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由杯麵淺談照護機器人——《羅伯特玩假的?破解機器人電影的科學真相》

PanSci_96
・2016/02/04 ・2646字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

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。

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海豹造型、全身毛茸茸的Paro,具有細緻的觸感、慵懶的眼神,真的是超級卡哇伊。圖片提供/清華大學通識教育中心林宗德教授。

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?

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柴田崇德博士說Paro就是設計來讓人們「抱」,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。攝於日本筑波產業技術綜合研究所柴田崇德博士會議室。

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?

ROBOT-a1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。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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