我的七種機器人 | 丹尼斯．洪 | TEDxNASA

丹尼斯．洪介紹七種得過獎、能適應各種地形的機器人，包括人形會玩足球的「達爾文」號，和會飛簷走壁的「攀行者」機器人等等，全都是維吉尼亞理工學院的 RoMeLa 機器人研究團隊打造的。影片最後談到他實驗室成就驚人技術的五個秘訣。

（掌聲）

感謝主辦單位的邀請。

我有太多很讚的作品
想跟大家分享，

而我們只有 18 分鐘，

所以我掙扎了很久，
該刪減哪些內容，

待會看情況吧，我們有 18 分鐘，

先說聲抱歉，
可能我會講得非常非常快。

我想提到的第一台機器人
名為「闊行者」。

是「自激發三足動態
實驗機器人」的英文縮寫。

這仿生機器人有三支腳，

設計靈感來自於自然界。

但大家在自然界中有看過
任何動物是三隻腳的嗎？

或許沒有吧。

那為什麼我說這機器人
是仿生設計呢？

到底三隻腳怎麼走路？

在進一步說明前，
我們參考一下流行文化。

大家知道威爾斯的小說
改編成電影的《世界大戰》。

現在畫面上可以看到

一款很熱門的遊戲，

在故事裡面描述了外星生物

以及三隻腳的機器人要入侵地球。

不過我的「闊行者」機器人
不是這樣子走路的。

那麼，它到底怎麼走呢？

這是動態擬真畫面，

可以讓大家看看機器人如何運作，

每每我參加機器人研討會，

把這影片放給我的同僚看的時候，

大家都會驚嘆：
「嗚！哇！這好酷！」

所以等一會兒我點一下播放影片時，

請大家一起發出「嗚」和「啊」...

（觀眾：嗚...）

啊！是不是很酷？

它邊走會邊 180 度翻身，

第三隻腳晃到中間，
由另外兩隻腳撐著落地。

它就這樣走路。

想想，這看起來很複雜，
很接近有機生物，

但我們為什麼想要這麼做？

為何說這樣的設計是「仿生」？

我簡單解說一下。

看看我們人類——雙足動物
怎麼走路的？

你不會刻意去控制肌肉抬腿，

然後像機器人那樣走路，對吧？

其實你是甩動你的腳，腳落地，

往上提，再甩腳，再落地。

你的動作渾然天成，
人體內部的物理機制

就像鐘擺往復擺動一般。

我們稱這種概念為
「被動牽引動力」。

你的行動是，當你起身，

位能轉為動能、

位能轉為動能，

這是個重覆起落的過程，

因此，即便自然界沒有任何生物
是這樣子行走的，

我們的設計確實來自於生物學，

將走路的原理應用到
這台機器人身上，

因此這是台「仿生」機器人。

現在大家看到的是
下一步我們想做的。

我們想讓三隻腳彎曲蹲下，
然後做長射程彈跳，

然後開展三腳，
幾乎像是「星戰」那樣。

它落地的時候腳會吸收衝擊，
然後開始走路，

你現在看到的黃色光線，
並不是死亡射線（笑聲），

只是用來表示攝影機
或其他感應器的探照範圍，

因為它很高，1.8 公尺高，

視界可以超越如樹叢之類的障礙物。

我們有兩座原型機，

第一台在後方，就是闊行者一號，

闊行者一號遇到的問題是──

前面比較小台的是闊行者二號──

一號機的問題是：

機身太重了，

有很多組馬達要配合，
用於各個關節等等，

因此我們仿造出一種機制

不需那麼多組馬達，
只要單一馬達，

就可以調控所有的動作。

這是用純機械方式去解決問題，
而不是用電機方法來處理。

如此一來，機身的上半夠輕了。

這是它在我們的實驗室走動，
是我們成功的第一步。

但還不完美，因為那杯咖啡倒了，

所以還有很多改進空間。

我想介紹的第二台機器人，
叫做「穿越號」

它是「搭載聲動系統
智慧移動平台」的英文縮寫。

這台是輪足混成式的機器人，

想像沒有輪圈的輪框，

輪框裡的每支交桿
都可以通過輪轂伸出縮回，

所以稱之為輪足混成式。

我們真正重新定義「輪子」的設計。

我讓大家看一下這怎麼回事。

影片中我們看到，這種行走方式，

被稱為「反應式」設計。

只要使用腳上的觸覺感測器

在行走時可以適應變化的地形、

柔軟的地形，
這種地形會隨施力變化。

而根據觸覺感測的資訊，

它可以成功通過這類的地形，

但是，如果是非常極端的地形，

像這裡，這個障礙物的高度
是機器人的三倍多，

像這邊，這個障礙物的高度
是機器人的三倍多，

機器人就會切換到特定模式，

用雷射搜尋器掃描範圍，

搭配影像系統來辨識
障礙物為何及其大小，

再謹慎地規劃控制協調輪桿的動作，

呈現出這種非常非常
厲害的行動能力。

這是前所未見的機器人，

它具有高度的移動力，

我們將它稱為「穿越號」。

你開車的時候打方向盤
讓車子轉彎，

是運用「阿克曼」轉向原理，

前輪會同時像這樣轉，

但小型輪式機器人則是用
另一種方法作轉向控制，

讓左右輪可以各自反方向轉。

「穿越號」可以做很多種動作，

舉例來說，雖然這邊
左右輪子相連在一起、

單軸向旋轉、具有相等的角速度，

但我們只要改變輪桿的長度，

即改變了旋轉半徑，
因此可以使其右轉或左轉，

這就是「穿越號」擁有的
一些「超能力」。

這台機器人叫做「攀行者」：

「電纜懸臂式智慧比對行為
機器人」的英文縮寫。

我和 NASA 的 JPL 科學家們討論，

「噴射推進實驗室」—— JPL
最有名的就是火星探測車。

那邊的科學家、地理學家
一直跟我說，

最有意思的科學研究地點，

等著科學去挖掘的場域、
常常是在懸崖邊上，

但現有的探測車
到達不了那些地方。

所以這引發我們想要
設計一種機器人，

能夠攀行懸崖環境。

這就是「攀行者」。

它能夠──它有三隻腳，
有點難辨識──

不過，它頭頂裝有絞盤和電纜線，

它會想辦法找出
腳可以攀住的最佳位置，

找到了之後，

它會即時地運算出著力分佈，

要用多少力氣才能抓住岩壁面，

而不會翻倒或是向下滑，

等它站穩後，會再舉起一隻腳，

配合絞盤作用，
可以在各種地形攀爬，

也可以進行搜救等用途。

這台叫做「火星號」：
「多足機器人系統」的英文縮寫。

五年前的夏天
我在 NASA 的 JPL 工作，

那時他們就有一款六足機器人
叫做「狐猴號」，

這台受到當初那台設計的啟發，

一樣有六隻腳，

我們開發了適應環境的邁步模型，

這台馱載的東西很有意思，

學生們很愛玩它，

它的行動能力很有趣，

看這邊，它在特定結構地形上行走，

可能有點看不清楚，
這邊的三個畫面中，

它要在海岸沙地的地形上行走，

但是隨著砂礫大小
或沙地的含水量不同，

它的腳下沉的深度都不太一樣，

所以要想辦法隨之修正它的腳步

才能夠成功地走過這類地形。

它也會很多小伎倆，
大家或許想得到

有超多人會來參觀我們實驗室，

每當有客人來訪，
「火星號」會爬到電腦上打字：

「你好，我叫『火星號』，

歡迎來到 RoMeLa，

維吉尼亞理工學院的
機器人實驗室。」

這台則是「阿米巴」機器人。

時間可能不太夠，
不講太多技術細節，

給大家看看實驗的結果就好。

好，這是前期的可行性研究，

我們在塑性的表層儲存位能，
用以驅動它行動，

或是利用主動式張力索，
讓它可以向前或向後移動，

我們也和賓州大學的
科學家及工程師合作，

打造出這款以化學能驅動的
「阿米巴」變形蟲。

我們對某部位做了某些事，

像施展了魔法，它移動了！
像科幻片的「史萊姆」！

這叫做「奇美拉」。（註：獅頭
羊身蛇尾之類的混種嵌合怪物）

這台則是很近期的作品。

它叫做「拉婓爾」。

「具彈性韌帶之氣動式
機械手」的英文縮寫。

市面上有很多很棒、
很厲害的機械手臂，

問題在於那些產品都所費不貲，
幾萬塊美金上下，

所以，在義肢應用上
可能不太經濟實惠，

因為大家買不起。

我們想走一個完全不同的方向
來解決這個問題。

我們不採電動馬達、
電子制動器的設計，

反而是採用空氣壓縮機制。

我們研發了這種先進的
關節制動器，

它很靈活，力道可以隨心所欲，

只要改變氣壓就可以了。

它可以隨手捏扁空鋁罐，

也能拿取易碎物品，
像是生雞蛋，

或是這邊的燈泡。

最棒的是做出這台樣品機
只需要兩百美金。

這台機器人是蛇形系列，

我們將之名為「海龍號」。

「超高自由度鉸接式蛇形
機器人」的英文縮寫。

大家看到那邊──
我們在戶外大廳有實體展示，

大家中場休息時候可以過來瞧瞧。

這台機器人會攀爬，

這就是海龍的手臂，

它有 12 個自由度，

但很酷的地方在於它的使用界面，

影片中的那條纜線，其實是光纖，

這名學生，可能是初次使用，

她卻能輕易操控各種扭動的方式，

所以，例如說在伊拉克那種戰區，

路邊就有炸彈。

現行方案是派出
附有機械手臂的遙控掃雷車，

訓練人員操作那種複雜的裝置，
要耗費很大量的時間和成本。

訓練人員操作那種複雜的裝置，
要耗費很大量的時間和成本。

「海龍」的操作就很直覺，

這個學生，可能初次使用

也能操控機械手臂去做複雜的動作，

撿拾東西等等，就這麼簡單。

操作非常直覺。

那麼，這是我們現在的明星機器人！

這個有粉絲團的機器人「達爾文」，

「動態智能人形機器」的英文縮寫。

大家知道，我們很喜歡
研究人類的走路方式，

所以我們就做了一台
小型的人形機器人，

那是 2004 年，

當時這可是一項創舉。

這個則比較像是可行性研究，

我們應該選用什麼馬達？

到底有沒有可能？
應該做哪些控制？

它身上沒有任何感測器，

是開迴路控制，

有些人大概會知道，
如果沒有裝任何感測器，

只要有一點外界干擾，
會發生什麼事可想而知。

（笑聲）

基於那次的成功，

隔年我們從動力模型出發，

做出了相應的機構設計，

因此，第一代的「達爾文」號
在 2005 年誕生了。

它會站起來、走路...超厲害的！

但是它還是有「臍帶」，
還是得接電線，

那時我們還是用外接電源，

運算單元也是外接的。

到 2006 年可好玩了，

我們給它加點「智慧」吧。

有了該有的運算能力：

1.5G 的 Pentium M 晶片，

兩台 FireWire 鏡頭、
速率陀螺儀、加速規、

腳上有四組力學感應器，
以及鋰聚電池。

成為全自動的「達爾文二世」。

不需要遠端遙控，

不用拴著，它東看看西瞧瞧，
找找球在哪裡，

看一看、找一找，自己會玩足球，

自主式，人工智慧。

看看它玩得如何，
這是我們的第一回合，而...

（影片中的觀眾喊）：得分！！！

事實上有個「機器人盃」比賽，

不知道你們聽過沒有，

那是國際性的自主機器人足球賽，

「機器人盃」比賽的真正的目的是：

希望能夠在 2050 年前
有真人大小的自動機器人，

可以和人類世界盃冠軍隊對戰，

並且要贏！

這是貨真價實的目標，
雄心勃勃的目標，

但我們真的相信我們做得到！

所以，去年在中國的比賽，

我們是美國國內第一組
取得代表隊資格，

參加機器人盃的比賽。

這是今年在奧地利，

大家看到三對三的比賽，

全自動，

看到了沒！好啊！

機器人會追蹤球，

還會和自己的團隊合作。

這超棒的。

事實上這把研究工作包裝成比賽，

更加引人入勝。

這就是漂亮的名牌 LV 盃獎座，

最優秀的人形機器人才配擁有。

希望明年我們會首次將它抱回美國。

祝我們好運啊！

（掌聲）

謝謝大家。

「達爾文」還有很多才藝，

它在去年的佳節音樂會

擔任羅諾克交響樂團的指揮。

這是下一代的機器人，
「達爾文」四代，

更加聰明、反應更快、更強而有力。

它想要炫技一下，

「我很陽剛，我很壯！

我也會兩招成龍的功夫，

格鬥招數：劈腿技！」

（笑聲）

然後退場。
這是「達爾文四代」。

同樣地，大家也可以
在外面大廳見識它的英姿。

我們衷心相信

這會是美國第一台
會「奔跑」的人形機器人，

所以，敬請期待。

好了，我給大家看了一些
很棒的研究成果，

那，我們的成功秘訣是什麼？

我們怎麼想出這些點子的？

我們怎麼把想法發展下去？

年復一年，我們連連獲獎，

牆上掛不下這些獎牌、獎狀了，

只好堆在地上，
希望它們不會被拿去丟。

這是 2007 年秋天
某個機器人比賽的得獎照。

我們有五個秘訣。

第一：靈感從何而來？

在哪靈光乍現？

這是我個人的真實故事，

凌晨三、四點時我上床睡覺，

躺平、閉上眼睛，

我看到線條、圓圈，

各種圖形浮現，

互相組合，形成一些機制，

我心想：「啊，這很酷！」

我在床邊放了本筆記本，

夾著特製的筆，
上面有 LED 燈可以照明，

因為我不想開燈吵醒我老婆，

所以我把看到的東西全畫下來，

再回去睡覺。

每天早晨

醒來第一件事，在喝咖啡之前、

在刷牙之前，我翻開我的記事本，

常常是空白的，

有時候有畫些東西，
有時候只是沒用的東西，

很多時候連我自己
都看不出來寫了些什麼，

到底是凌晨四點，還能怎樣？

我還得解碼自己的筆記。

但有時候我會發現
裡面有超級天才的點子，

我靈光乍現的時刻。

我會直衝家裡的辦公室，坐在電腦前，

打字記下來、畫下來，

存入我的點子庫。

因此，每當有新需求的時候，

我就翻出資料庫，看哪個點子
可能可以解決這次的問題，

如果符合，就寫個研究提案，

找研究經費，這就是我們
開始研究計畫的方式。

但只有一點想像力的火花是不夠的，

我們要怎麼往下發展？

在 RoMeLa 機器人實驗室裡，

我們會撥時間做腦力激盪，

大家聚到一起討論問題和解決方法，

互相切磋。

但前提是我們有一條黃金守則，

那就是：

不批評別人的想法。

不批評任何人的意見。

這很重要，因為學生常會害怕

或是在意別人對他們的看法，

因而感到不自在。

一旦有了這個規定，很神奇：

學生更願意分享，

他們會提出很古怪、很酷、
很瘋、很棒的主意，

整間會議室像是
被創意的能量給激活了，

這就是我們發展想法的方式。

好吧，我們沒時間了。

還有一件事我想說，那就是

只有靈光乍現和開發是不夠的。

TED 有很棒的一集，

我記得那位講者是
肯 · 羅賓森爵士，對嗎？

那次他講到教育和學校
怎麼扼殺了創意。

其實那個故事有兩個面向。

僅僅有天才想法、創意，
和優秀的工程師直覺，

只能夠做到一個限度。

如果你不只想玩玩就好，

不只是當個業餘的機器人愛好者，

而是要透過縝密嚴謹的研究
來克服機器人領域的各種重大挑戰，

我們得要更多。

這時學校的教育就扮演重要的角色。

蝙蝠俠和壞蛋對抗，

他有多功能蝙蝠腰帶、攀爬爪鉤、

各式各樣的武器道具，

對我們這些機器人專家、
工程師、科學家而言，

我們需要的武器或工具，
就是你在學校學的課程，

數學、微分方程式、

線性代數、科學、物理，

現今甚至還要用到化學、
生物，你們知道的，

這些就是我們需要的工具。

因此，工具越多，

蝙蝠俠就越能有效地打擊壞人；

而我們擁有越多的工具
就越能解決這些大問題。

所以，教育是非常重要的。

還有，不僅僅是這樣，

你還必須非常非常努力工作，

因此，我總是告誡學生：

「聰明地工作，努力地工作。」

後面這張照片是凌晨三點，

我保證，如果你
三、四點來我們實驗室，

一定還有學生在工作。

不是我要求他們要這樣，
而是因為我們玩得太開心了。

這就帶到最後一個重點：

「毋忘童心」。

這才是我們成功的最大秘訣：
我們玩得不亦樂乎。

我真心相信：玩得開心時最有生產力。

那就是我們在做的。

再次，我們沒時間了。

希望我下次還有機會向大家介紹

今天沒介紹到的其他機器人計畫：

我們有全自動無人駕駛車，

可以在市區環境下行駛；

我們在 DARPA 城市賽中
贏得 50 萬美元獎金；

我們也有世界第一台

盲人可以駕駛的汽車，

我們稱作「盲駛挑戰」。非常有趣。

還有很多很多其他的計畫。

就這樣啦，去外面晃晃，看本好書，

充充電，發明東西，努力工作，

不要翹課，好好唸書。

想些很酷的點子，我很願意聽聽。

丟封電子郵件給我，我們聊聊。

就這樣啦！非常感謝大家！

（掌聲）