足式機器人何必非得四條腿!機器人該長啥樣,MIT 讓電腦「立規矩」

作者 | 發布日期 2020 年 12 月 12 日 0:00 | 分類 尖端科技 , 機器人 Telegram share ! follow us in feedly


談起學英語,很多人最頭痛的就兩個字──文法(grammar)。

不僅英文有文法,任何語言都有文法。身為語言學(Linguistics)的分支,文法是語言的規則。為字詞、片語、句子訂規矩,一門語言就有基礎;同理,設計機器人也需要規則,就如機器人穿越某種地形時,形態如何極為關鍵。

想像一下,要設計會爬樓的機器人,應該像人有兩條腿,還是像螞蟻有六條腿?

(Source:影片截圖)

想知道何種形態爬樓效果最佳,最直接的方式是把每種可能都試一遍,但耗時耗力。基於此,美國麻省理工學院(MIT)有了幫機器人制定「語法」的想法──開發名為 RoboGrammar 的電腦系統。

機器人要長成什麼樣,就讓電腦決定吧!

電腦如何設計機器人?

1967 年,SIGGRAPH(Special Interest Group for Computer GRAPHICS,電腦圖形圖像特別興趣小組)成立,關注點在於電腦繪圖和動畫製作軟硬體技術。

1974 年起,SIGGRAPH 開始舉辦年會,為眾多電腦圖像技術軟硬體廠商的最新研究成果提供展示機會,SIGGRAPH 年會的展品常被媒體稱為圖像式未來。如 SIGGRAPH 2017,NVIDIA 展示 VR 相關技術、英特爾展示電影《敦克爾克大行動》拍攝時的技術支援。

於是 SIGGRAPH 2020(Asia),MIT RoboGrammar 系統公布研究成果。

論文題為《RoboGrammar: Graph Grammar for Terrain-Optimized Robot Design》(機器人語法:基於地形優化機器人設計的圖形語法),直接點明 RoboGrammar 的重點:地形。

MIT 研究團隊初心在創新機器人形態,以達到最佳性能。論文第一作者、MIT 電腦科學與人工智慧實驗室(CSAIL)博士生 Allan Zhao 認為,設計機器人的目的可說幾乎無窮無盡,但總體形態設計都很類似:

當你想製造需穿越複雜地形的機器人時,腦海可能會立刻跳出四足機器狗,但我們想知道這是否真是最佳設計。

研究團隊設計的 RoboGrammar 系統為自動化方法,主要用於生成最佳機器人結構。

要打造機器人,首先電腦需要知道兩種訊息:一是有哪些零件(輪子、關節等)可用,即下圖的 components;二是機器人未來要用於哪種環境(樓梯、平坦區域或光滑表面,或是幾種地形組合等),即 terrains。

例如在摩擦係數僅 0.05 的結冰湖面,機器人的形態可以是這樣。

(Source:影片截圖,下同)

再如類似這種組合地形。

基於兩方訊息,接下來的工作就可完全交給 RoboGrammar 系統了。

機器人組件所有排列方式透過圖形語法(graph grammar)表示,之後可能形成數十萬個機器人的形態設計(grammar generated structures),都用一幅圖表示。

也就是說,每種設計都對應一個語法規則序列,這種語法規則主要受自然界節肢動物啟發。

機器人哪種形態最佳?

有了語法規則,針對特定地形,系統生成多樣排列組合。但如 Allan Zhao 所言:

語法創造的只是數量,並非機器人的最佳形態。

那麼,哪種形態最佳?

RoboGrammar 系統開始關鍵步驟:自動檢索適用地形的性能最佳機器人及相應控制器。

所謂控制器,是指一組能為機械結構賦予生命的指令,控制機器人各馬達的運動順序,論文描述控制器的演算法為「模型預測控制」(Model Predictive Control),其中快速向前移動的優先等級最高。

當每個機械結構賦予生命後,電腦就會透過稱為「圖形啟發式搜索」(Graph Heuristic Search) 的神經網路算法檢索高性能機器人。

作為一種新型的組合設計空間的高效搜索方式,Graph Heuristic Search 使得電腦在探索設計空間的同時學習函數,該函數能將不完整的設計(如組合搜索樹中的節點)映射到通過擴展這些不完整的設計實現的最佳性能值。

值得一提的是,Graph Heuristic Search 優先探索的是設計空間中那些最有希望的分支。

為進一步測試 Graph Heuristic Search, 研究人員特意設定了多種對機器人來說具挑戰性的地形。結果證明,不論單一地形還是地形組合,RoboGrammar 都能生成性能最佳的機器人。而上述所有步驟都發生在工程師拿起螺絲釘之前。

Allan Zhao 表示:

目前為止,機器人設計仍是非常「手工」的過程,而 RoboGrammar 則是更新穎、更有創意的機器人設計方法,可能也更高效。

機器人研究權威專家、美國哥倫比亞大學教授 Hod Lipson 對這項研究成果的評價是:

這項工作是 25 年來自動設計機器人形態和控制方面的最高成就。使用圖形語法的想法已出現一段時間,但還沒有哪個團隊能像這樣完美達成這想法。

正如很多科學領域,機器人的未來還有很大的想像空間,期待 MIT 的創新想法後續進展。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:影片截圖)