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活躍銀髮×智慧助行
2013/09/08&09/14


【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


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!
 
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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
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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
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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
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