從奈米定位到手術機器人：顏家鈺教授深耕精密運動控制，讓機器動得更準、更穩、更聰明

從電腦硬碟的磁頭定位、半導體先進製程設備，到手術機器人與雙足機器人，看似截然不同的科技，其實都面臨一項共同挑戰：如何讓機器按照指令，在正確的時間精準移動到正確的位置。

國立臺灣科技大學機械工程系講座教授顏家鈺榮獲2026年國科會傑出特約研究員獎，他長期投入精密運動控制與伺服系統研究，研究生涯橫跨數十年，也親身見證精密控制技術從「微米」走向「次奈米」的巨大進展。他曾任國立臺灣大學工學院院長、臺大機械工程學系教授，2021年起擔任臺灣科技大學校長暨機械工程系講座教授，持續推動精密控制、智慧機器人與跨領域工程研究。

精密控制，就是讓機器「又快又準」

什麼是精密運動控制？簡單來說，就是讓機械設備不只「移動」，還必須精確控制移動的位置、速度與時間。

顏家鈺教授回顧，早期磁碟機的控制精度約為1微米（μm），隨著半導體製程不斷微縮，今日先進製程設備所面對的控制要求已進入次奈米尺度。1奈米只有十億分之一公尺，這意味著設備即使產生極微小的震動或位置誤差，都可能影響製程結果。

控制工程面對的問題因此也愈來愈複雜。過去工程師主要透過反覆調整控制器參數，使機器達到指定位置；隨著數學最佳化方法、感測器、數位控制器與高速運算技術進步，現在的控制系統已能在機器運動的同時持續計算與修正。

硬體能力同樣大幅提升。早期數位控制器的運算與輸出能力有限，如今控制頻率、解析度與驅動器響應速度均顯著提高，即使是數十公斤重的精密設備，也必須兼顧高速移動與精準定位。換句話說，現代機器不能只要求「最後停得準」，而是從開始移動到停止的整個過程，都必須受到精密控制。

從「控制機器」走向「預測機器」

運算能力的提升，也正在改變控制工程的思維。

傳統控制系統多半根據機器目前的狀態做出反應；現在則可以利用數學模型預測機器接下來可能發生的變化，再提前決定最適合的控制方式。這類「預測控制」讓機器有機會同時考量速度、精度、穩定性、能耗及安全等多項需求。

因此，控制工程的新挑戰不只是「怎麼算」，更重要的是「我們究竟希望機器做到什麼」。如何建立適當的性能指標，將人類對安全、精度、速度與穩定性的要求轉換成機器可以計算的目標，逐漸成為智慧控制的重要核心。

精密控制走進手術室，讓機器人協助微創醫療

顏家鈺教授也將多年累積的控制技術延伸至醫療工程。透過與醫師合作，他投入手術機器人及軟性機器人研究，探索如何利用精密控制提升微創手術的靈活度與安全性。

微創手術必須透過人體上非常有限的切口操作器械，因此機器人的每一個動作都必須受到嚴格控制。結合高速運算與軟性機器人技術後，可以在機器人的運動過程中設計多個「瞬時運動中心」，使器械靈活移動的同時，仍能盡量維持切口位置，降低不必要的拉扯。

這正是精密運動控制從工業設備跨入醫療領域的重要例子——原本追求機械定位精度的技術，進一步轉化為與人體安全密切相關的智慧醫療科技。

為雙足機器人打造即時「數位分身」

另一項重要研究方向則是雙足機器人的數位孿生（Digital Twin）。

所謂數位孿生，可以想像成在電腦中建立一個與實體系統同步運作的「數位分身」。顏家鈺教授團隊發展的雙足數位孿生，可即時模擬人的行走、轉彎等動作，並分析維持身體平衡所需要的資訊。

這些研究不只是為了打造更會走路的機器人。人體如何保持平衡、重心如何轉移、不同關節應該如何協調，都與復健醫學、行動輔助裝置及外骨骼機器人的發展密切相關。未來若能更精確掌握人體運動與機器控制之間的關係，機器人科技便可能進一步協助高齡者、復健患者或行動不便者提升活動能力。

圖說：顏家鈺講座教授團隊執行的雙足機器人數位孿生技術實驗，透過人體行走與轉彎動作擷取，即時建立虛擬模型並模擬運動狀態，分析步態與平衡控制資訊，可望應用於運動輔助、復健醫療及外骨骼控制。

數十年研究累積，從「精準」走向「智慧」

從早期磁碟機的微米級控制，到半導體設備的次奈米定位；從精密機械跨足手術機器人，再延伸至雙足機器人與數位孿生，顏家鈺的研究歷程也映照出控制工程數十年來的快速演進。

他特別感謝教育部、國家科學及技術委員會長期提供研究經費支持，以及學界、醫界與產業合作夥伴共同投入，包括台積電、上銀、新代、致茂、大銀微系統、寶元與達明等企業。產業對高精度、高響應控制技術不斷提出新的需求，也促使研究團隊持續面對新的工程挑戰。

對顏家鈺教授而言，真正重要的研究能力並非一夕形成，而是來自長時間累積。他從數十年的研究經驗體會到，唯有長期深入一個領域，持續面對新的問題、吸收新的知識並與不同領域合作，才能逐步建立真正具有深度的研究眼光與競爭力。

當機器從「按照指令移動」逐漸走向能夠預測、調整甚至與人體協作，精密運動控制也不再只是藏在設備內部的工程技術，而是串聯先進半導體、智慧製造、醫療機器人、數位孿生、復健科技與智慧機器人的重要基礎。顏家鈺教授數十年來所累積的研究成果，正呈現了這項基礎工程技術如何一步步走進更廣泛的科技與生活應用。

參考資料：https://web.nstc.gov.tw/cen/oaa/award_114/Jia-Yush-Yen.html