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机器人来了:DRC大赛后的思考

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发表于 2014-3-23 17:25:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
看到“机器人”这个词,你第一个想到的是什么?很可能是科幻小说里的角色,比如《星球大战》里忠诚的 C3PO 机器人,或者如果你心态比较悲观,那你想到的也许会是《终结者》系列里的杀人机器。
“机器人”这个高科技行业的拟人设备概念由来已久,单词“Robot”源于旧斯拉夫语的“Rabota”,意思是奴隶,首次出现在 1921 年捷克艺术家卡雷尔·恰佩克(Karel Čapek)的《罗苏姆的通用机器人》(Rossum’s Universal Robots)中,剧中机器人由人类扮演,造型和人类相似。
早期的机器人概念和形式,很大一部分来自我们想象,不管是艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)短篇科幻小说里的机器人,还是电影里的机器人,大多都有着人类现实生活的印记。
然而实际情况并不如此,现在的机器人通常和人类没有任何相似之处。地球上的机器人们做着很平凡的琐事,比如在车间组装汽车零部件,根据网上订单从仓库中选取商品,打扫卫生、修剪草坪。
最近无人驾驶汽车出现在公路上,机器人进化方向终于朝着《罗苏姆的通用机器人》走了一大步。这一点让许多人觉得不舒服,在今年 2 月 Seapine 软件公司赞助发起的民意调查中,88% 美国人表示,不喜欢无人驾驶汽车这个概念,主要原因和顾虑,是害怕汽车失去控制。
新旧两种机器人的概念区别在于,它们是否能自主行事。不论是通过直接操纵,比如手握方向盘,还是间接和远程操控,过去的机器人时时刻刻处于人类控制之下,然而最新的机器人有了自主权,它们外形也开始变得和人类相似。
去年 12 月,美国国防部高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency,简称 DARPA)在迈阿密举办了一场机器人竞赛,我们从中可以看到未来机器人的影子。当时我观摩机器人们表演,心情从欣慰到开心、最后还有点恐慌,我感觉要不了多久,DARPA 大赛中的机器人就能颠覆我们的科技世界。
DARPA 是个神奇的政府机构,它给我们带来了不少突破性的技术进展,比如互联网、卫星导航系统、隐形战斗机和无人驾驶汽车(编注:互联网和无人驾驶汽车并不是 MIT、Google 单独研发,DARPA 也有参与,它还举办过各类竞赛促进技术发展)。
这个机构所用预算不到国防部总预算的 0.5%,大约由 100 名项目管理者和技术支持人员组成,但它对社会造成的深远影响与其规模完全不成比例。而如今,又是它在一手推动机器人技术发展,特别是通用用途、半自主的人形机器人。
DARPA 机器人挑战赛(DARPA Robots Challenge, DRC)在霍姆斯特德-迈阿密赛道上举行,那天天气晴朗、万里无云,有 16 支队伍参赛,他们都想要证明自己是最好的,以获得 100 万美元的奖金,用于进一步研发工作。其中日本、韩国、香港各一队,剩下都是美国公司和机构,有麻省理工学院、卡耐基梅隆大学和美国航天局这种大型机构,也有小公司,甚至有一队是由业务爱好者组成,他们利用晚上和周末的空闲时间制作机器人。
比赛分两天进行,共有八个部分,和公路赛道上寻常赛事不同,DRC 气氛并不紧张,就像高尔夫比赛一样。在比赛的第二天,我就习惯了机器人缓慢而单调的动作。许多机器人看起来都重达千钧,特别是波士顿动力(Boston Dynamics)的阿特拉斯号(Atlas),阿特拉斯号是个硬件平台,为那些没有自己的机器人的队伍提供空间,展示他们的编程技巧,以及对机器学习、视觉触觉等感官识别和行为规划的研究。
阿特拉斯号就像是《终结者》里的杀人机器,与和蔼可亲的 C3PO 完全不一样。它身高 1.9 米,体重 150 千克,有 28 个液压关节,身体材质是塑料和铬合金。它的眼睛是个立体摄像机,眼睛上有个激光雷达测距仪,结合起来,可以形成周边环境的概览图。
“我看着它弯腰的姿势和迟钝的反应,感觉它和课堂上躲在角落里不学习的傻瓜一样。”
但它只是个新生儿,刚来到这个世界,正在蹒跚学步。在某一部分竞赛中,一个队伍操控着它面对门把手无能为力,我看着它弯腰的姿势和迟钝的反应,感觉它和课堂上躲在角落里不学习的傻瓜一样。
竞赛就这么进行,16 支队伍操控着机器人,在吉尔·普拉特(Gill Pratt,麻省理工学院毕业的电气工程师和计算机科学家)设计的各个竞赛环节中比拼软硬件实力。
普拉特创立 DRC 的起因是 2011 年 3 月日本福岛第一核电站事故,三个核反应堆在地震和海啸后意外的堆芯熔毁,随后发生了氢气爆炸,使得放射性碎片分布核电站周围。时至三年之后,核电站方圆 12 公里周围都依然不适合人类生存,具有放射性的地下水依然不断排入太平洋。
当侦测到地震时,1、2、3 号机组立刻进入自动停机程序。因此,厂内发电功能停止,由于机组与电力网的连接也遭受到大规模损毁,只能倚赖紧急柴油发电机驱动电子系统与冷却系统。但是,随即而来的大海啸淹没了紧急发电机室,损毁了紧急柴油发电机,冷却系统因此停止运作,反应堆开始过热。地震与海啸造成的损毁也阻碍了外来的救援。在之后的几个小时到几天内,1、2、3 号反应堆经历了堆芯熔毁。员工们努力设法使反应堆得以冷却,但却又发生了几起氢气爆炸事件。政府命令使用海水来冷却反应堆,这也彻底打消了未来修复反应堆的念头。(维基百科)
2011 年 11 月发行的《IEEE Spectrum》杂志上一篇文章称,“如果能及时处理反应堆 1 号机未排除的气体,那么后续反应堆的破坏是可以避免的。”
这个报告让普拉特有了创立 DARPA 机器人挑战赛的想法,因为一旦堆芯熔毁,整个反应堆附近温度会急剧上升,人类根本无法靠近,更别说打开气体阀门了。DARPA 部门一位主管阿尔提·普拉巴卡尔(Arati Prabhakar)在 DRC 竞赛时告诉我:“在发生了福岛核电站事件后,我们这行业的每个人都深感遗憾,如果能早些研发出这类机器人,一切都会不一样。”
机器人设计的挑战在于:让机器人能够准确的感知变化的周边世界,迅速制定相应的移动线路规划,然后在感知信息尚未过期前执行这些规划,否则又要重新进行感知和计算过程。这个挑战是两岁小孩就能完美做到的事情,但 DARPA 把它归类为“DARPA-困难”。
这是因为挑战的每个部分——感知、规划和运动——都需要大量计算,在最短的时间内算出所需结果。很长一段时间内,机器人运动场所的环境变量都在人为控制范围中,比如工厂之类的地区,因为那些地方变量较少、计算量符合处理器性能。
直到近些年这一控制才有所放松,DARPA 在 2004、2005 和 2007 年举行了无人驾驶汽车的长途竞赛和城市挑战赛,证明了机器人能在这纷繁的世界上自主行事。计算机速度已经足够快、体积足够小,传感器和算法也改进得逐渐适应了现实生活的要求,让汽车足以能在城市街道上自主行驶了。
“科幻小说带来了一个问题,人们觉得许多技术实现起来很简单,但实际上并不是这样。”
尽管如此,这些有着轮子的机器人还是经过了简化,计算性能利用率更高,它们不需要维持平衡、不需要动用太多部件就可以往前走,但同时也不能做出高难度的动作,比如攀爬。它们不能对不可预知的环境变化——例如建筑物的废墟——作出反应,也不能像使用工具。这一切,都是 DRC 竞赛中的比拼项目。
普拉特和他的同事们设计了八项挑战,都是与人类急救人员行为类似的任务,但环境更为险峻,包括:短距离驾驶汽车,移动某一条线路上的废墟,开门,连接消防水带,攀登 2.4 米高的陡峭梯子,用电动工具在墙上打洞,转动车轮(模拟打开阀门),徒步穿越凹凸不平的地面。
如果说这种“对人太简单而对机器人较困难”的任务没有足够挑战性,DARPA 还在另一个层面上提高了难度:通讯。如果机器人与人类操控端之间超过了视线可见的距离,通讯质量会下降,普拉特把这个下降比喻成手机通话时的信号强弱,清晰可见和噪音满满的区别。难度提高后,机器人就有必要实现自主行动功能了,或者说,至少得实现半自主。不能像原先一样,在发送数据回控制端后等待具体指令,而是要能够理解一些更高层次的要求,比如“走向那扇门”和“开门”,换句话说,机器人必须要具备一定思维。
在普拉特的构思中,DPR 初赛(DPR Trails)是未来一系列竞赛中的第一环,功能就像是在“校对认知”,让 DARPA 能够了解目前机器人技术发展情况,以设计明年 DRC 总决赛项目。“这次是试验性的比赛,好处在于它能让我们直观的了解到,机器人能做到什么,”DPR 开始前,普拉特在记者发布会上这么说,“缺点也同样明显,有时候我们会被科幻小说误导认知,以为有些事情很容易做到,但实际上根本不是那样,我们有着不见棺材不落泪的心态,还是要先去做,实例才有说服力。所以说,这场比赛不仅能让我们改正对机器人的认识,更主要的是,能让大众摆正认识。”
做这种校对既是科学,也能算是艺术。波士顿动力负责人马克·雷波特(Marc Raibert)做这项工作已经有 30 余年,20 世纪 80 年代和 90 年代他分别在卡耐基梅隆大学和麻省理工学院担任教授,1992 年他辞职创办波士顿动力公司。在 DRC 赛场上,比赛规定是要穿颜色鲜艳的安全背心,但雷波特穿的是夏威夷衬衫,似乎这些规则对他不适用。
波士顿动力公司研发的 LS3 有脚给养支持系统(Legged Squad Support System)和野猫四组机器人(Wildcat)在整个赛程中表现十分亮眼,虽然不是参赛者,公司确实为 DRC 初赛的成功作出了不菲贡献,比如阿特拉斯号机器人这个平台。波士顿动力很早前就开始与 DARPA 合作,内容包括打造仿动物机器人,让 LS3 应用于士兵装备运输,升级阿特拉斯号让其支持内置便携式电源,改进 DRC 上依靠电缆进行传输供电的运行模式。
早在上世纪 60 年代,DARPA 的项目管理者们就开始思考,试图打造能够翻越不同地形运输食物和弹药的“机械大象”和“机械马”,在特殊地形时能够替代吉普车和直升机作为后勤工具,让越南战争中的越共士兵能用上它们。不过在 DARPA 下一代领导人上任后,这个想法就被淡化,因为领导层害怕这个远超时代的想法被传播出去,而自己没能力实现。
五十年后的现在,技术发展已经跟上了想象力,波士顿动力已经成功研发了机械马。“动物能做的事情,就是我们想要机器也能做的事情,”雷波特在 DRC 上告诉我,“它们可以爬山,可以在非常复杂的地形中运动,包括人类在内,动物用自己的四肢几乎到达了地球上每一个地方,轮子和履带做不到这一点。所以说,我们的梦想就是设计出有动物一般机动性和智能的机器人。”
在展示技术时,一名波士顿动力的工程师拿着无线电控制器,命令 LS3 从跪姿站立,结果这个机器人展示了惊人的灵巧——伴随着一阵引擎启动声,它立马就开始了慢跑。
在实现了一般程度的灵活性后,LS3 的研发又回到了原先的问题上:自主行事。尽管这个人形机器人可以保持自身直立,甚至跟随前方人类的脚步,但它需要一名操作者在附近,智慧程度与真正的动物无法匹敌。雷波特表示,“动物有很多肌肉,有大脑控制这些肌肉,还有强壮的骨骼等等,这种程度的动作根本不在话下,但对于我们这些工程师,这就是必须攻克的难题了。”
LS3,或者说 DRC 初赛的作用在于,告诉工程师和大众科技局限性所在……直到出现突破性进展。自从 1958 年成立以来,DARPA 项目管理者们见证了太多的突破,所以 DARPA 副署长史蒂芬·沃克(Steven Walker)带着强烈自信告诉我,尽管现在机器人面临的挑战是复杂地形,但他可以肯定,几年内的 DRC 赛事上就可以看到速度和灵活性兼备的机器人。沃克曾经是采用了吸气式超燃冲压发动机的、世界上最快的飞机 X-51A 项目领头人,那是 DARPA 历史上最成功的项目之一。
在 2004 年的无人驾驶汽车挑战赛上,没有一辆汽车能够走完全程,而那时的全程赛道位于沙漠上,几乎都是直线冲刺。到了 2005 年,就出现了 5 名完成者。2007 年的第三届比赛上,这些无人驾驶汽车就能在模拟城市街道上自主导航了。时隔三年,汽车制造商就已经实现了特定制约下的自主行事,让机器人们变得“更主动”,至于是否能完全自主行事,阻碍在于社会和政治角度,而非技术限制。
普拉特、沃克、普拉巴卡尔以及所有参与了 DRC 的团队,都一致认为自主人形机器人是行业的正确发展方向,他们对于行业的看法,正如机器人能用激光雷达测距仪清晰勾勒出周围环境一般。
不得不承认,这一届 DRC 初赛上的机器人水平大体上确实不够看,只有冠军 SCHAFT 队亮蓝色的人形机器人——其实就是把传感器和计算系统做成了人形——有不少亮点,在其他机器人蹒跚而犹豫的时候,它大步跨越了崎岖地形,穿过了路径上随机摆放的煤渣块障碍物,它的动作看起来充满自信。在阶梯挑战上,它一步当两步走,在规定时间内完成了任务。
SCHAFT 团队领袖是中西佑都(Yuto Nakanishi),在每一项比赛进行时候,他都表现得安静而专注,直到自己队伍的机器人获胜,他才会握拳示意。很显然,SCHAFT 团队有着王者气质,最终它也赢得了比赛。而且 SCHAFT 队伍背后是东京大学下属的一家私人公司,福岛第一核电站事故正发生在日本,它获得了 DRC 冠军也算是实至名归、非常合适的。
同时,就像 Google 对于自动驾驶汽车的研发工作——在 2005 年收购了一只获得自动驾驶汽车挑战赛的冠军队伍——一样,这家搜索引擎巨头在 DRC 开始前一周作,买下了 SCHAFT 和波士顿动力,DARPA 前任领头人里贾·纳杜根(Regina Dugan)进入 SCHAFT 董事会,纳杜根原先在 Google(前)子公司摩托罗拉负责先进技术和项目。Google 就像是平民版 DARPA 一般。
“人形机器人进入人类科技版图纸是个时间问题,就像无人驾驶汽车和可穿戴智能设备一样。”
除了 SCHAFT 和波士顿动力,Google 还收购了其他五家机器人公司,毫无疑问地,这家地球上最成功的创新型企业为机器人研发付出了巨大赌注。虽然 Google 从不透露其未来计划,但从它动向不难看出一二,不论我们喜不喜欢这个变化,可以这么说,通用用途的、行为半自主的人形机器人将在我们未来的科技领域打下一片天空,就像 Google 的另外两个项目一样:无人驾驶汽车,可穿戴智能设备。
灾难覆盖区只是“通用”的一个方面,机器人还能用于其他人类创造的环境中,发挥更大作用。例如智能家居中的机器人吸尘器、温控器、灯、喷头等等,目前这些设备售价甚高,只有那些有闲钱的人才能买来尝鲜,而未来随着人口增长,它们会逐渐变成必需品。
在工业化国家,年龄 65 岁以上的人口数量增长速度,远比劳动力人口增长速度要快。例如,根据卫生和人类服务部统计,美国内前者数额将在 2030 年达到 7210 万人,是 2000 年的两倍。而在日本,65 岁以上群体数量增长速度快得前所未有,根据日本国家人口和社会保障研究所预测,到 2050 年时这个群体数量将占据全国人口数量的四分之一。
DRC 赛事负责人吉尔·普拉特(Gill Pratt)观察到了这个趋势,他发现已经有不少家用洗碗机和真空吸尘器了,但他并不否认这 DRC 赛事中的机器人,尽管它们造价昂贵、体积巨大,设计目的也是用于福岛第一核电站事故之类的灾难。普拉特预测说,将来机器人能够大批量生产,成本降低至公众水平,全世界的消防部门都能用得上,一旦出现了灾难,它们会和消防车、除颤器在第一时间到达现场。
“很显然,如果实现人道主义的机器人出现了,那机器人士兵也就很快会出现。”
普拉特表示,DRC 赛事上的机器人设计纯粹出于人道主义,DARPA 部门并不打算把它们军事用途。但很多人都不认同这个说法,例如国际机器人武装控制委员会的马克·哥布德(Mark Gubrud),哥布德跟我说,“我觉得 DRC 这事儿,首先要看的就是它赞助商 DARPA,很显然,他们不光要设计用于枯燥、肮脏和危险环境的机器人,还会有兴趣制造机器人士兵,至少这是他们长期目标之一。很显然,一旦有了前者,后者也就不远了。”真是大煞风景,就算这话说得没错,但我认为,未来 C3PO 和终结者都注定会是我们生活的一部分。
在经过开发团队一年的努力后,今年 12 月,软硬件水平全面提升的机器人们会再一次来到 DRC 赛场上。前八名团队会直接获得 DARPA 帮助,但包括全员志愿者的 Mojavaton 队在内,其他许多队伍都要过上一年自费研发、捂紧口袋的日子。今年 DARPA 提供的奖金提升到了 200 万美元,而且 DARPA 承诺,还会启动另一个以科幻小说概念现实化为基础(就像机器人这个概念一样)的项目,证明一些看似不可能的事情,实际上是可行的。这一项目同样会影响深远,再一次动摇我们关于机器人自主行为的看法。
如果 DARPA 副署长史蒂芬·沃克(Steven Walker)是正确的,在 DRC 总决赛上,我们不仅可以看到机器人高效地进行步行、使用电动工具等比赛项目,还可以看到它们自行驾驶汽车,理解人类的许多指令。如果人形机器人发展速度能够和无人驾驶汽车一样快,那么不过几年,我们就能看到更加智能、更加自主的人形机器人,它们能够独立感知这个世界,理解和独立执行复杂命令。那时距离人形机器人侵入我们生活,作为助手、第一反应人员和执法者,也就不远了。
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