为了让机器人适应各种地形，MIT的学霸用AI做了昆虫仿生研究

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本文核心观点：

1. 麻省理工的研究人员开发了一套新系统，可以针对各种地形优化机器人的形状；

2. 这个名为 的系统工作起来分三个步骤：先定义问题，再拟定可能的解决方案，然后选择最优解决方案。

3. 这个想法来自于其他动物的运动方式，特别是昆虫、蜘蛛和龙虾等节肢动物。

如果你需要一个会爬楼梯的机器人，它应该是个什么形态？要像人一样有两条腿吗？还是说得像蚂蚁一样有六条腿？

选择正确的形态对机器人能否穿越特定地形至关重要，而要穷极每一种潜在的形态是不可能的。不过现在，麻省理工开发的系统就可以进行完整模拟，并确定哪种设计最有效。

当然，你首先要告诉这个叫做 的系统你车间里现在有哪些机器人零件——比如轮子和关节等，你还得说明白机器人要用在什么地形上。后面就看 自行发挥了，它会为你的机器人生成一个优化的结构和控制程序。

这套系统可以为该领域注入一剂计算机辅助创意源泉。”机器人设计仍然是一个手动为主的过程，”麻省理工计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）博士生 Allan Zhao 说道。他将 描述为一种”新的、更有创造性的机器人设计方法”。

Zhao 是该论文的主要作者，他将在本月的 亚洲大会上正式发表该论文。共同作者包括博士生 Jie Xu、博士后 Mina ć-ć、博士后 、博士生 以及麻省理工教授 Rus 和 。

当你想打造需要穿越各种地形的机器人时，这些动物也许是最佳参照对象。

机器人可以适用于几乎无穷无尽的任务，然而”它们的整体形状和设计往往都非常相似，”Zhao 解释道。举例来说，”当你想打造一个需要穿越各种地形的机器人时，肯定第一时间会跳到四足动物身上（比如狗），”他补充道。”我们在想，这是否真的是最佳设计。”

Zhao 的团队推测，更多的创新设计可以改善功能。于是他们为该任务搭建了一个计算机模型——一个不受之前惯例影响的系统。虽然创造性是目标，但 Zhao 必须设定一些基本规则。

机器人的形式”主要由无意义的设计组成”，Zhao 在论文中写道。”如果你能以任意的方式连接各部分，最终只能得到一个大杂烩，”他说道。为了避免这种情况，他的团队开发了一种”图形语法”——一套关于机器人部件排列的约束条件。例如，相邻的腿应该用关节连接，而不是再与另一条腿连接。这样的规则确保每一个计算机生成的设计都能正常工作。

Zhao 表示，他的图形语法规则灵感并非来自其他机器人，而是来自动物，尤其是节肢动物，这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和龙虾，而节肢动物是一个进化的成功案例，占已知动物种类的 80% 以上。”它们的特点是有一个主体，再配合数量不等的节段。有些节段可能装有腿，”Zhao 解释道。”而且我们注意到，这不仅足以描述节肢动物，而且还可以描述更多熟悉的形式，”包括四足动物。尽管他加了一些机械”装饰”，Zhao 还是用节肢动物那里获得的灵感提升了机器人的灵活性。

想得到最优形态？这三个步骤必不可少

使用 Zhao 的图形语法，的操作分为以下三个步骤：先定义问题人工智能机器人论文，再拟定可能的解决方案，然后选择最优解决方案。

问题定义主要落在人类用户身上，他们要输入可用的机器人零部件集，如电机、腿和连接其他部位的节段。”这是确保机器人能够真正在现实世界中被制造出来的关键，”Zhao 说道。用户还得指定需要穿越的各种地形，其中可以包括台阶、平坦区域或湿滑表面等元素的组合。

有了这些输入， 就会利用图形语法的规则设计出数十万种潜在的机器人结构。有些看起来隐约像一辆赛车，另一些看起来像蜘蛛，或者一个在做俯卧撑的人。”能看到各种各样的设计，对我们来说相当鼓舞人心，”Zhao 说道。”它显示了图形语法强大的表现力。”不过，虽然图形语法在数量上不是问题，但它的设计并不总能达到最佳质量。

选择最佳的机器人设计需要控制每个机器人的动作并评估其功能。”到目前为止，设计出的机器人还只是结构，”Zhao 说道。而控制器是将这些结构变为现实的一组指令，它会管理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，并用到了一种名为”模型预测控制”的算法，该算法会优先考虑快速前进运动。

“机器人的形状和控制器深深地交织在一起，”Zhao 解释道，”这就是我们为每一个给定的机器人单独优化控制器的原因。”一旦每个模拟机器人都获得自由移动能力，研究人员就会通过”图形启发式搜索”来寻找性能优异的机器人。这种神经网络算法会反复对机器人集进行采样和评估，它可以学习哪些设计能更好地执行任务。”启发式函数会随着时间的推移而改进，”Zhao 说道，”搜索会将我们指向最佳机器人。”

设计师还没拿起螺丝呢，系统就把工作完成了

哥伦比亚大学机械工程师与计算机科学家 Hod （他并没有参与这个项目）表示：”这项工作是 25 年来探索自动设计机器人形态和控制的最高成就之一。使用图形语法的想法已经有一段时间了，但没有人将这个想法执行得如此漂亮。一旦我们能让机器自动设计、制作和编程机器人，一切都不一样了。”

Zhao 将该系统看作人类创造力的火花。他将 描述为 “专为机器人设计师准备的工具，能扩展他们所利用机器人结构的空间”。为了展示其可行性，他的团队计划在现实世界中建造和测试一些 选出的最佳机器人。Zhao 还补充称，该系统可以被改造成追求地形穿越以外目标的机器人，而且他说 可以帮助填充虚拟世界。”比方说，在一个视频游戏中，你想生成很多种类的机器人，这时就不需要艺术家去创造每一个机器人了，”Zhao 说道。” 马上就能拿出解决方案。”

这个项目有没有什么出人意料的成果？”大多数设计最后确实是四条腿的人工智能机器人论文，”Zhao 说道。也许机器人设计师一直以来倾向于四足动物是对的。”也许这样真的是有什么意义吧。”

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