什麼？機器人也能用印的？
臺灣大學光電工程學研究所 王勻遠
要機器人富有感知？困難重重
在人類的五感（視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺）中，視覺最先被電子化；感知光源、輸出圖像的電子設備最早步入生活周遭，如數位相機中的感光元件CCD（Charge-Coupled Device）與現今主流電視中的液晶顯示模組。這類電子產品之所以能被人們迅速開發、商業化，是由於視覺的輸入與輸出僅用到單一物理──光。以顯示面板為例，每一像素只要精確地呈現光的「亮度」與「顏色」，就能協調出豐富多彩的畫面。
但人們的皮膚能偵測各種不同的外在環境刺激，不同皮層之間富有各式感覺神經元。因此，當我們閉上雙眼，嘗試用手去抓一個物體並遞給別人時，能感知多樣的訊息並加以判斷：觸覺──是否碰到它了？本體知覺──東西遞出去了嗎？痛覺──該物體尖不尖銳？溫度感知──它是冰的還是熱的？[參2]這些訊息的解析並不簡單。反觀視覺中的顏色，可以利用三原色（紅、綠、藍）進行線性疊加直接產生。
要設計出像人類皮膚的敏銳機器，對工程師來說難如登天。如何將各個人工材料、感測器集結再一起，並完善發揮各部件的功能成了首要難題，畢竟皮膚是經年累月演化的結晶。然而，在美國哈佛大學的工程與應用科學學院，有研究團隊建立出了簡潔有效的製作方式，善用純熟的3D列印技術，將多種具離子導電與流體特性的材料，天衣無縫地鑲嵌在彈性基質裡，印刷出富有感知的機器人。
賦予機器人血肉──3D列印技術
3D列印可以蓋房子、做義肢甚至器官，這些應用已經時有耳聞，如今，它還可以替機器人賦予血肉，把多種感官系統有層次地「印」出來。研究人員利用3D列印技術創造軟性體感驅動器SSAs（Soft Somatosensitive Actuators）[參1]，整合了多種材料以及複雜的感測器網路，使得驅動器兼具外在柔軟與內在導電的特性，足以應付彎折、壓力、接觸，以及溫度的外在刺激，並有效回傳這些感測資訊。
這些機器不再披著鐵甲外衣，有沒有剛硬的電子零組件焊接在內，取而代之的是有機材料所特製的各種感測器，依序印出，服貼並緊密地佈署在不同基質之間：如彎曲感測在背部基質（Dorsal Matrix）、壓力感測在驅動基質（Actuator Matrix）、接觸感測在前部基質（Anterior Matrix），不同種類的感測器鑲嵌在不同基質之間，一切就像人的皮膚。
然而，這些感測器如何解讀各種不同的外在刺激呢？答案是，感測器材料面對彎曲、壓力、接觸後所產生的形變，會造成材料的電阻值變化，而電阻變化又可以從物理公式精確地還原外界刺激的強度。最後，特製的離子液體注入基質中，量測阻值變化的電訊號也得以導出。這些印刷出來的機器裝置，整體結構更接近生物體，具備柔軟度，有著不同層次的基質皮膚，裡頭彷彿有專職的感測神經元，就連訊號的流通也仰賴富含離子的液體，這也是神經細胞裡的主要成分呢！
圖一、機器人的簡要3D印刷流程（上圖）。當機器人觸壓到物體時，其內部各種感測器的電阻發生變化，不同的變化趨勢反映著外界刺激的類別與強度（下圖）[參1]。
多重感知，多重潛力
「軟性機器人在幾何形狀上，受限於傳統的模具技術；在材料方面，一般商用的3D列印也約束了材料的選用。」哈佛大學工程與應用科學學院的教授如此表示；他接續闡明：「這項技術革新了機器人的創造模式……得以將多樣的感測器與驅動器嵌入其中，搭建複雜且龐大的機器人。」
這項發明的研究團隊，下一步策畫運用機器學習，訓練這些軟性機器人，來抓取任意尺寸、形狀、表面結構與不同溫度的物體。正好，嶄新的軟性機器人能感知多種參數，有了更廣泛的資訊，機器學習也能更全面地發揮所長，辨識物體資訊，並作出敏捷而平穩的反應。說不定以後會遇見身手矯健的機器人出現在餐廳裡，為顧客服務，端碗遞菜樣樣不成問題。於是乎，當前最聰穎的演算法、軟體駕馭著豐富多變的軟性機器，也許能把實體機器人發揮到極致，屆時又將會有許多應用遍地開花。
編譯來源：“Novel 3-D printing method embeds sensing capabilities within robotic actuators” Science Daily (2018) https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180228085345.htm
參考文獻
- Ryan L. Truby et al., “Soft Somatosensitive Actuators via Embedded 3D Printing,” Advanced Material (2018)
- Mark F. Bear et al.,“NEUROSCIENCE – Exploring the Brain,” wolters Kluwer (2017), p. 416-420
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