《环太平洋》中的动力外骨骼操控术

每日各类 2020-06-10
《环太平洋》中的动力外骨骼操控术

以下无雷

热门电影《环太平洋》(Pacific Rim)是昨(11)日刚上档的美国式英雄爽片,除了部份概念很像是20年前的日本机器人动画GunBuster外,网路上也有相当多网友说这是「新世纪福音战士」的美国版,不过很抱歉并没有绫波零与明日香,有的却是高大勇猛的机器人与看起来很有型的大怪兽,双方在城市中、在海面上激烈肉搏战。巨大的人形机器人或许看似神话,但实际上距离当代的科技也没有太远,如果真有那幺一天,叫那些政府单位如国防高等研究计划署拿出压箱宝来对抗外星人,也不是不可能。

大怪兽需要大机器人对付

电影中描述,2013年,太平洋海底两大板块之间,出现了一个「突破点」,身形庞大的怪兽冒出来攻击环太平洋城市。大怪兽虽非无坚不摧,但人类的小飞机小飞弹实在不够看,美国国防高等研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)等单位研发出代号Jaegers的巨型机器人,来个一对一的平等PK,就以主角的「吉普赛危机」(Gipsy Danger)为例,身高79公尺,重1980吨,核动力,左右手掌各配备一门离子砲,后期左手加装了一支袖里剑,成为拳头之外的利器。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术

电影的一大重点是「驾驶员如何操纵机器人」。他们提出了将驾驶员的脑部活动与机器人的人工智慧结合的做法,而且,因为这样的过程对单一个人的脑部负荷量太大,因此需要两名驾驶员分别担任机器人的左脑与右脑。另外,在电影中我们可以看到驾驶员利用自己的肢体动作来「带动」机器人行动,例如两位驾驶员同步走路、同步跑步,转头与手部攻击、拿武器等等,攻击外星人的各种招式也是由驾驶员先动作,带动机器人使出相同动作。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术

传动、体感、Motion Capture

若以现有的科技水準来看,驾驶员操纵机器人似乎不需要太先进的技术。就以腿部的动作来说,我们发现电影中两位驾驶员的脚固定在一种机械装置上,装置的长相就像工地怪手的机械臂,驾驶员抬脚前进、后退、跑步,机械装置就被驾驶员的脚带着上上下下。我们只能看到驾驶舱内的部份,也许在驾驶舱到机器人腿部,中间用的是油压传动装置等我们日常生活中很广泛运用的技术。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术
(Photo Credit: Microsoft)

再就手部与头部的动作来说,现有的体感技术例如Xbox游戏机的Kinect摄影机,就已经可以做到捕捉玩家的肢体动作并反应在游戏中。不过电影中是没有看到这种摄影机的设定,真有的话其实感觉也蛮逊的,因此,我们若把关键放在驾驶员穿的盔甲上,就有许多想像的空间。比方说,驾驶员其实只是用简单的动作捕捉(Motion Capture)技术来操纵机器人,盔甲里面有很多动作侦测装置,收集驾驶员的动作资讯以转换到机器人上。下图是一张很常见的动作捕捉图,示範者身上安装很多侦测装置,这与电影里的差别,仅仅在于多了一套兼具保护作用的盔甲。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术
(Photo Credit: Wikimedia Commons)

现实生活中的动力外骨骼与操作方式

觉得这些说法都太low了吗?我们再从动力外骨骼的角度来看,又会有全新的想法。前天我们才报导了一则「机器人在进化 史上首款市售版动力外骨骼 Power Jacket MK3开放销售」,这款产品也是利用动态感测技术侦测使用者的肢体行动。另外,在「新机械义肢有如真手,可以大脑控制」中,我们报导了美国约翰霍普金斯大学研发了一套「生化义肢」,断了手的人们戴上义肢后,再将残余手臂内的运动神经连接到义肢上,如此一来,就可以直接透过脑部下指令给义肢。

日本Cyberdyne公司的HAL(Hybrid Assistive Limb)则是一套针对日常生活动做的外骨骼产品。HAL 3只有腿部装置,HAL 5则包括全身,对于行动不便的人站起、坐下、上下楼梯、走路等方面有很大帮助,另外HAL 5可让使用者拿起身体5倍的重物,这不仅方便居家用途,製造业方面也有很大商机。HAL 5电池续航力约160分钟,它的控制方式有两种,一种是全自动,它将一个行为(例如从椅子上站起来)分解成许多细微的动作,并储存在电脑中,当使用者进行一项行为的第一个动作时,电脑便开始分析并叫出接下来的相应动作以协助使用者。另一种方式比较常见,就是在皮肤上贴感测器,当使用者行动时,脑部会透过神经系统下指令,感测器可以捕捉神经系统的微弱电位讯号,经过电脑计算后,预测并协助使用者的行动。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术
(Photo Credit: Cyberdyne)

军用级的动力外骨骼

军事级的动力外骨骼发展相当快速。洛克希德马丁推出的「浩克」(Human Universal Load Carrier, HULC),在战场上可以协助士兵背负91公斤的货品,最高时速可达16公里。它用电池提供电力,去年5月他们宣布新款浩克更为轻量级,单纯走路电池可维持8小时,如果使用燃料电池可达72小时以上。浩克像是一个可以套在身上的轻型框架,它的脚底板上有感测装置,据此收集的资料传至电脑,即可配合使用者的脚步行动。

《环太平洋》中的动力外骨骼操控术
(Photo Credit: Rockheed Martin)

另一家军火商雷神公司则在2010年宣布推出第二代的XOS。有着钢铁人称号的XOS,比起浩克更多了两只手臂,新一代比旧款省电一半,举起91公斤的货物有如家常便饭,举起放下数百次也没什幺问题,强力的手臂如果打在厚木板上,还可以打出深达7.6公分的洞。XOS 是利用附着在肌肉上的感测器来确认使用者的动作,同样可以即时配合使用者的动作。XOS 2惟一的问题是需要使用外部电源,因此会限制行动的範围,不过相信雷神公司有了XOS 2可以省电一半的经验,未来应该可以研发出行动更自由的新产品。


(Video Credit: Raytheon)

以上这些外骨骼都是直接套在人身上使用,或许会给你一种「外骨骼就是这个大小」的感觉,但事实上看完「环太平洋」这部电影后,我们也可以把高79公尺的机器人视为一种外骨骼,那幺现实生活中外骨骼常用的几种感测装置,也可以应用在机器人上,而不必採用那种危险程度较高,又严重侵犯隐私权的「心灵融合法」(其实真正的目的是要发展伦理亲情悲喜剧啦)。当然,透过脑部直接指挥外骨骼其实既快速又有效率,那幺目前这方面的技术发展情形如何?我们下回分解。

(Film Photos Credit: Warner Bros.)