MIT 水下機(jī)器人新作！用機(jī)器學(xué)習(xí) 18 小時造“派大星”，Daniela Rus 為共同作者
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水下機(jī)器人，長什么樣？
2016 年，兩名斯坦福大學(xué) AI 實(shí)驗(yàn)室學(xué)生在對大疆無人機(jī)研究了一番后，設(shè)計了一款名為 SeaDrone 的機(jī)器人，隨后還將其一步步變成了現(xiàn)實(shí)的水下監(jiān)控產(chǎn)品，并成立了自己的公司 O-Robotix。
同年 10 月 21 日的世界機(jī)器人大會主論壇上，斯坦福大學(xué) Oussama Khatib 教授在演講中介紹了一款海底“阿凡達(dá)”，人類不僅可以操控它，還可以通過它身上搭載的眾多傳感器來“感受”海底世界。
2021 年 1 月，來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、韋斯生物啟發(fā)工程研究所的一組科學(xué)家設(shè)計了一群大眼萌機(jī)器魚，研究成果登上知名學(xué)術(shù)期刊 Science Robotics 封面。
可見，水下機(jī)器人逐漸呈現(xiàn)出仿生趨勢。想象一下，在“魚的世界”里，混進(jìn)一條機(jī)器魚要比一臺龐大的機(jī)器更為合理自然，更符合仿生學(xué)原理。
而 MIT 計算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）提出的想法是，制造一款類海洋生物機(jī)器人，其外形不僅可以是魚，還可以是海星！
嗯沒錯，「派大星 MIT 分星」來了！
如何用 18 小時造出一個“派大星”？
2021 年 3 月 31 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于 IEEE RA-L 期刊，題為 Underwater Soft Robot Modeling and Control With Differentiable Simulation（基于可差分模擬的水下機(jī)器人建模與控制）。
隨著水下機(jī)器人技術(shù)不斷推進(jìn)，包括海底探索、樣品采集、海洋生物觀察在內(nèi)的多項(xiàng)任務(wù)如今都能更順利地實(shí)現(xiàn)，學(xué)界也已經(jīng)為此類機(jī)器人的開發(fā)嘗試了多種方案，但由于軟體系統(tǒng)具有高自由度，計算起來并不容易，對水下軟體機(jī)器人進(jìn)行建模、控制其實(shí)是一個較為棘手的問題。
論文介紹：
要對水下軟體機(jī)器人進(jìn)行建模，不僅要順應(yīng)機(jī)器人的形變，還要考慮到機(jī)器人與水環(huán)境之間復(fù)雜的固體-流體耦合。軟體機(jī)器人的復(fù)雜動力學(xué)及其與水環(huán)境的相互作用通常會導(dǎo)致模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)之間存在巨大的差距。
因此，只有縮小機(jī)器人在模擬時和實(shí)際操作中的差距，未來機(jī)器人控制器和設(shè)計才能越來越可靠地轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界中。
如下圖所示，研究團(tuán)隊(duì)的策略是，將一個可差分模擬器嵌入到一個在模擬和真實(shí)實(shí)驗(yàn)之間交替的管道中。給定的控制輸入（左）是機(jī)器人捕獲到的真實(shí)世界的運(yùn)動數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被傳送到可差分模擬器，在那里系統(tǒng)識別縮小了現(xiàn)實(shí)（右下角的四個綠色球體）和模擬（右下角的四個藍(lán)色球體）之間的差距，之后通過軌跡優(yōu)化生成新的控制序列。
這一方法被稱為 Real2Sim，經(jīng)過這樣的迭代轉(zhuǎn)移，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了軌跡優(yōu)化、差距縮小。
研究團(tuán)隊(duì)表示：
將可差分模擬與可差分的分析流體力學(xué)模型相結(jié)合，可以改進(jìn)軟體機(jī)器人的建模和優(yōu)化。
既然有了方法，那就設(shè)計一款機(jī)器人試試。
研究團(tuán)隊(duì)利用 C++ 和 Python 開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法系統(tǒng)，設(shè)計了一只由四個肌腱驅(qū)動的“派大星”，四個腳尖到其背部的電機(jī)分別有一根線纜。
他們選用的材料是硅膠泡沫，既富有彈性又足夠柔軟，可以保證機(jī)器人在狹窄空間中移動。
隨后，“派大星”被放進(jìn)一個水箱進(jìn)行測試，為記錄實(shí)際情況，水箱外放置了一個高速相機(jī)。
【左側(cè)無水，右側(cè)有水】
實(shí)際上，從設(shè)計到通過 Real2Sim 方法對其優(yōu)化，整個過程只需 18 小時?？梢?，該團(tuán)隊(duì)的可拆分模擬迭代在很大程度上減少了機(jī)器人開發(fā)的時間成本。
關(guān)于作者
如上文所述，這一設(shè)計來自于 MIT CSAIL。
雷鋒網(wǎng)(公眾號：雷鋒網(wǎng))注意到，一位名為 Tao Du 的團(tuán)隊(duì)成員是該論文共同一作，此次主導(dǎo)了“派大星”的軟硬件開發(fā)。Tao Du 本科畢業(yè)于清華大學(xué)軟件學(xué)院，隨后在斯坦福大學(xué)計算機(jī)讀碩士，目前 MIT 博士在讀，研究方向是計算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器人學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)，關(guān)注復(fù)雜物理系統(tǒng)中具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計和控制問題。
另外，雷鋒網(wǎng)在作者名單中看到了另一個名字——Daniela Rus。
Daniela Rus 是 MIT CSAIL 主任、Andrew and Erna Viterbi 電氣工程和計算機(jī)科學(xué)教授、IEEE Fellow、AAAI Fellow、美國國家工程院院士，曾于康奈爾大學(xué)獲得計算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位，主要研究領(lǐng)域涵蓋機(jī)器人、移動計算和數(shù)據(jù)科學(xué)。
今年 3 月，福布斯 AI 專欄作家、創(chuàng)業(yè)投資公司 Highland Capital Partners 風(fēng)投專家 Rob Toews 曾撰文列舉出了 8 位具有代表性的 AI 領(lǐng)域女性領(lǐng)袖，Daniela Rus 榜上有名。
實(shí)際上在 CCF-GAIR 2016 的機(jī)器人專場上，Daniela Rus 曾登臺作報告演說，講述了世界機(jī)器人領(lǐng)域十二大前沿技術(shù)趨勢。雷鋒網(wǎng)對其觀點(diǎn)的整理歸納見：
【1】https://www.leiphone.com/category/industrynews/C4ykyc9U9TL8lkDk.html
【2】https://www.leiphone.com/category/industrynews/gOB6fU47x1GaFTru.html
