科學人觀點

科技現在式:向蝗蟲取經的防撞晶片

2020-10-01 文/影像來源:曾志朗
不論是蝗蟲肆虐或群鳥歸鄉,牠們為什麼不會互相碰撞?好問題,科學家也有好答案,而且這個答案可以被工程師應用到無人機、機器人、自動駕駛汽車以及其他無人飛行器上,做為避免相互撞擊的核心機制。
(圖片來源:James Wainscoat on Unsplash)


新冠病毒疫情未了,時序入秋,公衛學者又發出一連串警告:小心新冠和流感病毒雙夾擊或新冠病毒流感化。國內外專家根據最近的研究數據說明,如果先得到流感,將導致ACE2受體慢慢增加,而ACE2受體也是新冠病毒進入體內的通道,會使新冠病毒侵入增多,造成數倍的傷害,因此呼籲高風險者施打流感疫苗,而且繼續維持適當的社交距離,以保安康。也就是說,我原先期盼新冠疫情稍減緩,就能出國參加幾個重要國際會議的計畫,也因此泡湯了!其實無所謂啦,那些國際研討會都已經取消親自到場而改用視訊的方式。


世界發生了非常變故,誰都沒料到新冠病毒以迅雷不及掩耳的速度,鋪天蓋地的破壞全球的生活動態。比之其他地區(包括科學先進的國家),台灣在此次防疫的表現上,人民的配合度可圈可點,幾十年來教育所奠定的基礎建設真是發揮了作用。做為社會的一員,我也努力戴口罩、勤洗手,盡量在家裡或研究室過著關禁閉的生活,就是外出也一定保持社交距離。了解我好動成性的朋友,來電問候,甚至唱起了老歌:「Are you lonesome tonight?」苦中作樂的語氣,透露出在舊金山被「禁足」的無奈。他每天在家上班,偶爾到附近超市買菜,但一出門就看到暗紅天空和淡黃的太陽,有如世界末日,只好乖乖待在家,利用各種電訊傳輸,聯絡各地友人,不只為了解悶,更是要告訴大家「我發故我在」!


或多或少,我們這些不再能到世界各地開會和做學術交流的空中飛人,都有類似的孤獨感。就算想出門走走看看,也得避開人多的場合。恰好有個機會去花蓮參訪原住民小學的科學教育活動,問我要不要去看看?當然去!偏鄉原民的科學教育是我一向非常關心的議題,而且聽說在縣長大力支持下,成立教育網路中心,由資優教師邱文盛老師領導推動原鄉的數位教育,頗有成效,更是非去實地參訪不可。


花蓮真是美麗台灣島的珍珠,山明水秀,景色宜人,而且空氣清新,每吸一口,涼爽入心肺。車站人潮如浪,旅客頗多,可見大家這些日子都悶壞了,但所有人都戴上口罩,候車的座椅也遵守規定間隔開來。下火車站,我們乘坐小巴士到秀林鄉,一路綠蔭撐天,經過石造小橋,來到了銅蘭國小。


原鄉的風味表現在校園的每個角落,教室牆上充滿了原民的圖騰和故事。朵朵白雲高掛在後山山頭,操場一片青綠,小而美的校園處處讓人感到祖靈的照護。教室裡數學老師正在教導學生使用平板電腦搜尋,建構質數的分佈和應用(例如以質數做為密碼),校長是鄰鄉的原民,對學童的關愛自自然然流露在他對待學生的一言一行中,他一再稱讚、感謝縣網中心提供的平板電腦,眼神顯露的是「可以更多嗎?」最好每個學生都有一部,就可以無時無刻、隨時隨地自主學習。這裡是山裡的偏鄉,面對科技的發展,他們怎能缺席?硬體不足,軟體待建立,但在熱心的校長、用心的老師的協助下,孩子的學習成效確實在精進,惟須更多的資源挹注。


出了數位課堂,走到另一端較大的教室。10幾個學生已經佈置好設有類似隧道和各種障礙物的場景。看我們一走過來,就立刻開啟手持遙控器,驅動地上的圓盤形飛行器,避開障礙物,穿過隧道,繞一圈,再經原路線,飛到我們面前緩緩下降。另一位學生接著啟動另一架飛行器,沿著同樣路線也飛一圈,變換了些花樣,然後安全降落。老師們一邊說明飛行器的設計、內部機件、材料、遙控器如何傳遞訊息到飛行器,而飛行器如何接收訊息來調整方位、速度以及升降的原理;學生們一邊練習操作,一邊聽講解,學(玩)得很開心!


我看他們玩了一陣子,技術越來越熟練,利用空檔,故意問一位女學生:「你們在玩什麼?」幾個學生同時回答:「無人飛機!」我又故意指著它們說:「誰說『無人』?這飛行器不是你們在指揮嗎?譬如說放風箏,你在地面上手拉著線,操弄迎風的角度來變化風箏的高低和方位,還要不時轉變位置,才不會撞到其他風箏,你總不能叫它『無人風箏』吧!」一個學生馬上搶著說:「風箏有線被人拉著,而我們的飛行器沒有被我們用線拉著呀!」


不錯,說得好!我接著問:「那差別就在有線和無線,不是有人和無人吧?」大家點頭稱是。我再進一步說明:「高科技讓我們可以使遙控器和飛行器之間產生無線的通訊,然後我們在飛行器上裝上眼睛和GPS,只要在遙控平台下個指令,要它『自行』飛到目標地點,完成任務,再飛回來。沒有人幫它瞻前顧後,全憑它自己的運算,完成飛行任務,這才叫無人飛機,對不對?」大夥兒都點頭,大聲說:「對!」孺子可教也!


我指著他們手上的八架飛行器又問:「如果八架一起升空,搶著過剛剛的隧道,會發生什麼事?」「會相撞啦,老師!」「天上幾十、幾百隻鳥一起飛,速度不慢喔,牠們為什麼不會撞在一起?」沒有人回答,個個面面相覷。我拿出隔天演講要用的照片給他們看,引來陣陣驚呼。一張是幾百萬隻蝗蟲集體飛行掃食農作物的圖片(上圖),壯觀駭人;另一張圖是台灣嘉義縣梅山鄉被稱為「萬鷺朝鳳」的飛翔照,每年9月初成千上萬隻黃頭鷺南遷,美麗非凡。


不論是蝗蟲肆虐或群鳥歸鄉,都有同樣的問題:「牠們聚在一起,急速飛翔,為什麼不會互相碰撞呢?」好問題,科學家也有好答案,而且這個答案可以被工程師應用到無人機、機器人、自動駕駛汽車,以及其他無人飛行器上,做為防止互撞的核心機制!原來蝗蟲的眼睛在小葉內演化出一對寬視野移動探測神經元LGMD(lobula giant movement detector),可以警覺外來物體由小變大的速度,也可以判定外來物體移動的角度,很快計算出外來物的距離和接近時間,一感到撞擊危機,就能即時閃避。這麼簡單,這麼有效!


蝗蟲特殊的視覺機制,啟發了科學家的靈感,近年來不少研究團隊競相研發具有防撞功能的智能裝置。最近美國賓州州立大學的一組工程師,根據LGMD原理,以單層硫化鉬成功研發出可以裝在無人飛行器上的小晶片,體積小、耗能少,而且試飛的結果,也能模擬蝗蟲的視覺神經元反應,偵察出其他飛行物而避開碰撞。這篇論文刊登在8月的《自然.電子學》上,研究者也為這第一代的模擬晶片申請了專利。當然這只是個單向的避撞,更複雜的三度空間會是更棘手的問題。例如有兩、三個飛行物同時飛來,計算的速度必須更快,方位的判定必須更準確,而每個飛行物也都在做同樣的運算,彼此的互動需要更精準的演算,相對的也更加困難,但總會解決的!


這些原民小學童聽到在科學家和工程師的合作研究下,蝗蟲這種害蟲竟然可以成為無人飛行器避免互撞的靈感,都驚奇得不得了。我知道他們現在不一定聽得懂,但有一天,他們也有可能成為科技未來式的創作者!




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