简介：新智元报道来源：学术头条作者：阳光【新智元简介】麻省理工学院的研究人员成功开发了一种计算机系统，可以模拟机器人的形状，确定哪种设计效果最好。想象一下，如果人们需要一个会爬楼梯的机器人，这个机器人应该是什么形状？它.

新智元报道

来源：学术标题

作者：阳光

【新智元介绍】麻省理工学院的研究人员成功开发了一种计算机系统，可以模拟机器人的形状，并确定哪种设计效果最好。

想象一下，如果人们需要一个会爬楼梯的机器人，这个机器人应该是什么形状？它应该像人一样有两条腿吗？还是应该像蚂蚁一样有六条腿？

设计一个合适的形状对于机器人穿越特定地形的能力非常重要。然而，不可能通过人工设计来构建和测试每一种潜在的形式。

最近，麻省理工学院(MIT)的研究人员成功开发了一个计算机系统，研究人员可以通过该系统模拟机器人的形状，并确定哪种设计效果最好。

在2020年的SIGGRAPH亚洲会议上，发表了题为“地形优化机器人设计的Robo语法：图形语法”的相关论文。

(来源：麻省理工官方网站)

作者之一、麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的博士生艾伦赵说：“机器人设计仍然是一个非常手工的过程。

RoboGrammar系统提出了一种新的、更具创造性的机器人设计方法，用这种方法设计的机器人结构可能更有效。"

首先，人们要做的是告诉RoboGrammar系统车间周围可以使用哪些机器人零件(比如轮子、关节等)。);

同时也告诉它机器人需要在什么样的地面上行进，然后RoboGrammar将负责剩下的工作，为人们想要的机器人生成优化的结构和控制程序。

研究人员表示，这一进展可能会给机器人形状设计领域注入一些计算机辅助创造力。

计算机辅助创造力

机器人是为了完成各种任务而制造的，但它们的整体形状和设计往往非常相似。

例如，当人们想到建造一个需要穿越各种地形的机器人时，他们会立即想到四足动物，比如像狗一样有四条腿的动物。但这真的是最好的设计吗？没人知道。

因此，麻省理工学院的团队推测，更具创新性的设计可以改善机器人的功能。他们为这项任务建立了一个计算机模型，不会受到以前实践的不当影响。虽然目标是创新，但模型必须制定一些基本标准，才能保证正常工作。

研究人员认为，如果人们能够以任何方式连接机器人的这些部分，他们最终将陷入混乱。

为了避免这种情况，研究小组开发了一个“图形语法”，它是对机器人部件排列的一系列约束。例如，相邻的腿应该由一个关节连接，而不是由另一个腿连接。这样的规则确保了设计至少是初级的，并且每一个计算机生成的设计工作都是可行的。

(来源：麻省理工官方网站)

其实这个系统中图形语法规则的灵感不是来自其他机器人，而是来自动物(尤其是节肢动物)。

这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和虾。节肢动物作为一个庞大的群体，是一个成功的进化故事，占已知动物物种的80%以上。

赵伦说：“节肢动物的特征是中央身体，关节数量可变，有些部分可能由腿连接。而且，我们注意到，这不仅足以描述节肢动物，还可以描述更熟悉的动物形态，包括四足动物。”

因此，研究人员采用了受节肢动物启发的规则。但是这个系统也给机器人增加了一些机械功能。例如，它允许机器人使用轮子，而不仅仅是腿。

机器人方阵

使用团队为系统制定的规则，RoboGrammar可以连续运行三步。首先需要定义问题，然后生成可能的机器人解，最后选择最优解。

问题的定义很大程度上取决于人类用户，他们输入一组可用的机器人组件，如电机、腿和连接段。

需要注意的是，这些问题是保证最终机器人能够在现实世界中制造出来的关键。用户还可以指定要穿越的地形类型，包括楼梯、平坦区域或光滑表面等元素的组合。

通过这些输入，RoboGrammar使用图形语法的规则来设计成千上万个潜在的机器人结构。有些看起来有点像赛车，有些看起来像蜘蛛，或者像一个人在做俯卧撑。

赵爱伦说：“看到各种各样的设计，我们深受鼓舞。这无疑显示了图形语法的创造性。”然而，虽然语法可以增加设计的数量，但它的设计并不总是质量最好的。

此外，为了选择最佳的机器人设计，需要控制每个机器人的运动并评估其功能。到目前为止，这些机器人只是系统生成结构。

控制器是给这些结构带来生命的指令集，控制机器人各种电机的运动顺序。因此，该团队使用模型预测控制算法为每个机器人开发了一个控制器，该算法优先考虑快进运动。

赵艾伦说：“机器人的形状和控制器深深交织在一起，这就是为什么我们必须为每个给定的机器人分别优化控制器。”一旦每个模拟机器人都可以自由移动，研究人员就可以通过“图形启发式搜索”来搜索高性能机器人。

该神经网络算法迭代地对机器人集合进行采样和评估，并学习哪种设计更适合给定的任务。赵爱伦说：ldquo;启发式功能会随着时间的推移而不断提高，并且搜索会收敛到最优的机器人。”

而这一切，都是在人类设计师拿起螺丝钉之前发生的。

25 年来的最高成就

MIT 的研究人员希望这个系统可以激发人类的创造力。他们将 RoboGrammar 描述为 “机器人设计人员扩大他们所使用的机器人结构空间的工具”。为了展示其可行性，该研究团队还计划在现实世界中构建和测试 RoboGrammar 的一些最佳机器人。

该系统还可以被改造成在穿越地形之外追求机器人形状设计的目标工具。Allen Zhao 表示，RoboGrammar 可以帮助填充虚拟世界。

“比如，在视频游戏中，人们如果想要生成很多类型的机器人，RoboGrammar 几乎会立即为此工作，而不需要艺术家来创造每个机器人。”

图 | 机器人创造力（来源：JAMES YANG）

而该项目的一项令人惊讶的成果是，大多数机器人的设计最终都是四足的。研究人员表示，也许机器人设计人员一直以来都倾向于四足动物，是有一些道理的。

哥伦比亚大学的机械工程师兼计算机科学家 Hod Lipson 评价道：“这项工作是 25 年来自动设计机器人形态和控制的最高成就。使用形状语法的想法已经存在了一段时间了，但是没有一个地方像在这部作品中那样完美地实现了这个想法。一旦我们能够让机器自动设计、制造和编程机器人，所有的赌注都将消失。”

随着该系统的出现，人们可以预见，在未来机器人的设计，或许仅仅需要一台计算机。

参考资料：

https://news.mit.edu/2020/computer-aided-robot-design-1130

https://cdfg.mit.edu/publications/robogrammar-graph-grammar-for-terrain-optimized-robot-design