[客座] 機械系的聖經寶典-奇幻仿生獸

對互動設計或科技藝術有興趣的朋友,對近來在台灣造成不小話題的「奇幻仿生獸」其實應該不陌生,雖然說到底,我也不大記得到底 Theo Jansen 創造的這隻怪獸,是在什麼時間點曾經以什麼樣的形式出現在台灣(影片展覽嗎?),如今,這隻自走獸不僅在日本帶來風潮(大人的科學還出版了兩期附帶怪獸模型的雜誌),最近這股風潮也來到台灣。

一直以來,就只是覺得這隻怪獸是個藝術,不意之間卻在某個朋友的朋友臉書上,看見一位臺大機械系的學生,用很淺顯易懂但有些另類的觀點,探討這隻被台灣展覽界「奇幻化」的怪獸,看了他的說明,我才第一次發現,原來這樣的自走獸,其實可以用電腦科學的觀點去看它,走 與不走之間,其實就是一種智慧… 唉呀,我在說的,難道就是人生?

好了,介紹到這裡,就請客官繼續看下去,這篇「自走人生,一隻奇幻仿生獸的誕生」←硬是要用一個跟客座作者不一樣的題目。嘿

Mr. xDay

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客座作者:Vanson Lin

(圖片來源:http://www.theojansen.com.tw/index_taipei.php)

你有聽過奇幻仿生獸嗎?

2月19日前,士林科學教育館展了一隻生活在海邊的機器怪獸,全身以水管與保特瓶組合而成,居然可以不用電力,只靠風力這個機械能,完成前進、後退、感測距離、反向切換、打樁這些特技,重點是,他是自己判斷什麼時候該執行哪一項功能!不靠電線電力的機器人,靠的是精密複雜的機構設計完成嘴巴(接收能量)、胃(儲能)、腳(行動)、神經(訊號)、及一堆神經組合成的大腦(控制器),每一個元件都有很深的機械學問,幾乎榮獲我心中機械系聖經寶典之名啊!這個設計創新程度直可比擬原始電腦的構想來源,查爾斯.巴貝奇的差分機,類似的概念,只不過這次是活生生的海灘怪獸,被荷蘭藝術家Theo Jansen花費20年做出來了!就學機械的筆者來看,這隻仿生獸的重點特色有三個,仿生足、動力,以及機械式的邏輯運算,待我一一來介紹。

仿生足

一般移動機器主要以輪子為代步,但這隻仿生獸要生活在充滿沙子的海灘,360度與沙地接觸的輪子會讓移動造成困難。於是Theo Jansen嘗試設計動物的足跡,他觀察足尖所形成的軌跡,發現仿生的足跡軌跡類似橢圓,而且軌跡中腳離地的部分,與接觸地面的部分速度是有差的!在這個概念下,他利用電腦模擬機構,找出11個最適合的腳步尺寸,並命名為黃金尺寸(Holy Number),解決在海灘走路的問題。

(圖片來源:http://www.interactivearchitecture.org/theo-jansens-evolving-species.html)

動畫模擬

動力

就像生物需要吃東西一樣,仿生獸也得進食獲取能量。不同的是,仿生獸以風為食。Theo Jansen設計讓風吹動的葉片,風力吹動風扇,帶動機構把空氣擠入寶特瓶壓縮起來存放,就是一個機械能轉換成壓力能的絕佳實例!這個寶特瓶就像是電池一樣儲蓄能源,等到風停了該走路了,瓶子裡的能力就被釋放出來,從壓力能轉換回機械能帶動腳部行動,仿生獸走起來了!

機械式的邏輯運算

這裡就是筆者最佩服的地方了!一般電器處理功能的過程是這樣子的,

接收訊號 (感測器) → 處理(處理器) → 反應(燈、馬達…)

處理器裡的晶片,通常是工程師預燒一些Code讓他能做邏輯判斷,但這隻仿生獸把這個Code具像化了!Theo Jansen用水管做成氣壓缸,伸長代表1,縮短代表0來表示二進位運算,就像是最原始的電腦,利用電流有無通過來判斷1,0。每個氣壓缸就像神經,而一大堆神經就足合成大腦。

Theo Jansen再設計一種機構是可以感測水的,只要一碰到水,馬上回傳給大腦,大腦下指命給全身,看是要迴轉還是要把自己釘在沙灘上,同時也把「走了多少步碰到水」記憶下來,讓仿生獸大概知道自己在什麼地方。可以想像嗎?這些指定判斷跟傳輸不靠電流,完全透過機構設計!

讓我們體驗一下,一個產品在設計階段,工程師預燒好晶片讓產品進行測試。當測試時發現有錯誤需要修正,這時工程師只要在電腦上,用鍵盤修改一下程式碼,燒好晶片,換掉原本的那塊,新產品就出現了!但是現在仿生獸靠的不是程式碼,是具體的水管,修改程式碼相當於換掉機構,修改尺寸。而最困難的是,程式碼可以一直寫下去幾乎沒有容量限制,機構設計得考量到3D空間,這隻桿子是否會佔到另一根氣壓缸的活動範圍。如此困難的任務,也難怪Theo Jansen花了近20年才做到現在這樣的程度!

(圖片來源:http://www.robotspodcast.com/podcast/tag/bio-inspired/page/2/)

雖然目前看似無用的仿生獸,誰知道未來會不會有人利用他的機械式運算,掀起另一波電腦革命呢?

The walls between art and engineering exist only in our minds.

藝術與科技的界線只存在於我們的心中。– Theo Jansen

仿生獸們居住的海灘

(圖片來源:http://www.arkinet.com/articles/theo-jansen-new-forms-of-life)

看看Theo Jansen 2007年在Ted發表的演說:

http://www.ted.com/talks/lang/zh-tw/theo_jansen_creates_new_creatures.html

補充資料:

來台展覽的Strandbeest官方網站,Theo Jansen最新作品

士林科教館的奇幻仿生獸展覽資訊

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  • 讓我想起古代的木牛流馬

  • 「雖然目前看似無用的仿生獸,誰知道未來會不會有人利用他的機械式運算,掀起另一波電腦革命呢?」

    機械式運算不是新的東西,只是現代人只認得電子式/數位化的裝置與方法,很多古早的機械/類比的技巧,在我們眼中簡直是「不可思議」,但終究不是新的想法。未來或許還是有其用處,但說要掀起革命不太可能。

    類比計算:http://en.wikipedia.org/wiki/Analog_computer

  • 哦~還有指南車

  • 對耶,這樣一想其實很多精密機械都有點像是機械式運算,「鎖」也是其中一種,不算新玩意了。

    不過機械與電流不同的是,電流只有「開」、「關」的二進位來做運算,機械則可以有很多種,完全看設計方式。Theo Jansen博士用了二進位,或許有它特別的意義呢~

  • 終於找到了一個稍為淺白地解釋仿生獸原理的文章
    但是有一個問題~雖然文章都過一年了,希望有人會肯回答一下~
    那個感測水的, 和思考裝置, 不是仍然需要用電嗎? 

  • Pingback: 3D 列印 Theo Jansen 仿生獸,不用組裝就能走路! | PPPPrint()

  • 冏平

    不需要喔