簡介：新智元報道來源：學術頭條作者：陽光【新智元簡介】麻省理工學院的研究人員成功開發了一種計算機系統，可以模擬機器人的形狀，確定哪種設計效果最好。想象一下，如果人們需要一個會爬樓梯的機器人，這個機器人應該是什么形狀？它.

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作者：陽光

【新智元介紹】麻省理工學院的研究人員成功開發了一種計算機系統，可以模擬機器人的形狀，并確定哪種設計效果最好。

想象一下，如果人們需要一個會爬樓梯的機器人，這個機器人應該是什么形狀？它應該像人一樣有兩條腿嗎？還是應該像螞蟻一樣有六條腿？

設計一個合適的形狀對于機器人穿越特定地形的能力非常重要。然而，不可能通過人工設計來構建和測試每一種潛在的形式。

最近，麻省理工學院(MIT)的研究人員成功開發了一個計算機系統，研究人員可以通過該系統模擬機器人的形狀，并確定哪種設計效果最好。

在2020年的SIGGRAPH亞洲會議上，發表了題為“地形優化機器人設計的Robo語法：圖形語法”的相關論文。

(來源：麻省理工官方網站)

作者之一、麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室(CSAIL)的博士生艾倫趙說：“機器人設計仍然是一個非常手工的過程。

RoboGrammar系統提出了一種新的、更具創造性的機器人設計方法，用這種方法設計的機器人結構可能更有效。"

首先，人們要做的是告訴RoboGrammar系統車間周圍可以使用哪些機器人零件(比如輪子、關節等)。);

同時也告訴它機器人需要在什么樣的地面上行進，然后RoboGrammar將負責剩下的工作，為人們想要的機器人生成優化的結構和控制程序。

研究人員表示，這一進展可能會給機器人形狀設計領域注入一些計算機輔助創造力。

計算機輔助創造力

機器人是為了完成各種任務而制造的，但它們的整體形狀和設計往往非常相似。

例如，當人們想到建造一個需要穿越各種地形的機器人時，他們會立即想到四足動物，比如像狗一樣有四條腿的動物。但這真的是最好的設計嗎？沒人知道。

因此，麻省理工學院的團隊推測，更具創新性的設計可以改善機器人的功能。他們為這項任務建立了一個計算機模型，不會受到以前實踐的不當影響。雖然目標是創新，但模型必須制定一些基本標準，才能保證正常工作。

研究人員認為，如果人們能夠以任何方式連接機器人的這些部分，他們最終將陷入混亂。

為了避免這種情況，研究小組開發了一個“圖形語法”，它是對機器人部件排列的一系列約束。例如，相鄰的腿應該由一個關節連接，而不是由另一個腿連接。這樣的規則確保了設計至少是初級的，并且每一個計算機生成的設計工作都是可行的。

(來源：麻省理工官方網站)

其實這個系統中圖形語法規則的靈感不是來自其他機器人，而是來自動物(尤其是節肢動物)。

這些無脊椎動物包括昆蟲、蜘蛛和蝦。節肢動物作為一個龐大的群體，是一個成功的進化故事，占已知動物物種的80%以上。

趙倫說：“節肢動物的特征是中央身體，關節數量可變，有些部分可能由腿連接。而且，我們注意到，這不僅足以描述節肢動物，還可以描述更熟悉的動物形態，包括四足動物。”

因此，研究人員采用了受節肢動物啟發的規則。但是這個系統也給機器人增加了一些機械功能。例如，它允許機器人使用輪子，而不僅僅是腿。

機器人方陣

使用團隊為系統制定的規則，RoboGrammar可以連續運行三步。首先需要定義問題，然后生成可能的機器人解，最后選擇最優解。

問題的定義很大程度上取決于人類用戶，他們輸入一組可用的機器人組件，如電機、腿和連接段。

需要注意的是，這些問題是保證最終機器人能夠在現實世界中制造出來的關鍵。用戶還可以指定要穿越的地形類型，包括樓梯、平坦區域或光滑表面等元素的組合。

通過這些輸入，RoboGrammar使用圖形語法的規則來設計成千上萬個潛在的機器人結構。有些看起來有點像賽車，有些看起來像蜘蛛，或者像一個人在做俯臥撐。

趙愛倫說：“看到各種各樣的設計，我們深受鼓舞。這無疑顯示了圖形語法的創造性。”然而，雖然語法可以增加設計的數量，但它的設計并不總是質量最好的。

此外，為了選擇最佳的機器人設計，需要控制每個機器人的運動并評估其功能。到目前為止，這些機器人只是系統生成結構。

控制器是給這些結構帶來生命的指令集，控制機器人各種電機的運動順序。因此，該團隊使用模型預測控制算法為每個機器人開發了一個控制器，該算法優先考慮快進運動。

趙艾倫說：“機器人的形狀和控制器深深交織在一起，這就是為什么我們必須為每個給定的機器人分別優化控制器。”一旦每個模擬機器人都可以自由移動，研究人員就可以通過“圖形啟發式搜索”來搜索高性能機器人。

該神經網絡算法迭代地對機器人集合進行采樣和評估，并學習哪種設計更適合給定的任務。趙愛倫說：ldquo;啟發式功能會隨著時間的推移而不斷提高，并且搜索會收斂到最優的機器人。”

而這一切，都是在人類設計師拿起螺絲釘之前發生的。

25 年來的最高成就

MIT 的研究人員希望這個系統可以激發人類的創造力。他們將 RoboGrammar 描述為 “機器人設計人員擴大他們所使用的機器人結構空間的工具”。為了展示其可行性，該研究團隊還計劃在現實世界中構建和測試 RoboGrammar 的一些最佳機器人。

該系統還可以被改造成在穿越地形之外追求機器人形狀設計的目標工具。Allen Zhao 表示，RoboGrammar 可以幫助填充虛擬世界。

“比如，在視頻游戲中，人們如果想要生成很多類型的機器人，RoboGrammar 幾乎會立即為此工作，而不需要藝術家來創造每個機器人。”

圖 | 機器人創造力（來源：JAMES YANG）

而該項目的一項令人驚訝的成果是，大多數機器人的設計最終都是四足的。研究人員表示，也許機器人設計人員一直以來都傾向于四足動物，是有一些道理的。

哥倫比亞大學的機械工程師兼計算機科學家 Hod Lipson 評價道：“這項工作是 25 年來自動設計機器人形態和控制的最高成就。使用形狀語法的想法已經存在了一段時間了，但是沒有一個地方像在這部作品中那樣完美地實現了這個想法。一旦我們能夠讓機器自動設計、制造和編程機器人，所有的賭注都將消失。”

隨著該系統的出現，人們可以預見，在未來機器人的設計，或許僅僅需要一臺計算機。

參考資料：

https://news.mit.edu/2020/computer-aided-robot-design-1130

https://cdfg.mit.edu/publications/robogrammar-graph-grammar-for-terrain-optimized-robot-design