《環太平洋》中的動力外骨骼操控術

作者 | 發布日期 2013 年 07 月 12 日 9:50 | 分類 尖端科技 , 機器人
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以下無雷

熱門電影《環太平洋》(Pacific Rim)是昨(11)日剛上檔的美國式英雄爽片,除了部份概念很像是20年前的日本機器人動畫GunBuster外,網路上也有相當多網友說這是「新世紀福音戰士」的美國版,不過很抱歉並沒有綾波零與明日香,有的卻是高大勇猛的機器人與看起來很有型的大怪獸,雙方在城市中、在海面上激烈肉搏戰。巨大的人形機器人或許看似神話,但實際上距離當代的科技也沒有太遠,如果真有那麼一天,叫那些政府單位如國防高等研究計劃署拿出壓箱寶來對抗外星人,也不是不可能。



大怪獸需要大機器人對付

電影中描述,2013年,太平洋海底兩大板塊之間,出現了一個「突破點」,身形龐大的怪獸冒出來攻擊環太平洋城市。大怪獸雖非無堅不摧,但人類的小飛機小飛彈實在不夠看,美國國防高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)等單位研發出代號Jaegers的巨型機器人,來個一對一的平等PK,就以主角的「吉普賽危機」(Gipsy Danger)為例,身高79公尺,重1980噸,核動力,左右手掌各配備一門離子砲,後期左手加裝了一支袖裡劍,成為拳頭之外的利器。

Gipsy_Danger_Blueprints

電影的一大重點是「駕駛員如何操縱機器人」。他們提出了將駕駛員的腦部活動與機器人的人工智慧結合的做法,而且,因為這樣的過程對單一個人的腦部負荷量太大,因此需要兩名駕駛員分別擔任機器人的左腦與右腦。另外,在電影中我們可以看到駕駛員利用自己的肢體動作來「帶動」機器人行動,例如兩位駕駛員同步走路、同步跑步,轉頭與手部攻擊、拿武器等等,攻擊外星人的各種招式也是由駕駛員先動作,帶動機器人使出相同動作。

pacific rim 02

傳動、體感、Motion Capture

若以現有的科技水準來看,駕駛員操縱機器人似乎不需要太先進的技術。就以腿部的動作來說,我們發現電影中兩位駕駛員的腳固定在一種機械裝置上,裝置的長相就像工地怪手的機械臂,駕駛員抬腳前進、後退、跑步,機械裝置就被駕駛員的腳帶著上上下下。我們只能看到駕駛艙內的部份,也許在駕駛艙到機器人腿部,中間用的是油壓傳動裝置等我們日常生活中很廣泛運用的技術。

kinect
(Photo Credit: Microsoft)

再就手部與頭部的動作來說,現有的體感技術例如Xbox遊戲機的Kinect攝影機,就已經可以做到捕捉玩家的肢體動作並反應在遊戲中。不過電影中是沒有看到這種攝影機的設定,真有的話其實感覺也蠻遜的,因此,我們若把關鍵放在駕駛員穿的盔甲上,就有許多想像的空間。比方說,駕駛員其實只是用簡單的動作捕捉(Motion Capture)技術來操縱機器人,盔甲裡面有很多動作偵測裝置,收集駕駛員的動作資訊以轉換到機器人上。下圖是一張很常見的動作捕捉圖,示範者身上安裝很多偵測裝置,這與電影裡的差別,僅僅在於多了一套兼具保護作用的盔甲。

motion capture
(Photo Credit: Wikimedia Commons)

現實生活中的動力外骨骼與操作方式

覺得這些說法都太low了嗎?我們再從動力外骨骼的角度來看,又會有全新的想法。前天我們才報導了一則「機器人在進化 史上首款市售版動力外骨骼 Power Jacket MK3開放銷售」,這款產品也是利用動態感測技術偵測使用者的肢體行動。另外,在「新機械義肢有如真手,可以大腦控制」中,我們報導了美國約翰霍普金斯大學研發了一套「生化義肢」,斷了手的人們戴上義肢後,再將殘餘手臂內的運動神經連接到義肢上,如此一來,就可以直接透過腦部下指令給義肢。

日本Cyberdyne公司的HAL(Hybrid Assistive Limb)則是一套針對日常生活動做的外骨骼產品。HAL 3只有腿部裝置,HAL 5則包括全身,對於行動不便的人站起、坐下、上下樓梯、走路等方面有很大幫助,另外HAL 5可讓使用者拿起身體5倍的重物,這不僅方便居家用途,製造業方面也有很大商機。HAL 5電池續航力約160分鐘,它的控制方式有兩種,一種是全自動,它將一個行為(例如從椅子上站起來)分解成許多細微的動作,並儲存在電腦中,當使用者進行一項行為的第一個動作時,電腦便開始分析並叫出接下來的相應動作以協助使用者。另一種方式比較常見,就是在皮膚上貼感測器,當使用者行動時,腦部會透過神經系統下指令,感測器可以捕捉神經系統的微弱電位訊號,經過電腦計算後,預測並協助使用者的行動。

hal 5
(Photo Credit: Cyberdyne)

軍用級的動力外骨骼

軍事級的動力外骨骼發展相當快速。洛克希德馬丁推出的「浩克」(Human Universal Load Carrier, HULC),在戰場上可以協助士兵背負91公斤的貨品,最高時速可達16公里。它用電池提供電力,去年5月他們宣佈新款浩克更為輕量級,單純走路電池可維持8小時,如果使用燃料電池可達72小時以上。浩克像是一個可以套在身上的輕型框架,它的腳底板上有感測裝置,據此收集的資料傳至電腦,即可配合使用者的腳步行動。

HULC
(Photo Credit: Rockheed Martin)

另一家軍火商雷神公司則在2010年宣佈推出第二代的XOS。有著鋼鐵人稱號的XOS,比起浩克更多了兩隻手臂,新一代比舊款省電一半,舉起91公斤的貨物有如家常便飯,舉起放下數百次也沒什麼問題,強力的手臂如果打在厚木板上,還可以打出深達7.6公分的洞。XOS 是利用附著在肌肉上的感測器來確認使用者的動作,同樣可以即時配合使用者的動作。XOS 2惟一的問題是需要使用外部電源,因此會限制行動的範圍,不過相信雷神公司有了XOS 2可以省電一半的經驗,未來應該可以研發出行動更自由的新產品。


(Video Credit: Raytheon)

以上這些外骨骼都是直接套在人身上使用,或許會給你一種「外骨骼就是這個大小」的感覺,但事實上看完「環太平洋」這部電影後,我們也可以把高79公尺的機器人視為一種外骨骼,那麼現實生活中外骨骼常用的幾種感測裝置,也可以應用在機器人上,而不必採用那種危險程度較高,又嚴重侵犯隱私權的「心靈融合法」(其實真正的目的是要發展倫理親情悲喜劇啦)。當然,透過腦部直接指揮外骨骼其實既快速又有效率,那麼目前這方面的技術發展情形如何?我們下回分解。

(Film Photos Credit: Warner Bros.) 

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