因此，您需要一個(gè)可以爬樓梯的機(jī)器人。那個(gè)機(jī)器人應(yīng)該是什么形狀?它應(yīng)該像人一樣有兩條腿嗎?還是六只，像一只螞蟻?選擇正確的形狀對(duì)于您的機(jī)器人穿越特定地形的能力至關(guān)重要。而且，不可能構(gòu)建和測(cè)試每種潛在的形式。但是現(xiàn)在，由MIT開發(fā)的系統(tǒng)可以對(duì)它們進(jìn)行仿真，并確定哪種設(shè)計(jì)效果最好。

首先，告訴系統(tǒng)RoboGrammar，該系統(tǒng)在您的車間周圍擺著哪些機(jī)器人零件(輪子，關(guān)節(jié)等)。您還告訴它機(jī)器人需要在什么地形上行駛。RoboGrammar負(fù)責(zé)其余的工作，為您的機(jī)器人生成優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和控制程序。

這一進(jìn)步可能會(huì)為該領(lǐng)域注入大量的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)造力。該論文的主要作者，博士學(xué)位的艾倫·趙說：“機(jī)器人設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)非常手工的過程。” 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)的學(xué)生。他將RoboGrammar描述為“一種可能會(huì)更有效地提出新穎，更具創(chuàng)造性的機(jī)器人設(shè)計(jì)的方法”。

Zhao是該論文的主要作者，他將在本月的SIGGRAPH Asia會(huì)議上發(fā)表論文。合著者包括博士學(xué)位。學(xué)生Xu Xu，博士后MinaKonakovi?-Lukovi?，博士后Josephine Hughes，博士。麻省理工學(xué)院的學(xué)生安德魯·斯皮爾伯格(Andrew Spielberg)以及丹妮拉·魯斯(Daniela Rus)和沃伊切奇·馬圖西克(Wojciech Matusik)教授。

基本規(guī)則

Zhao表示，機(jī)器人是為完成各種任務(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”。他補(bǔ)充說，例如，“當(dāng)您想到建造一個(gè)需要跨越各種地形的機(jī)器人時(shí)，您會(huì)立即跳到四足動(dòng)物，”他指的是一條四足動(dòng)物，就像一條狗。“我們想知道這是否真的是最佳設(shè)計(jì)。”

趙的團(tuán)隊(duì)推測(cè)，更多創(chuàng)新的設(shè)計(jì)可以改善功能。因此，他們?yōu)槿蝿?wù)建立了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型-該系統(tǒng)不會(huì)受到先前約定的不當(dāng)影響。盡管創(chuàng)造力是目標(biāo)，但趙的確必須制定一些基本規(guī)則。

Zhao在論文中寫道，可能的機(jī)器人形式的宇宙“主要由荒謬的設(shè)計(jì)組成”。他說：“如果您只能以任意方式連接部件，那么您將陷入混亂。” 為了避免這種情況，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“圖形語法”，這是對(duì)機(jī)器人組件布置的一組約束。例如，相鄰的腿段應(yīng)該與關(guān)節(jié)相連，而不是與另一個(gè)腿段相連。此類規(guī)則確保至少在基本級(jí)別上每個(gè)計(jì)算機(jī)生成的設(shè)計(jì)作品。

趙說，他的圖形語法規(guī)則不是受其他機(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，蜘蛛和龍蝦。作為一個(gè)整體，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。“它們的特點(diǎn)是中央主體具有可變數(shù)量的節(jié)段。某些節(jié)段可能附有腿，”趙說。“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形式，”包括四足動(dòng)物。趙采用節(jié)肢動(dòng)物啟發(fā)的規(guī)則部分是由于這種靈活性，盡管他確實(shí)增加了一些機(jī)械上的繁榮。例如，他允許計(jì)算機(jī)使輪子變形而不是腿變形。

機(jī)器人方陣

使用Zhao的圖文法，RoboGrammar可以按三個(gè)順序進(jìn)行操作：定義問題，擬定可能的機(jī)器人解決方案，然后選擇最佳解決方案。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。趙說：“這是確保最終機(jī)器人可以真正在現(xiàn)實(shí)世界中建造的關(guān)鍵。” 用戶還指定要遍歷的地形的多樣性，其中可以包括階梯，平坦區(qū)域或光滑表面等元素的組合。

通過這些輸入，RoboGrammar然后使用圖文法則的規(guī)則來設(shè)計(jì)數(shù)十萬個(gè)潛在的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。有些看上去像賽車。其他人看起來像蜘蛛，或者是一個(gè)俯臥撐的人。趙說：“看到各種各樣的設(shè)計(jì)對(duì)我們來說是很鼓舞的。” “它絕對(duì)顯示出語法的表現(xiàn)力。” 但是，盡管語法可以提高數(shù)量，但其設(shè)計(jì)并不總是具有最佳的質(zhì)量。

選擇最佳的機(jī)器人設(shè)計(jì)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)器人只是結(jié)構(gòu)而已，”趙說。控制器是使這些結(jié)構(gòu)栩栩如生的指令集，控制著機(jī)器人各種電機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序。該團(tuán)隊(duì)使用稱為模型預(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)。

趙說：“機(jī)器人的形狀和控制器緊密地交織在一起，這就是為什么我們必須為每個(gè)給定的機(jī)器人分別優(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)算法迭代地采樣和評(píng)估機(jī)器人的集合，并了解哪些設(shè)計(jì)在給定任務(wù)下往往更有效。Zhao表示：“啟發(fā)式功能會(huì)隨著時(shí)間的推移而提高，并且搜索將收斂到最佳機(jī)器人。”

這一切都是在人類設(shè)計(jì)師拿起螺絲釘之前發(fā)生的。

哥倫比亞大學(xué)機(jī)械工程師兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家霍德·利普森說：“這項(xiàng)工作是在25年的自動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)器人形態(tài)和控制過程中取得的最高成就。” “使用形狀語法的想法已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但是沒有一個(gè)方法能像在這項(xiàng)工作中那樣完美地執(zhí)行過。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。”

Zhao希望該系統(tǒng)可以激發(fā)人類創(chuàng)造力。他將RoboGrammar描述為“機(jī)器人設(shè)計(jì)人員用來擴(kuò)展他們所依賴的機(jī)器人結(jié)構(gòu)空間的工具”。為了證明其可行性，他的團(tuán)隊(duì)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。趙補(bǔ)充說，該系統(tǒng)可以適用于追求超越地形穿越的機(jī)器人目標(biāo)。他說，RoboGrammar可以幫助填充虛擬世界。“讓我們說，在一個(gè)視頻游戲中，您想要生成很多類型的機(jī)器人，而無需藝術(shù)家創(chuàng)造每個(gè)機(jī)器人，”趙說。“ RoboGrammar幾乎會(huì)立即為此工作。”

該項(xiàng)目的一項(xiàng)令人驚訝的成果?“大多數(shù)設(shè)計(jì)最終最終都是四足的，”趙說。也許手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)人員一直以來都傾向于四足動(dòng)物。“也許確實(shí)有一些東西。”

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