麻省理工学院研究人员的新系统优化了机器人的形状，以穿越各种地形类型。所以，你需要一个能爬楼梯的机器人。那个机器人应该是什么形状?它应该像人一样有两条腿吗?还是六个，像一只蚂蚁?
选择正确的形状对于机器人穿越特定地形的能力至关重要。并且不可能构建和测试每一种可能的形式。但是现在麻省理工学院开发的系统可以模拟它们并确定哪种设计效果最好。
您首先告诉系统，称为 RoboGrammar，哪些机器人部件位于您的商店周围——轮子、关节等。您还告诉它您的机器人需要导航的地形。RoboGrammar 完成剩下的工作，为您的机器人生成优化的结构和控制程序。
麻省理工学院的研究人员使用名为 RoboGrammar 的系统实现了机器人设计的自动化和优化。该系统创建了受节肢动物启发的机器人，用于穿越各种地形。图中是使用 RoboGrammar 生成的几个机器人设计。研究人员的插图/麻省理工学院
这一进步可以为该领域注入一剂计算机辅助创造力。“机器人设计仍然是一个非常手动的过程，”该论文的第一作者、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的博士生 Allan Zhao 说。他将 RoboGrammar 描述为“一种提出可能更有效的新的、更具创造性的机器人设计的方法。”
基本原则
机器人是为几乎无穷无尽的任务而设计的，但“它们的整体形状和设计往往非常相似，”赵说。例如，“当你想到建造一个需要穿越各种地形的机器人时，你会立即跳到四足动物身上，”他补充道，指的是像狗这样的四足动物。“我们想知道这是否真的是最佳设计。”
赵的团队推测，更多创新设计可以改进功能。因此，他们为这项任务构建了一个计算机模型——一个不受先前约定过度影响的系统。虽然创造性是目标，但赵确实必须设定一些基本规则。
赵在论文中写道，可能的机器人形式的世界“主要由荒谬的设计组成”。“如果你只能以任意方式连接部件，你最终会变得混乱，”他说。为了避免这种情况，他的团队开发了一种“图形语法”——一组对机器人组件排列的约束。例如，相邻的腿段应该与一个关节相连，而不是与另一个腿段相连。此类规则确保每个计算机生成的设计都能正常工作，至少在初级水平上。
赵说，他的图文法规则不是受到其他机器人的启发，而是受到动物——尤其是节肢动物的启发。这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和龙虾。作为一个群体，节肢动物是一个进化成功的故事，占已知动物物种的 80% 以上。“它们的特点是有一个中央体和可变数量的段。有些部分可能有腿，”赵说。“而且我们注意到，这不仅足以描述节肢动物，还足以描述更熟悉的形式，”包括四足动物。赵采用了受节肢动物启发的规则，部分原因是这种灵活性，尽管他确实增加了一些机械方面的优势。例如，他让计算机召唤出轮子而不是腿。
一大群机器人
使用赵的图语法，RoboGrammar 分三个连续步骤进行操作：定义问题，制定可能的机器人解决方案，然后选择最佳解决方案。问题的定义主要取决于人类用户，他们输入可用的机器人组件集，如电机、腿和连接段。“这是确保最终机器人能够在现实世界中真正建造的关键，”赵说。用户还指定要穿越的各种地形，其中可以包括台阶、平坦区域或光滑表面等元素的组合。
有了这些输入，RoboGrammar 然后使用图文法的规则来设计数十万个潜在的机器人结构。有些看起来像一辆赛车。其他人看起来像蜘蛛，或做俯卧撑的人。“看到各种各样的设计对我们来说非常鼓舞人心，”赵说。“它绝对显示了语法的表现力。” 但是，虽然语法可以产生数量，但其设计并不总是具有最佳质量。
选择最佳机器人设计需要控制每个机器人的运动并评估其功能。“到目前为止，这些机器人只是结构，”赵说。控制器是一组指令，使这些结构栩栩如生，控制机器人各种电机的运动顺序。该团队为每个机器人开发了一个控制器，使用一种称为模型预测控制的算法，该算法优先考虑快速向前移动。
“机器人的形状和控制器密切相关，”赵说，“这就是为什么我们必须为每个给定的机器人单独优化控制器。” 一旦每个模拟机器人都可以自由移动，研究人员就会通过“图形启发式搜索”寻找高性能机器人。这种神经网络算法对机器人组进行迭代采样和评估，并了解哪些设计往往更适合给定任务。“启发式函数会随着时间的推移而改进，”赵说，“并且搜索会收敛到最佳机器人。”
这一切都发生在人类设计师拿起螺丝之前。
“这项工作是 25 年来自动设计机器人形态和控制的一项最高成就，”哥伦比亚大学的机械工程师和计算机科学家 Hod Lipson 说，他没有参与该项目。“使用形状语法的想法已经存在一段时间了，但这个想法在这项工作中得到了完美的执行。一旦我们能够让机器自动设计、制造和编程机器人，一切就都结束了。”
赵打算将该系统作为人类创造力的火花。他将 RoboGrammar 描述为“机器人设计师扩展他们所利用的机器人结构空间的工具”。为了证明其可行性，他的团队计划在现实世界中构建和测试 RoboGrammar 的一些最佳机器人。赵补充说，该系统可以适应超越地形穿越的机器人目标。他说 RoboGrammar 可以帮助填充虚拟世界。“比方说，在一个视频游戏中，你想要生成多种机器人，而无需艺术家创建每一个，”赵说。“RoboGrammar 几乎可以立即为之服务。”
该项目的一个令人惊讶的结果是什么?“大多数设计最终都采用了四足设计，”赵说。也许手动机器人设计师一直被四足动物所吸引是正确的。“也许真的有什么。”