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【紀錄】機運2 — 機器人與我們,當互動開始有了溫度

昱夫
・2014/11/06 ・4484字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 523 ・七年級
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站在場邊看著演講的機器人~

記錄\王昱夫

你走在一個晴天的下午,帶著你的寵物,到處散步,一如往常;可是不太對勁,每個人都看著你的方向,露出一種,介於狐疑、好奇、興奮又同時帶點畏懼的表情(可能是害怕自己突然受到傷害吧)。What’s wrong!?你意識到問題不在你身上(當然,你穿著運動用的帽T和長褲,有什麼好引人注意的==),是你的寵物!他是隻機器人!

再說ㄧ次,是機器人!當你看文章的時候,可能無法深刻感受這種衝擊,如同我們通常也不會在看科幻小說時以為裡面天馬行空的光劍和時空旅行有多震撼,但請想像一下前面描述的畫面,身為一個路過的人,你怎能容許這樣的情景從你眼前逃脫, 寵物又跑又跳,周圍的狗對著它咆哮,宣告自己的領域(或者也是對於這陌生的型態感到畏懼),一切彷彿再平常不過,僅僅因為它是機器,而讓心情產生巨大的扭曲。

這一切,卻是真真實實存在!當我們以為機器人在生活中的應用可能只限於自動掃地,其實他們已經可以和我們有更深入的互動。PanSci回顧「機運2」,一起感受機器人的溫度。

二足機器人進化論淺談設計概念到格鬥機器人競賽

盧聰勇\瞻營全電子股份有限公司 機器人事業部經理、台灣機器人格鬥聯盟主辦人

二足機器人夢

「機器人,什麼是機器人?機器人應該能用是兩隻腳行走的!」講者一開始就用堅定的語氣說道。不同於市面上常見的輪式機器人,他非常強調機器人就該擁用雙腳行走的型態(像是人行、鳥型、猴型等等),流露出一股對風格的堅持與浪漫。兩隻腳的機器人,滿足我們的想像,更投射出人類對自身的想像。

機器人設計

針對人型機器人而言,他們的身高大致都在120公分左右,原因大致有兩個:一是大部份的家具以這樣的身高都可以碰得到,能夠有效執行各種家務;二是這樣的身高對於小孩子來說,較不會有壓迫感,不會讓家中兒童產生恐懼畏懼的心理。在設計上,雙足機器人的的一隻腳最少需要2根軸以上才能有效完成移動,基本上,若有5軸就可以模仿人類雙足的運動模式(包含髖關節2軸、膝關節1軸和踝關節2軸),可以控制整隻腳進行像是抬腿甚至左右傾斜之類的行動。

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介紹機器人的結構。

目的決定功能

講者特別提到,在設計機器人的過程中,千萬不可忘記的是我們一開始設計它的目的!不要只是單純為了追求強大功能性而遺忘了目標,就像一隻可以太陽能充電的機器人,儘管性能再好,要作為地底工作用機器人也是不可能的!只是徒勞而已。

做一隻機器人?

想要DIY建造一隻機器人可不是件容易的事,首先要尋找各結構材料的相關資料,像是馬達要用哪種?材料是要用合金還是碳纖維?也可以參考現有的機器人來做評估,「而現在機器人面臨的最大問題,還是電源」講者說,若沒有輕巧又夠力的電力供應源,機構設計得再好也是枉然。

除了電源,機器人的重心、軸內配線、延壁配線等等也都是不可忽視的學問,怎麼樣讓做出的機器人兼具功能性和外觀上的美感,更是需要反覆琢磨之處。

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參加活動的大小朋友與機器人近距離互動。

機器人格鬥

做好了一隻機器人,準備參加機器人格鬥的你,突然心生疑惑「咦~到底機器人格鬥怎麼比勒?大家的機器人性能又如何?」

其實機器人格鬥在台灣發展到現在,已經經過了很大的演進,從一開始線路都外露、只能側向滑步移動,到近期機器人已能正面快速前進,甚至做出彈跳、跑步等動作,穩定度和成熟度都進步了非常多。規則上,機器人格鬥採計算擊倒制(一回合5次被擊倒就輸),但同時也附帶了許多限制,像是禁止側向攻擊、禁止滑步移動等等。一般人看來或許會覺得限制也太多,但是,正因為有這樣的規則,機器人的技術才會越來越進步,困難才會隨時間逐漸被克服,朝著「像人一樣格鬥」的方向前進。

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日本的機器人格鬥參賽者與他的假面機器人互動。

格鬥不只是打架,更可以融入文化!

我們常常以為,機器人格鬥充其量也不過就是打架嘛(只是換了打架的參與者),但是講者最後放的ㄧ段影片卻完全跌覆了全場的印象。

一位日本的機器人比賽參賽者,將他的機器人裝扮成假面造型,上場格鬥的同時,不只是對打,更把整個過程當成一場表演,藉由打鬥讓機器人做即興演出,甚至操控者還會與機器人做互動,遞水、撒嬌、掙扎,其逗趣和娛樂的程度,完全不遜於綜藝節目。他們比賽不只是為了得名,更是一種文化特質的展現,把生活的經驗融入到機器人裡,希望藉由比賽,讓自己的機器人被看到,也讓製作者的心情故事傳遞給大家。而那,或許才是我們應該更加追求的精神!

看到這裡,是不是等不及想回家開始研究機器人了呢!客官稍等!後面還有好菜呢,讓我們接著聽聽下半場的演講吧!

關於仿生機器人的一些想法

林沛群\國立台灣大學機械工程學系副教授

機器人往往在我們想像中,便是具備雙手雙腳,以人型姿態走路、操作;然而,卻有另一大類的機器人顛覆了這樣的想像,他們像是蜘蛛一般在地面上快速爬行,像小狗般跟著主人出門散步。那是仿生機器人,什麼是仿生?為何仿生?又要如何仿生?就讓我們聽聽講者的分享吧!

關於仿生???

做機器人其中一項很大的目的,就是希望能讓它「運動」,而在「生成一個運動」上,生物絕對是一個很好的學習對象,在經歷長時間演化後,他們不論在移動速度、敏捷、操作甚至是能量的消耗上都擁有相當高的能力。自然界中常見的例子,像是蜘蛛可以利用特化的腳與步伐在崎嶇地上快速移動、豹透過肌肉的特化來達到快速地奔跑⋯⋯

仿生這個領域其實本身就是個跨領域的結合,在製作機器人之前,我們必須先了解生物怎麼運動,對生物進行「系統識別」,學習他們的生物結構如何幫助他們克服障礙,並擷取重要的特徵及我們可以重現的機制,進一步應用於機器人設計上。當然我們要製作仿生機器人很大的限制也來自於技術面必須是工程上可行,在材料、機械結構、機電系統、控制理論⋯⋯各面向,都需要有相應的技術相輔,才有可能真正做出一隻理想的仿生機器人。(講者特別提到,若是用現有的技術做出一隻馬達驅動、人體比例的機械手臂,由於馬達的出力限制,做多也只能舉起大約500g的物品而已,這樣連到超商買瓶大罐水都辦不到,更何況是更高階的功能了,這就是技術的限制!)

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講者介紹仿生的概念。

機器人動起來

如果有了結構設計,機器人要如何動起來呢?主要可以分成三部分:對複雜環境的感知、決策和運動生成。當機器人透過感測器了解周圍環境(如路況),傳送到電腦分析進行判斷(路線規劃),再傳送回馬達進行動作控制(移動)。

針對動作這部分,足式生物運動主要可以從簡單的模型出發,把腳想像成一個彈簧,移動過程中,前半部動作是在煞車同時經由韌帶、肌肉儲存能量,後半部動作釋放能量往前進,要設計一個機器人便可以試著從這角度來出發!

師法自然

講者特別提到的例子,便是他們團隊所研究的「蟑螂機器人」。蟑螂無疑是世界上最具生命韌性的生物之一,到底為什麼我們每次要打他們都打不到,他們是如何在崎嶇地形上跑的那麼敏捷?

透過實驗分析蟑螂的動作,他們可以以簡易的「三角步態」進行移動。將這樣的運動機構複製到機器人上,便創造出了強力的移動型機器人,他可以像蟑螂一樣越過高地障礙爬行、上下樓梯、跑步,甚至也可以經由改變控制模組變換成為四足類的步態,像狗狗一樣跑跳!

再進一步,為了要越過更複雜的環境(如網格),團隊來在機器人上裝了「腳毛」,另外加裝「回授控制機制」,讓它不只是單純越過地形,更可以「感受」地形,進而調整姿態,以更順暢的方式前進。在自然環境中測試後,機器人甚至還可以順應地形,改變型態,將「足」變形成「輪」,優化機器人對於不同地形的適應能力。

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機器人要如何越過網格呢?

為何做機器人這麼困難?

時常大家想像的機器人(像是哆啦A夢),總是天馬行空,想要什麼功能就畫到紙上,在這樣的層次上機器人可說是完全不受限制,卻有失現實;再更進一步到玩具模型的層次,製造者需要考慮關節的構成、變形機關的配置、外型的維持等等,比起卡通畫面,那更貼近了我們技術上可及的領域;然而,真正要做出機器人,最重要也是最困難的關卡,是在於動力裝置、關節馬達和系統控制的面向上!沒有穩定的動力來源,沒有強力的馬達驅動,沒有精準的系統軟體控制,缺少了任何一項都會讓機器人喪失機能。在思考機器人的建造上,這些絕對是必須不可忽視的!

講者也特別提到,我們師法自然,學習生物的運動機制,能讓我們更進一步找到有效的運動機制,但在控制和動力上仍必須考量現實。仿生只是工程上的一個可行解,並非唯一解。在使用仿生技術前,我們必須明白生物往往不是針對運動最佳化的,他們在演化上有其特殊的背景環境在影響,我們只是抽取我們需要的機制應用到機器人上。

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雙足機器人的移動機制。

機器人與人類

講者的團隊過去常常帶著他們的機器人出門散步,他們也戲稱這樣的行為叫「遛蟲」(因為是仿蟑螂步態的機器人嘛~),很特別的是,街上的人們看到這樣一個機器人,僅僅因為他運動的方式更像是「活著的生物」,就會對他產生無比的好奇心(相信大家如果只是在街上看到一台遙控車,一定不會引起這麼大的騷動!),狗也會不停地朝它咆哮,小孩會想摸摸它⋯⋯當機器人走入我們的生活,以一個我們熟悉的生物的姿態,他在我們心裡便引發了前所未有的心理狀態改變。

這無疑是個社會性問題,當未來,有更多機器人走入我們生活中,和我們互動,與我們工作、交流,屆時,我們該站在什麼角度?怎麼看待機器人與人類的關係?絕對是不可迴避而需要認真思考的!

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活動結束大合照。

 


Created with flickr slideshow.

【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高! 本場演講由科技部指導,PanSci泛科學與民視文化共同舉辦。

文章難易度
昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。


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火箭阿伯的「臺灣太空港」願景——專訪國家太空中心主任吳宗信

科技大觀園_96
・2022/01/16 ・4906字 ・閱讀時間約 10 分鐘

臺灣的「國家太空中心」於 1991 年成立至今屆滿 30 年。恰好在而立之年,行政院 11 月 25 日拍板「國家太空中心設置條例」,若立法院審查順利,太空中心將於 2022 年升格為直屬科技部的行政法人,大力推動我國太空科技及產業發展!

談到臺灣的太空發展,你可能會先想到 2019 年發射的「福衛七號」;但若談到火箭,你可能會先想起一個身著橘色連身衣的阿伯,操著臺語在 TED 講台上侃侃而談的身影,也就是現任國家太空中心主任吳宗信。

「火箭阿伯」吳宗信在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。圖/呂元弘攝

放眼宇宙卻心懷鄉土的「火箭阿伯」,是很多人對吳宗信主任的印象。吳宗信在 2012 年在陽明交通大學創立了前瞻火箭研究中心(ARRC),同時也有創立太空科技公司的經驗。如今他在今年 8 月接任國家太空中心主任,在「產官學」三界都走了一遭。

談到何為「太空產業」的基礎問題?吳宗信解釋,火箭與衛星的發展,需要很多不同專長的人才,仰賴跨領域合作,「是一門精密且嚴謹的系統工程。」

火箭產值雖然不大,卻對太空產業至關重要

談到臺灣的太空產業該如如何發展?吳宗信指出,要發展太空產業,除了過去國家太空中心專注於的衛星發展,擁有自主發射火箭的能力也很關鍵。以馬斯克的 SpaceX 為例, SpaceX 是先將火箭發展起來,接著才有如星鏈(Starlink)的衛星服務,透過這樣的過程來達成太空產業一條龍。

然而有趣的是,火箭其實只佔太空產業總產值的大約 2-3%,因此光靠火箭賺大錢其實很困難。既然產值很少,那大費周章的研發火箭到底有什麼好處呢?

對此吳宗信解釋,一個用在衛星上的設備和地面設備最大的差別,就是前者必須能在真空、高輻射、高溫差的太空環境運作,也要能承受震動、噪音等火箭發射過程帶來的考驗。

因此,雖然地面上也能模擬出類似太空中的環境,但要驗證一個設備是否符合「太空等級」,還是要直接送上太空長時間運作,經過真實的極端環境考驗才能見真章。如果有能力自己發射衛星,那對於太空相關設備的驗證頻率就能得到顯著提升,整條產業鏈的進步的速度才會快。

「遙測」及「通訊」雙軌進行,強化自主衛星發展能力

火箭研發是臺灣太空產業未來發展的關鍵,但同時衛星發展的腳步也並未因此停下來!國家太空中心目前正在執行自 2019 年起為期 10 年的「第三期太空計畫」,該計畫以開發「遙測衛星」為主。

吳宗信提到,在遙測衛星部分,目前有六枚解析度1米,經地面影像處理後解析度可達 0.7 米的「光學遙測衛星」(也就是福衛八號計畫)。福衛八號衛星第一枚(FS-8A)科學酬載的研製由成功大學負責,主要發展雙波段大氣瞬變影像儀與電子溫度密度儀,目前規劃於 2023 年發射;同時,太空中心未來也將再發展兩枚「超高解析度遙測衛星」。

福衛八號衛星示意圖。圖/國家太空中心提供

吳宗信指出,第三期太空計畫還有兩枚合成孔徑雷達(SAR)遙測衛星的計畫,不同於福衛二、五、八以「可見光」遙測,合成孔徑雷達因為觀測波段可以穿透雲層,全天候皆可使用是其優勢之一。

除了遙測衛星以外,發展「通訊衛星」也是國家太空中心的重要計畫。目前正在執行兩枚 B5G(Beyond 5G)衛星計畫,目前規劃 2025 可以發射第一枚;在研發上,衛星可以分成本體(Bus)與酬載(Payload)兩部分,對於臺灣首次自主發展通訊衛星,吳宗信表示,在衛星本體上,國家太空中心已經有一定的自製能力,「臺灣幾乎能百分之百自主研發了。」

至於 B5G 衛星的酬載部分,例如通訊模組等等,則正與工研院資通所合作,並與產業界一同發展相關技術,也希望未來能達到高度自主的研發能力。

臺灣太空產業要升級,得先著手打造「環境」

為了國產衛星載具的目標,吳宗信在 2012 年於交大成立了前瞻火箭研究中心,但這些年來前瞻火箭其實經營的非常辛苦。過去幾年,前瞻火箭大約募得一億六千萬新臺幣,製造火箭的技術也達到能讓火箭在空中懸浮的水準,但這似乎已經達到學校單位能做的極限,若要繼續發展下去,在人、時、地、物的支援都需要有更大的規模,然而學校不是企業或是國家單位,學生有自己的前途,因此難以留住人才。

另一方面,很多大學研究室在做的東西,由於相對單純,需要控制的變因很少,可以相對簡單的透過改變某一個部分就能夠看到效果,同時也可能只需要幾個學生合作就能夠完成。但火箭與衛星可不是這樣,它需要數百人的團隊合作,而一個系統可能有一萬個零件,只要一個螺絲做得不對,整個系統就會失效。這樣的工作,沒有一個由全職工作者組成的團隊,是很難完成的。

也因為火箭研發在學界內缺乏資源及環境,今年 8 月甫接任國家太空中心主任的吳宗信,在「換了位置卻沒換腦袋」的情況下,轉換跑道繼續推動臺灣的太空產業發展,捲起袖子,誓言把臺灣的太空產業環境建立起來!

吳宗信(左)8 月接任國家太空中心主任;中為國研院吳光鐘院長、右為前代理主任余憲政。圖/國家太空中心提供

建立產業基石,是國家機關的重責

吳宗信表示,過去開發火箭跟很多廠商合作的過程中,他也將臺灣的產業掃過一遍,發現臺灣的太空相關產業鏈其實深度及廣度兼具,甚至有許多廠商原本就有接到歐美國家訂單生產太空相關零組件,只是基於保密協議廠商不能宣傳。

那既然臺灣並非沒有發展太空產業的能力,以前為什麼不做呢?吳宗信說,就像是廣告中的一段經典台詞:「阿伯,失火了你怎麼不跑?」「啊腳麻是要怎麼跑?」由於沒有適當的發展環境與法規,很多事情就無法順利進行,像是不久前晉陞公司的飛鼠一號火箭在國內無法順利發射,就是實際的例子。

因此吳宗信認為,雖然國家單位的效率一定不比有生存壓力的私人公司,但國家卻能夠改善整體產業的發展環境,「就如同廚師要煮出好菜,也要先有廚房和爐具。」而在未來的太空產業中,廚師是民間廠商,那麼國家的角色就是幫忙把廚房準備好。像是目前完成立法的《太空發展法》、以及未來國家火箭發射場的設立等,就是建立太空產業發展基石的重要工作。

同時,與民眾、民代的溝通,也是發展太空產業非常重要的一環,吳宗信也提到,讓事情清楚透明,是讓大眾與民意代表從懷疑到支持的關鍵。

打造臺灣太空港:實現「南火箭北衛星」願景

隨著全世界太空產業的發展,未來也充滿不同的可能性,像是 SpaceX 有提出利用星艦(Starship)火箭系統,進行長程國際航班的構想,如同現代的港口與機場,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足各種火箭發射的需求。而太空港也會需要對應的後勤設施,並且可以結合太空產業科學園區,讓國內外的太空公司設廠製造火箭與衛星。

另一方面,這樣的太空港也可以結合地方特色發展觀光,「說不定以後每個臺灣的年輕人成年禮,都可以去參觀火箭發射和國家太空博物館」吳宗信說道。

吳宗信也提出了「南火箭、北衛星」的構想,期許未來臺灣南部能成為火箭研發、生產與發射的重要基地,而北部則可以延續過去國家太空中心發展衛星的基礎,成為衛星發展重鎮。 

吳宗信指出,未來臺灣可能會需要「太空港」來滿足火箭發射的需求;圖為美國的甘迺迪太空中心,為 NASA 發射火箭的重要太空港。圖/Pixabay

投資太空不是豪賭,科研走的每一步都算數!

吳宗信表示,在太空產業發展上若政府願意帶頭出來衝,民間會有更多企業投入太空產業。

吳宗信說,過去臺灣在不同產業的嘗試,有半導體業的成功案例,但也有許多投入資源卻沒發展起來的產業。但投資本來就不可能穩賺不賠,也不能永遠固守既有的優勢產業。現在太空產業出現了機會,並不代表做了一定會成功,「但不做就完全沒有機會了。」

另外,太空產業的發展最終不論是否能開花結果,投入資源訓練出來的人才、發展出的技術其實都能應用在不同領域。像是 1960 年代的美國,就因為阿波羅登月計畫所需,大力推動如 IBM 等民間電腦公司的快速發展,「科技就是這樣一步一腳印創造出來的。」

如果想要進入太空產業,可以怎麼準備?

跨領域合作在太空產業非常重要。吳宗信說明,在衛星方面,大約有三分之二與電機和資訊工程相關,而火箭方面,則是有三分之二與機械、材料與結構等等相關。因此對於有志在未來投入太空產業的學生,航太系會是很好的選擇,但很多理工科系也都與太空產業有關,職涯發展上不會因「非航太系」而受限。

吳宗信也鼓勵對於太空產業有興趣的大學生在本科系繼續學習的同時,可以在大三大四去修一些與衛星、推進等等課程,接著研究所再到國內外相關系所深造。

而職場的選擇,則要取決於自己想要「怎麼參與太空產業」,像是進入一家太空產業鏈上製造特定零組件的公司,也是參與太空產業的一種方式,而若是想接觸更完整的太空產業,則可以選擇到做系統整合的公司或是太空中心就職。

火箭與衛星都是複雜的「系統工程」

火箭與衛星的研發製造,都必須整合很多不同次系統,是一門非常精密且嚴謹的系統工程。以火箭系統為例,推進、結構、航電、軟體、硬體和通訊等系統缺一不可,這些系統各自都是不同的專業,但系統間又要能完美的配合,若火箭上任何系統無法順利運作或配合,這支火箭就跟「沖天炮」差不多了。

而臺灣的大學科系目前在授課上較少有「系統工程」的規劃,每個不同專業的領域各做各的就像是一個樹林裡,「有些人種芒果,有些人種龍眼,每一群人都很擅長照顧自己的作物,但卻不知道樹林裡還有哪些水果。因此就需要有人開直升機從上往下看,看看到底有哪些資源,並且對其他領域稍微多懂一些,才能有效的整合。」

吳宗信強調,系統工程就是「不能見樹不見林,更要『見樹又見林』」。也因此,吳宗信也期待未來臺灣能有「太空系統工程」碩博班的設立,以培育更多產業所需的太空人才。

從打橄欖球到做火箭,那些同樣重要的事

訪談中吳宗信也分享自己在臺大時期是橄欖球隊一員,主打九號傳鋒[註]位置的吳宗信笑著說:「那時候我這個體格,在全臺灣高中以上的橄欖球員中應該就是我最輕,不到 50 公斤,但憑著快速靈活的身手,也能成為球隊中重要的一員。橄欖球很好玩,在倒地之前只能將球往後傳,一定要球傳下去,任何位置都很重要,我也在那邊學到很多團隊合作精神。」

吳宗信表示過去做火箭時,有好幾次測試中火箭摔在地上,甚至斷成兩截,面對不斷失敗產生的壓力,其實對身體及精神都是折磨,這些挫折也曾讓團隊懷疑過,自己到底要不要繼續做火箭?但就如同橄欖球場上的磨難,但當很多人一起做事時,就可以分工合作,克服很多困難與阻礙。

而不論是打橄欖球或是做火箭,吳宗信說,他很喜歡扮演「箍桶」(臺語:khoo-tháng)的角色,也就是木桶上的鐵環。因為有了箍桶將木片整合在一起,木桶才不會散掉,就像是系統工程中,要將不同次系統整合串聯一樣。

註解

  • 註 1:「傳鋒」是橄欖球隊型的九號位,在多數的比賽中,Scrum-half 擔任從前鋒群中接過球並傳給後衛的角色。他們善於團隊溝通,特別擅長指揮前鋒,主要目的是提供後衛群穩定俐落的傳球。

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