機器人小尖兵——美國CRAM蟑螂型機器人

倪衛濤

蟑螂是現代人心中難以抹滅的“恐懼”，因為它們不但帶來臟亂，也能以飛快的速度躲避、逃離，而令人生怵的是，你永遠無法預料蟑螂能夠躲藏在什么地方……蟑螂的種種特性令人無以對付，但這些特性就是科學家與軍方所要尋求的，一款來自美國的如手掌大小的微型機器人正是受到蟑螂這種生物的啟發而研制的——

受到蟑螂啟發的

CRAM蟑螂型機器人

這款大小有如手掌、全名為可壓縮鉸接式機械（Compressible Robot with Articulated Mechanisms，CRAM）的蟑螂型機器人，是美國陸軍研究實驗室（ARL）的微縮自動化系統暨科技（MAST）部門與加州柏克萊大學共同研發的最新科技產品。

根據柏克萊大學的賈亞拉姆博士以及富爾博士在2016年2月8日刊登在《國家科學院院刊》最新的研究報告指出，受到蟑螂外骨骼構造的啟發，他們制造了一款能在狹窄地形，包括由自然災害或爆炸造成的阻絕人員進入的瓦礫堆中快速移動的六足機器人。

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富爾博士并非要研發CRAM機器人才開始研究蟑螂的，他與他的學生在實驗室中早已進行了長達30年的實驗，了解了各種動物不同的運動方式，包括各種動物的行走、跳躍、滑動和爬行，并嘗試將從蟑螂、螃蟹甚至壁虎身上所發現的運動方式復制到機器人科技上。

而在所有生物上，最頑強的當屬蟑螂了。早在25年前，富爾的研究團隊就已發現美洲蟑螂可以僅靠2條腿移動，同時移動速度也可達到60cm/s，等同每秒移動過自身長度50倍的距離，但最驚人的發現則是蟑螂擁有絕佳的狹窄空間移動能力。

透過高速攝影記錄，賈亞拉姆博士發現蟑螂能夠自由地鉆進4mm的窄縫且保有每秒15cm的移動能力，甚至在高度刺激之后還可以強迫鉆過僅3mm的窄縫，且可以承受比自身重900倍的壓力仍毫發無損。

此外，研究亦發現蟑螂在處于擠壓狀態時雖然不能使用腿部移動，但卻可以將足部往外延伸，用外肢上的棘刺抵著周圍物體的邊緣推進，這也證實了蟑螂為了要在狹窄空間內前進而無法使用腿部時，會運用身體不同部位達到移動的目的。

在實驗中，賈亞拉姆博士在天花板及地板的縫隙中塞上砂紙，以測試摩擦力對于蟑螂在窄縫中移動的影響，結果發現蟑螂的平滑背部是關鍵，因為在腿部獲得足夠摩擦力的同時，平滑的背部卻能在幾乎不產生摩擦力的情況下使蟑螂順利前進。

在這樣的啟發之下，賈亞拉姆博士設計了這款構造簡單、僅有手掌大小的微型機器人CRAM——它同真的蟑螂一樣，具備了可壓潰的構造，使得這款機器人能擁有模仿蟑螂富有彈性且在通過窄縫時降低阻力的特性。

目前的CRAM身長18cm、高7.5cm，質量46g，并且它在承受壓力或需要擠壓通過狹窄地區時，可以將高度擠壓50%（即3.5cm），還可以承受約1kg的重量，亦即20倍自身的重量，此外，其在正常狀況下可以每秒移動27cm（身長的1.5倍），而當完全壓縮狀態（50%）時則降為每秒移動14cm。

對此，富爾博士表示：“雖然目前CRAM還只是原型機而已，但它的成功表明設定為軟體機器人的發展方向是正確的選擇，因為昆蟲是地球上最成功的生物形態，而研究人員的目標就是要把機器人的表現提升到昆蟲所達到的程度。”

軟體科技提升

未來機器人的特性

除了研發能鉆進狹小縫隙的CRAM機器人外，研究微型自動化系統如何在復雜的立體環境中移動與運作，特別是在軟體的應用方面，是非常有意義的。

例如，美國陸軍研究試驗室的研究員凱森斯就負責研發CRAM的自動導正能力，使機器人在傾倒后自動恢復到能讓足、輪、履帶等部位接地的姿態，而這項研發也不止應用于CRAM而已，真正的目標是可以開發出能運用到各個層面的科技，包括現今以及未來的科技產品。

凱森斯說：“我們所開發的軟體科技能賦予機器人從傾覆狀態中回正的能力，同時研發團隊也研究了多種蟑螂的幾何學和自我回正的關聯性，并對擁有自我回正能力的CRAM做過多次試驗。”

同時他也表示，研究團隊希望更加了解如何將CRAM的自我回正能力的機械原理以及優勢應用在其他的機器人系統上，并成為在戰場上極有價值的資產。

事實上，士兵相當吐槽現有的機器人在崎嶇且多變的戰場環境中，時常遭遇翻覆而無法回正的窘境，進而導致任務延遲甚至失去寶貴的機器人等問題；且操作者缺乏機器人的環境視野，攝影機畫面也只著重于特定區域，因此在操作中相當難得知機器人目前是否處于平穩姿態。

凱森斯曾經與一位操作機器人的士兵談過，士兵說他的機器人在受困而無法自行脫困時，他必須下車并親自將機器人救出來，而這也是凱森斯與研發團隊要避免的，畢竟機器人被創造的意義，并不在于人類需要冒險拯救機器人，而在于避免人類陷入危險。

低成本優勢可使CRAM

大量拋撒

本次研究的機器人零部件提供者，是制造民間微型機器人玩具的Dash Robotics公司，而柏克萊大學亦有使用這家公司所生產的產品進行試驗的經驗（公司人員本身就是柏克萊大學的校友），事實上，CRAM所用的零部件可以視為該公司現有產品成熟的零部件，例如Kamigami機器蟲玩具的零部件就與CRAM所用的相當類似。

Kamigami機器蟲的整體包含裝飾外殼、電子零部件、馬達、電池、螺栓等，且它除了能以平板電腦或智能手機進行遠端遙控外，也可以對特定狀況做出簡單的回應，比如偵測到光源后傳送出信號，或者被碰撞后啟動特殊回應等（如快速逃竄或傳送信號）。

盡管CRAM的成本較Kamigami機器蟲高昂，但相較于現今的遙控機器人廉價許多，而這也使得未來若出現依照CRAM的技術標準改進的機器人，因成本低廉，一線人員可大量拋撒這些微型機器人，對現場實施更全面的探查。

帶給救災與作戰的優勢

傳統的機器人運用，不論在救災或是作戰的層面上，一線人員必須先確認目標的位置（受難者、人質、敵人），以及足以提供人員安全行進的路徑（穩固、無埋伏）后，才能確保任務的執行效率，但這樣的事前偵察工作風險很高，因此最佳選擇就是派遣機器人替人類代勞。

另一方面，傳統的遙控機器人時常受限于接地系統和體積的構造，而難以穿越震災、風災甚至爆炸后產生的瓦礫堆，若強行通過非常容易卡住甚至導致無法自行脫困的翻覆狀態，且難以在敵人的耳目之下安全通過。

然而，尺寸僅有手掌大小的CRAM軟體機器人有著無可比擬的優勢，因其體積及彈性賦予它擁有鉆進窄縫和孔洞中的能力，如蟑螂一般無孔不入，故可替人類發現重要的目標，以便采取有效措施完成任務。

其另一大優勢是，可以低廉的價格采購更多數量的CRAM，而非現今的無人機或遙控機器人的高價位取向。此外，電子科技的進步也使得操縱機器人不再需要特別的遙控器，而是可以透過在平板電腦或智能手機中裝設APP，并已WIFI連接即可實施操作。

盡管目前的CRAM仍只是一個初步的技術驗證機，且還無法裝設具有實際價值的感測器（比如攝影機、生命探測器等），但科學家們已經嘗試將CRAM的后續版本做得更為強大，在機動性上更接近實際的昆蟲，而在載重上也將逐漸能負荷一線人員必要的偵測設備。