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仿生机器人学.doc

仿生机器人学

天地人
2011-03-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《仿生机器人学doc》,可适用于高等教育领域

仿生機器人指是以模仿真人作為目的製造的機器人仿生机器人指是以模仿真人作為目的製造的機器人。現時仿生機器人仍然在試制階段卻是長期以來科幻和機器人學的一大主題。仿生機器人擬真的程度有很多有些是可以從外觀上識別也沒有真人的思想和感情。相對是稱為生物機器人是使用一種真人或生物的活組織但以機器為主體的類型是和機械化人有重疊的概念也是完全刻意為了仿冒真人而製造的但行為不一定似真人。而有時把女性型的仿生人稱為機娘如機械女僕。反過來說亦有開發外觀不似人但能夠有似真人行為的機器人。  專家普遍認為相對於當前應用最為廣泛的工業機器人的一副冷冰冰的面孔仿生機器人顯得更加聰明、靈活也更容易被人們所接受。  目前在工業領域中應用的機器人以焊接、裝配、噴涂、搬運機器人等為代表。它們共同的特征是作業方式單一、缺乏變化。在工業化生產過程中通過設計控制完成原來需要由工人完成的枯燥、乏味而又勞累的流水線工作。人們對工業機器人最好的概括是“如果沒有機器人人將會變成機器”。但是隨著社會發展機器人需要在更加寬泛的領域得到應用。  中國科學院“百人計劃”學者、沈陽自動化研究所研究員馬書根說人類社會向更高層次發展除了進行生產之外生活、娛樂和享受對於人類來說同樣不可缺少活動方式和身體結構酷似動物的仿生機器人將在這方面大顯身手。  在會議現場記者看到的並不是工業機器人的新作更多的是類似於蛇、蜘蛛、蜜蜂的小型機器人還有能跳舞、會搬桌子、抬東西的人形機器人。  “這就涉及到了人類對機器人另外兩個方面的需求也是世界范圍內比較熱門的研究方向防災救援和教育娛樂。”  關於防災救援蛇形機器人、蜘蛛機器人等就可以在災難事故現場攀岩、滅火、鑽洞、浮水等人類難以完成或者對救援人員有潛在傷害的救助活動。而能搬桌子、抬東西的機器人在一定程度上可以幫助人類尤其是老年人進行重體力的生活必要勞動。還記得索尼公司的機器狗嗎?在給了孩子們無窮快樂的同時也激起了他們對科學的濃厚興趣。  “這就是社會需要。當我們的社會進入老齡化后獨自在家的老人可以由一個能說會道的護理機器人陪伴既可以幫助老人干重活還能在交流中減輕他們的寂寞感﹔當自然災害降臨的時候地震洪水等讓我們畏懼可要是有了能夠深入危險中心的機器人就能減少救援者面臨的危險。”  日本東京工業大學教授廣瀨茂男是世界上機器人研究領域的權威科學家。在他看來模仿生物活動機能和身體結構的仿生機器人應當是機器人研究領域未來的發展方向。他說很多生物為了生存在進化過程中具備適應大自然的獨特功能科學界在機器人的發明制造上就應當借鑒一些生物的獨特本領為人類服務。比如身同蜜蜂大小的飛行機器人能夠比體積更大的鳥類更快地完成飛行方向的改變而四足行走的機器人能夠適應布滿瓦礫、砂石的路面。  日本是世界上應用機器人最多的國家。仿生機器人已經開始悄悄進入百姓的生活之中。廣瀨茂男介紹一種用於幫助護士攙扶病人的介護機器人已經開始在日本醫院中得以應用。護士在這種機器人的幫助下將躺在病床上的沉重病人攙扶到輪椅上可以不再感覺吃力了。  但是專家認為仿生機器人隻是根據不同人的特殊需要而設計特殊的生物功能即使在遙遠的將來也不能按照同一模式批量生產。目前由於社會需要還不充分難免被人們視為“不實用”但是在這種機器人身上體現的技術可以為其他領域的潛在技術需要做好准備即其他領域如果需要用到仿生機器人研究中已經成熟的相關技術直接拿過去就可以了。所以必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的前沿科學。 美國卡內基美倫大學、加拿大麥吉爾大學、加州大學柏克萊分校與美國密西根大學四校組成仿生機器人研究團隊研究蟑螂行為年向蟑螂取經日前設計出一款蟑螂外形的六足機器人「RHex」可上下爬行、滑行樓梯、跳躍、前後與左右移動。但和真正的蟑螂比起來還是很笨拙。 台大機械工程系助理教授林沛群表示這個四校團隊在實驗箱觀察蟑螂如何在顛簸路面行動發現牠不同於雙足與四足動物毋需以腳掌著地牠那超過個關節的足肢可以克服各種障礙敏捷爬行。 團隊觀察的對象不只是蟑螂研究人員也發現壁虎爬行打滑時會迅速用腳勾住任一物件以保持平衡這個概念也運用在機器人研發不但加入多種感測元件也加入各種危險模式處理。技術 要向上帝學習 學界研究機器人已許多年但機器人至今仍無法隨心所欲行動「所以要向上帝學習」台大土木工程學系暨研究所助理教授康仕仲認為只要能揭露一些自然的奧秘人類就能藉由仿生技術克服機器人發展的限制於是「仿生機器人」在這樣的脈絡下發展出來。 中央大學GRC機器人團隊、現任親民技術學院電機工程系講師葉律佐解釋仿生其實就是仿照生物的種類、構造與原理創造出有如生物而且更具效率的機構。 可愛的電子寵物狗AIBO音樂機器寵物iDog掀起玩具恐龍熱潮的Pleo日本ASIMO雙足機器人具有個伺服馬達能夠慢跑、平穩的行走和爬樓梯還會辨識人臉美國機器人設計家DavidHanson研發Zeno孩子機器人會從他可愛表情中傳達情緒時而顯出楚楚可憐的神情博得大家憐愛。 美國麻省理工的KISMET機器人運用了電腦科學創造出具有社交能力的機器人英國科學家則藉由老鼠的大腦取出細胞培養出十萬個會學習的神經元並與機器人結合創造出類似電影中瓦力的戈登機器人以上這些都是名副其實的仿生機器人。突破限制 能爬能鑽 台灣科技大學智慧型機器人研究中心主任林其禹表示歷經過戰爭空襲和地震摧殘的日本研發出多款蛇形與蠕蟲形狀的機器人目的在克服人形與輪形機器人無法在廢墟與地勢顛簸的空間中作用的限制。日本的機器研發團隊發現只有設計出能夠爬行與鑽探的機器人才能在災後倒塌的建築物或礦坑災變時肩負起偵探生命跡象與救援的角色。 美國從年後開始注重仿昆蟲外形與功能的機器人研發主因是美軍希望從伊朗區域的山洞中找出恐怖分子考量地形、環境限制與軍隊安全等因素希望能有隱匿性高的機器人得以進入沙漠與岩壁擔任偵察任務。模仿自然 還差得遠 「科技技術打造仿生物外型已經做到但要做到仿生物的完全功能仍然十分困難。」林其禹分析這是因為人類使用的材料科技落後自然太遠。「人類想要模仿自然卻無法做出如同自然一樣的材料」。 不過瑞士聯邦理工學院「以生物為師機器人研究組」組長奧克‧揚‧艾斯皮爾特在他所發表的文章中提醒「演化」有發展引擎之稱但未必具有效率科學家應該突破既有系統的限制或許能發現比自然更好的解決方案。另一種說法仿生機器人是指機器人研發的仿生物功能「觀察生物的腦波訊號可以理解許多重大問題」如果把這樣的研究投注在機器人發展想要創造出具有大腦思考能力的機器人還必須借助人工智慧與生物智能的不同專業同時更必須要設法建立良好的人機介面。 「人機介面就是人與機器溝通的介面」林其禹強調人機介面是很難建立的。因為人與人溝通很容易但是人要叫機器人去做事卻很困難原因在於「機器人聽不懂人話」簡單的程式雖可以完成簡單的行為但若是要達成複雜細膩的動作必須強化各項系統的設計與整合。 林其禹舉例想用聲音控制機器人光就「語意」部分就有操作上的困難因為每個人的聲音強度不同「同樣一句話不同的人講就有不同效果」現在做出來的機器人還無法辨識語意中細微的差異。 成功大學先進智慧型機器人與系統實驗室主持人李祖聖教授表示除了「聲音」感應器設計上不容易外要研製很多可以辨識人臉、認出主人的機器人主要的「視覺」辨識技術很容易受到光線亮度、陰影、色系差異的影響要即時正確地辨識出主人也是難度極高的技術。 台大機械工程系助理教授林沛群指出「仿生可以分成元件、系統與材料三個面向」。例如由美加地區四所大學合作研發的六足機器人RHex與柏克萊大學研發的壁虎機器人Stickbot都藉由學習生物運動行為發展出靈活的行動的機器人這過程就是在建置一套仿生系統。而鼠腦機器人戈登的腦部開發則側重在仿生元件的研究。 林其禹表示以往人類會經由創造「類神經網絡」嘗試理解生物思考運作的邏輯但現在科學家利用鼠腦的自然腦部網路組織直接研讀腦波訊號無須再創造新的架構還可以取代模擬大腦的浩大工程。 但他也強調生物的腦神經仍然十分神秘與複雜即使我們開始探索自然智慧與打造人工智慧但並不表示已經能夠創造大腦。目前人類只能由大腦研判出一到二成的訊息而這些訊息內容也僅是簡單動作與淺層意識想要設計出能縝密思維與動作準確度高的機器人囿於現行技術機器人文明社會的產生仍有一大段路要走。

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