設(shè)想一下，如果人們需要一個(gè)能爬樓梯的機(jī)器人，那么這個(gè)機(jī)器人應(yīng)該是什么的形狀？它是應(yīng)該像人一樣有兩條腿？還是應(yīng)該像一只螞蟻一樣有六條腿？

設(shè)計(jì)出合適的形狀，對(duì)于機(jī)器人穿越特定地形的能力來講是至關(guān)重要的。但是，不可能通過人工設(shè)計(jì)來構(gòu)建和測(cè)試每一種潛在的形態(tài)。

近日，來自麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員，成功開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，研究人員利用該系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)器人的形狀進(jìn)行仿真，并確定哪種設(shè)計(jì)的效果是最優(yōu)的。

相關(guān)論文以“RoboGrammar： Graph Grammar for Terrain-Optimized Robot Design”為題，發(fā)表在 2020 年度 SIGGRAPH 亞洲的會(huì)議上。

論文作者之一、來自麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的博士生 Allan Zhao 說：“機(jī)器人設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)非常手工化的過程。

RoboGrammar 系統(tǒng)提出了一種新的、更具創(chuàng)造性的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，這種方法設(shè)計(jì)出的機(jī)器人結(jié)構(gòu)可能會(huì)更有效果。”

首先，人們要做的是就是告訴 RoboGrammar 系統(tǒng)，車間周圍擺著哪些能用的機(jī)器人零件（比如：輪子、關(guān)節(jié)等）；

同時(shí)，還告訴它機(jī)器人需要在什么類型的地面上行駛，然后，RoboGrammar 就會(huì)負(fù)責(zé)其余工作，為人們想要的機(jī)器人生成優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和控制程序。

研究人員表示，這一進(jìn)展可能會(huì)給設(shè)計(jì)機(jī)器人形狀領(lǐng)域注入一定的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)造力。

計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)造力

機(jī)器人是為了完成各種任務(wù)而建造的，但是它們的總體形狀和設(shè)計(jì)往往非常相似。

例如，當(dāng)人們想到建造一個(gè)需要穿越各種地形的機(jī)器人時(shí)，會(huì)立即把想到四足動(dòng)物，比如一種像狗一樣，有四條腿的動(dòng)物。但是這是否真的是最佳設(shè)計(jì)呢？并沒有人知道。

因此，來自 MIT 的團(tuán)隊(duì)推測(cè)，更多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)才可以改善機(jī)器人的功能。他們?yōu)檫@項(xiàng)任務(wù)建立了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，這個(gè)計(jì)算機(jī)模型不會(huì)受到先前慣例的過度影響。雖然創(chuàng)新是目標(biāo)，但該模型必須制定一些基本標(biāo)準(zhǔn)才可以保證正常的工作。

研究人員認(rèn)為，如果人們可以用任意的方式連接機(jī)器人的這些部件，那么最終會(huì)陷入到混亂當(dāng)中。

為了避免這種情況，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種“圖形語法（Graph Grammar）”，這是對(duì)機(jī)器人組件排列的一系列約束。例如，相鄰的支腿應(yīng)該用一個(gè)關(guān)節(jié)連接，而不是用另一個(gè)支腿相連。這樣的規(guī)則確保至少設(shè)計(jì)是在初級(jí)水平上，每個(gè)計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)作品都是可以工作的。

（來源：MIT 官網(wǎng)）

事實(shí)上，該系統(tǒng)圖形語法規(guī)則的靈感不是來自其他機(jī)器人的啟發(fā)，而是受到動(dòng)物（尤其是節(jié)肢動(dòng)物）的啟發(fā)。

這些無脊椎動(dòng)物包括昆蟲、蜘蛛和蝦。作為一個(gè)龐大的群體，節(jié)肢動(dòng)物是一個(gè)成功的進(jìn)化故事，占已知?jiǎng)游镂锓N的 80％以上。

Allan Zhao 表示：“節(jié)肢動(dòng)物的特點(diǎn)是有一個(gè)中心體，并且其節(jié)數(shù)可變，有些部分可能有支腿連接。而且我們注意到，這不僅足以描述節(jié)肢動(dòng)物，還可以描述更熟悉的動(dòng)物形態(tài)，包括四足動(dòng)物。”

于是，研究人員采用了根據(jù)節(jié)肢動(dòng)物啟發(fā)的規(guī)則。但是系統(tǒng)為機(jī)器人也增加了一些機(jī)械上的功能，例如，它是允許機(jī)器人使用輪子的，而不僅僅是腿。

機(jī)器人方陣

使用該團(tuán)隊(duì)為系統(tǒng)制定的規(guī)則，RoboGrammar 可以按三個(gè)連續(xù)的步驟運(yùn)行。首先是需要定義問題，然后生成可能的機(jī)器人解決方案，最后去選擇最佳方案。

問題的定義很大程度上取決于人類用戶，他們輸入了一組可用的機(jī)器人組件，例如電機(jī)、支腿和連接段。

需要注意的是，這些問題是確保最終機(jī)器人可以真正在現(xiàn)實(shí)世界中制造的關(guān)鍵。用戶還可以指定要穿越的地形種類，這些種類包括階梯、平坦區(qū)域或光滑表面等元素的組合。

通過這些輸入，RoboGrammar 使用圖形語法的規(guī)則來設(shè)計(jì)成千上萬個(gè)潛在的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。有些看起來有點(diǎn)像賽車，有些看起來像蜘蛛，或者是像一個(gè)在做俯臥撐的人。

Allan Zhao 說：“看到各種各樣的設(shè)計(jì)，我們感到倍受鼓舞。這無疑顯示了圖形語法的創(chuàng)造力。”但是，盡管語法可以提高設(shè)計(jì)數(shù)量，但它的設(shè)計(jì)并不總是具有最佳的質(zhì)量。

而且，選擇最佳的機(jī)器人設(shè)計(jì)還需要控制每個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并評(píng)估其功能。到目前為止，這些機(jī)器人還只是系統(tǒng)生成結(jié)構(gòu)而已。

控制器是給這些結(jié)構(gòu)帶來生命的指令集，控制著機(jī)器人各種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序。因此，該團(tuán)隊(duì)使用模型預(yù)測(cè)控制的算法為每個(gè)機(jī)器人開發(fā)了一個(gè)控制器，該算法優(yōu)先考慮快速向前運(yùn)動(dòng)。

Allan Zhao 表示：“機(jī)器人的形狀和控制器深深地交織在一起，這就是為什么我們必須為每個(gè)給定的機(jī)器人單獨(dú)優(yōu)化控制器的原因。”一旦每個(gè)模擬機(jī)器人都可以自由移動(dòng)，研究人員便可以通過“圖形啟發(fā)式搜索”來尋找高性能的機(jī)器人。

這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法迭代地對(duì)機(jī)器人集合進(jìn)行采樣和評(píng)估，并學(xué)習(xí)哪種設(shè)計(jì)更適合給定的任務(wù)。Allan Zhao 表示：“啟發(fā)式功能會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷提高，并且搜索會(huì)收斂到最優(yōu)的機(jī)器人。”

而這一切，都是在人類設(shè)計(jì)師拿起螺絲釘之前發(fā)生的。

25 年來的最高成就

MIT 的研究人員希望這個(gè)系統(tǒng)可以激發(fā)人類的創(chuàng)造力。他們將 RoboGrammar 描述為 “機(jī)器人設(shè)計(jì)人員擴(kuò)大他們所使用的機(jī)器人結(jié)構(gòu)空間的工具”。為了展示其可行性，該研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在現(xiàn)實(shí)世界中構(gòu)建和測(cè)試 RoboGrammar 的一些最佳機(jī)器人。

該系統(tǒng)還可以被改造成在穿越地形之外追求機(jī)器人形狀設(shè)計(jì)的目標(biāo)工具。Allen Zhao 表示，RoboGrammar 可以幫助填充虛擬世界。

“比如，在視頻游戲中，人們?nèi)绻胍珊芏囝愋偷臋C(jī)器人，RoboGrammar 幾乎會(huì)立即為此工作，而不需要藝術(shù)家來創(chuàng)造每個(gè)機(jī)器人。”

而該項(xiàng)目的一項(xiàng)令人驚訝的成果是，大多數(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)最終都是四足的。研究人員表示，也許機(jī)器人設(shè)計(jì)人員一直以來都傾向于四足動(dòng)物，是有一些道理的。

哥倫比亞大學(xué)的機(jī)械工程師兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Hod Lipson 評(píng)價(jià)道：“這項(xiàng)工作是 25 年來自動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)器人形態(tài)和控制的最高成就。使用形狀語法的想法已經(jīng)存在了一段時(shí)間了，但是沒有一個(gè)地方像在這部作品中那樣完美地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。一旦我們能夠讓機(jī)器自動(dòng)設(shè)計(jì)、制造和編程機(jī)器人，所有的賭注都將消失。”

隨著該系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們可以預(yù)見，在未來機(jī)器人的設(shè)計(jì)，或許僅僅需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)。
責(zé)編AJX