L4 人機介面系統與科技探索
人機系統與科技探索
當我們把某個東西標示為『給障礙者用的』， 許多健全者就認為這與他己無關。所以我們不 想把 walk me 做成什麼特別的東西，而是想讓 更多人都能擁有更多移動的選擇。
——Toyota 先進設計開發室
有一個問題，工程師每天都在問，但學校很少 教你怎麼問：「這，是誰的問題？」
看看圖4-1這台裝置。它不像輪椅，不像機 器人，也不像任何你見過的交通工具。它有四 條細長的腿，座椅高度與站立的成年人視線齊 平。它叫 walk me，由 Toyota 先進設計開發部 門設計，2025 年在日本行動車展首度公開。
開發團隊說，他們理解到一件事：室內外 的段差是物理障礙，但需要他人協助出門，這 件事本身就讓很多人猶豫要不要出去。
這是一個工程問題，但它不只是工程問題。
於是 walk me 的每一個設計決策，都從這個理
解展開。用腿取代輪子，跨越段差、直接搭上 車輛，不需要別人幫忙。座高與站立者視線相 同，讓使用者不再從低處仰視他人。外觀柔
和，像一個日常夥伴，不像一台宣示障礙的機 器。這些決策不是從技術規格推導出來的，它 們來自工程師真正去理解使用者的生活。
在動手解決之前，先真正理解你試圖幫助的那 個人。
在本書的前三章，你建立了理解機器的語 言——結構如何承力、機構如何傳動、機電控 制如何讓系統感知與回應。這一章，我們要用 這個語言讀懂一個真實的人機系統，然後把問 題還給你：如果是你，你想解決什麼？
學習這一章，請記得三件事。
‧觀察人，不只是觀察機器。
walk me 的工程師說，真正的問題不是「怎 麼讓輪椅上樓梯」，而是「怎麼讓一個人不 必為了出門而依賴別人」。問題設定不同， 解法就完全不同。
‧思考取捨，不只是讚嘆技術。
任何複雜系統，都在不同目標之間做著選 擇。習慣問「為什麼這樣設計」，比只問 「怎麼運作的」更能帶你看到更遠的地方。
‧實踐從一個好問題開始。
科技探索的起點不是一個好答案，而是一 個好問題——具體的、有觀點的、屬於你自 己的。
圖4-1 Toyota walk me
的四足設計，讓使用者能直接乘坐其上進入車輛，無需他人協助搬移或另備無障 礙設施。圖片來源：Toyota Motor
壹. 人與機器的邊界
你身上有多少機器？
想一想你今天起床到現在，用過哪些機 器。手機、耳機、眼鏡——這些答案你可能已 經想到了。但如果問的是「哪些機器接觸了你 的身體」，答案或許比你想的更多。
戴眼鏡的人，鏡片將模糊的世界還原為清晰； 戴助聽器的人，電路將微弱的聲音放大傳入耳 道；裝了心臟起搏器的人，每一次心跳都有電 訊號的參與。這些機器的共同之處在於：它們 不是放在手上的工具，而是貼著身體、甚至進 入身體，與人共同運作的裝置。
這讓我們不得不問一個奇怪但重要的問題：人 在哪裡結束？機器從哪裡開始？ 賽博格：一個描述現實的詞
「賽博格」（Cyborg）這個詞來自英文 cybernetic organism，意思是控制論有機體，由 科學家 Manfred Clynes 與 Nathan Kline 在 1960 年創造。這個詞後來進入科幻小說與電影，讓 許多人以為賽博格只是想像中的存在。但如果 我們將它理解為「人與機器持續整合的存在狀 態」，那麼許多人早已是賽博格——只是程度
不同。我們可以用一條光譜來理解：
‧輔助型：眼鏡、助聽器、拐杖。機器在身體 外側，隨時可以取下，功能是補足人的缺損 或延伸人的感知。
‧融合型：心臟起搏器、人工耳蝸、神經接口 義肢。機器進入身體內部，或與神經系統直 接連結，取下意味著失去功能，甚至危及生 命。
‧試驗型：腦機介面（BCI）等前沿技術。機 器開始直接讀取神經訊號，人的「意圖」本 身成為控制指令。
這條光譜並非靜止的，它正在被工程師、 設計師與醫師共同推進。
工程師怎麼解決這個問題？
感測與接收：
植入裝置整合了振動致動器與無線接收模組， 透過藍牙即時接收地震監測資料庫的訊號。
訊號轉換：
地震的規模（芮氏震度）被轉換為
對應強度的振動頻率與振幅， 傳遞給腳底的致動器。
穆恩·里巴斯（Moon Ribas, 1985-）是西班牙賽博 格藝術家與舞蹈家。她在雙腳植入連線地震感測 器，讓自己能即時感受地球各地的震動，並將這個 感知轉化為舞蹈——地球是編舞者，她是詮釋者。
她說：「成為賽博格之後，我感覺與自然更近了，
工程挑戰：
裝置必須夠小、夠省電、能防水， 並在人體運動的動態環境下穩定運作——
這是植入式裝置設計的典型工程課題， 也是生醫工程師每天面對的問題。
因為我能感受到我的星球；我感覺與其他動物物種 更近了，因為我能像牠們一樣感受地震。」
後來，她選擇移除植入物。這件事說明了一件重要 的事：賽博格光譜不是從人到機器的單向箭頭，而 是一個人可以自由選擇位置的連續空間。
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圖4-2 穆恩是西班牙賽博格藝術家，她在雙腳植入地震感測器，讓身體成為感受地球的媒介。這個張開 雙臂的姿態，是她與地球連結的藝術表達。
影片截圖來源：Moon Ribas，Waiting for Earthquakes，YouTube
義足可以是美麗的嗎？
4-44-3
長久以來，義肢的設計目標只有一個：讓 它消失在視線之中。這背後有個隱含假設：缺 失是需要被遮掩的。日本工業設計師山中俊治 （1957 -）從 2008 年起挑戰了這個假設。他 觀察到：當義足運動員在競技場上疾馳，義足 從「需要隱藏的東西」，逐漸變成「值得被看 見的東西」，進而成為「令人讚賞的東西」， 這個轉變讓他意識到，義肢的設計哲學需要從 根本改變。他與東京大學團隊設計的競技義足 「Rabbit」採用 S 字形碳纖維板彈簧作為主要 結構。這不只是外型選擇，而是有工程依據的
機構設計決策：人類行走與奔跑時，小腿的腓 腸肌與阿基里斯腱像彈簧一樣儲存地面反作用 力，再釋放推動身體前進。「Rabbit」的 S 形 板彈簧正是模仿這個儲能與釋能的原理。外觀 完全不試圖偽裝成「腳」，而是忠實呈現人工 物本身的結構邏輯，並以此為美。自然的解法 未必最好，人工物有自己的設計語言。
後來計畫更結合 3D 列印技術，讓每位截 肢者都能獲得個人化訂製義足，以數位製造縮 短過去義肢裝具師長時間手工調整的工序。
圖4-3
2020年東京殘奧會計畫利用最新的製造技術，為運動員提供設計精美、極具藝術性且結構複雜 的義肢。該計畫命名為“MIAMI（增材製造創新計畫）”，由東京大學工業科學研究所增材製造技術 研究教授新野俊樹和著名工業設計師山中俊治教授共同領導。
圖4-4 為田徑選手高桑早生（1992-）與早期款「兔子」並肩奔跑（2010 年 / 鈴木光久攝影）
當機器變成你的「腳」
工程師怎麼解決這個問題？
材料選擇：碳纖維複合材料強度遠高於金
屬，相同重量下能儲存更多彈性位 能，且疲勞壽命長，適合反覆受力 的義足應用。
幾何設計：S
形曲線讓板彈簧在受力變形時， 應力分布更均勻，避免單點集中破 壞，同時讓變形量與人體阿基里斯 腱的生物力學特性吻合。
這是材料、幾何與人體工學三個層次，同時在 運作的工程設計。
學未來機器人技術研究中心（fuRo）合作，開 發了搭乘型智慧機器人「CanguRo」。山中俊治 在構思初期便提出：能否做一個讓人感覺「自 己的腳變成電動驅動」的東西？這個問題的起 點，是「人的身體被機器延伸」，而不是「人 在操作一台機器」。
這個區別很微妙，但很重要——它把我們引向 一個更根本的問題：機器到底應該成為工具， 還是成為你身體的一部分？
4-5
圖4-5
是一款由千葉工業大學未來機器人技術研究中心 (fuRo) 開發的智能可變形乘用機器人。它具備 「機器人模式」與「載人模式」兩種形態，融合了自動駕駛、避障與語音互動技術，外觀採用類似袋 鼠的靈活設計，旨在提升未來個人出行與協助的便利性。
工程師的第一個問題
山中俊治開始設計義足之前，並不急著畫 草圖。 他先去觀察選手的身體，去理解
截肢者的日常，山中俊治問了高桑早生一 個簡單的問題：「穿上義足，你感覺怎麼 樣？」
後來，高桑早生告訴他： 「戴上新的義 足之後，隊友開始主動找我聊義足 —— 在那之前，這幾乎是沒有人知道怎麼開口 的話題。」
設計有時候能改變一個人在他人眼中的樣 子。 這個發現，不是工程計算能告訴你 的。在工程設計中，同理心不是情感技 能，而是問題設定的方法。
設定好的工程問題，需要先回答三件事： ‧為誰？使用者的真實處境是什麼？
‧解決什麼？功能以外看不見的需求是 什麼？
‧誰說算數？技術成立，還是使用者說 「這讓我的生活真的不一樣了」？
當你在 4-3 設定探索問題時，試著先問： 我真的理解我想幫助的對象嗎？
外骨骼：機器穿在身上
在義足與腦機介面之間，還有另一種人機 整合的型態：外骨骼（Exoskeleton）。它不進 入身體，也不只是工具，而是穿戴在人體外 側，透過感測器與馬達，偵測使用者的動作意 圖並主動提供助力。
外骨骼的控制系統，是第三章機電控制迴 路的穿戴實踐版本：
這個迴路每秒執行數百次，其核心挑戰在 於：人的動作是連續且多變的，控制器必須預 測，而不只是反應。
2024 年巴黎奧運的聖火傳遞現場，出現 了一個震撼全球的畫面（圖4-6）：法國帕運 選手 Kevin Piette，因 2012 年摩托車意外導
致下半身癱瘓，穿戴法國 Wandercraft 公司製 造的 Atalante X 自平衡外骨骼，雙手自由地行 走傳遞聖火。Atalante X 是世界第一款能夠讓
使用者在不需要拐杖輔助的情況下自主平衡行 走的外骨骼，搭載 AI 控制系統，能即時調整 每一步的平衡與動力輸出。
台灣緯創醫學也自主研發了下肢外骨骼 「Keeogo（啟而走）」（圖4-7），透過感應 髖關節與膝蓋角度即時變化，帶動馬達輸出精 準的輔助動力，協助中風、腦傷或脊髓損傷患 者重新完成行走、蹲下、爬樓梯等日常動作。 目前已在台灣多家醫院的復健中心投入使用。
外骨骼的出現，讓「輔助」與「融合」的 界線變得模糊。當機器穿在你身上、感應你的 動作、主動幫你出力，你是在「使用」它，還 是它成為了你身體的一部分？
工程師怎麼解決這個問題？
動作意圖的辨識：
感測器不只讀取當下的關節角度，還分析角 度變化的速率與加速度，讓控制器能在動作 完成前就判斷使用者的意圖，提前輸出助 力，避免延遲感。
個人化校正：
每個人的步態、體重、肌力不同，系統需要 在初次使用時進行個人化參數設定，讓馬達 輸出力矩符合每位使用者的實際需求。
用意念控制滑鼠
工程師怎麼解決這個問題？
訊號讀取：
N1 晶片上 1,024 個電極，記錄單 一神經元的放電訊號。這些訊號 即時無線傳輸到外部電腦。
訊號解碼：
大腦神經訊號高度個人化，且隨 時間漂移，系統必須持續學習使 用者的訊號模式，始維持穩定游 標控制。這是機器學習在生醫工 程中的核心應用。
能源問題：
晶片透過感應充電，無需開刀更 換電池——這個看似小事的設計 決策，直接決定了系統的長期可
2024 年 1 月，一位名叫 Noland Arbaugh 的 29 歲男子（圖4-8）在美國接受了一項前所 未有的手術。外科醫生在他的頭骨下方植入了 一枚硬幣大小的晶片，上面連接著超過一千根 細如髮絲的電極，深入大腦運動皮質。這是 Neuralink 公司腦機介面裝置的第一位人體試驗 者。Arbaugh 在 2016 年的游泳意外中頸椎受 傷，肩膀以下喪失了所有感覺與運動能力。
手術後不到兩個月，Arbaugh 在一場線上直 播中向世界展示，自己能夠只靠意念移動電腦
游標，並重新玩起了他喜愛的棋盤遊戲。他每 天使用這套系統約十小時，用它來讀書、學 習，甚至玩電子遊戲。然而這項技術也帶來了 全新的問題。Arbaugh 坦言，他並不確定自己的 腦部訊號資料是否真正屬於自己，他認為社會 需要展開一場認真的討論：神經資料的所有權 屬於誰？
機器讀取人的神經訊號，這是機器在延伸 人的能力，還是人的一部分進入了機器？這個 問題已經不再只是科幻情節。
圖4-8 Noland Arbaugh（1993-）是一位患有四肢癱瘓的美國男子，他於 2024 年 1 月成為Neuralink公 司臨床試驗中 第一個接受該公司研究性腦機介面植入的人類。
攻殼機動隊
《攻殼機動隊》的動畫作品，是 以士郎正宗的原作漫畫為基礎， 由押井守導演執導的劇場版動畫 《GHOST IN THE SHELL / 攻殼機 動隊》於1995年上映。
《攻殼機動隊》動畫讓人邊觀看 邊不斷尋思:當身體可被改造、意 識被網路接管，人類的「自我」 還剩多少主權？知名藝術家呼應 這個主題:空山基以鏡面金屬重塑 草薙素子（圖4-9），將異體的完 美與脆弱同時放大。
《攻殼機動隊》長年討論「人類 與機械的界線」，而空山基則將 這條界線雕塑化。 器官都已替換為機械與電子系統，只有大腦與 記憶尚屬「人類」。她反覆追問自己：如果身 體都是機器，我還算是「我」嗎？我的記憶是 真實的嗎？「靈魂」，究竟棲居在哪裡？
這些問題在 1995 年或許像是遙遠的哲學 思辨，但今天，Moon Ribas 的腳底感受著地球 的震動，Arbaugh 用意念移動游標，Kevin
Piette 雙手自由地傳遞聖火——草薙素子的問 題，已經開始有了真實的座標。
1985 年，美國學者 Donna Haraway 發表了 《賽博格宣言》。她的核心主張是：人與機器 的邊界從來就不是清晰的，而我們過去強加在 這條界線上的種種區分——自然與人工、身體 與工具、完整與缺損——都值得被重新審視。 賽博格不是問題的終點，而是更多問題的開 始。
圖4-9 這個雕塑是知名藝術家空山基於2026年 『攻殼機動隊展 Ghost and the Shell』中以故事主人翁為 主角的作品。（蔡紫德攝於展覽）
三種模式，一條光譜
在進入下一節討論達文西手術機器人這個真實系統之前，我們建立一個分析框架。人與機器的關係 大致可以分為三種模式，每種模式背後都有對應的工程系統在支撐：
人使用機器（工具模式）人操控機器（遙控模式）人融合機器（賽博格模式）
人主動操作，機器被動執 行。鐵鎚、剪刀、鍵盤，人 隨時可以放下它們。對應的 工程重點在結構與機構—— 機器要能承受操作力道，要 能精確傳遞動作。
人在距離之外下指令，機器 在另一個空間執行。無人 機、工業機械臂，以及下一 節將拆解的達文西手術機器 人，都屬於這個模式。對應 的工程重點在機電控制—— 感測器、控制器、致動器構 成完整的閉迴路系統。
這三種模式，都可以在前三章找到工程基礎：
人機模式 工具模式
工程重點
前章對應
達文西上
承力與傳動
第一章 結構
第二章 機構
機械臂的剛性骨架與 連桿設計
遙控模式
機器成為人體的一部分，兩 者共同構成一個運作的整 體。義足、外骨骼、腦機介 面，正是這條光譜的不同座 標。對應的工程重點在感測 器與生物訊號的整合——機 器需要理解人體的狀態，才 能與人協同運作。
感知、判斷、執行生物訊號整合
第三章 機電控制
感測器→ 控制器→ 馬達的閉迴路
三章整合
外骨骼：
綜合前三章全部建構
在外科醫生身上
理解了這條光譜，你可能已經開始好奇：如果讓你選一個角度切入，你最想探索人機系統的哪個層 面？
這個問題，正是 4-3 要請你認真思考的。在那之前，讓我們先把達文西手術機器人這個系統，完整 地拆解一遍。
貳. 拆解真實系統——達文西手術機器人
在你翻到這頁之前，你已經看過本課開頭 的兩頁插圖了。第一頁，達文西的三個組件被 拆開來，對應著你在前三章學過的結構、機構 、機電控制。下一頁，從機器人本體拉出一條 條探索的線索，指向不同方向的工程課題。但 在我們進入這些之前，先退一步，問一個更根 本的問題：
這台機器，是為了解決誰的困難而存在的？
一位外科醫生在進行腹腔手術。手術視野 只有拳頭大的空間，需要縫合的組織只有幾公 釐寬。問題在這裡浮現，非常具體：人的手太 大。會顫抖。在狹小的空間裡活動受限。而手 術需要的精度，遠超過人手所能穩定給予的。
這不是「手術很危險」這種模糊的說法，而是 一個有物理尺寸、有力學限制、有空間約束的 工程矛盾。
達文西手術機器人，就是這個回應。它的 核心解法是：讓醫生的動作，在另一個尺度上 重新發生。 醫生的手在控制台做大動作，系統 把它縮小、穩定、精製，再交給機械臂在體內 執行。
1.結構
達文西的機械臂需要同時滿足幾個互相拉 扯的結構需求： ‧夠剛硬，在手術力道下不產生讓醫生無 法預期的形變
‧夠輕量，讓護理師能推動推車，也讓臂 的慣性不影響精細操作
‧夠精準，臂末端的位置誤差必須控制在 毫米以內
工程師怎麼解決這個問題？
材料選擇：
達文西機械臂採用鋁合金與碳纖維複 合材料的組合。
鋁合金提供結構剛性，碳纖維在關鍵 承力位置提供高比強度——相同重量 下碳纖維的強度是鋼的數倍。
結構設計：
機械臂的截面設計採用空心管狀結 構，以最小的材料用量獲得最大的抗 彎剛性。
重心管理：
病人端推車的底盤設計得夠重，確保 整體在手術中完全固定，穩定性即安 全性，這是結構設計的核心邏輯。
2. 機構
達文西的機構設計有兩個最關鍵的工程成 就，每一個都值得仔細理解。
‧EndoWrist：七個自由度的實現 人類手腕有六個自由度，而 EndoWrist 提供七個——超過人手，讓器械能在體 腔內做出人手無法達到的角度與動作
關於機器人的自由度，可 以觀看這個西北大學的機 器人課程說明。
工程師怎麼解決這個問題？
七個自由度的來源：
肩部旋轉（Roll）、肘部彎曲（Pitch）、 腕部偏擺（Yaw）、腕部俯仰（Pitch）、
腕部旋轉（Roll）、夾爪開合（Grip）
加上器械插入深度的線性移動，共七個。
纜線驅動的力傳遞：
馬達不在器械末端，而在臂的後端。細鋼 索穿越每一個關節，把馬達的旋轉力轉換 成末端器械的動作。
這讓器械末端保持細小（直徑僅8.5mm）， 才能穿過微小的手術切口進入體腔。
纜線驅動的挑戰：
鋼索在每一個關節彎折處都會產生摩擦， 摩擦積累會讓力的傳遞出現非線性——你 推一個力，末端未必得到等比例的動作。
控制系統必須即時補償這個摩擦誤差。
‧RCM 機構（遠端運動中心（Remote Center of Motion）機構）：讓一個點永遠不動 RCM機構也是達文西機器人最精彩的機構 設計。手術時器械必須穿過體表的小切口 進入體腔，切口不能被撐大，否則會傷害 組織。但器械又需要在體內靈活活動。這 個矛盾怎麼解決？ 工程師的答案是：讓器械的所有運動，都 以切口為固定的旋轉中心。不管器械往哪 個方向擺動，切口這個點始終保持不動。
工程師怎麼解決這個問題？
平行四邊形連桿的幾何原理：
取四根桿件，兩兩等長，首尾相連形成平 行四邊形。當這個結構受外力旋轉時，對 邊始終保持平行，這是幾何上必然約束。
RCM 的實現：
利用平行四邊形的幾何約束，讓延伸超出 平行四邊形的桿件，在任何旋轉角度下都 通過同一個固定點。
這個點，就被設定在體表的手術切口上。
約束的代價：
平行四邊形連桿的活動範圍受幾何限制，
在某些極端角度下，連桿會互相干涉而失 效。這是設計者必須在術前規劃機械臂初 始位置時仔細考慮的問題。
3. 機電控制
達文西的控制系統，把 4-1 中討論的「遙 控模式」推向了工程上的極致。 ‧完整的閉迴路控制
工程師怎麼解決這個問題？
縮放與濾抖為什麼能同時做？
縮放是在空間域操作（把位移量縮小）， 濾抖是在頻率域操作（剔除特定頻率的振 動）。兩者作用在訊號的不同維度，可以 在控制器裡同時獨立執行，互不干擾。
延遲的問題：
控制迴路再快，仍然存在微小的訊號延 遲。達文西系統的端對端延遲必須控制在 人類感知閾值以下（約 100 毫秒），讓醫 生感覺操作是即時的。超過這個閾值，醫 生會感覺「手跟不上眼睛」，操作精度與 安全性都會下降。
一個有缺口的設計
達文西機器人把「醫生開刀」這個問題解 決得非常好。但任何工程系統在解決一個問題 的同時，都會產生新的取捨與缺口。
達文西長期以來最著名的設計缺口，是醫生感 覺不到器械末端的力道，只能靠視覺代償。台 灣目前廣泛使用的 da Vinci 5，已首度加入 Force Feedback 技術——器械末端的感測器能即 時偵測推拉力道，研究顯示醫生施力因此減少 了 43%。這個技術從被清楚定義到實現，歷經 將近二十年的材料與感測技術迭代——工程問 題的解決，往往需要等待多項技術同時成熟。
觸覺回饋為什麼這麼難？
感測器的限制：
力感測器要夠小（能放進直徑 8.5mm 的 器械）、夠精確（能感測 0.1 牛頓以下的 微小力道）、能耐高溫消毒（攝氏 134 度的高壓蒸氣滅菌）三個要求同時滿足， 材料與封裝技術都是挑戰。
回饋的安全問題：
如果把感測到的力直接回饋給醫生，醫生 可能因為感覺到阻力而本能地用力推，但 器械在體內，過度施力的後果是組織損 傷。回饋的力道需要重新設計，不能是原 始訊號。
