Universal Robots) 劇中機器人反抗人類的一幕。圖/WIKIPEDIA

起源

從 1920 年「羅梭的萬能機器人」(Rossum’s Universal Robots,通稱R.U.R.)登上舞台以來,「機器人」這個概念,一直是科幻作品中的常客。機器人「具有人的形象,而(在某些方面)具有比人類更強的能力」的設定,一直刺激著人類的想像力:能力強大卻又聽命於人類的忠實僕人;或是領悟到自己其實可以取代人類,成為下一代的地球霸主?樂觀的期待與被反噬的恐懼,向來是欣賞以機器人為主題的科幻作品的兩大樂趣。不過近十年來「人工智慧」(Artificial Intelligence)與「機器人學」(Robotics)的發展速度超乎預期,上述本來只存在於科幻作品中的兩面議題,突然變得不是那麼遙不可及。

提出「機器人學」這個名詞,並將理論系統化的,並不是工程領域的學者,而是科幻小說大師艾薩克‧艾西莫夫(Isaac Asimov),這個詞現在已經成為工程界對機器人科學的正式名稱,是一個從科幻對科技「逆輸入」的有趣案例。生於俄羅斯的艾西莫夫的本行是就科學家(專長是生物化學),曾經任教於波士頓大學醫學院,不過後來因為全力投入寫作,不再進行一般學者的教學研究工作,但是波士頓大學仍然保留他的職位。他所接受過的嚴謹科學訓練,也反映在作品中。1940 年,年方 19 歲的艾西莫夫就發表了第一篇機器人短篇小說「小機」(Robbie,收錄於短篇小說集「我‧機器人」),開啟了「機器人系列」的序幕。

法則

「人類製造的機器人結果反過來支配人類」這個命題可說是充滿「為何要搬磚頭砸自己的腳」的矛盾,因為人類絕對可以在一開始設計、製造時就預防這件事發生。不過睽諸人類科技發展的歷史,這種矛盾其實一直存在,也不斷發生,目前我們面臨的「核能科技的發展衍生的核子大戰威脅」、「高度工業化生產導致環境污染」,以及「大量使用石化燃料導致全球氣候變遷」這些問題,都是現在進行式。

不過「人類依照自己的形象打造的仿人類」又有點不同,高功能的機器「外型像人」這件事,足以引起人類的「科學怪人情結」,讓人類會對機器人的發展保持高度的戒心,在此思考下,1942 年時,艾西莫夫在他的作品中,比照「牛頓運動學三定律」的規格,揭示了「機器人三定律」:

一、機器人不得傷害人類,也不能坐視人類受到傷害

二、在不違反第一法則的前提下,機器人必須保護自己的安全

三、在不違反第一與第二法則的前提下,機器人必須執行人類的命令

這三大法則是在機器人出廠時,就內建於其軟硬體內,絕對不容違反。如果讀者是「理科人」的話,大概會覺得這三大法則邏輯簡單明瞭,簡直無懈可擊,在此控制下,機器人應該可以成為人類最忠實的僕人,無須擔心他們會叛變了。

有趣的是,在艾西莫夫的機器人短篇小說中,幾乎都是在探討「會引起三大法則的缺陷、迷惑、矛盾的可能情境」,所以幾乎每篇小說都會產生一個「精神錯亂」的機器人。這些小說非常有趣,推薦喜歡「燒腦型作品」的讀者一讀。

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電影中違反三大法則的機器人。/Giphy

這個系列作品的內容其實也部分反映了人性:人也是又內建「道德基準」(moral norms),能進行邏輯思考的動物,但是即使最理性冷靜的人,也是會碰到兩難的困境,例如著名的「電車難題」:「一輛失控的列車在軌道上急馳,在軌道上有五個人即將被碾過,你剛好在鐵軌的轉軌器旁邊,只要扳動轉軌器,就可以把列車轉向另一條軌道,但是另一條軌道上有一個人,本來不會有事,因為你將列車轉軌而會被碾斃,在這個狀況下,你到底要不要將列車轉軌呢?」幾十年來這個問題引起了許多哲學以及倫理學、社會學的廣泛討論。事實上,自動駕駛汽車(除了不具有人形之外,其實也算是機器人的一種)的設計就必須把這類情境納入考量。

電車難題。自動駕駛汽車的設計就必須把這類情境納入考量,其中牽涉了哲學、倫理學以及社會學 。 圖/WIKIPEDIA

就筆者的「理科腦」來看,這些矛盾的起因是「機器人定律與人類的道德準則是定性的,而實際情境卻是定量的」。例如兩個人類同時對一個機器人下命令,而這兩個命令互相矛盾,那麼這個機器人到底要聽誰的?這時候機器人必須對下命令的兩個人做出「定量上的評價」,決定執行哪一個命令。這個結果導致「機器人可以(必須)評價人類,將人類分出等級」,之後又會衍生出更多的問題…

1985 年時,在機器人系列故事四十餘年的發展之下,艾西莫夫被自己的筆下的故事逼得追加了一個「第零定律」,位階在原來的三定律之上:「機器人不得傷害『整體人類』,或坐視『整體人類』受到傷害。」,這下子定律的規格從「牛頓三定律」變成了「熱力學的零+三定律」了,不愧是正統派科學家出身!這個第零定律跟之前一樣,從邏輯上看起來也很合理,但是這又造成機器人必須評價「整體人類」的福祉是什麼,由於第零定律凌駕於第一定律之上,因此視情況機器人是可以為了避免整體人類受到傷害,而去傷害甚至殺死個人的,最後可能會演變成「機器人為了整體人類好而接管、控制人類社會」的反烏托邦結果。

不過或許是因為「機器人叛變」這個展開實在太過顯而易見,而且因為可以塞進許多動作場面而成為影視作品愛用的題材,艾西莫夫的機器人作品中對這方面反倒是著墨不多,而是將關心的焦點放在「機器人是否能在三定律的規範下,活出自己的人格?」這個主題的代表作,就是獲得 1976 年「雨果獎」與「星雲獎」雙料大獎的中篇小說「雙百人」,後來在 1992 年由令一位作家羅伯特‧席維伯格(Robert Silverberg)擴充成長篇小說「正子人」;這個故事也在 1999 年改編為電影「變人」,由已故的喜劇泰斗羅賓‧威廉斯(Robin Williams)主演。

說實在的,想要瞭解「機器 → 人形機器 → 機器人 → 人」的演進與思辯,而又沒有很多時間與耐性的讀者,看這一本就夠了。

1999 年的科幻電影《變人》,由作家羅伯特‧席維伯格的長篇小說「正子人」改編而成。

分流

前面花了相當的篇幅講了艾西莫夫的機器人觀,除了這個「大師典範之外」,其實幾十年的科幻與娛樂文化演變下來,機器人也了更多的樣貌。

好萊塢電影與日本動漫畫,是目前全球影視娛樂的兩大主流,當然兩者還是有一段差距,好萊塢挾其資金、人才、技術的實力,最為強勢;不過「小本經營」的日本御宅文化,在全世界的影響力也逐年提升,對好萊塢電影也產生了不小的影響。它們對於機器人這個主題的處理,有很大的不同。以下分成不同的機器人類型討論,不過要先說明的是,以下的分類有些是好萊塢電影擅長的題材,有些則是日本動漫畫的偏好,但是其實並沒有這麼涇渭分明,大部分在兩邊都有出現,只是多寡有別。

一、近未來,覺醒的機器人,成為人類之敵——好萊塢電影的機器人,跟艾西莫夫的機器人類似,是外型、尺寸都比照人類,並且具有不同程度的人工智慧。不過如前所述,好萊塢電影中的機器人有許多都是扮演「人類之敵」的大反派,完全不受艾西莫夫「機器人三定律」的節制,最經典的例子就是「魔鬼終結者」系列,劇中的機器人存在的目的就是用來追殺人類——可說是把「機器人三定律」完全反過來看就行了。這些機器人的背後是由一個名為「天網」的人工智慧,也可以說是個不具人形的機器人,本來是美國研發的國防電腦系統,後來這個系統產生自我意識,並且判斷人類才是「世界最大的威脅」,於是就發動核戰毀滅人類,並且持續掃蕩殘存的人類反抗軍,並且派遣機器人穿越時間回到過去殺害反抗軍領袖的母親以斬草除根。

相對於艾西莫夫小說中以「機器人三定律」來節制機器人的能力,以消除人們的「科學怪人情結」,努力讓人類社會接受機器人;「魔鬼終結者」系列是反過來喚起觀眾的「科學怪人情結」,再加上「末日電影」的背景設定,來營造危機感與戲劇性,然後在人類與機器人的對立下順理成章的大打出手,「拳腳與槍砲齊飛,鮮血共煙硝一色」,讓本來是「低成本 B 級動作片」的「魔鬼終結者」成為娛樂性與思想性兼具的成功作品。就這個視角而言,「駭客任務」中的架構與設定,以及成功的要素也頗有共同之處。

終結者 GIF
魔鬼終結者喚起觀眾的「科學怪人情結」,成為娛樂性與思想性兼具的成功作品。 圖/Giphy

二、遙遠的未來,機器人已經融入人類社會,共同面對更廣闊的星際世界——上述這種「人類與機器人的衝突與生死戰」的背景通常發生於「近未來」,故事舞台跟現代有相當程度的重疊,機器人進入生活的正面與負面效應,都比較能引起觀眾的代入感。如果是以「遙遠的未來」為背景,機器人與人類之間的「磨合陣痛期」已經過去,像是兩大名門「星際大戰」與「星際爭霸戰」,人類的足跡已經遍佈銀河系,見識過各種稀奇古怪的外星生命體,機器人也早就已經成為人類好伙伴,甚至被視為跟人類同等的存在了。

三、機器人是人類肉體的延伸,力量的放大器——另一方面,日本動漫畫作品中的機器人,除了早期的「原子小金剛」是走「真人的大小與外貌,且具有人工智慧」的路線以外,主流是象徵「人類力量的延伸」的「巨大機器人」類型。這種機器人不具有人工智慧,而是搭載操作界面與作業系統,由人類駕駛員來操作,相當於扮演其大腦的角色。以早期的名作「無敵鐵金剛」而言,所標舉的主題是「如果人類透過機器取得了巨大的力量,將會成為神?還是成為惡魔?」,這類作品有別於西方「機器如何變成人」,而是「人類與機器合為一體」的概念。

機器人是吸引目標觀眾目光的賣點,也是贊助或出資廠商販賣模型玩具的獲利神器,導致許多巨大機器人動畫作品一味強調機器人造型帥氣而不注重劇情內涵,被譏為「為了販賣玩具所製作的 30 分鐘廣告片」,不過由於出資者只要求「機器人玩具賣得好」,對於內容不太有興趣干涉,反而讓創作者有揮灑的空間,出現了「長濱忠夫三部曲」、「機動戰士鋼彈」等名作。1995 年的「新世紀福音戰士」,把前述「人類與機器合為一體」的概念推到極致,駕駛員是透過神經系統直接與機器人(稱為 Evangelion,簡稱 EVA )「同調」連結,以精神力取代操縱桿與按鈕,直接操控 EVA——不過其實 EVA 與其說是機器人,「生化」味更重一些,劇中還曾出現駕駛員與 EVA 機體「完全融合」的情節。

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EVA 與其說是機器人,「生化」味更重一些,劇中還曾出現駕駛員與 EVA 機體「完全融合」的情節。圖/Giphy

四、機械化的人類——人與機器的關係,除了「機器→人形機器→機器人→人」這條路線外,也有反方向的路徑:由於疾病或受傷而失去部分身體功能的人,利用科技的力量改造身體,恢復正常的功能,甚至更為強大,這種被部分改造的人類稱為「改造人 Cyborg」(cybernetic organism),結合了「模控學」與「有機體」兩個字,也有人翻譯為「生化電子人」、「半機械人」,後來乾脆直接音譯為「賽伯格」。其實許多現實世界的人類已經多多少少變成改造人了:義肢、人工水晶體、心律調節器、人工關節等等,人們已經普遍可以接受為了維持身體機能以侵入性的方式改造部分器官,未來可以預見改造的範圍與精密程度必定會逐漸提升。

在這個「人體改造」的延長線上,我們可以看到像「機器戰警」中,殉職的員警被改造並且復活來執行正義,「鋼鐵人」受傷後在自己的胸腔裝了一個反應爐,成為裝甲動力服的能量來源;日系作品方面,有「無敵金剛 009」(後來改名為「人造人 009」,少了一股中二的氣勢)、「假面騎士系列」(真人演出的特攝片),這些作品中,並非前述因為疾病或受傷而修補人體,而是為了培養「征服世界用的超級士兵」,而將人體改造成具有超越一般人能力的戰鬥道具。

與「機器人覺醒為人類、或自覺為超越人類的存在」的方向相反,在「改造人」這條線上會出現的問題則是「當人類持續被改造,被機械取代的部位越來越多,會不會因此變成『不是人類』?這個轉變的界線何在?」也是非常值得探討的問題,也讓「改造人」這類的作品更具有思想上的深度。

近年來日本動漫畫與好萊塢合流的作品逐漸增加,「攻殼機動隊」與「戰鬥天使艾莉塔」是其中翹楚,都是以「改造人與人類的分界線」,以日本原創的動漫畫作品為主題,結合好萊塢的資金與技術的大製作電影,都獲得了相當程度的成功。

交會

本文以包含小說、電影、動漫畫等科幻作品的角度來看「機器人與人」之間的關係。雖然不是從真實世界的科學與技術來進行嚴謹的探討,不過在「機器人與人」這個主題上,科技與科幻的發展路徑其實亦步亦趨、互為因果:如同艾西莫夫的「機器人學」與「機器人三定律」對真實世界的機器人科技有極大的影響一般,科幻的想像有可能成為引導科技發展的路標;相對的,科技的發展當然也會墊高科幻作品的根基。

前文我們看過了幾種「機器人與人」的類型作品:從機器人變成人、機器人與人共存、機器人與人合體、從人變成機器人。這幾種模式,各自以不同的視角來刺激我們思考「人到底是什麼」這個問題。從數十年來這個主題的科幻作品的發展看來,不論是從哪個角度切入,最後都指向一個共同的交會點:人類的大腦。

數十年來這個主題的科幻作品的發展看來,不論是從哪個角度切入,最後都指向一個共同的交會點:人類的大腦。 圖/Pixabay

「正子人」中的機器人主角「安德魯‧馬丁」要爭取在法律上被認可為「人」,其起點是他的「正子腦」產生了類似人腦的感情、創造力、以及自我意識的自覺,在其兩百年的生涯中,他的「鉑銥合金正子腦」的運作模式與人腦越來越接近,應該可以通過任何像「圖靈測試」這種「能分辨人腦與電腦差別」的考驗。而他克服爭取成為「人」的最後阻礙的方式是:改造他那相對於人腦幾乎算是不朽的正子腦,讓它像人腦般會逐漸老化與死亡,終於取得了「人」的資格。

另一方面,「從人變成機器人」的這條路上,也是以「大腦是不是原裝貨」來作為人類與機械的分界點。身上的器官怎麼更換都沒關係,但是這個人的「自我」(identity)只存在於大腦的神經元之間的連結以及在內部儲存以及傳送的資訊中,如果大腦被換掉、或是內部的資訊消失了,這個人也將不再存在。更激進的說法是,連大腦的「硬體」都不重要,只有內含的資訊才是「人的本體」,所以只要能夠把腦內的資訊保留、複製下來,人將可以成為不朽的存在,就像「攻殼機動隊」的主角草薙素子,拋棄了已經多次改造的肉身,以及還是「原裝」的大腦,將腦內資訊轉進網路中,只要這個網路仍在運作,這組來自草薙素子大腦的資訊仍存在於這個網路中,她就相當於取得了永生。

回到現實世界,「人工智慧」與「腦科學」正好也是目前最熱門、進展也最快的科技領域,前者致力於「讓機器除了強大的計算與記憶能力之外,還能像人腦一樣能進行複雜的思考」,後者則是要「瞭解大腦如何學習、記憶、創造,以及人類的自我意識從何而來」,這兩個領域發展的進程與細節跟科幻作品當然不會一模一樣,但是在大方向上,「科學」與「科幻」實在有驚人的相似之處,最後兩個領域也有可能交會在同一點上。

看看社群網站的自動審查機制,以及電子商務網站的推薦系統,極權國家用來監控人民的社會科技體系,「不具人形的機器人」正逐漸接管我們的生活。也許在我們的有生之年,就可以看到這些科幻名作中的情節在現實世界中發生,至於人與機器人之間的關係,是對抗、共生、還是融合?人類社會未來的流向,仍然掌握在人類手上嗎?再不嚴肅思考這個問題,或許很快就會來不及了。

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再・創世 Cybernetic_96
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由策展人沈伯丞籌畫之藝術計畫《再・創世 Cybernetic》,嘗試從演化控制學的理論基礎上,探討仿生學、人工智慧、嵌合體與賽伯格以及環境控制學等新知識技術所構成的未來生命圖像。

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仿生軟機器人!Soft robot
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・2012/01/30 ・392字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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雖然生物使用很多種方式運動,但是現在機器人的設計多半仿製有有骨骼支架的生物,使用關節、支架跟驅動器來達成運動。但是有一類的生物,像是軟體動物,是利用軟組織本身的變形來做運動,沒關節、沒骨骼,這類運動卻很少被應用在機器人身上,現在研究人員利用類似的想法做出了下面這個軟的爬行機器人:

主要的原理很簡單:先利用立體印表機設計出模子,模子的設計是裡面有一些不對襯的空隙,然後用矽膠去翻模,就可以做出可以充氣變形的機器人。裡面的空隙設計如下圖,在這樣的設計裡只要控制四隻腳不同的充氣壓力順序,就可以做到影片中那樣有規則性的運動方式。

這樣的軟機器人的設計成本不高,因為整體沒有關節根支架的分別,製造上也容易,或許在未來像是跟人體互動的接觸或是需要柔和方式的運動時可以派上用場!

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