從電影到現實——仿生機器人技術演進
你對機器人的印象是什麼？近百年，以機器人為題的電影如雨後春筍般出現，而在現實世界中，波士頓動力公司（Boston Dynamics）於 2005 年推出四足機器人「Spot」，經過不斷改良，在 2020 年讓它實現商業化量產，可以寫字、跳繩、種花、搬磚、清掃環境。
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今年，該公司全面升級另一種人形機器人「Atlas」，搭載感知系統，不僅可以辨識、抓取、歸類物品，還能倒立、後空翻、跳 Breaking，靈活克服有如體能挑戰關卡的各種障礙。
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這一刻模糊了想像與現實的邊界。然而，當最初的震撼逐漸退去，一個根本的工程學問題浮現：讓機器做出單一、重複的動作已屬不易，該如何進一步賦予它應對複雜地形、維持動態平衡，甚至做出後空翻這類極限動作的「身體直覺」呢？這背後，又隱藏著哪些技術挑戰？
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移動的挑戰：如何走路？如何跳躍？
對於傳統的輪式機器人來說，在平地滾動非常省力、有效率，但如果要爬上爬下，就很容易摔個四「輪」朝天。針對這個難題，國立臺灣大學機械工程學系林沛群教授從生物身上尋找靈感，打造「六足仿生機器人」與「輪腳複合機器人」。
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由林沛群教授帶領的仿生機器人實驗室（BioRoLa），是以「仿生機器人」為研究主題的專業團隊。透過研究機器人的足部運動系統，團隊打造出擁有特殊足部結構的機體，比如六足仿生機器人是參考同樣有六隻腳的「蟑螂」，而輪足複合機器人則可以配合地形切換移動模式。
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林沛群教授表示：「物體在空間中產生運動，需要和環境有交互作用力。舉例來說，輪子給地面一股向後的力，就可以產生一股向前的反作用力，讓車體往前移動，而我們走路時，腳向地面後方踩，就能帶動身體往前，背後依據的力學都一樣。」差別在於，輪子本身只能滾動，而腳還能向下施力、產生向上跳躍的作用力，是生物獨有的特徵。因此，只要將生物的「腳」放到機械上，就能提升機器人的運動能力，做出更複雜的動作。
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說起來簡單，在研發過程中，團隊卻碰上不少問題。
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以六足仿生機器人為例，為什麼是六隻腳，而不是四隻或二隻？想解答這個問題，就要從設計面說起。由於不在同一條線上的三個點可以決定一個平面，而多數昆蟲以三腳為一組、兩組交替行走的「三腳步態」移動，因此採用此步態可確保穩定性；而在控制面上，硬體使用 single-board RIO 系統，一顆馬達操控一隻腳，減輕重量負擔，軟體則使用 LabVIEW，這個程式的圖形化介面非常容易理解，方便 BioRoLa 實驗室團隊的研究生兩年一輪的迭代。
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2015 年，團隊開發出可以跳出身長 1.57 倍距離（約 74 公分）的六足仿生機器人。林沛群教授表示，當年的馬達不是很有力，即使用 24 伏特的電壓全力輸出，仍無法達成跳躍身長 2 倍距離的預期目標。經過思考，團隊採用「升壓電路」改良驅動力，讓馬達獲得 36 或 48 伏特的電壓，「理論上可以瞬間輸出兩到三倍的動能，但由於後來沒有持續開發，所以改良後的六足仿生機器人究竟能跳多高、多遠，目前並沒有量化數據可以參考。」林沛群教授補充。
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至於輪腳複合機器人，則是林沛群教授自 2007 年回到國立臺灣大學任教，並創立 BioRoLa 實驗室以來，就持續進行的研究題目。顧名思義，輪腳複合機器人有「輪模式」和「腳模式」，兩種模式都使用同一組馬達和軟硬體系統—— LabVIEW 和 CompactRIO。
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以第一代輪腳複合機器人「Quattroped」來說，輪模式是以完整的輪圈前進，腳模式則是將輪圈收折成半圓形。這樣的雙模式看似方便，在平地和崎嶇地上都能移動，卻得耗費大量時間才能進行輪腳變換，而且變換時必須在原地停下來，無法前進。
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為了解決這個問題，團隊沿用第一代的馬達和軟硬體系統，著手開發第二代輪腳複合機器人「TurboQuad」。這一代的輪模式同樣是以完整的輪圈前進，腳模式則是讓輪輻上的馬達轉動，帶動輪圈上下錯開成兩隻半圓形的腳，不但可以一邊移動一邊變換，還有「小跑（trot）」和「走路（walk）」兩種不同速度的步態。
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此外，團隊以中樞模式產生器模型（central pattern generator, CPG）作為仿生控制架構，再透過 AI 視覺辨識，讓機器人得以「看見」環境，自行判斷該用輪還是用腳，並且產生相對應的訊號，帶動馬達運轉。整個過程就像大腦發送訊號給中樞神經系統，帶動肌肉骨骼運動一樣——這就是第二代的 TurboQuad。
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有關最新一代輪腳複合機器人的研究進展，林沛群教授表示，「第二代的腳模式不能讓輪圈錯開太多距離，導致機器人身體很長、腳很短，看起來就像臘腸狗，無法做出太多動態行為」，便決定在 2020 年進一步開發第三代，設法讓腳的長度達到輪半徑的 3.4 倍，再換上更高功率、高能量密度的馬達，讓機器人可以原地垂直跳躍 50 至 60 公分高。
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目前，團隊仍在持續開發第三代輪腳複合機器人。截至 2025 年夏季，第三代機器人的輪模式不但可以快速往前衝，還能在衝刺後直接在硬地或是海綿般的軟地跳上一階，腳模式則可以站在如海綿般多種軟硬度的地形上移動，更開發出「滾走」步態，同時依照環境狀態，複合使用輪或腳，方便適應更多不同的地形。
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/09/12-1_670x460.jpg" />
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">傳統的輪式機器人無法因應多樣地形，輪腳複合機器人則有輪模式與腳模式，可根據不同需求靈活變化。圖片為美國 NASA 火星探測車複製品。</div>
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抓取的挑戰：如何黏附？如何攀爬？
除了移動以外，另一個難題是「抓取」。雖然傳統的機械夾爪力大無窮，卻難以應對易碎、濕滑、形狀不規則的物體。那麼，要如何讓夾爪既能抓穩又能放開？關於這點，國立高雄大學健康及仿生科技研究中心鍾宜璋主任，從擅長黏附與攀爬的生物身上找到啟示。
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研究中心於 2014 年成立，目標是透過仿生科技改良黏著材料，應用在醫藥與工程領域。鍾宜璋主任受訪表示：「我們想模仿生物的功能特性，又要追求快速、節能、有效率，但是具體要模仿什麼？該如何破解其物理、化學、或生物原理，貼近其構造設計之精妙？有多少學習與容錯空間？這些是我們覺得最難的事。」
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話雖如此，鍾宜璋主任率領的團隊仍在近年屢創佳績。
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以膠帶來說，傳統的濕式膠帶是指有化學黏膠的膠帶，要不是太黏，就是容易留下殘膠，而且無法在高溫或潮濕環境下使用，而團隊在 2018 年開發「仿生無殘膠乾式膠帶」，將壁虎腳和章魚吸盤的結構轉印成膠帶上的微奈米圖案。由於微奈米圖案是物理結構，這種膠帶即具有無殘膠、高黏著、易剝離、可重複黏貼的特性，在高溫或潮濕的環境也能輕鬆使用。
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除了壁虎和章魚之外，鍾宜璋主任格外著迷於「蝸牛」的黏著力。蝸牛的腹足有平滑肌肉束和結締組織，再搭配黏液，就可以形成特殊的奈米結構。首先，團隊利用 AI 分析該用哪種微奈米圖案，設計出多層次結構。當膠帶黏上，結構就會互相密合，提供強大的黏著力，再依據過往研究章魚吸盤的經驗，導入吸盤邊緣的變形設計，可以應用在各種不平整或濕滑的表面上，並且依然保有仿生無殘膠乾式膠帶的重要特性。
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針對蝸牛的案例，鍾宜璋主任補充道：「蝸牛利用如波浪狀的連續肌肉運動，一邊黏著、一邊移動，其實非常神奇。我們曾經設計攀爬機器人，對於需要將頗有重量的電源和電子控制器帶上牆面，黏著和移動時，還要保持力矩平衡，避免轉動，實在頗有難度。思及蝸牛背著重重的殼，步履雖然緩慢，但還能奮進不懈，令人充滿敬意。」
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">從蝸牛的移動方式尋找靈感，並結合章魚吸盤的構造，提升黏著力，讓機器人可以在多樣地形移動。</div>
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目前，仿生膠帶在醫療領域的應用，主要是傷口敷料及皮膚疤痕貼片。在接觸皮膚那面，有仿壁虎腳或仿章魚腳的圖案，可以吸汗、吸水、保持黏性，另一面則有仿荷葉的圖案，可以排開水分和髒污。在工程領域上，特別是晶片、光學元件、真空鍍膜的製程，都需要有可以抓取薄片的「仿生夾爪」，或是耐重、耐高溫、容易釋放的膠帶。另外，仿生膠帶的設計還能作為攀爬機器人，或是進一步研發出可以翻書的仿生義肢，提升精密機械的靈活度和穩定度。
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2022 年，研究中心召集校內跨領域專家，開發更多類型的黏著材料。鍾宜璋主任表示，「仿生設計難以隨意改變黏著力，所以我們近年積極開發可以利用外在刺激改變黏性的『可控制型黏膠』，亦即黏住東西的當下，可以適用於不同的物體表面，如同章魚、壁虎等放鬆肌肉，以求最大面積黏貼在物品表面，這部分可稱為『適應性』（adaptability）。接著，需要舉起物品，展現良好的荷重能力。此時，需要學習章魚和壁虎的肌肉，用力抓取重物。將物品搬運到特定位置後，生物會逐漸放鬆肌肉，以有角度的『剝離力』快速放下物品。」
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這個跨域團隊由國立高雄大學資訊工程學系洪宗貝特聘教授、電機工程學系吳志宏教授、土木與環境工程學系俞肇球副教授組成，透過文字探勘、深度學習等 AI 技術，打造「雷射輔助快速應答可控黏性的智慧型膠帶」，有效解決晶片在組裝搬運過程中，容易破碎、耗損的痛點。
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提及仿生黏著科技應用在機器人領域的未來想像，鍾宜璋主任說道：「目前，我們希望結合跨領域專家的能力，利用 AI 運算和機械結構設計，在機器人夾爪上設計智慧黏著，賦予機器夾爪靈敏的『觸覺』和感知能力，協助人類進行更多探觸和搬運的動作。在機器人下肢方面，則可以應用作為『智慧外骨骼』，幫助行動障礙的長者恢復部分生活機能、增進生活品質。」
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從研發到商用，下一步該往哪走？
無論是移動還是抓取，這些技術研發的目標，都是從基礎科學出發，透過大自然的靈感克服傳統方法的局限，打造出讓生活更加安全且便利的機器人。以移動來說，是為了開發能夠在居家環境爬樓梯，或是在災難現場勘查的服務機器人；以抓取來說，則是為了開發能夠在自動化產線上，或是高低溫等特殊環境下，做出更多精密動作的工業機器人。
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近年，隨著材料研發進步，學界開始利用軟性材料建構仿生機器人。相對於傳統的剛性機器人，軟性機器人（soft robotics）由矽膠和水凝膠等軟性材料製成，能夠拉伸、彎曲、扭轉，更靈活地模擬生物的運動模式。
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舉例來說，韓國科學技術院（KAIST）開發內視鏡手術機器人 K-FLEX，能移動到身體深處、精準進行切除手術；中國萬勛科技推出 Pliabot 軟性機器人，模仿人類肌肉和關節，適用於高空玻璃清潔和太陽能板維護等情境；美國國家航空暨太空總署（NASA）則模仿植物藤蔓的運動，研發能在沙地穿行的軟性機器人，未來可應用在月球與行星探索。
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在不斷進步的 AI、仿生、材料科技發展之下，可以預見不久的未來，仿生機器人與其相關的設計都將不再是大銀幕上的電影情節，而是真實存在你我身邊，在各行各業都能派上用場的得力助手！
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（客座總編輯｜國立政治大學資訊學院 劉吉軒院長；研究顧問團隊｜國立臺灣大學機械工程學系 林沛群教授、國立高雄大學健康及仿生科技研究中心 鍾宜璋主任；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）