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本文核心觀點：
1. 麻省理工的研究人員開發了一套新系統，可以針對各種地形優化機器人的形狀；
2. 這個名為 RoboGrammar 的系統工作起來分三個步驟：先定義問題，再擬定可能的解決方案，然後選擇最優解決方案。
3. 這個想法來自於其他動物的運動方式，特別是昆蟲、蜘蛛和龍蝦等節肢動物。
如果你需要一個會爬樓梯的機器人，它應該是個什麼形態？要像人一樣有兩條腿嗎？還是說得像螞蟻一樣有六條腿？
選擇正確的形態對機器人能否穿越特定地形至關重要，而要窮極每一種潛在的形態是不可能的。不過現在，麻省理工開發的系統就可以進行完整模擬，並確定哪種設計最有效。
當然，你首先要告訴這個叫做 RoboGrammar 的系統你車間裡現在有哪些機器人零件——比如輪子和關節等，你還得說明白機器人要用在什麼地形上。後面就看 RoboGrammar 自行發揮了，它會為你的機器人生成一個優化的結構和控制程序。
這套系統可以為該領域注入一劑計算機輔助創意源泉。"機器人設計仍然是一個手動為主的過程，"麻省理工計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）博士生 Allan Zhao 說道。他將 RoboGrammar 描述為一種"新的、更有創造性的機器人設計方法"。
Zhao 是該論文的主要作者，他將在本月的 SIGGRAPH 亞洲大會上正式發表該論文。共同作者包括博士生 Jie Xu、博士後 Mina Konakovi-Lukovi、博士後Josephine Hughes、博士生Andrew Spielberg以及麻省理工教授Daniela Rus 和 Wojciech Matusik。
當你想打造需要穿越各種地形的機器人時，這些動物也許是最佳參照對象。
機器人可以適用於幾乎無窮無盡的任務，然而"它們的整體形狀和設計往往都非常相似，"Zhao 解釋道。舉例來說，"當你想打造一個需要穿越各種地形的機器人時，肯定第一時間會跳到四足動物身上（比如狗），"他補充道。"我們在想，這是否真的是最佳設計。"
Zhao 的團隊推測，更多的創新設計可以改善功能。於是他們為該任務搭建了一個計算機模型——一個不受之前慣例影響的系統。雖然創造性是目標，但 Zhao 必須設定一些基本規則。
機器人的形式"主要由無意義的設計組成"，Zhao 在論文中寫道。"如果你能以任意的方式連接各部分，最終只能得到一個大雜燴，"他說道。為了避免這種情況，他的團隊開發了一種"圖形語法"——一套關於機器人部件排列的約束條件。例如，相鄰的腿應該用關節連接，而不是再與另一條腿連接。這樣的規則確保每一個計算機生成的設計都能正常工作。
Zhao 表示，他的圖形語法規則靈感並非來自其他機器人，而是來自動物，尤其是節肢動物，這些無脊椎動物包括昆蟲、蜘蛛和龍蝦，而節肢動物是一個進化的成功案例，佔已知動物種類的 80% 以上。"它們的特點是有一個主體，再配合數量不等的節段。有些節段可能裝有腿，"Zhao 解釋道。"而且我們注意到，這不僅足以描述節肢動物，而且還可以描述更多熟悉的形式，"包括四足動物。儘管他加了一些機械"裝飾"，Zhao 還是用節肢動物那裡獲得的靈感提升了機器人的靈活性。
想得到最優形態？這三個步驟必不可少
使用 Zhao 的圖形語法，RoboGrammar 的操作分為以下三個步驟：先定義問題，再擬定可能的解決方案，然後選擇最優解決方案。
問題定義主要落在人類用戶身上，他們要輸入可用的機器人零部件集，如電機、腿和連接其他部位的節段。"這是確保機器人能夠真正在現實世界中被製造出來的關鍵，"Zhao 說道。用戶還得指定需要穿越的各種地形，其中可以包括臺階、平坦區域或溼滑表面等元素的組合。
有了這些輸入，RoboGrammar 就會利用圖形語法的規則設計出數十萬種潛在的機器人結構。有些看起來隱約像一輛賽車，另一些看起來像蜘蛛，或者一個在做伏地挺身的人。"能看到各種各樣的設計，對我們來說相當鼓舞人心，"Zhao 說道。"它顯示了圖形語法強大的表現力。"不過，雖然圖形語法在數量上不是問題，但它的設計並不總能達到最佳質量。
選擇最佳的機器人設計需要控制每個機器人的動作並評估其功能。"到目前為止，設計出的機器人還只是結構，"Zhao 說道。而控制器是將這些結構變為現實的一組指令，它會管理機器人各種電機的運動順序。該團隊為每個機器人開發了一個控制器，並用到了一種名為"模型預測控制"的算法，該算法會優先考慮快速前進運動。
"機器人的形狀和控制器深深地交織在一起，"Zhao 解釋道，"這就是我們為每一個給定的機器人單獨優化控制器的原因。"一旦每個模擬機器人都獲得自由移動能力，研究人員就會通過"圖形啟發式搜索"來尋找性能優異的機器人。這種神經網絡算法會反覆對機器人集進行採樣和評估，它可以學習哪些設計能更好地執行任務。"啟發式函數會隨著時間的推移而改進，"Zhao 說道，"搜索會將我們指向最佳機器人。"
設計師還沒拿起螺絲呢，系統就把工作完成了
哥倫比亞大學機械工程師與計算機科學家 Hod Lipson（他並沒有參與這個項目）表示："這項工作是 25 年來探索自動設計機器人形態和控制的最高成就之一。使用圖形語法的想法已經有一段時間了，但沒有人將這個想法執行得如此漂亮。一旦我們能讓機器自動設計、製作和編程機器人，一切都不一樣了。"
Zhao 將該系統看作人類創造力的火花。他將 RoboGrammar 描述為 "專為機器人設計師準備的工具，能擴展他們所利用機器人結構的空間"。為了展示其可行性，他的團隊計劃在現實世界中建造和測試一些 RoboGrammar 選出的最佳機器人。Zhao 還補充稱，該系統可以被改造成追求地形穿越以外目標的機器人，而且他說 RoboGrammar 可以幫助填充虛擬世界。"比方說，在一個視頻遊戲中，你想生成很多種類的機器人，這時就不需要藝術家去創造每一個機器人了，"Zhao 說道。"RoboGrammar 馬上就能拿出解決方案。"
這個項目有沒有什麼出人意料的成果？"大多數設計最後確實是四條腿的，"Zhao 說道。也許機器人設計師一直以來傾向於四足動物是對的。"也許這樣真的是有什麼意義吧。"
參考來源：https://www.weforum.org/agenda/2020/12/computer-aided-robot-design-shape-terrain/
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