Caltech：南加州智慧機器人與災害防救科技
摘要與前言：
加州理工學院(Caltech)的自主系統與技術中心 (CAST) 是一個頂尖的智慧機器人研究單位，致力於開發具備高度智慧與適應能力的次世代機器人。該中心匯聚了跨領域的專家，共同研發能應用於無人機技術、自主探測及仿生工程等領域的尖端科技。其研究成果涵蓋了可應對複雜地形的多功能機器人，以及旨在改善人類生活的智慧義肢與自動化救災設備。此外，CAST持續透過學術界與噴射推進實驗室 (JPL)及產業界的跨界深度合作，將智慧化系統推廣至現實世界的各種極端環境中與多模態、多功能機器人，核心目標是結合基礎科學與創新設計，以突破現有自主化系統的安全與性能界限，同時達到造福人類福祉與符合社會需求的目標。
↑ 圖說：Caltech CAST研發的各類型智慧機器人/載具 圖片來源：CAST)
一、CAST(Center for Autonomous System and Technologies)
1.緣起與願景：CAST自主系統與技術中心係由是長期支持科學研究與綠色科技發展的慈善家Foster與太太Coco Stanback共同捐助成立，創始主任則為加州理工學院(Caltech)Hans W. Liepmann航空與生物工程學教授、美國國家工程院院士Morteza (Mory) Gharib教授擔任。該中心匯集了Caltech的工程與應用科學院(Division of Engineering and Applied Science)、地質與行星科學院(Division of Geological and Planetary Sciences)以及美國國家噴射推進實驗室(JPL)的頂尖研究人員；旨在創造次世代自主系統，推動無人機、自主探索以及仿生系統等領域的發展，期待將各種「智慧機器人系統」，成功部署於複雜的現實世界環境。
2.核心技術：CAST匯集了來自航空航太、機械工程、資訊科學、生物工程、地質學家等不同領域的科學家，並以五大登月計畫(Moonshot)進行跨域整合的研究：
▪️探索者(Explorers)：開發能在未知複雜地形導航的行星、水下與太空機器人團隊，如推動火星直升機「Ingenuity」升空，並正為NASA訓練能深入探索火星洞穴的類人機器人，並打造了一款可在火星探索的鳥類懸停機器人，未來可在未知複雜地形與外星環境中進行探測任務。
▪️守護者(Guardians)：專注於無人機/機器人動態事件監控與災難(如地震、海嘯)第一線緊急救援，如結合無人機攝影測量 (UAV-SfM)與大型視覺模型技術，自動生成地表特徵的「3D語義建圖與地震危害評估」，用於分析地震危險性；以及與阿布達比技術創新研究所(TII)合作，展示了無人機、人形機器人與變形機器人組成的協作團隊，實現由機器人災難應變團隊提供緊急救援的模式。
↑ 圖說：Caltech & JPL合作研發之RoboSimian，可分別應對災難救援及極端環境精準操控工具，後續CAST亦持續研發及拓展該機器人功能性，期待未來能投入土星或其他外太空星球探測任務。(Photo credit: CAST)
▪️變形者(Transformers)：開發能在太空及地表自行組裝、依據需求與任務改變形狀與功能的自主機器人，代表作為M4 變形機器人 (Multi-Modal Mobility Morphobot)，這款受生物啟發的「變形金剛」能將同一組附肢用於不同功能，在飛行、滾動、爬行與站立模式間順暢切換，透過改變自身形態來適應極端地形的能力，精準展現了「形狀與功能轉換」的技術成果。
▪️運輸者(Transporters)：為開發能適應全天候條件的飛行救護車與太空無人機物流系統，CAST在無人機競技場中，展示了即使掛載液體(高風險載荷)，無人機也能透過動態學習保持極高穩定性與安全性，奠基全天候飛行救護車與安全空中物流所需之技術；此外，CAST M4 與人形機器人在校園場景中模擬緊急物資運送(跨越陸地與池塘)，以及自行開發的自動駕駛IndyCar，於美國公路賽事中亦展示了安全自動導航與運輸的潛力。
▪️合作夥伴(Partners)：打造可協助醫療手術、長者照護及提供娛樂的輔助型機器人，CAST願景包含開發能自主深入人體切除腫瘤或修復心臟瓣膜的智慧導管，以及具備全身感知能力的智慧義肢，期待未來能在災害現場、受限制的極端環境中，成為重要的醫療輔助，目前所開發的LEONARDO 雙足機器人，已經結合行走與飛行能力，甚至能走軟繩與玩滑板，此一具備高動態平衡能力的機器人，未來可進一步應用於娛樂、引導或長者照護。
↑ 圖說：LEONARDO雙足機器人可飛行也可靈活玩滑板(Photo credit: CAST)
▪️Aerodrome：同類型中最高的室內無人機測試場(室內高度達41英尺)，配備由1296個風扇組成的客製化風牆，可產生高達35英里的陣風、側風甚至渦流，能模擬最嚴苛的真實天氣條件；此外，場內設有48個攝影機，可以100 microns的分辨率追蹤無人機的軌跡。
↑ 圖說：CAST Aerodrome室內無人機測試場(Photo credit: CAST)
▪️Aerospace Robotics and Control Laboratory：擁有極高精度的平坦地板(誤差小於千分之一英吋)，能利用高壓氣流模擬太空飛行中的無摩擦運動的航空航太機器人與控制實驗室。
↑ 圖說：CAST 模擬外太空飛行及無摩擦運動的實驗室(Photo credit: CAST)
▪️ Advanced Mobility Lab：配備最高時速達40英里的客製化跑步機及多種地表材質軌道，專供步行機器人測試步態。
二、整合平台mITRAR
MITRAR 是一款由加州理工學院(Caltech)航太與醫學工程學教授 Mory Gharib 團隊開發的「即時安全檢測與應變整合平台(Real-time safety detection software)」，成功將先進的電腦視覺演算法、即時環境監測與擴增實境(AR，Augmented Reality)技術深度結合，並應用於火災偵測與救難。
1.核心技術與運作機制：將先進的電腦視覺演算法、即時環境監測與擴增實境(AR，Augmented Reality)技術深度結合，並以以下三個主要步驟提供前進指揮所決策支援與多元訊息：
▪️即時危害辨識(Identify)： 利用感測器與鏡頭捕捉周圍環境，透過後端的 AI 演算法，在毫秒等級的即時(Real-time)狀態下，自動偵測出環境中潛在的危險因子(例如：有害氣體洩漏、異常高溫、火源、機械結構故障或外來物體侵入)。
▪️AR 視覺化通知(Notify)： 系統會將這些肉眼可能無法第一時間察覺、或隱藏在暗處的危險，以視覺化的方式(例如不同顏色的警示標記、虛擬箭頭或熱點圖)直接疊加呈現在使用者的 AR 眼鏡、頭盔或行動裝置畫面上。
▪️主動引導應變(Assist)： 它不單單只是發出「有危險！」的警告，更進一步的是，系統會透過 AR畫面即時引導使用者如何應對與處置(例如：提示最近的避難安全路線、動態顯示關閉危險閥門的步驟指南等)。
2.主要應用場域
▪️極端高危環境(工業與核能安全)：用於工廠巡檢、化學基地、核電廠等。員工配戴AR設備即可在工作時防範未然，在發生事故時也能在濃煙或混亂中依循導引撤離或關閉設備。
▪️第一線災害救援(應變與消防)：與第一線救災人員的裝備整合。例如在火場、倒塌建築物中，MITRAR能結合熱成像與 AR，幫消防員標示出火源、危險結構以及最佳撤退路線。
▪️高風險操作培訓：運用於工程師或操作員的日常模擬訓練，透過AR即時糾正錯誤操作，防止因人為疏忽導致的工安意外。
三、Caltech M4(Morphobot)
1.研發團隊介紹：M4變形機器人是CAST創始主任Mory Gharib教授與東北大學(Northeastern University)Alireza Ramezani 教授協同設計的結晶。此外，CAST 也積極展開國際合作，例如與阿布達比技術創新研究所(Technmology Innovation Institute UAE, TII)建立夥伴關係，共同研發並成功測試了多機器人協同應急團隊，並將TII自研的「Saluki」安全飛行控制器與運算技術整合至新一代 M4 上。
↑ 圖說：Caltech M4 (Multi-Modal Mobility Morphobot)；來源：Caltech
2.核心技術與運作機制
▪️仿生附肢多功能復用技術(Appendage Repurposing)：M4屏棄了傳統機器人使用冗餘硬體(如同時安裝輪子與旋翼)的設計，而是模仿自然界動物(如海獅利用鰭足兼顧海陸移動、狐獴以雙足站立眺望)的姿勢與步態，達到精簡硬體呈現多功能的設計。
▪️ 多模式型態轉換機制：M4的四個附肢裝有輪子與內嵌的螺旋槳，並配有高活動性的關節。當需要飛行時，四個輪子會向上摺疊，使內置螺旋槳轉向朝上成為旋翼；當需要以雙輪站立時，其中兩個輪子會折起並旋轉螺旋槳以提供平衡阻尼。
↑ 圖說：M4四個輪子向上摺疊翻轉，形成飛行螺旋槳(來源：Caltech)
↑ 圖說：M4機器人轉化為站立行走模式(Walking Mode)(來源：Caltech)
▪️物理模型與機器學習融合控制：結合「物理與模型基礎控制方法」與「現代機器學習」(讓機器人在無人類數據參考下學會適應性動作)，並能利用傳感器數據自動判斷前方地形以選擇最節能的移動路徑。
3.主要功能與亮點特色
▪️八種運動模式切換：可在四輪滾動、雙輪站立眺望、步行、飛行、兩輪旋翼輔助爬坡、翻滾越障、蹲姿穿過障礙，以及利用兩具旋翼如雙手般操控球體等模式間順暢切換。
▪️兼顧能效與靈活性：平地以最省電的「滾動」前進，遇到45度陡坡時，會開啟上方旋翼提供推力輔助輪子爬坡，比單純以「飛行」越過斜坡更節省能源。
▪️模組化擴展性：可搭載2公斤的傳感器載荷；並曾與TII協作開發搭載「Saluki」安全飛行控制器與運算晶片的版本，具備防範網絡及敵意攻擊的安全自主防禦能力。
4.應用場域
▪️天體行星探索：為NASA JPL研發，用於火星等未知、崎嶇的地球外太空環境探測。
▪️城市與野外搜救(Search and Rescue)：在廢墟、障礙物堆積的災難現場進行靈活越障與搜救。
▪️空中醫療救護與緊急物流：模擬在校園或城區發生緊急事件時，克服池塘、階梯等障礙，協作運送緊急物資。
▪️森林及野外火災偵察：作為CAST 野外防火評估(Firefighting Evaluation)技術平台的一環，負責前線即時狀況偵測。
**以上資料由科技組自行蒐整**
