在筆記本電腦上從頭設(shè)計(jì)一款會(huì)走路的機(jī)器人，AI只需26秒

　　本文來(lái)自于微信公眾號(hào) 機(jī)器之心(ID:almosthuman2014)，作者:微胖、蛋醬。

　　受自然界進(jìn)化設(shè)計(jì)的啟發(fā)，使用進(jìn)化算法的機(jī)器人自動(dòng)化設(shè)計(jì)已經(jīng)嘗試了二十年，但效率仍然低下�，F(xiàn)在，從一塊肥皂狀物質(zhì)到成功步行的機(jī)器人，AI 的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程在筆記本電腦(消費(fèi)級(jí)硬件)上只用了26秒。

　　一直以來(lái)，設(shè)計(jì)一款機(jī)器人的難度是有目共睹的，這是由于機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)、感官和運(yùn)動(dòng)布局以及行為之間存在著非常復(fù)雜的相互依存關(guān)系。迄今為止，每個(gè)機(jī)器人的眾多細(xì)節(jié)都會(huì)經(jīng)由人類設(shè)計(jì)師數(shù)月或數(shù)年來(lái)的反復(fù)構(gòu)思、原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，最終手動(dòng)確定。

　　此前，一些研究者也嘗試過(guò)利用進(jìn)化算法自動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)器人，但其效率仍然很低:在模擬中設(shè)計(jì)機(jī)器人，同時(shí)使這些機(jī)器人在制造出來(lái)后能表現(xiàn)出所需的行為，大概需要數(shù)天的超級(jí)計(jì)算時(shí)間。

　　最近，由西北大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了迄今為止第一個(gè)可以從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)機(jī)器人的 AI，相關(guān)研究于10月3日登上《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。

　　值得注意的是，這個(gè) AI 是在普通的筆記本電腦上運(yùn)行的，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程只用了26秒，而且研究者沒(méi)有提供任何設(shè)計(jì)方面的線索。也就是說(shuō)，AI 自己領(lǐng)悟了「長(zhǎng)腿」是穿越陸地的好方法。

　　當(dāng) AI 從零開(kāi)始設(shè)計(jì)機(jī)器人

　　「我們發(fā)現(xiàn)了一種非�？焖俚� AI 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)算法，繞過(guò)了進(jìn)化歷史上的漫漫長(zhǎng)路，也不會(huì)依賴于人類設(shè)計(jì)師的偏見(jiàn)，」西北大學(xué) Sam Kriegman 說(shuō)。Sam Kriegman 是西北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)和生物工程以及機(jī)械工程的助理教授，也是機(jī)器人和生物系統(tǒng)中心( Center for Robotics and Biosystem)成員。

　　「我們告訴人工智能，想要一個(gè)可以在陸地上行走的機(jī)器人，然后按下按鈕，就可以了!一眨眼功夫就設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)器人，看起來(lái)一點(diǎn)也不像曾經(jīng)在地球上行走過(guò)的任何動(dòng)物。我把這個(gè)過(guò)程稱為『即時(shí)進(jìn)化』�！�

　　一開(kāi)始，研究人員給了 AI 一個(gè)簡(jiǎn)單提示:設(shè)計(jì)一個(gè)可以在平面上行走的機(jī)器人。

　　雖然自然界花了數(shù)十億年的時(shí)間才進(jìn)化出第一個(gè)行走物種，新算法卻將這一進(jìn)化過(guò)程壓縮到了閃電速度 —— 在26秒鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)成功步行的機(jī)器人。

　　它的設(shè)計(jì)速度不僅快，還可以在個(gè)人電腦上運(yùn)行，并從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)。這與其他 AI 系統(tǒng)形成鮮明對(duì)比，后者通常需要依托超級(jí)計(jì)算機(jī)和巨大的數(shù)據(jù)集。而且，即便處理完海量數(shù)據(jù)后，這類系統(tǒng)也往往受到人類創(chuàng)造力的限制 —— 只是模仿人類過(guò)去的作品，而無(wú)法產(chǎn)生新想法。

　　AI 先從一塊大約肥皂大小的塊狀物質(zhì)開(kāi)始，起初這團(tuán)物質(zhì)只會(huì)搖晃，完全無(wú)法行走。AI 知道自己的目標(biāo)尚未達(dá)成，于是迅速迭代設(shè)計(jì)。每次迭代，AI 都會(huì)評(píng)估自己設(shè)計(jì)的效果 ，找到缺陷并通過(guò)修剪來(lái)更新機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。最后，機(jī)器人可以在原地彈跳，然后向前跳和移動(dòng)。九次嘗試后，AI 設(shè)計(jì)出每秒可以行走半個(gè)身長(zhǎng)距離的機(jī)器人，約為人類步速的一半。

　　整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程 —— 從無(wú)法行動(dòng)的塊狀物到成功行走的機(jī)器人 —— 在筆記本電腦上只用了26秒。

　　為了看看這款機(jī)器人能否在現(xiàn)實(shí)生活中工作，Kriegman 和他的團(tuán)隊(duì)按照設(shè)計(jì)藍(lán)圖，3D 打印出身體周圍負(fù)空間(negative space around the robot’s body)的模具，然后填充液態(tài)硅膠，幾個(gè)小時(shí)后再將固化后的硅膠從模具中取出來(lái)，又軟又有彈性。

　　但是，它可以走路嗎?接著，研究人員給它充氣(空氣)，三條腿就鼓了起來(lái)，放氣后，腿又收縮了。通過(guò)不斷向機(jī)器人泵送空氣，三條腿反復(fù)膨脹、收縮，機(jī)器人也在這一過(guò)程中緩慢但穩(wěn)定地走了起來(lái)。

　　「一個(gè)全新生物的誕生」

　　Sam Kriegman 實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 David Matthews 是該論文第一作者，他與 Sam Kriegman 以及其他合著者 Andrew Spielberg、Daniela Rus(麻省理工學(xué)院)、Josh Bongard(佛蒙特大學(xué))密切合作了幾年才有了這一突破性發(fā)現(xiàn)。

　　2020年初，Kriegman 因開(kāi)發(fā)異種機(jī)器人(xenobots)而獲得廣泛關(guān)注，這是第一個(gè)完全由生物細(xì)胞制成的活機(jī)器人�，F(xiàn)在，Kriegman 和他的團(tuán)隊(duì)將新 AI 視為探索人工生命潛力的下一個(gè)進(jìn)步。

　　這個(gè)機(jī)器人本身很不起眼 —— 又小又軟又畸形，由無(wú)機(jī)材料制成。但 Kriegman 表示，這意味我們朝著人工智能設(shè)計(jì)工具新時(shí)代邁出了第一步，這些工具可以像動(dòng)物一樣直接作用于世界。

　　「當(dāng)人們看到這個(gè)機(jī)器人時(shí)，他們可能會(huì)看到一個(gè)無(wú)用的小工具，」Kriegman 說(shuō)，「我看到了一個(gè)全新生物的誕生�！�

　　「現(xiàn)在，隨著 AI 實(shí)時(shí)生成越來(lái)越好的機(jī)器人身體，任何人可以看到動(dòng)態(tài)中的進(jìn)化，」Kriegman 說(shuō)。「以前需要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)周試錯(cuò)，當(dāng)然，任何動(dòng)物在奔跑、游泳或飛行之前都經(jīng)歷了數(shù)十億年的試錯(cuò)，這是因?yàn)檫M(jìn)化無(wú)法預(yù)見(jiàn)未來(lái)(foresight)，無(wú)法知道某個(gè)特定突變是有益還是災(zāi)難性的。我們找到了一種去掉障眼物的辦法，將數(shù)十億年進(jìn)化歷程壓縮到了瞬間�！�

　　僅憑一己之力，AI 出人意料地想出了與自然界相同的行走解決方案:腿。但與自然界絕對(duì)對(duì)稱的設(shè)計(jì)不同，人工智能采取了不同的方法:它設(shè)計(jì)的機(jī)器人有三條腿，背部有鰭，扁平的臉，還布滿了孔。

　　「這很有趣，因?yàn)槲覀儧](méi)有告訴 AI 機(jī)器人應(yīng)該有腿，」他說(shuō)�！杆�重新發(fā)現(xiàn)了腿是在陸地上行動(dòng)的好方法。事實(shí)上，腿部運(yùn)動(dòng)是最有效的地面運(yùn)動(dòng)形式。

　　雖然進(jìn)化出腿是有道理的，但這些孔的設(shè)計(jì)有些奇怪，AI 似乎是隨機(jī)打孔。Kriegman 假設(shè)孔隙率可以減輕重量并增加靈活性，使機(jī)器人能夠彎曲雙腿行走。

　　「我們真不知道這些孔是做什么的，但知道它們很重要，」他說(shuō)�！� 因?yàn)槿∠�這些孔時(shí)，機(jī)器人要么不能再走路，要么走路變得不利索�！�

　　總的來(lái)說(shuō)，Kriegman 對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)感到驚訝和著迷，并指出大多數(shù)人類設(shè)計(jì)的機(jī)器人要么看起來(lái)像人類，要么像狗或曲棍球冰球。

　　「當(dāng)人類設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，我們傾向于將它們?cè)O(shè)計(jì)成看起來(lái)熟悉的物體，」他說(shuō)。「但人工智能可以創(chuàng)造人類從未考慮過(guò)的新可能性和演進(jìn)道路，它可以幫助我們以不同的方式去思考，這有助于解決我們面臨的一些最困難的問(wèn)題。」

　　雖然 AI 設(shè)計(jì)的第一個(gè)機(jī)器人只能蹣跚前行，但 Kriegman 想象了一個(gè)新的世界，由 AI 來(lái)設(shè)計(jì)工具。有朝一日，AI 設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以在廢墟中穿行尋找被困的人和動(dòng)物，或者穿越下水道修復(fù)破損。AI 還可以設(shè)計(jì)進(jìn)入人體的納米機(jī)器人，疏通動(dòng)脈，診斷疾病或殺死癌細(xì)胞。

　　「唯一阻礙我們使用這些新工具和療法的是人類不知道如何設(shè)計(jì)它們，」他說(shuō)。「幸運(yùn)的是，AI 有自己的想法�！�