模仿遊戲:機器人的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺如何運作?

模仿遊戲:機器人的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺如何運作?
Photo Credit: Rog01 @ Flickr CC By SA 2.0
我們想讓你知道的是

一群靠著高超技術,年年在各項國際大型機器人競賽中獲獎連連的大學團隊,他們不僅做出了令人驚豔的機器人,更將這個技術應用在各種可以造福人類的領域中。

唸給你聽
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文:周彥彤、楊谷洋(協力指導)

機器人的視覺

人類對於環境資訊的接受與了解,有90%以上是透過視覺,跟其他感官相比,重要許多。能「看」讓我們可以做到更多事情,對機器人也是一樣。

靈魂之窗

人類的眼睛是怎麼看到外面的世界?眼睛可以說是個非常精密的光學系統。外界的光穿過眼睛,到達位在眼睛後面的視網膜,形成清楚的影像,視覺神經再把訊息傳遞到大腦,大腦再把這些訊息轉變成視覺,於是我們就能看,並且透過過去的學習與經驗知道看到了什麼。視覺對我們的行動有很大的影響,只要試著把你的眼睛矇起來,就能發現再簡單的動作都變得困難。對機器人來說也是一樣。

把人類識別影像的機能,用來讓機器人可以看到的機制叫做機器視覺(Machine Vision),這是一個模擬人類眼睛運作方式的系統。比擬人類眼睛的部分是攝影機或照相機,負責攝取外面的影像,接著把影像傳遞到電腦裡,再由電腦進行分析、辨識,機器人就可以知道形狀、距離、是立體或者平面、明暗跟色調,機器人將這些辨識好的資訊記在腦海中,下一次,同樣的物品出現時就能一眼看出,不用再次進行複雜的分析了。

眼見為憑

有了視覺系統的機器人,能力就會變高許多。因為可以看,機器人在執行任務時就更加精密,像是前面所提到的,具有視覺的機械手臂能做到「手、眼、力」的協調,進行更複雜的工作,對手的動作跟出力都能掌握得更好。

當機器人可以看的時候,透過視覺掃描所處的環境,就知道環境裡所有物品的位置,加上程式的幫忙,規劃出行走的路徑,隨時能避開障礙物。機器人就可以走出人類所規畫好的環境,邁向更複雜廣闊的世界。機器人的視覺也可附加其他辨識系統,功能更強大。例如人臉辨識系統,機器人就能分辨客人是誰,甚至分析臉上表情來判斷對方的情緒,順利跟人類互動。

我有透視眼

機器視覺還可以做到許多人眼比不上的功能。這讓機器人可以替代人類去進行許多危險或者複雜的工作,例如視野範圍比人類大很多,能進行大範圍的掃描,收集更多資訊。可在黑暗、強光、高溫等人眼不適合運作的環境中工作,而且工時很長,不會疲勞。機器人的視覺還可以開外掛,加裝其他功能,例如附加紅外線或者顏色濾鏡等功能的視覺感測器,就能看出產品上人眼看不出來的很細微的瑕疵,甚至分析飲料等物品裡的成分。

透過高速視覺系統,機器人可以應付高速移動的物體,當面對投手高速投過來的球,加裝了這種系統的機器人會清楚的看到球運動的軌跡,輕輕鬆鬆的把球給打出去。研究者把各種需要的功能附加上去,讓機器人變成名符其實的透視眼。機器視覺不只應用在機器人身上,更涵蓋了文件辨識、醫學工程、航太遙測等及其他需要視覺的行為上,是應用非常廣泛,相當重要的科技。

機器人的觸覺

觸覺其實是由很多感覺混和在一起的,所以我們碰觸到一個東西時,會同時感受到軟硬、冷熱、粗細等各種感覺。當機器人也能擁有觸覺的時候,甚至可以帶人類碰觸到未知的世界。

感觸有多深?

人體的觸覺主要是透過皮膚運作,你會感覺到冷熱、作用在身體上的力氣大小、知道自己碰到什麼東西等等,都是透過皮膚裡跟神經系統相連接的偵測器,稱作觸覺受器。我們一整天無時不刻都在使用觸覺,甚至睡覺的時候也是,所以觸覺是一個非常重要的感覺。其中手的部位的觸覺受器最多,一個指尖上大約有300多個受器,讓我們用雙手就能完成許多高難度的事情。

當研究人員想要賦予機器人觸覺時,首先想到的是能不能也給機器人跟人類一樣的皮膚,讓機器人全身都有觸感?也就是製作出所謂的電子皮膚。電子皮膚上安裝有感測器,並且布滿了電子線路,感測器會偵測皮膚所受到的壓力、溫度等等,透過電路把感測到的資訊回傳到機器人的電腦,機器人就能藉由「觸覺」作出反應。不過這是一個很昂貴的點子,小小一片皮膚就造價不斐,況且有些機器人並不需要全身都擁有觸覺,只要某個部位具有觸覺感測器就能讓能它們很強大了。

一指神功

生產現場的機械手臂如果沒有觸覺,只是靠設定好的力量來拿東西時,能拿起來的物品就很有限。為了讓機械手臂可以自動偵測抓起物品時的狀態,研究人員在手臂的指尖上加裝了觸覺感測器。這類觸覺感測器是為了生產環境中的特殊功能而設計,所以不必一定要模仿人類的觸覺,能夠偵測的範圍包含了手腕及手指,基本上具有兩種感覺:一是觸感,能讓機器人判斷接觸到的物體形狀、質地。

二是力感,力感又分成:壓覺,要在物品上施加多大的力氣;力覺,判斷手指與手腕要從什麼地方施力;滑動覺,偵測掌握物品的狀況,讓東西不會滑落的感覺。透過用這樣的觸覺感測器,機器人不僅會選花生,還可以幫忙撿雞蛋而不會捏破。

觸覺感應

裝設在機器人身上的觸覺感測器,不只能提供機器人自主偵測的資訊,透過觸覺的交互感應,甚至可以讓人類透過機器人傳回來的觸覺,擴大人類的觸控感知範圍。這類的觸覺設備是透過一個能夠接收機器人回傳觸覺的操控器或者手套等,感覺到機器人碰到的物品的觸覺,讓操控的人好像真正碰觸到那個物品一樣。

這樣的設備可以運用在醫療上,當醫生把小機器人放進人體裡,透過遠端操控,就可以讓機器人幫忙開刀,甚至不用把人體開腸破肚。利用這樣的技術,也能讓機器人在水下、太空中或者各種複雜環境中工作,儘管操作的人沒有在現場,依然可以身歷其境,漂亮完成任務。

機器人的聽覺

聽覺與說話是人類進行溝通時最重要的兩個管道,未來機器人如果進入人類社會中,要與人互動,聽話跟說話將是不可少的功能。

聽話

我們的耳朵聽到聲音,是因為說話時產生的聲波傳到耳中的鼓膜,再進入耳中的迷路,再由迷路中的耳蝸裡的聽覺細胞將聲音解碼,把訊息傳遞到腦部之後,就聽見了,並且能知道聽到什麼,包含可以分辨人說話的內容,以及不是語音的其他聲音,像是鈴聲、汽車聲、風聲等等。當在吵雜的環境、多人同時說話的情況下,也能正確的分辨出自己想要聽的聲音。

要做到具備人耳功能的聽覺感測,在技術上還是很難實現,研究人員希望賦予機器人聽覺最主要的目的是能辨識人類的語音,然後進行互動。這時候就要給予機器人耳朵——由一組麥克風組成的裝置,當機器人聽到聲音時,會把臉或者身體轉向聲音來源,追蹤說話者與音源。收集來的聲音,經過聽覺感測器進行分析,再加上語音辨識系統,最後在大腦中的資料庫裡找出對應的行動指令,機器人就能會完成你下達的指示。具有高級聽覺辨識系統的機器人,甚至能同時辨識三個人說話的內容,而不會混淆。

除了分辨人說話的內容之外,現在有些機器人也會分辨環境的聲音,例如辨識馬達轉動的聲音,確認是否正常運轉等,也可以輔助其他感測器讓機器人對環境的掌握力更高。甚至聽音樂跟著節奏一起跳舞也難不倒機器人了。

說話

現在,透過特定軟體,機器跟人對話已經不是新鮮事了。當機器人要理解人類說話的內容,並作出正確的回應時,在它的大腦中要先建立一套相關的資料庫,來應對當聽到什麼樣的句子,該怎麼答話。例如蘋果手機裡的SIRI軟體,因為被定位為助理軟體,所以具備了助理這個範圍裡的相關知識,還有搜尋功能,才能報氣象,找餐廳。為了跟人對話,機器人要做許多的學習,除了日常的應對,還得要有一些專業知識,才能跟不同背景的人談話。

但機器人的回話總是有個機器腔,冷冰冰的讓人很難聊下去。如何能說得不像機器,則是相當大的考驗。研究人員也在機器人的答話上下了功夫,現在已經有機器人講話時會帶有情緒,並且會根據談話現場的氣氛進行調整,甚至還會學習了解人類的個性,以及應對的方式。

跟人類對話的功能,讓機器人特別是在服務、家事與陪伴照護等領域,有更好的發展,以後當你在餐廳點菜、請人來居家服務時,來為你服務的有可能都是機器人喔。

機器人的嗅覺

嗅覺能讓我們聞到空氣中的各種氣味,嗅覺比人類靈敏的生物,靠嗅覺來找食物、偵測敵人,甚至用嗅覺來溝通。而機器人的嗅覺,聞起來到底是什麼味道呢?

讓我聞一聞

視覺感測器捕捉光來成像,聽覺感測器收集聲波來分析,觸覺感測器則是感受外界物理現象(壓力、溫度等)來作出判斷,那麼讓我們聞到各種氣味的嗅覺又是透過什麼方式運作的呢?事實上,氣味是由化學分子所組成,像是尿味就是來自氨氣。當鼻子吸入空氣,鼻子裡的嗅覺受器就會捕捉空氣中的化學分子,人的鼻子裡大約有一千種嗅覺受器,每一種都可以偵測一群特定的化合物,再將訊息傳送到腦中,讓你立刻知道這是什麼氣味。

裝設在機器人身上的嗅覺感測器,也是利用偵測化學成分的方法,來讓機器人分辨氣味。嗅覺感測器特別的地方是可以加強對單一化合物的感測,而且靈敏度可以比生物的嗅覺高出許多,也不會像生物受到生理影響而降低嗅覺功能。

最常見的像是偵測煙霧的感測器,會感測煙霧的濃度,當濃度過高時機器人就會示警,避免火災的發生。另外,自然界有許多生物的嗅覺靈敏度都比人類高許多,例如狗的鼻子因為很靈敏,經常協助人類進行搜救或者偵測的任務,研究人員便模仿狗的鼻子,開發出電子狗鼻用來偵測炸藥,只要有非常微量的炸藥成分,電子狗鼻都能偵測出來,並且找出氣味的來源,未來這類危險的任務就交由機器人來執行。

也有研究團隊借鏡蚊子的嗅覺機制,研發可辨識出人體汗味的感測器,能用於救災,協助尋找失蹤者。也有應用在居家照護機器人身上的嗅覺感測器,透過感測病人身上體味,判斷該採取的行動。用途非常廣泛。

酸甜苦辣, 哪一味?

機器人可以擁有嗅覺,那嘗得出味道嗎?我們能品嚐出食物的味道,是由舌頭上的味蕾來偵測唾液中的化合物,味蕾上的神經細胞裡有味覺的受體,會將品嘗到的味道傳遞到腦中,讓人知道食物的滋味。

讓機器人可以品嘗味道的味覺感測器,則是透過偵測食物的成分後轉成數據,再根據這些數據,把食物的味道量化,定義出不同味道的數據,是偏苦?還是偏酸?有毒還是無毒?是哪一種食物的味道?目前有些味覺偵測器能品嘗出酒類的味道,分辨出不同啤酒的品牌,對釀酒業對幫助很大。未來也可以應用在其他領域,例如救災時,災區的水源或剩餘的食物是否可以食用等等,幫助受困者維生,等待救援。

書籍介紹

科學築夢大現場2:歡迎光臨機器人時代!百變智慧機器人》,親子天下出版

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作者:周彥彤、楊谷洋(協力指導)

未來的機器人會是什麼樣子呢?是長得跟我們一樣,會講話、會揮手;還是會像科幻電影一樣,會飛天、會發射光線呢?但是你可知道臺灣有好多科學家,正一步步建立出未來機器人的夢想。

來自臺灣的各個機器人研究團隊,用跟你說哈囉的陪伴機器人、飛天鑽地的仿生機器人、還有靠著一隻手臂就足以扭轉世界的工業機器人,全面翻轉孩子們對於機器人的想像。誰說機器人只來自於國外新知與電影,這些臺灣自製機器人正式對你說:「機器人時代來啦,歡迎光臨!

周彥彤 科學築夢大現場2:歡迎光臨機器人時代!百變智慧機器人
Photo Credit: 親子天下出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:楊之瑜

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