一只没有手的四足机器人,把一个大魔方拧好了。不是摆拍,也不是人遥控,是它自己完成的。
苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)机器人系统实验室展示了他们的 ANYmal-D:整只机器狗靠四条腿,独立解开了一个巨型魔方。机器人解魔方本身不算史无前例,真正有意思的地方在于——它用的是腿,而且全程要保持平衡。
这件事在技术上有个专门的说法,叫 pedipulation,直译过来就是"用脚操作物体"。团队靠三样东西配合完成:经典算法、计算机视觉,以及强化学习。
要理解这有多难,得先把"解魔方"这件事拆开看。它其实是一串彼此独立的任务。
第一步是看懂魔方现在的状态。机器人得把六个面都检查一遍,搞清楚哪种颜色在哪个位置。第二步是算解法,也就是想明白需要按什么顺序转动哪些层。按掌握程度不同,这一步可以是执行基础的"算法"流程——白色十字、白色角块、中间层、黄色十字——也可以是更快的方法。
但不管用哪种方法,每一步最终都要落到物理操作上:真的去转动魔方,而且不能顺手把不该动的块也带偏了。
对人类来说,这通常是整个过程中最简单的一环。可对一只四足机器人来说,这一步极其棘手。它没有手,要转动某一层、要翻转整个魔方,全都得靠腿,同时还得站稳。
为了做到这一点,ANYmal 必须用剩下的几条腿支撑身体,精确摆放脚的位置,施加恰到好处的力,还要在脚碰到魔方的瞬间不断做出调整。这次用的魔方本身也不轻,重量大约 10 磅(4.6 公斤)。
哪怕只完成一步动作,机器人都要同时满足两个条件:底下的层不能跟着动,要动的那一层又得给足扭矩。更关键的是,这套动作要一遍遍重复,而且不能摔倒。一次意外转动就可能毁掉整个尝试——运气好是补一步修正,运气差就得从头再来。
按团队的说法,这项能力是靠强化学习、仿真和"教师—学生训练"结合实现的。也就是说,他们没有把每条腿的动作硬编码进去,而是让机器人通过反复试错,自己练出了一种类似"肌肉记忆"的东西。
不过,会转魔方不等于会解魔方。光把方块拨来拨去,并不能保证最后能还原。这一步团队给机器人配了一个叫 Kociemba 求解器的东西,用来算出需要哪些动作。计算机视觉、颜色分类和这个算法合在一起,才能确定完整的动作序列。算出来的结果再下发给四肢,同时持续监测魔方的状态,发现偏差就纠正。
结果如何?团队称,机器人 3 次尝试全部成功。每次解完耗时 8 到 9 分钟,大约需要 30 个独立的机器人动作。
对一只没有手的机器人来说,这成绩不算差。那这项研究往外看,意味着什么?
它至少说明一件事:机器人可以被教会用自己本来就有的"工具",以不那么常规的方式解决问题。比如用腿去开门、拧阀门、挪开障碍物,而不必额外加装专用工具。顺着这个思路,未来的机器人有可能做得更简单、更轻,成本也可能更低。这类能力在工业巡检、维护、搜救等场景里或许会有价值——那些环境里,机器人需要做的往往不只是"走过去"。
一只机器狗用腿拧魔方,看起来像个趣味表演。但拆开看,它练的其实是"没有手怎么干活"这件事。
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