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活躍銀髮×智慧助行
2013/09/08＆09/14

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【設計思考】機器人與Lego的行動運用    

＜活躍銀髮×智慧助行＞Ｔ型人才工作坊旨在利用LEGO發揮創意，設計出適合高齡者的行動輔具。LEGO就是眾所熟知的積木遊戲，透過簡單的卡楯，可以拼湊組裝出不同的樣貌，因此，本次工作坊選擇LEGO為創作素材，鼓勵學員在思考的過程中「手腦並用」，在不斷嘗試與失敗中，成就作品；再者，完成的設計還必須接上馬達與電線，透過電腦程式驅動該行動輔具，更能模擬實際的運行狀況。
有鑒於學員們來自不同背景，對資訊工程，特別是「機器人」的應用源流，也許較陌生，故林沛群以科普的角度切入，幫助學員了解「機械工程」是如何一點一滴與「生物」產生連結，學員們又該如何從目前機器人的發展與侷限，反思LEGO於高齡行動輔具的應用。    

口述／林沛群副教授（臺灣大學電機工程學系）
撰文／林語彤

【引言】

【觀察體驗】 智慧助行，健康好行
    
【設計思考】 機器人與Lego的行動運用

【學生成果】 科技助行，好創意
 
【觀察側寫】 跨領域學習現場面面觀

【助教心得】 跳脫傳統的挑戰
 
【學生心得】 合作力量大

【教師訪談】 創新課程教學之旅

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發想階段・極其複雜的生物運動

1830年蒸汽火車發明，是歷史上首次擺脫獸力，以「機械動力」的方式，讓「人」產生運動。科技發展歷經180餘年，機械早就以不同的形式幫助人類的生活更加便利與效率，卻始終無法成為「生物體」的一部份，取代生物體的部分功能，例如：高齡者與殘障者的行動輔助器具，還有非常可觀的進步空間。
要善用機械來輔助生物本身的運動，首先需要對生物的運動情形有所了解。在相關領域上，曾有科學家試圖以電腦控制猴子的手臂運動，發現僅是單純的手臂上、下運動，就牽涉到極複雜的肌肉、關節的協調與整合；換成工程術語來說，要驅動一隻猴子的手臂，至少需要動用到七顆馬達，才有機會辦到。
同樣的道理，人體的運動機制也是超乎想像的繁複，故要為高齡者量身打造一個良好的行動輔具，就必須對其運動情形有所了解。林沛群建議學員先觀察自己在走、跑、跳等不同運動時，四肢是如何協調、擺動，再與身邊長者的行走姿態比較，歸納出他們行動上的困難，最後由問題面想像所有的解決方案。
林沛群特別提醒學員，在發想階段不需要顧慮機械工程的可行性，要極盡所能、大膽提出自己的創見，他特別以蘋果創辦人——Steve Jobs為例，鼓勵同學勇敢想像：「Jobs第一次問自己：『手機可不可以捨棄按鍵，直接用手指和螢幕完成指令？』距離他真正推出iphone，相隔好幾十年。可見不是他的創意不可行，而是科技跟不上人類的創意，故價值在於人，不是機器。」

機械・LEGO・簡化的世界

有趣的是，生物和機器運動，存有非常兩極的特質。承上所述，生物體有非常複雜的機制，幫助他在環境中生存。這些神秘的機制，據目前生物學的了解，依舊非常有限；反之，一切機械工程——包括本次工作坊欲使用的LEGO——的宗旨都是化繁為簡。原因在於，「簡單」才能穩定工程系統，成本才符合效益。再者，目前科技還無法觸及太過複雜的機械運動。因此，林沛群提醒學員在操作LEGO時，必須時時謹記要「簡化問題」，進而找到解決問題最簡單，同時最有效的方案。
他舉出自己的研究「蟑螂機器人」為例，說明如何以機械簡化、模擬蟑螂的運動情形。從一般生活經驗可知，蟑螂爬行速度非常快，即便是崎嶇不平的地形，依舊不損其靈敏，原因是因為蟑螂腳共有高達56個感測點，能幫助運動平衡，並且每次以三隻腳為單位，輪番移動。不經大腦的規律擺動，就是蟑螂能夠快速爬行的奧秘，機械工程卻無法完美複製運動背後的生物機制，於是林沛群以彈簧當作「蟑螂機器人」的腳，仰賴靈敏的彈簧，只需要裝設6個感測器，就可以達到56個感測器的爬行效果。
本次提供的LEGO比較簡易，還不需要應用感測器，但感測器在機械運動是舉足輕重的一環，可以適時矯正步態、平衡運作；再者，LEGO程式與零件，分別掌握了機械的協調與外形。值得注意的是，材料僅提供三個馬達，故林沛群提醒學員們要妥善利用有限的材料，組合出最有效的運動，達到機械工程簡化的精華。

文化差異下的機器人

儘管近一、二十年才正式興起機器人風潮，全球的發展成果卻依不同文化，呈現多元的樣貌，其中以美國與日本雙領產業風騷，各自代表兩種典型的機器人風格。
美國因循其政治作風，機器人等機械裝置的研發，通常用來服務軍事目的，例如：將機械裝置在人體上，就像一個有力的外骨骼，增強人類的運動能力，正如好萊塢拍攝的生化戰爭，會出現的鋼鐵戰士形象。因此，美國研發的機器人，預設使用者幾乎都是四肢健全，並且有超乎常人的強健體魄，這和日本文化孕育下的機器人，有本質上的差異。
日本推出的機器人，幾乎都是可愛、溫暖的形象，而且預設的使用者通常是小孩，或是高齡者。像是造成轟動的「Paro海豹機器人」、「AIBO寵物機器人」，就是以陪伴獨居老人、小孩為目的而研發，可見在機器人的發展趨向，日本比美國更注重療癒、陪伴的功能。值得注意的是「Paro海豹機器人」和「AIBO寵物機器人」儘管昂貴，卻也大開利市，其中，日本國內銷售額占總銷售額高達八成。林沛群認為，歐美人民與日本人民的購買力相當，卻在機器人的消費上，有如此迥異的表現，正是因為歐美人民更願意花大錢，購買一隻有心跳、溫度，能與人互動的寵物，對機械滲入日常生活較為抗拒；相對而言，日本卻對機器人抱持非常開放的態度。
了解美、日文化影響下的機器人風貌後，林沛群鼓勵學員反思「我們」的處境，大膽假設臺灣的文化與風俗，會孕育出什麼樣的機器人。正因為產品的文化脈絡，必定與使用者的使用意願息息相關，因此他也提醒學員們在運用LEGO製作行動輔具的同時，可以多加考量臺灣文化的思維，讓產品更加豐富。

未來展望・Learning By Doing

儘管目前機器生物的發展，仍飽受各種因素的侷限，無法徹底將人類的想像與創意付諸實現，林沛群依舊以賈柏斯勇敢作夢的例子，勉勵學員傾軋自己對行動輔具的靈感，不要受限於工程技術。最後再與不同領域的夥伴們溝通協調，從實際操作LEGO的過程中，將所有天馬行空的想法，濃縮為可行的解答。當然，最重要的是盡情享受“Learning By Doing”無窮的樂趣！

 

林沛群副教授建議學員觀察自己在走、跑、跳等運動時，四肢是如何協調、擺動，再與長者的姿態比較，歸納出他們行動上的困難

機械工程的宗旨都是化繁為簡。「簡單」才能穩定工程系統，成本才符合效益

林佩群副教授勉勵學員從實際操作LEGO的過程中，將所有天馬行空的想法，濃縮為可行的解答