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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

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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

文章難易度
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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從昆蟲的習性可以預測天氣?敢有影(kám ū-iánn)?——《取得身邊的天氣密碼》
晨星出版
・2022/11/13 ・1501字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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溫度對昆蟲至關重要,因此昆蟲會對溫度產生反應。

有一個普遍的通則:炎炎夏日中,你會先看到大昆蟲,接著見到小昆蟲,最後又再一次碰到大昆蟲。昆蟲愈大,愈能忍受低溫、對高溫愈難耐;因此大昆蟲喜歡在一天的清晨或傍晚的涼爽期間出現,中午的活動力較低;小昆蟲較不耐低溫,會在環境變暖時才現蹤。

夏日裡能常看到昆蟲。圖/Pexels

昆蟲與氣溫密不可分

蘇格蘭高地的糠蚊(Ceratopogonidae)總是令人難受,但可以利用牠們對溫度的敏感度對付牠們。糠蚊蓬勃生長的溫度帶相當狹窄,介於不冷也不熱的溫度之間,因此只要你往上爬/向下走,溫度會上升/下降至牠們的舒適圈之外,就能擺脫牠們。

蟋蟀代表了溫暖的氣溫是眾所皆知的事,此外,蟋蟀的聲音頻率與溫度有直接關係。雖然因不同物種而異,但蟋蟀溫度計主要的規則是,在攝氏十三度的環境裡,蟋蟀每秒鐘叫一聲,且此頻率會隨著溫度上升而增加。

在夏天,天氣溫煦、潮溼且微風徐徐,飛蟻會成群結隊地移動。牠們結伴飛過天空,數量多到人們相信「飛蟻日」的存在,飛蟻日說的正是飛蟻同時在全國各地現蹤的日子。不過,正如我們所知,陸地上的微氣候變化甚大,因此知道飛蟻日是個迷思也不該為之震驚,只是某幾個區域的條件正巧在那幾日適合飛蟻出巡。倘若你遇見一大群飛蟻,牠們捎來的訊息是,現在的氣溫大約攝氏十三度,風速低於每秒六公尺。

螞蟻藏著天氣機密?

據某些傳說所言,螞蟻直線移動代表壞天氣即將到來,但我未觀察過也沒有科學理論能佐證這點。

更有趣的是,澳洲原住民有一個習俗,說螞蟻在蟻窩周遭蓋高牆表示大雨將至,西方也有相同的俗諺。之前的章節提過太平洋諸島的居民發現小火蟻(red ant)會在風雨來襲前堵住巢穴,天氣晴朗時則大敞家門,這在西方諺語裡也提過。我還沒觀察到這個現象,但出現在廣泛的文化圈,甚至是兩個信仰社會尚未接觸的時間點就已發展出這種說法,說它沒有參考價值還真不為人所信。

許多科學研究能支持螞蟻對溼度敏銳的觀點:研究人員曾觀察到編織蟻(weaver ant)在熱帶風暴來臨前織網。

編織蟻(Oecophylla),英文稱之為Weaver Ant和Green Ant。圖/維基百科

其他物種裡,螞蟻、白蟻丘的排列和太陽脫不了關係。澳洲北部,羅盤白蟻(Amitermesmeridionalis)建造了指向北邊的蟻丘而為人所知;蟻丘細細的部分指著中午的日頭,寬闊的部分則指向清晨與向晚的太陽,這有助於調整蟻窩的溫度。

世界上有超過一萬三千種獲得命名的螞蟻物種,牠們都擁有各自的習性,我們要多關注近身物種的行為。

我時常運用一些螞蟻的方式,它們比起天氣更接近自然導航,不過兩者間有許多重疊的部分。在英國,排水性佳的草地經常可見黃土蟻(Yellow meadow ant)的身影,我家附近的白堊山丘就有很多。黃土蟻呈暗黃色,牠們的蟻窩比螞蟻本身有用多了;黃土蟻會將蟻窩向上堆到 0.5 公尺高,較為平坦的那一面通常面向東南邊,可以充當太陽能板,在涼爽的早晨收集太陽的熱量。

——本文摘自《解讀身邊的天氣密碼》,2022 年 10 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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大象你的鼻子怎麼伸得這麼長?因為多功能皮膚也能伸展!
Peggy Sha
・2022/08/24 ・1627字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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「大象~大象~你的鼻子怎麼那麼長?」

在象鼻皺皺的皮膚下面,隱藏著超強伸展力。 圖/envatoelements

喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)最新的研究發現,大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」,跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力,大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能,還能將象鼻伸得更長、更遠!

又硬又軟的萬用工具!象鼻究竟有多強?

象鼻實在是非常神奇的存在,它擁有超過四萬條肌肉,既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉,又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢?

神奇的象鼻,靈活地就像大象的手一樣。 圖/GIPHY

為了深入探索象鼻的秘密,研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園(Zoo Atlanta),設置了高速攝影機,紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下,軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣,是充滿肌肉的無骨組織。然而,它真正派上用場時,可一點兒也不像舌頭呢!透過鏡頭,研究人員發現:象鼻頂部底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時,象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面,就能發現外側的象鼻其實伸得更長!

非洲象用象鼻拿取食物的過程。影/Georgia Tech College of Engineering

秘密就在皮膚裡!打開皺紋發揮伸展之力吧!

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢?秘密原來就藏在象鼻的皺褶中!研究團隊解剖了大象屍體,發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚,比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是,大象移動象鼻的方式,跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同,象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘,內部是固定的,而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此,大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔!

怎麼說呢?牠們運用象鼻時,會先探出頂端,然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉,不到萬不得已,絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群!學者們表示,大象之所以會這樣動,是因為象鼻前端部分的肌肉量較少,動起來也比較不費勁,而大象其實就跟人類一樣懶,當然是追求越省力越好囉!

在拿取東西時,象鼻會由前往後一節節伸展。圖/envatoelements

借我學一下啦!皺褶象皮竟能應用在機器人身上?

另一方面,象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬,能起到重要的保護作用。比如說,在關節部分,一般肌肉容易拉伸,甚至拉傷,但如果有了皺褶,則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

這樣的保護力有什麼用呢?在未來,或許可以應用在仿生機器人身上喔!許多仿生機器人都會設計液壓系統,雖然十分靈活,但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚,不僅能提供更強大的保護力,也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

參考資料

  1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
  2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunkProceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
  3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
  4. 動物奇門功夫.象鼻神奇構造
Peggy Sha
69 篇文章 ・ 387 位粉絲
曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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不曉得家中蟲蟲的身分嗎?或許你可以翻翻這本《台灣常見室內節肢動物圖鑑》
聯經出版_96
・2022/01/24 ・2222字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 文、圖 / 李鍾旻

「請問一下,有人知道這是什麼蟲嗎?」、「家裡出現這些蟲,有誰知道牠們是哪來的?」網路討論區冒出了這類疑問句,並附上若干手機拍下的影像。這樣的貼文,你應該也見過吧?

只不過,通常這類貼文不是很少有回應,就是底下出現答非所問的回覆。像是某戶人家廚房的地瓜周圍冒出了幾隻「甘藷蟻象」,可是一些網友把牠誤認為是「隱翅蟲」;某人在廚房放了一陣子的糙米突然生出一群「粉斑螟蛾」,然而卻有人認為那是「衣蛾」。

「甘藷蟻象」在室內出現時通常與地瓜有關,因為牠們的卵或幼蟲偶爾會隨著市售地瓜被攜入家庭中。
「粉斑螟蛾」是近年來在穀物中常發生的昆蟲,其幼蟲能取食多種乾燥食品,且相當適應乾燥環境。

我們所處的居家環境中,蘊藏著一個微觀的小小世界,有許多節肢動物原本就住在我們的屋子裡,或者是隨著人類活動而悄悄被帶進家庭環境。儘管生活周遭有各式各樣的動物,但大家對於這些在室內出現的小生命,向來認知很少,或是一知半解。

某些情況下,一些人可能會出於興趣或好奇而想認識牠們,但通常一般人會開始想去知道家裡出現的蟲「是誰」,不外乎是想弄清楚這些事情:「牠對人有沒有害?」、「牠為什麼會出現在家裡?」、「牠會不會干擾生活?」

「菸甲蟲」與其所啃食過的紅豆。菸甲蟲能取食許多植物製品,常隨著袋裝食品被攜入家庭中。

現今這個時代,「網際網路」幾乎可說是現代人獲取資訊最方便的管道。當家裡出現了不認識的、來路不明的蟲,大部分人除了在網路討論區發問,大概就是直接利用 Google 等網路搜尋引擎試圖找出答案了。然而網路上的一切影像、言論卻不盡然可靠正確,甚至有些資訊是出自內容品質普遍不良的「內容農場」網站。而把網路文章複製又轉貼給親友的你,甚至還可能直接或間接的助長了謠言的散播。

倘若你也是那個正苦惱於該怎麼辨認家中小生物的民眾之一,那麼建議你可以考慮閱讀這本書:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》。它就是一本專門介紹居家性節肢動物的實用圖鑑,書中介紹了 101 種台灣室內環境常見的物種,可以幫助大家認識生活中常見的昆蟲、蜘蛛、馬陸等節肢動物。

巧克力中所發現的「粉斑螟蛾」幼蟲,周圍可見其糞便及取食所造成的缺口。

你說「自己很怕蟲,家人也不喜歡蟲!」、「我就是不喜歡牠們,為什麼我要去認識這些蟲?」這樣啊,你的心聲其實也是很多人的心聲。事實上,對節肢動物沒什麼好感的你,更應該入手一本,或者到圖書館借這本書來翻一翻。我是說真的!

為什麼呢?因為誤解與偏見,往往是出自於對牠們的不了解。比如說,常有人誤以為家庭中所出現的,大多是有害或骯髒的物種;然而事實卻正好相反,在居家室內常見的節肢動物中,真正對人有害的種類所占比例甚少。若正確的認識牠們後,也許你會對這些小生物們改觀,明白牠們其實並沒有想像中的可怕,進而讓你的日子過得更安穩愉快。

況且,假如你正苦惱於家中節肢動物橫行,想抑制蟲子們的數量,但在不曉得牠們確切身分的情況下,你很可能使用錯誤的方法與態度,越弄越沒有頭緒。試著去了解你煩惱的蟲的一切,才能夠知道怎麼去處理、應對,才能曉得該如何透過整理環境,減少牠們出現的機會,不是嗎?

從閱讀與出版的角度來看,儘管出版市場琳瑯滿目,然而市面上的自然科普類書籍比例偏低。絕大多數的自然科普類出版品,又都是翻譯自日本或其他國家,國內兒童、青少年從閱讀的過程裡認識到的節肢動物種類,往往便是國外的物種,或者一些商業化販售的寵物昆蟲。因此,不只是成年人,對於想認識我們生活周遭常見生物的中小學生,《台灣常見室內節肢動物圖鑑》也會是個很好的選擇。

「擬穀盜」常見於麵粉及麩皮中,偶爾也會隨著穀物製品來到家庭環境。

雖然,我很希望你能明白「家裡有許多種類的節肢動物很有趣」這件事,然而畢竟每個人都有各自的觀點,我也不可能強迫正在讀此篇文章的你,去接納家裡的每一種節肢動物、要求你一定要懂得欣賞牠們。

但是至少,請你務必記得,當家中有任何節肢動物活動的跡象時,這本《台灣常見室內節肢動物圖鑑》,應該可以滿足大部分你想知道的「室內蟲蟲」種類,解答你心中的一些辨識疑惑。或許,它還能夠引導你對自身所處的這片環境、自己所生長的這塊土地,有更深刻的體認。


想認識居家室內節肢動物的讀者,可參考本文作者所著《台灣常見室內節肢動物圖鑑:居家常見101種蟲蟲大集合,教你如何分辨與防治》(聯經出版)。

——本文摘自《 台灣常見室內節肢動物圖鑑:居家常見101種蟲蟲大集合,教你如何分辨與防治 》/ 李鍾旻, 詹美鈴,2021 年 11 月,聯經出版

聯經出版_96
21 篇文章 ・ 17 位粉絲
聯經出版公司創立於1974年5月4日,是一個綜合性的出版公司,為聯合報系關係企業之一。 三十多年來已經累積了近六千餘種圖書, 範圍包括人文、社會科學、科技以及小說、藝術、傳記、商業、工具書、保健、旅遊、兒童讀物等。