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小強求生術(下):人類有辦法打造跟蟑螂一樣「抗壓」的機器人嗎?——《破解動物忍術》

三民書局_96
・2020/03/10 ・2739字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

在前幾年,六足機器人的發展開始出現變革。研究人員對於可動的足式機器人一直都很感興趣,但使科學家的興趣達到巔峰的,是美國國防高等研究計劃署在 2000 年召集數名研究人員參與的特殊會議。

國防高等研究計劃署因資助月球探測而成為著名的政府機構,這些深具野心的探測計畫推動該領域的進展。那年,他們對具有跟昆蟲一樣行動能力的足式機器人產生興趣,高什克的指導教授鮑勃‧弗爾 (Bob Full) 以及密西根大學的電機工程學家丹尼爾‧科德舒克都在場。

六足機器人 RHex 圖/wikimedia

丹尼爾觀看了鮑勃有關蟑螂跋涉過困難地形的影片,因而受到啟發,建造了六足機器人 RHex,大小和體重跟 7 公斤的鬥牛犬差不多。它可以走過石頭、雜草和其他障礙物,全都是以開迴路的方式進行,也就是完全沒有接收周遭環境的回饋,即使沒有眼睛,也能奔跑而不跌倒。

堅硬與柔軟的結合

在 2009 年,微製程工業與機器人研究結合,建造了一系列的輕量級六足機器人。其中,「動態自主式爬行六足機器人」(Dynamic Autonomous Sprawled Hexapod,DASH) 是由一張厚紙板做成,僅 30 公克,可以放在手掌心。

這是由加利福尼亞大學柏克萊分校的電機工程學教授榮恩‧費林 (Ron Fearing) 的學生保羅‧柏克梅爾 (Paul Birkmeyer) 所設計的。柏克梅爾與費林使用了一種稱為「智慧複合微結構製造」(smart composite microstructures (SGM) manufacturing) 的技術,將堅硬的零件和柔軟的零件結合在一起,建造出一種複合型機器人。

  • 首先,他們使用電腦畫出一份藍圖,將要切割的地方事先安排在一個平面上。
  • 接著,他們使用雷射切割術在一張卡紙上進行切割,然後將紙對摺,並將一張具有彈性的聚酯薄片夾在中間,再使用黏著劑和加熱的方式讓卡紙和聚酯薄片永久黏附在一起。
  • 最後他們用雷射刀在上面切出洞來,讓它變成可以像立體書一樣彎曲摺疊的平坦形狀。
  • 最終完成的立體造型有六隻腳,只靠一個普通玩具遙控車會用的那種直流小馬達就能致動。

這個機器人每秒可移動自己的一個體長距離,相當於汽車以每小時 16 公里的速度前進,柔軟的外殼也讓這款機器人適於被重新設計成可輾壓的機器人。

DASH 有一個根本問題使它無法被輾壓——它只能被壓到馬達的高度,因為馬達必須是堅硬的。

那時,完全以柔軟的橡膠製成的馬達尚未被發明出來。高什克的創新之處在於他用兩個小一點的馬達來驅動機器人,馬達置於機器人的左右兩側,分別驅動該側的三隻腳。由於每個馬達只需要驅動三隻腳,而非六隻,因此可以比原本的馬達還要小。

全名為「具關節機構之可壓縮機器人」(compressible robot with articulated mechanisms) 的仿生機器人 CRAM 及其自然之師美洲蟑螂。在被壓縮到原本高度的一半下,機器人仍可移動;而蟑螂則能在被壓縮到原本高度的 1/4 時仍保持運動能力。(圖片由高什克‧賈拉雅姆提供。)圖/三民提供

原版的 DASH 有一個方形底座,是用來固定六隻腳的地方。高什克在機器人的中間位置設計了一個斷裂區,讓機器人可以被往下壓,但又能回彈(如圖)。你可以把它想像成中間有彈簧連接的兩個底座,用手指把它往下壓時,機器人的兩半就會向外展開;把手放開時,機器人就會彈回來。

最後,高什克把一張聚酯薄片摺成可壓縮的外殼,就像摺紙帽那樣,然後將它覆蓋在機器人的上端。他用油來潤滑這個外殼,以減少它與隧道天花板間的摩擦力。

當機器人站立時,可以輕易走在堅硬的地面上。整個機器人只有巴掌大,僅 50 公克重,不過幾顆葡萄的重量。這是可以自主的機器人,電池和電子設備都裝在身上,它的主體是由層壓紙製成,所以可用手拿起、放下、甚至彎折扭曲。

接著,高什克把機器人放進只有它一半高的隧道中,就如他所設計好的, 機器人背部的中間位置可以彎曲,讓它被壓平。然而,彈簧的反作用力大力頂住天花板和地面,產生很大的摩擦力,使機器人動彈不得。機器人掙扎著想把自己往前推,但六隻小腳卻只是對地面又抓又刮,徒勞無功。

觀察蟑螂爬行,重新修正機器人

把馬達一分為二、讓體節可以變形的設計都發揮了成效, 但現在問題出在腳上,他必須重新設計腳的部分。

原來問題出在腳上!圖/GIPHY

目前,他把腳設計成火柴般的紙造腳,而機器人就靠這些腳走路,但當機器人被壓縮時,這些火柴腳會彎離主體,使腳無法獲得足夠的抓地力。同時,當機器人遭擠壓時,因頂住上下壁而多出來的摩擦力又會阻礙前進,也就是說,腳的姿勢已經很奇怪了,而天花板加壓在機器人身上的力又使得腳必須出更多力才行。

於是,高什克重新觀看蟑螂爬行的影片。蟑螂的腳就跟牠的腹部一樣,是可以折疊的。當蟑螂不受拘束自由奔跑時,腳尖會碰觸地面,然而,在隧道中,牠把腿往外張,就像在劈腿一樣,牠用膝蓋來推離地面,跟我們爬行時一樣。而當蟑螂一離開隧道,儲存在腿部的彈性位能便立刻把蟑螂推回站立的姿勢。

高什克領悟到,機器人的腳也必須設計成可折疊的,這樣無論是站立或壓縮的姿勢,腳都能緊抓住地。他把火柴折成一半,設計出 L 形的腳,接著把連接腳的關節設計得更有彈性。當站立時,機器人會用 L 形的其中一邊走路;當被壓縮時,腳則會向外攤開,使機器人還是可以用 L 形腳的另一邊走路。這個設計使得機器人的腳無論在什麼姿態下,都可以抓牢地面。

未來可壓折機器人,或許還能用在搜救行動中。圖/GIPHY

高什克的可壓折機器人或許可以應用在搜救行動。

地震過後,現場救難人員會希望評估瓦礫堆中是否仍有生還者,問題是瓦礫堆通常十分不穩定,人走在上面太危險了,這時若能派出大量像高什克設計的這類可壓折的小型機器人,裝配著感應器,就能穿梭在各個角落和裂縫來尋找生還者。高什克的機器人大部分是以廉價的材料製成,像是厚紙板和玩具馬達,因此,這種搜救機器人可以被當作消耗品使用,任務完成後毋須設法取回。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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三民書局_96
10 篇文章 ・ 9 位粉絲
創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》