一個出水能跑，入水能游的蜥蜴機械人

機械設計學家奧克．捷思皮爾（ Auke Ijspeert）設計機械生物，就是那種可以模擬真實動物的機器人，它能夠處理複雜的場地，而且即將像科幻小說一樣出現在我們家裡。在創造這些機械生物的過程中，製造這些機器人的過程，引領出了更好的自動裝置，可以用於農耕、服務、搜索和救援。這些機械人不單只是模倣自然世界，同時亦幫助我們更認識我們的生物，解開了一些前所未知有關於脊髓的秘密。

這是機械蠑螈，

機械蠑螈是一種遙控機具，
我們設計時，高度模擬了一類

稱為歐非肋突螈的兩棲類。

你可以看到，機械蠑螈能夠走路，

稍後你也會看到，它會游泳，

你可能會問，我們為甚麼要
設計這一類的遙控機械?

事實上，這具機械是設計來
作為腦神經研究的科研工具。

我們也確實在設計的時候，
夥同腦神經學家們

去理解動物怎樣律動，

尤其去理解脊髓如何控制肢體行動。

但當我在機械生物做出愈多的研究，

我愈訝異於動物的肢體行動。

請你想像一下，一隻海豚的游泳
或一隻貓兒的奔跑跳躍，

或甚至是我們人類

在慢跑或打網球時，

我們是在做驚奇的事情。

事實上，我們的神經系統解決了
一個非常非常複雜的控制問題。

它需要完美得協調
大約二百組肌肉，

如果協調得不好，
我們會摔倒，或行動得蹩扭。

而我的目標就是要理解這是如何運作的。

動物的肢體行動，
有四個主要元件。

第一個元件就是身體，

事實上，我們都不應該低估

生物力學已經簡化動物的
肢體行動到哪種程度。

第二個元件就是脊髓，

你在脊髓裡可以找到反射作用，

多重反射作用會在脊髓的神經活動
與機械活動之間

產生出一種
感知運動的協調迴路，

第三個元件是中樞模式產生器。

這些非常有趣的迴路，
存在於脊椎動物的脊髓裏，

當它接收到非常簡單的輸入訊號時，

它們可以自己產生出

非常協調且有節奏感的運動，

而這些輸入訊號，

就是從大腦內較高部位
發射出來的「下行性調控」訊號，

就如同運動皮質層、
小腦，基底核一樣，

而當我們在做肢體活動的時候，

它能夠調控脊髓的所有活動。

有趣的是，在某些程度上，

這些脊髓，連同身體，

已經可以解決大部份肢體的活動問題。

你大概也知道一個事實，
當一隻雞被砍頭之後，

它還可以再跑一會兒，

這表示，僅僅較低部位的脊髓和身體，

已經解決了大部份肢體活動的問題。

要理解這是如何運作的，
其實也蠻複雜的，

因為，首先，

要記錄脊髓裡面的活動非常困難。

在大腦運動皮層植入電極遠比
在脊髓植入電極容易，

因為它被脊椎骨保護著。

尤其是在人類身上，非常難辦到。

第二個困難，有很大的原因是，
肢體行動在這四個元件之間，

是非常複雜且動態交互作用著的。

所以每次要找出那一個元件
擔任那一個角色，真的是很困難。

這也是為什麼機械生物，

在建立像是機械蠑螈和
數學模組上很有幫助的原因。

所以甚麼是機械生物呢？

機械生物是機械科研裡
一個非常活躍的領域，

人們都想從動物裡得到啟發，

製成一些可以到户外去的機械人，

像是一些服務業機械人，
或是可從事搜索和救援的機械人

或是農耕機械人。

而主要目的就是，
要從動物身上得到啟發

來製造一些機械人，
可以處理一些複雜的地形--

像是樓梯、山脈、森林、

一些機械人仍然遇到困難的地方，

以及動物可以做得更好的地方。

機械人同樣也是神奇的科研工具，

有些很棒的科研項目利用機械人

做為腦神經、生物力學
或水力學的科研工具。

而這就是做機械蠑螈的目的。

在我的實驗室，我們夥同腦神經生物學家

例如法國波爾多的腦神經生物學家
Jean-Marie Cabelguen，

我們打算製作出脊髓的模型，
然後在機器人上驗証。

我們希望從簡單出發。

所以從簡單的動物開始就好，

像是七鰓鰻，非常原始的魚類，

然後逐漸地邁向更複雜的肢體活動，

像是蜥蜴，

但也包含貓、人類，

哺乳動物等。

所以，機械人成為了一個

可以驗証我們模型的有趣工具。

事實上對我來說，機械蠑螈
算是圓了我一個夢想。

大概二十年前，在我博士班的期間，

我已經在電腦上，製作一些

七鰓鰻和蜥蜴肢體活動的模擬，

但我一直以來都知道，
我的模擬只是粗略概算。

像是在水中模擬物理現象，
或是在混雜泥土裡或是複雜的地表面上，

這些都是很難在電腦上適當地模擬出來的。

為什麼不乾脆做一個
真實的機械人或真實的物體？

在眾多的動物裡，蜥蜴是我喜歡的其中之一。

你大概想知道為什麼，
因為以兩棲動物而言，

從進化的角度來看，
蜥蜴其實是很重要的動物。

它完美的串聯起

水棲動物的游泳
（像是鰻魚或魚）

以及哺乳類動物的四肢活動
（像是貓或人）。

事實上，現代的蜥蜴

與第一代的陸棲脊椎動物非常相近，

幾乎就是一種活化石，

讓我們可以接近自己的祖宗，

所有陸棲四肢動物的祖宗。

蜥蜴是藉由一種稱為鰻游的泳態，

來進行游泳的動作，

它們從頭部到尾部的肌肉活動，
傳遞出一種很優美的游行波浪。

而當你把蜥蜴放在地面上時，

它又會轉化為快走的步態。

在這個案例，你有很好的
週期性肢體律動

可以非常好地協調出

這樣持續性波浪的身體起伏，

就如你們現在所看到的
機械蠑螈的步態。

事實上，其中一件很令人訝異
卻又讚嘆的事實就是...

這些活動可以僅藉由
脊髓和身體就可以啟動了。

所以即使是一隻沒有腦袋的蜥蜴 --

那不是太好, 但當移除了頭顱--

而你用電殛刺激脊髓，

在低電流的刺激下，
會做出走路一樣的步態。

如果你稍稍加強刺激度，
步伐就會隨之加快。

到了若干程度，會有一個臨界點，

隨後，動物會自動地
從行走轉為游泳

這真是神乎其技。

只是改變了中央的驅動器，

就如同你在踩油門一樣，

把下行性調控訊號傳遞到你的脊髓，

在兩種不一樣的模式間相互切換。

其實同樣的情況，
在貓身上也觀察得到，

如果你刺激一隻貓的脊髓，

你能夠在其間切換模式：
行走、緩跑和急步跑。

或在鳥類身上，你可以隨興
切換一隻小鳥，

在低電流時，走路，

在高電流刺激時，揮動翅膀。

而這告訴我們，

脊髓是個非常複雜精密的
肢體行動控制器。

於是我們更仔細的研究蜥蜴的肢體行動，

其我們有一部很好的X光錄影機，

是由德國 Jena 大學的 Martin Fischer 教授所提供。

感謝有這部神奇的機器，

把所有的骨骼行動都仔細的紀錄下來。

這就是我們在做的事。

基本上，我們找出了
對我們來說重要的骨骼，

並且收集它們的3D動作。

我們所做的就是收集
整個骨骼的動作資料庫，

從水上到陸上，

實際地去收集一隻動物所有的

移動行為資料庫。

而我們機械設計學家的工作就是，
將這些資料複製到我們的機械人。

所以我們做了全方位的優化程序
來找出正確的結構、

在哪裡放置馬達、

如何把它們連接一起，
盡可能地重製出這些動作等等。

機械蠑螈就是這樣成型的。

讓我們來看看它跟
真正的動物有多近似。

你現在看到的是，
真正的動物和機械蠑螈在行走時

直接對比的影片。

你可以看到幾乎是一比一的比例，

重演着走路的步態。

如果你倒退或慢動作，你可以看得更清楚。

更棒的是，我們可以游泳。

我們甚至為機械蠑螈穿上了潛水衣--

（笑聲）

然後我們可以到水裡，
開始重製游泳的泳態。

我們對於此很高興，
因為這個真的很難。

互動的物理現象相當複雜。

我們的機械蠑螈要比小動物大很多，

所以我們得找出
稱之為「等比例動態」的頻率，

來確定我們也得到了
一樣的互動物理現象。

你可以看到，
最後我們可以非常接近地運動，

所以我們對此非常非常的高興。

現在我們來看看脊髓。

我們跟 Jean-Marie Cabelguen 一起

模擬了脊髓的迴路。

有趣的是，蜥蜴

保持了最原始的迴路，

非常相近於我們找到的七鰓鰻，

這個像鰻魚的原始魚類，

看起來像是在進化期間，

有新的神經振動器
會被加進來去控制肢體

來帶動腿的行動。

我們知道這些神經振動器在哪裡，

但我們要做的是，計算出數學模式，

看看怎樣把他們配對起來，

來讓這兩種非常不同的
動作可以自由轉換。

我們就在機械蠑螈的電板上測試。

而它看起來就像是這樣。

這裡你們看到的是，
上一代版本的機械蠑螈，

完全由我們輸入在電路板上

的脊髓模組程式所控制。

我們唯一做的是，

透過遥控器，向機械人發出

兩組下行性調控訊號，而這通常源自於

腦部的上半部分。

有趣的是，通過這些訊號

我們可以完全控制速度、前進、步、泳態。

比方說，

當我們透過低電流作出刺激時，
我們得到的是行走的狀態，

來到某種程度，
如果我們加強了刺激 ，

它會迅速地轉化為游泳的狀態。

最後，我們也可輕鬆的轉向

主要在脊髓左右兩邊，
在其中的一邊加以刺激就可以了。

我覺得這真是漂亮

自然界先天的分配了控制權

把很多責任交付予脊髓，

所以大腦的上半部分
不需要再煩惱每一條肌肉。

大腦只負擔高層次的調節，

協調各肌肉的任務，
就交付予脊髓了。

現在我們來看看貓的行動
和生物力學的重要性。

這是另一個項目，

我們研究貓的生物力學，

而我們想知道形態學
對於肢體活動的幫助。

我們得出了三個性質的標準，

基本上，就是肢體內的性質。

首先就是貓的肢體，

大概類似導電弓架的結構。

導電弓架是一個機電的結構

永恆的保持着
上部份和下部份的平行。

其實就是一個簡單的幾何系統，

協調着各部位的內部移動。

貓兒肢體的第二個性質是非常輕量。

大部份的肌肉集中在驅體內，

這是很棒的點子，因為這樣
肢體不會有低度的惰性

反而能夠迅速的活動。

最後很重要的性質是，貓的肢體彈力很強，

有利於處理好衝擊力和震盪力。

我們也是如此設計小獵豹的。

現在有請小獵豹到台上來。

這位是 Peter Eckert，
他用這部機械人作他的博士學位研究，

你可以看到，這是一隻可愛的小機械。

它看起來有點像是玩具，

但其實卻是個科研工具，

用來查證貓兒四腿的特質。

你可以看到，它非常柔韌，非常輕量，

同時也非常的彈性，

所以你可以很輕鬆的
把它壓下而絲毫不損。

實際上，它只會彈跳。

這個彈力的性質也非常重要。

你同時也可以看到一些其他特質，

就是導電弓架作為腳部的三個部份。

有趣的是，這很有動態，

純粹來自開放式的迴路，

意思就是沒有探測器，
也沒有複雜的回饋迴路。

那是很有趣的，因為那意味著，

單靠機械模式,
已能把這快速的步態穩定下來，

所以只需要有很好的機械性，
基本上已能夠簡化肢體的活動。

在某程度上, 我們甚至可以對肢體行動，
作出一些干預，

就正如你將看到的影像一樣，

比方說我們可以做一些運動，
讓機械人下樓梯，

而且機械人不會跌倒，

那其實讓我們很訝異。

這是輕微的干擾。

我預期機械會立刻翻倒，

因為沒有探測器，也沒有迅速回饋的迴路。

但不，單靠機械模式已能把這步態穩定下來，

而機械人並沒有翻倒。

顯而易見，如果你跨大了步伐，
再加上你遇到了障礙物，

你就會需要完整的控制迴路，
還要所有的反射動作及每樣東西。

這裡重要的是，只是輕微的干擾，

機械性能就正確了。

我相信這是很重要的訊息，

從生物力學及機械學以至腦神經科學，

不要低估身體其實在某種程度，
已經幫助了肢體行動。

現在，這個跟人類肢體活動有甚麼關係呢？

非常明顯，人類的肢體活動，
遠遠比貓和蜥蜴的複雜，

但同時間，人類的神經系統

卻又和其他的脊椎動物非常類近。

尤其是脊髓，

同樣也是人類肢體行動的關鍵控制器。

所以，這也是為什麼當脊髓有損害時，

會帶來很嚴重的後果。

那個人可能會變成
下半身癱瘓或四肢癱瘓。

這是因為大腦失去了

與脊髓的溝通。

尤其是大腦失去了啟動

和協調肢體活動作用的下行性調控訊號時。

所以神經義肢的一個很大的目標

就是可以重啟這個溝通，

借助電子或化學的刺激。

世界上有好幾個隊伍
正在進行這樣的項目，

尤其是 EPFL 的隊伍。

和我一起合作的同事

Grégoire Courtine 和 Silvestro Micera 。

要恰當地做好這事情，務必要明白

脊髓如何運作，

它怎樣和身體互動，

而大腦又怎樣和脊髓溝通。

今天我向各位展示的機械和模型

希望就是在這些非常重要的目標上

可以做出貢獻。

謝謝。

(掌聲)

Bruno Giussani: 奧克, 我曾經在
你的實驗室裡，看過其他的機械人，

做一些例如在污染環境中游泳的事情，

並在游泳期間測量污染程度。

但這一個，

你在演講時表示，這只是一個子項目，

負責搜索和救援，

它在鼻子上也安裝了照相機。

奧克．捷思皮爾：對的。所以這個機械人--

我們有一些是分拆開來的項目

我們希望主要用作
搜索和救援的調察，

所以這位機械人現正看着你。

而遠大的夢想就是，一旦你遭遇到困難

例如倒塌的建築物，
或是被淹沒的建築物，

這樣的情況，對救援隊、甚至救援狗而言
都是非常危險的，

為什麼不用可以四處爬行、游泳
和行走的機械人取替，

並加上照相機來協助調察和找出生還者，

甚至有可能與生還者建立溝通。

BG: 當然，假設生還者沒有被它的外型嚇到。

AI: 對，我們大概也需要
把它的外型改良一下，

不然生還者
可能會心臟病發而死亡，

僅是擔心它會把你吃掉。

把它的外型改良一下，
同時令它更耐用，

我深信這能夠成為很好的工具。

非常感謝。謝謝你和你的團隊。