在笔记本电脑上从头设计一款会走路的机器人,AI只需26秒

AI行业动态8个月前发布 ainavi
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受自然界进化设计的启发,使用进化算法的机器人自动化设计已经尝试了二十年,但效率仍然低下。现在,从一块肥皂状物质到成功步行的机器人,AI 的整个设计过程在笔记本电脑(消费级硬件)上只用了 26 秒。

一直以来,设计一款机器人的难度是有目共睹的,这是由于机器人的物理结构、感官和运动布局以及行为之间存在着非常复杂的相互依存关系。迄今为止,每个机器人的众多细节都会经由人类设计师数月或数年来的反复构思、原型设计和测试,最终手动确定。

此前,一些研究者也尝试过利用进化算法自动设计机器人,但其效率仍然很低:在模拟中设计机器人,同时使这些机器人在制造出来后能表现出所需的行为,大概需要数天的超级计算时间。

最近,由西北大学研究人员领导的一个团队开发了迄今为止第一个可以从头开始设计机器人的 AI,相关研究于 10 月 3 日登上《美国国家科学院院刊》。

在笔记本电脑上从头设计一款会走路的机器人,AI只需26秒

论文链接:https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2305180120

值得注意的是,这个 AI 是在普通的笔记本电脑上运行的,整个设计过程只用了 26 秒,而且研究者没有提供任何设计方面的线索。也就是说,AI 自己领悟了「长腿」是穿越陆地的好方法。

当 AI 从零开始设计机器人

「我们发现了一种非常快速的 AI 驱动的设计算法,绕过了进化历史上的漫漫长路,也不会依赖于人类设计师的偏见,」西北大学 Sam Kriegman 说。Sam Kriegman 是西北大学计算机科学、化学和生物工程以及机械工程的助理教授,也是机器人和生物系统中心( Center for Robotics and Biosystem)成员。

「我们告诉人工智能,想要一个可以在陆地上行走的机器人,然后按下按钮,就可以了!一眨眼功夫就设计出一个机器人,看起来一点也不像曾经在地球上行走过的任何动物。我把这个过程称为『即时进化』。」在笔记本电脑上从头设计一款会走路的机器人,AI只需26秒

一开始,研究人员给了 AI 一个简单提示:设计一个可以在平面上行走的机器人。

虽然自然界花了数十亿年的时间才进化出第一个行走物种,新算法却将这一进化过程压缩到了闪电速度 —— 在 26 秒钟内设计出一个成功步行的机器人。

在笔记本电脑上从头设计一款会走路的机器人,AI只需26秒

它的设计速度不仅快,还可以在个人电脑上运行,并从头开始设计全新的结构。这与其他 AI 系统形成鲜明对比,后者通常需要依托超级计算机和巨大的数据集。而且,即便处理完海量数据后,这类系统也往往受到人类创造力的限制 —— 只是模仿人类过去的作品,而无法产生新想法。

AI 先从一块大约肥皂大小的块状物质开始,起初这团物质只会摇晃,完全无法行走。AI 知道自己的目标尚未达成,于是迅速迭代设计。每次迭代,AI 都会评估自己设计的效果 ,找到缺陷并通过修剪来更新机器人的结构。最后,机器人可以在原地弹跳,然后向前跳和移动。九次尝试后,AI 设计出每秒可以行走半个身长距离的机器人,约为人类步速的一半。

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                                    整个设计过程 —— 从无法行动的块状物到成功行走的机器人 —— 在笔记本电脑上只用了 26 秒。

为了看看这款机器人能否在现实生活中工作,Kriegman 和他的团队按照设计蓝图,3D 打印出身体周围负空间(negative space around the robot’s body)的模具,然后填充液态硅胶,几个小时后再将固化后的硅胶从模具中取出来,又软又有弹性。

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但是,它可以走路吗?接着,研究人员给它充气(空气),三条腿就鼓了起来,放气后,腿又收缩了。通过不断向机器人泵送空气,三条腿反复膨胀、收缩,机器人也在这一过程中缓慢但稳定地走了起来。

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「一个全新生物的诞生」

Sam Kriegman 实验室的科学家 David Matthews 是该论文第一作者,他与 Sam Kriegman 以及其他合著者 Andrew Spielberg、Daniela Rus(麻省理工学院)、Josh Bongard(佛蒙特大学)密切合作了几年才有了这一突破性发现。

2020 年初,Kriegman 因开发异种机器人(xenobots)而获得广泛关注,这是第一个完全由生物细胞制成的活机器人。现在,Kriegman 和他的团队将新 AI 视为探索人工生命潜力的下一个进步。

这个机器人本身很不起眼 —— 又小又软又畸形,由无机材料制成。但 Kriegman 表示,这意味我们朝着人工智能设计工具新时代迈出了第一步,这些工具可以像动物一样直接作用于世界。

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「当人们看到这个机器人时,他们可能会看到一个无用的小工具,」Kriegman 说,「我看到了一个全新生物的诞生。」

「现在,随着 AI 实时生成越来越好的机器人身体,任何人可以看到动态中的进化,」Kriegman 说。「以前需要在超级计算机上进行数周试错,当然,任何动物在奔跑、游泳或飞行之前都经历了数十亿年的试错,这是因为进化无法预见未来(foresight),无法知道某个特定突变是有益还是灾难性的。我们找到了一种去掉障眼物的办法,将数十亿年进化历程压缩到了瞬间。」

在笔记本电脑上从头设计一款会走路的机器人,AI只需26秒

                                 Sam Kriegman 和机器人

仅凭一己之力,AI 出人意料地想出了与自然界相同的行走解决方案:腿。但与自然界绝对对称的设计不同,人工智能采取了不同的方法:它设计的机器人有三条腿,背部有鳍,扁平的脸,还布满了孔。

「这很有趣,因为我们没有告诉 AI 机器人应该有腿,」他说。「它重新发现了腿是在陆地上行动的好方法。事实上,腿部运动是最有效的地面运动形式。

虽然进化出腿是有道理的,但这些孔的设计有些奇怪,AI 似乎是随机打孔。Kriegman 假设孔隙率可以减轻重量并增加灵活性,使机器人能够弯曲双腿行走。

「我们真不知道这些孔是做什么的,但知道它们很重要,」他说。「  因为取消这些孔时,机器人要么不能再走路,要么走路变得不利索。」

总的来说,Kriegman 对机器人的设计感到惊讶和着迷,并指出大多数人类设计的机器人要么看起来像人类,要么像狗或曲棍球冰球。

「当人类设计机器人时,我们倾向于将它们设计成看起来熟悉的物体,」他说。「但人工智能可以创造人类从未考虑过的新可能性和演进道路,它可以帮助我们以不同的方式去思考,这有助于解决我们面临的一些最困难的问题。」

虽然 AI 设计的第一个机器人只能蹒跚前行,但 Kriegman 想象了一个新的世界,由 AI 来设计工具。有朝一日,AI 设计的机器人可以在废墟中穿行寻找被困的人和动物,或者穿越下水道修复破损。AI 还可以设计进入人体的纳米机器人,疏通动脉,诊断疾病或杀死癌细胞。

「唯一阻碍我们使用这些新工具和疗法的是人类不知道如何设计它们,」他说。「幸运的是,AI 有自己的想法。」

参考链接

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305180120

https://www.youtube.com/watch?v=doS94hdQJu4

https://news.northwestern.edu/stories/2023/10/instant-evolution-ai-designs-new-robot-from-scratch-in-seconds/

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