看得見的手!機械義肢能辨認 500 項物件並自動調整手勢

工程師們常收到抱怨設計出來的東西不能真正滿足使用者需求,但是設計的改良需要一套循序漸進的過程,其實工程師也想要貼心,也想越來越懂你。
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Photo credit: New Castle University
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原文《這個長了眼睛的機械手,無需特殊編程就能抓 500 種東西》刊登於 PingWest,作者 liuxuan,INSIDE 獲授權轉載。

工程師們常收到抱怨設計出來的東西不能真正滿足使用者需求,但是設計的改良需要一套循序漸進的過程,其實工程師也想要貼心,也想越來越懂你。

不然為什麼要給這個機械手裝上眼睛?

不要小看這個眼睛的作用,在長眼睛之前,機器手需要你告訴它每樣東西都該怎麼抓,否則它就胡亂抓。想像一下你閉著眼睛找東西的樣子,大概就是這樣。

機器手是本來就有的,攝影鏡頭和圖像識別技術也是本來就有的,但是把這三樣已知技術結合在一起,就解決了義肢 「瞎抓」 的問題。這是 英國新堡大學 生物醫學研究人員想出來的主意:把一個可以進行圖像識別的攝影鏡頭搭在一個義肢原型上。

使用已經開發好的電腦視覺技術,研究人員通過深度學習訓練這個攝影鏡頭識別 500 個物體。比如當使用者想要拿起一個杯子,不需要自己向義肢輸入任何訊號,在你把手伸向杯子的過程中,義肢的攝影機會對眼前的物體拍照,在後台識別,然後根據深度學習訓練的結果判斷這個物體應該怎麼抓,再把手型調整到相應的抓握形狀(比如拿起一支筆需要夾持的動作,拿起一杯水需要握住杯柄垂直移動),最後一步根據用戶的肌肉放電訊號確認抓力。

新堡大學生物醫學講師 Kianoush Nazarpour 博士說,「使用電腦視覺,我們開發出一種能夠自動反應的仿生手,實際上就像一隻真正的手,用戶可以快速地使用對的方法去拿一杯水或者一塊餅乾。」

「這個系統的優勢在於它更靈活,能夠拾取新鮮的物體。這是相當重要的,因為在日常生活中,人們需要毫不費力地拿起他們從未見過的各種物品。」

目前已有的義肢,通常需要使用者用各種方式傳達一些信號才能做出相應的動作反饋,也就是不管透過什麼方式,你需要告訴你的義肢你要拿什麼。

比如在肩部或者斷肢位置接入電極陣列用來讀取肌肉活動,在感知皮層植入電極陣列用於感知用戶的想法,隨後透過感應器發出手勢信號,告訴義肢該怎麼行動。這種把測量神經信號的感應器植入肌肉內部應該是目前最先進、最昂貴的義肢了。

美國國防高等研究計劃署( DARPA)在 2016 年底上市的 LUKE 就是這樣的義肢。 DARPA 希望 LUKE 是那種佩戴之後你可以用大腦控制的義肢,只要腦子想做出什麼動作,機械手就會對應去完成,目前已知 LUKE 已經可以完成吃漢堡、拿鑰匙開門、刷牙梳頭、吃漢堡,甚至是拉拉鍊這種很細節的動作。

這的確是一種理想的生物手替代品,但是這樣的高級手並不是每一個需要義肢的人都能負擔的起。先前有傳言稱一隻 LUKE 的價格大概在 10 萬美元左右。

給機械手裝上眼睛讓它自己去看,相對來說就便宜多了。

根據新堡大學研究人員的說法,安裝了眼睛的義肢,反應速度要比市場上大多數義肢快 10 倍左右。而且也很便宜,這個義肢的眼睛使用的僅是一個普通的羅技

攝影鏡頭,用於圖像識別訓練的 AI 模型也可說是很廉價的。

最重要的是,使用者可能不太需要動什麼腦子去跟義肢對話和溝通,一些交給義肢自己解決。

不過也不是說它就是完美的,首先用於識別的神經網路不能做到完全準備,目前只有大約 80%-90% 的準確率;其次如果真的實現大規模應用的話,除了長眼睛之外,這只手最好還要長腦子,能做到記憶和自主學習,而不僅僅是依賴工程師不斷的餵標籤數據。

世界這麼大,需要把握的東西太多,一隻 遲鈍的機械手也許還是會錯失一些機遇和幸運。知道怎麼撿起地上掉的錢包,卻不知道怎麼撿起剛飄落的一朵花,也是一件挺遺憾的事情。


我把教室 FUN 大了!打造以孩子為中心的智慧校園

近年教育部致力推動國內中小學打造「智慧校園」與「智慧教室」,讓科技工具成為老師創新的助力,不但讓第一線教師更願意用活潑的互動教學取代傳統「老師講、學生聽」方式,學生也紛紛回饋「上課變好玩了!」,達到縮短數位落差、培育跨域數位人才,實現智慧國家、落實數位平權的目標。
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Photo Credit:兔包
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身處 21 世紀的我們,面對快速變遷的世界,學習新知與適應環境的方式都需要改變。由美國教育機構率先提出的「21 世紀技能」(21st Century Skills),包括創新的思考能力、獲取資訊及使用資訊科技的能力、溝通與團隊協作能力等,這些能力被認可為本世紀每個人都應該具備的基本技能。由此可知,具備資訊科技能力重要性大幅提升。

因此,越來越多的世界各國教育政策朝向結合新興科技的素養教育方向發展,台灣科技教育也不落人後,藉由前瞻基礎建設「校園數位建設推動計畫」的著力點,希望數位學習工具普及成為師生上課的好幫手,打造智慧學習環境。推動過程中發現,當校園數位基礎建設到位,不但第一線教師更願意用活潑、創新的互動教學取代傳統的「老師講、學生聽」,學生也紛紛回饋:「上課變好玩了!」

智慧教室 把學習的快樂還給孩子

根據教育部調查顯示,當學校教室的資訊基礎環境提升,教師開始將數位科技融入教學,有高達 80% 學生覺得課程變得有趣並能了解上課內容;而在課堂互動方面,約 70% 學生喜歡跟老師或同學進行互動,更覺得能夠專心上課;且有超過 60% 學生覺得使用資訊科技設備進行作業發表時有成就感。

校園數位建設推動計畫主持人政大資科系李蔡彥教授表示,全台灣有 6 萬多間教室,目前執行團隊已輔導完成近 5 萬間智慧教室的建置。「當我們剛開始到學校訪視,最常聽到老師反應的問題是網路不穩、投影看不清楚」,授課品質不佳,學生提不起興趣,即使老師想嘗試新的教學法也有困難,「這些設備對都市學生來說可能都很基本,卻不是每個偏鄉孩子都能擁有的權益。」

李蔡彥說,數位基礎建設的內容很廣泛,不同縣市、不同學校有不同的需求。「我們也希望透過這次全面性的檢視,了解各縣市學校的數位落差,再去彌補起來。」李蔡彥舉例說,有的學校不是每間教室都有投影機和 WiFi,那就要優先購買這些設備;有的學校教室顯示器材已經很不錯,又打算發展特色課程,就可以考慮採購平板、增建虛擬實境等。「現在全國有 40% 教室都已經裝了大尺寸觸控螢幕,教材呈現更多元,師生互動更活潑,孩子反應都很熱烈。」

應用數位科技 點亮教師手中的魔杖

宜蘭松羅部落學校(宜蘭縣大同國小松羅分校)全校僅有 35 名學生,許多孩子來自單親或隔代教養的家庭,數學科林政琦老師一直希望能突破教學瓶頸,提升孩子的學習動機,嘗試過各種方法都失敗。

參與「校園數位建設計畫」輔導後,採用平板搭配民間教育平台(如均一教育平台)教育雲等數位平台輔助教學,有了很大的改變。「我們上課很少用課本,但我進步很多」、「不懂的地方可以看影片複習,一直看到懂為止」、「可以跟同學討論,分享我的想法,聽不懂沒關係,不會被罵」松羅分校的孩子們說道,神情充滿自信。

「以前這些孩子遇到考試都愁眉苦臉,但現在竟然會跟我說:以後我也要當老師。」林政琦老師笑說,有了行動載具,透過影像化、遊戲化的學習資源幫學生打好基礎,能增加課堂上的操作練習時間,反覆熟練到學會為止,「當我發現孩子真的對學習產生興趣,在上課以外的時間還會自己用平板練習做題目,真的非常感動。」

連江縣立中正中小學也藉由前瞻計畫的挹注提升網路環境,將各班全面改建為智慧教室。比方說,電子講桌可以存放各年級教材,學生不用再扛一堆課本上學。而有了穩定的網路,更能發展遠距教學,例如國中部就與台北市的數位學習中心中崙高中合作視訊教學,國小部則有台大國際學伴交流等,讓偏鄉孩子有更多機會。

此外,李蔡彥教授更提到,3 年多前全台所有國中小的網路管理業務多由資訊組長或資訊老師處理,是一大負擔,現在透過專業團隊設計智慧網管,能夠快速查找、診斷、排除甚至預測網路問題,輕鬆維護學校網路暢通,降低維運成本,「這應該是全世界的創舉。」

為台灣科技教育贊聲

放眼國際,我們看到智慧校園的影響力可以走出教室,更可以走出國界。你希望透過科技,解決什麼問題,台灣的未來又會變成什麼樣呢?

隨著台灣社會的數位化高速發展,培養同時擁有運算思維及設計思維、橫跨科學及人文藝術領域技能的人才,是全民共識的 21 世紀未來人才特質,這些技能不只學校老師應該教給學生,成年人也應該持續自學,為自己的未來加值。

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