科學人 1月號/2017 第179期

科學人 1月號/2017 第179期

  • 雜誌名稱:科學人    新功能介紹
  • 刊別:月刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 出版日期:2016/12/28
  • 定價:280
  • 優惠價:95266
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封面故事

【機器人走路 哪裡難?】             
走路,真的很難。只要觀察兩歲以下的孩童學步,或曾受過傷而正在做復建來重新練習走路的病人就知道。但步行有什麼難的?畢竟人類行走的歷史超過數十萬年,而鴕鳥這類雙足動物已經步行了超過數百萬年。康乃爾大學機械工程系的教授魯伊納(Andy Ruina)從1992年開始研究雙足運動並設計機器人,他說:「有些人看到嬰兒會走路,便直覺認為步行一定很簡單,但實際上嬰兒能做出各種我們仍不了解的事。」
嬰兒學步的困難之處可以用一個詞概括:靈活度。雙足運動需要整合跨步、平衡、維持動量、修正錯誤與適應地形等複雜行為,缺一不可。只要任何一項功能稍有失常,一般健康成人理所當然的流暢步伐,很快就會變成笨拙、無力而萎靡的動作。
生物靈活度讓我們在行走時能夠展現各種特性。首先,精確控制:我們藉由感官尋找可靠的立足點。其次,適應性很強:遇到意外或失足時,我們多半能自行修正步行動作。再者,效率極高:我們不必耗費大量時間、能量或心力便能輕鬆行走,甚至邊走邊嚼口香糖。
數百萬年來的演化,賦予人類行走所需的生物靈活度(暫不論幼兒得花數年練習走路);我們透過視覺、觸覺與本體感覺學習步行控制與平衡。當我們無意間踩上石頭時,能夠立即反應而不會每次都摔個狗吃屎;即使跌倒了,也有柔韌組織包覆堅硬骨骼以保護我們。最後,我們踏出的每一步都是高效率的機械交響樂:肌肉與肌腱能在這一刻被動吸收衝擊,下一刻便主動產生推力;脊椎神經能維持週期性的運動模式,指揮雙腳朝正確的方向邁出,大腦得以處理更重要的事務。
因為雙足機器人無法同時做到人類(甚至雞)行走具備的精確控制、適應性與高效率,因此讓機器人步行真的很難。由日本本田公司研發、外表如太空人的知名機器人Asimo,特別著重「控制」,在踏出每一步前,都得仔細計算所需的力道、軌跡與動量。在波士頓動力公司爆紅的影片中,新一代亞特拉斯(Atlas)機器人則強調「適應性」,著重速度與平衡而非精確控制;亞特拉斯能徒步穿越積雪的森林,跌倒後還能自動站起來。
「奔跑者」與其他幾具參加DRC的機器人也是參考亞特拉斯修改而成;例如美國喬治亞理工學院的研究人員艾姆斯(Aaron D. Ames)正研發一具沒有頭與手的雙足機器人DURUS,他根據多達幾百頁的複雜數學方程式,來計算機器人身體所能展現的各種姿勢;俄勒岡州立大學的機械工程師赫斯特(Jonathan Hurst)則使用描述鳥類在地面奔跑的基本物理模型,建造一具相對簡單的機器人ATRIAS。
儘管他們的做法稍有不同,但都著重「效率」。不過,也有人採取混合策略,例如在DRC獲得亞軍的「奔跑者」,普瑞特採用一種方法「擷取點」(capture point),希望達到Asimo的精確控制與亞特拉斯的適應性。儘管每種做法各有千秋,但還沒有機器人能同時滿足人類行走所需的效率、彈性、速度與控制。
或許工程師根本不必煩惱如何建造步行機器人。南韓科學技術院(KAIST)的首席機器人專家吳俊鎬(Jun Ho Oh,音譯)便採取盡量避免雙足運動的策略:在機器人的膝蓋與腳掌裝上輪子,競賽過程中大多以穩定跪姿在地上滑行,最終贏得DRC大獎。畢竟萊特兄弟發明飛機時,並沒有盲目模仿鳥類的拍翅飛行。
然而打造步行機器人仍然吸引人。最顯而易見的理由與猶太人的泥人傳說一樣古老:借助更強壯而優秀的人造人,完成對血肉之軀過於艱難、危險或乏味的工作。DARPA把DRC場地模擬成2011年日本福島核電廠爐心熔毀的狀況:如果當初有機器人能駕駛汽車進入廠內,爬上幾階樓梯,穿過佈滿破瓦殘礫的走廊,然後轉動幾道閥門或開關,災情或許就不會如此慘重。救災任務只是其中一項應用,諸如辦公室遠端遙控(或稱遙現)、家庭助手、包裹遞送、保安巡邏、安全戒護、資源探勘與採集,都能借助人形機器人提高效率並實現自動化。普瑞特說:「就我所知,現有生物或機械結構中,沒有比人形機器人更適合陸地運動的。」
建造雙足機器人也有其他十分重要的益處。艾姆斯指出,透過建造模仿人類運動的機器人,能協助我們更了解步行原理。他說:「如果我們能讓機器人像人類一樣走路,便能幫助許多無法走路的人。」
人類建造雙足機器人的夢想與人工智慧(AI)的目標類似,都是擁有不受限制的萬能機械。如果AI是終極的思考機器,那麼人形機器人便是終極的「工具人」:一種真正的萬能機械,能勇闖未知環境,利用人類已發明的工具完成任務。吳俊鎬說:「建造人形機器人的唯一目的就是擁有萬能機器人。或許不是每個地方都需要雙足機器人,但某些情況非它不可,我們便是在為這種情況做好準備。」
 

編者的話

機器人走路,哪裡難?
無敵鐵金剛從游泳池中緩緩升起,指揮艇組合後,鐵金剛邁開大步,往前衝刺、跳起……然後與金剛飛翼組合!
這是五、六年級生共同的回憶,也是數十年前年我們對於「機器人」的基本期待:機器人就應該和人類一樣,用一樣的姿態走路。但是這樣的期待,卻讓全世界好幾世代的發明家、工程師努力至今,不只資訊科學家參與其中,連動物學的知識也必須納入。
想想你小時候如何學走路的?走路並不只是抬起腳、踏下,並加以重複,我們必須透過視覺、觸覺及本體感覺來控制行走的動作並維持平衡,要是一個踉蹌,你必須立即應變;但對雙足機器人而言,機械結構需要多少彈性?致動器要如何設計才最有效率?或是更根本的,機器人應該採取哪種步態? 
全世界頂尖的幾個機器人研發團隊,在美國國防高等研究計畫署舉辦的機器人挑戰賽(DRC)中爭奪200萬美元的獎金,想知道他們的〈雙足機器人開步走〉出了哪些奇招?〈擬人步行鐵金剛〉為你詳細剖析其中的力學奧秘!
透過語言學拆解野獸、獵人和星座的三角關係,就可知人類祖先怎麼〈帶著神話去旅行〉。精準醫學的第一步是〈專屬你的藥!〉,但藥物基因檢測必須先納入醫療體系。新的一年又將展開,就讓2017年1月號《科學人》 雜誌告訴你,還有哪些〈驚豔視界的科學創意〉!
 

雜誌目錄

關於封面
打造雙足步行的「萬能工具人」是人類長久以來的夢想,它能勇闖未知環境、協助人們解決各種難題,但是我們對行走的認識並不深切。已有許多研究人員投入這個領域,發揮巧思探索步行、甚至擬人行走的原理,期望有朝一日讓機器人走進人類的世界!
 
科技創新
30 驚豔視界的科學創意 
 文╱斯尼德(Annie Sneed)、帕夫洛斯(John Pavlus)、巴特爾(Prachi Patel)
 面對全球暖化、超級細菌、極端貧窮、網路資訊安全等問題,需要更有創意的科學研究來一一克服。Scientific American 挑選了過去這一年裡10個極具創意的科學妙點子,或許將能解決難題,增進人類生活福祉。
 
機器人學
40 雙足機器人開步走
 文╱帕夫洛斯(John Pavlus)
 讓人形機器人平穩行走,不像你想得那麼簡單!然而研究人員正採取各種不同策略,可望讓機器人走進人類世界。
 
機器人學
48 擬人行走鐵金剛 
 文╱江明勳
 科學家從人類步行的關鍵姿勢思索,設計新型的機械構造,讓人形機器人走起路來更擬人、更帥氣!
 
宇宙學
52 看見宇宙太虛之境 
 文╱ 沙普迪(István Szapudi)
 天文學家為了解釋宇宙微波背景輻射(CMB)中令人費解的冷點,竟然發掘出一個更詭異的現象:幾乎空無一物的超級空洞。
 
特別報導
60 專訪 廖俊智:中央研究院應是學術先行者
 採訪/李家維 整理/吳文正
 2016年6月,台灣學術研究最高機構中央研究院在一連串風暴中迎接第11任院長廖俊智。面對各界的責難、疑問與期許,廖俊智將如何重新定位中研院?中研院能否突破難關、成為典範,並帶領台灣學術研究邁向頂尖?
 
科學與社會
66 五項科學事實 有人還不信?
 文╱薛莫(Michael Shermer)、霍爾(Harriet Hall)、皮爾杭伯特(Ray Pierrehumbert)、歐菲特(Paul Offit)、修斯塔克(Seth Shostak)
 不論時局如何變化,科學始終力求有幾分證據說幾分話,真相不容混淆。
 
人類學
74 帶著神話去旅行──野獸、獵人和星座
 文╱杜伊(Julien d'Huy)
 神話故事的內容在反覆講述、代代相傳的過程中逐漸改變,分析神話的演變方式可以一窺人類的遷徙歷史,甚至可回溯至舊石器時代。
 
健康
82 專屬你的藥!
 文╱馬隆(Dina Fine Maron)
 個人化醫療的願景之一「根據個人基因選擇藥物」已逐漸實現,運用藥物基因測試以避免因個人體質產生危險的藥物反應,但臨床上普遍應用這項科技仍有困難。
 
目錄
第179期
2017年1月號
 
科學人觀點
6 歲末三猴啟示:無智不成人
 文/曾志朗
 
總編輯的話
8 史前奇畫
 文/李家維
 
讀者論壇
13 
 
科學人新聞
14 親愛的,銀河系更清楚了!
 群居的大貓較聰明
 歐巴馬保育成績單
 左右腦合作才幽默
 溶小體不容小覷
 木衛二地底噴泉現蹤?
 高中生聰明抗旱
 隱藏小我,成就大我
 風力發電避雷擊
 一覽世界科技進展
 銅是臭味好夥伴 
 
形上集
23 科學哲學答問(二)
 文/高涌泉
 
網路不打烊
24 免費的代價
 文/林玉柱
 
不可勝數
26 中國天文學首度西化
 文/張海潮
 
健康與科學
28 真檢驗,假結果
 文/施密特(Charles Schmidt)
 
專家看新聞
88 科學界男女不平等
 文/瓦倫泰(Hannah A. Valantine)
 
資訊世界
89 勇於改變,迎向未來
 文/波哥(David Pogue)
 
真真假假
90 天生本性
 文/薛莫(Michael Shermer)
 
反重力思考
91 暗黑版陽光之州
 文/米爾斯基(Steve Mirsky)
 
聊聊科學人
92 從台灣來──化學家劉兆玄的小說天地
 文/洪志良
 
生物手記
96 失落的島嶼原民──霧臺澤蟹
 文/黃智男
 
科學創藝術
100 徜徉電子夢境
 文/沈伯丞
 
科學人書摘
104 尋回最初的驚喜
 文/摘自《那些異國玩意兒》
 
圖表會說話
108 越來越多雙胞胎
 文/皮克(Katie Peek)
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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