趙明國(guó)：技術(shù)積累5年后人形機(jī)器人或?qū)⒆哌M(jìn)家庭

 

　　在當(dāng)代，機(jī)器人借著科幻小說和影視作品深入人心，人們?cè)谛≌f里或是在銀幕上看到各式各樣或正或邪的機(jī)器人。然而與現(xiàn)實(shí)形成鮮明對(duì)比的是，人們的生活中卻甚少出現(xiàn)真正的機(jī)器人的身影。這種現(xiàn)狀可能會(huì)在不久就能有所改變，很多機(jī)器人學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的專家認(rèn)為，機(jī)器人進(jìn)入家庭，與人類交流協(xié)同或?qū)⒉辉龠b遠(yuǎn)。清華大學(xué)自動(dòng)化系的趙明國(guó)教授就是他們之中的一員。

 

　　帶領(lǐng)清華大學(xué)“火神隊(duì)”贏得RoboCup國(guó)際冠軍

 

　　除了是清華大學(xué)的教授之外，趙明國(guó)在圈里面最為人所熟悉的是機(jī)器人世界杯RoboCup的冠軍隊(duì)成員。說起RoboCup這項(xiàng)機(jī)器人領(lǐng)域最為熱門的賽事，要追溯至1997年，當(dāng)時(shí)也是因?yàn)槿藱C(jī)對(duì)弈，人工智能與機(jī)器人的話題熱度曾一時(shí)無兩。當(dāng)年5月，IBM深藍(lán)在國(guó)際象棋中擊敗人類世界冠軍。隨后的7月，美國(guó)宇航局的探路者號(hào)成功著陸，第一個(gè)自制機(jī)器人系統(tǒng)“旅行者”被部署在火星表面。1個(gè)月后，第一屆正式的RoboCup在日本舉行，“2050年實(shí)現(xiàn)機(jī)器人足球隊(duì)?wèi)?zhàn)勝人類世界杯冠軍隊(duì)”是RoboCup的最終目標(biāo)。

 

 

　　“相對(duì)而言，諸如深藍(lán)和AlphaGo在國(guó)際象棋和圍棋上對(duì)人類的挑戰(zhàn)，無論難度如何都是屬于靜態(tài)問題，而要進(jìn)一步發(fā)展，則需要機(jī)器人在更為復(fù)雜的環(huán)境里解決動(dòng)態(tài)問題”，讓機(jī)器人踢足球是RoboCup發(fā)起者參與者包括趙明國(guó)自己所認(rèn)同的，能夠有效推進(jìn)機(jī)器人發(fā)展的一種方式。“要達(dá)到最終戰(zhàn)勝人類世界杯冠軍隊(duì)的目標(biāo)，機(jī)器人需要解決涉及到動(dòng)態(tài)環(huán)境、對(duì)環(huán)境中噪音識(shí)別、多機(jī)器人交互協(xié)調(diào)等問題”，趙明國(guó)教授如是說。

 

　　正是被這一目標(biāo)所吸引，趙明國(guó)教授發(fā)動(dòng)清華大學(xué)的同學(xué)組建了一支機(jī)器人足球隊(duì)，即如今的清華大學(xué)“火神”隊(duì)，在他的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)很快在RoboCup上嶄露頭角。

 

　　2004年，火神隊(duì)帶著實(shí)驗(yàn)室買來的Sony公司Aibo機(jī)器狗參加了國(guó)內(nèi)首次RoboCup，并一舉拿下了四足組的冠軍。很快，趙明國(guó)教授開始帶領(lǐng)火神隊(duì)沖向國(guó)際，并獲得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)。2006年，他們的四足機(jī)器人在RoboCup的12米競(jìng)速走挑戰(zhàn)賽中得了第一名，成為當(dāng)時(shí)跑得最快的機(jī)器人。

 

　　參加比賽并不僅僅是為了獲得好成績(jī)，一方面是通過參加比賽來驗(yàn)證相關(guān)的研究結(jié)果，另一方面是為了適應(yīng)不斷提高的比賽要求去促進(jìn)研究的提升，即推動(dòng)教學(xué)、培養(yǎng)人才和提升研究水平。2008年開始，趙明國(guó)教授正式將機(jī)器人研究納入清華大學(xué)自動(dòng)化系的一門課程。

 

　　目前，趙明國(guó)教授在清華大學(xué)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)有十幾人，其中，本科生著重于比賽和應(yīng)用，研究生博士生則著重于技術(shù)研發(fā)。盡管已經(jīng)獲得了諸多成績(jī)，但趙教授表示，團(tuán)隊(duì)在綜合能力、視覺、決策等方面還有很大的提升空間。

 

　　人形機(jī)器人就像“佐羅的馬”是伙伴不是替代品

 

　　雖然以四足機(jī)器人獲得了成功，但是對(duì)于趙明國(guó)教授而言，更加吸引他的卻是科研難度更高的雙足人形機(jī)器人。

 

　　從2006年起，趙明國(guó)教授的團(tuán)隊(duì)將比賽的重點(diǎn)由四足機(jī)器人轉(zhuǎn)向雙足機(jī)器人，一方面源于Aibo機(jī)器狗的停產(chǎn)，賽事轉(zhuǎn)用雙足機(jī)器人NAO?？紤]到成本，團(tuán)隊(duì)選擇了在軟件之外涉足自主硬件開發(fā)；另一方面則是雙足機(jī)器人更利于自動(dòng)化專業(yè)的他們發(fā)揮機(jī)電控等技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。在大家十分注重人形機(jī)器人行走的2008年，團(tuán)隊(duì)根據(jù)“被動(dòng)行走”方法研究出了一套“虛擬斜坡”的方法，并在內(nèi)部實(shí)驗(yàn)機(jī)器人上成功實(shí)現(xiàn)了世界上行走最快的雙足機(jī)器人。這項(xiàng)技術(shù)也讓火神隊(duì)在RoboCup中的實(shí)力大幅提升，使得團(tuán)隊(duì)機(jī)器人在“行走”方面成為最頂尖的兩支隊(duì)伍之一，并在隨后的比賽中一直名列前茅。

 

　　之所以從四足機(jī)器人轉(zhuǎn)而專注于雙足人形機(jī)器人研究，趙明國(guó)教授還有著更廣泛的人文層面考慮。在他看來，人形機(jī)器人是最為人類接受以及最適應(yīng)人類生活及情感的形態(tài)，而人形機(jī)器人是家庭服務(wù)機(jī)器人的最終目標(biāo)，這就需要賦予機(jī)器人以人的形態(tài)以及人的功能，這是人類與機(jī)器人之間最友好的交互方式和使用方式。在技術(shù)層面，他也提到，當(dāng)前人形機(jī)器人在原理性上還存在很多未知有待人們不斷地探索和完善，因而這是一個(gè)在未來20-30年具備重要價(jià)值的研究主題。

 

　　“我認(rèn)為，人形機(jī)器人和佐羅的馬有著共同之處，馬既是佐羅的交通工具又是他的伙伴；機(jī)器人也并不應(yīng)該是人的工具、替代品，而是一個(gè)家庭伙伴，可以與人交流協(xié)作。”

 

　　趙明國(guó)教授提到，受限于技術(shù)和成本，目前沒有確切的技術(shù)可以保證人形機(jī)器人的實(shí)用化，仍處于科研探索階段。因此，實(shí)驗(yàn)室致力于開發(fā)像人類運(yùn)動(dòng)一樣具有很高的能量效率，走路、步態(tài)更加自然的機(jī)器人。開發(fā)能夠在復(fù)雜的環(huán)境行走，同時(shí)保證能量效率、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、命中率都比較高的方法。因此，他認(rèn)為最早從動(dòng)力學(xué)出發(fā)的一套方法至今依舊可行，但同時(shí)需要很高的控制系統(tǒng)的軟件、硬件和算法。近年來，隨著人工智能提升、深度學(xué)習(xí)方法的出現(xiàn)，為研究提供了新的手段，他預(yù)測(cè)近兩年會(huì)有新的突破。

 

　　技術(shù)漸進(jìn)積累5年后人形機(jī)器人或?qū)⒆哌M(jìn)家庭

 

　　“人形機(jī)器人是家庭服務(wù)機(jī)器人的最終目標(biāo)”，目前的技術(shù)研發(fā)都在為達(dá)成這一目標(biāo)而努力。

 

　　在趙明國(guó)教授看來，人形機(jī)器人要最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，核心是人工智能，但只靠人工智能是不夠的。“對(duì)于人形機(jī)器人來說，人工智能只是手段之一，是機(jī)器人的大腦、神經(jīng)控制系統(tǒng)的核心；而在身體層面，人形機(jī)器人需要機(jī)械制造、材料、生物、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等技術(shù)作為支撐。”

 

　　為了推動(dòng)技術(shù)研究與生活應(yīng)用的結(jié)合，由趙明國(guó)教授領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)室，正在與百度IDL研究院、Intel研究院等機(jī)構(gòu)合作，研究各種機(jī)器人保持平衡的技術(shù)，近期，他們還將與國(guó)內(nèi)某機(jī)器人獨(dú)角獸公司進(jìn)行技術(shù)合作。

 

　　趙明國(guó)教授認(rèn)為，機(jī)器人的發(fā)展是一個(gè)漸變而非突變的過程，從技術(shù)的發(fā)展歷程來看，機(jī)器人進(jìn)入家庭大概需要5年以上的時(shí)間。他還提到，人形機(jī)器人進(jìn)入家庭的過程也將是漸進(jìn)的。目前人形機(jī)器人最先突破的領(lǐng)域可能是公共服務(wù)領(lǐng)域，如圖書館、酒店、銀行、超市，然后再到家庭服務(wù)領(lǐng)域，不僅能夠?qū)υ?，還能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)如倒水、拖地、洗碗等服務(wù)。而進(jìn)入家庭服務(wù)的人形機(jī)器人形態(tài)也是由粗糙到精細(xì)的過程，由輪子行走、到輪腿復(fù)合再到雙足行走。在他看來，“雙足或輪腿復(fù)合的機(jī)器人在未來5年左右一定會(huì)落地”。