MIT 水下機(jī)器人新作！用機(jī)器學(xué)習(xí) 18 小時(shí)造“派大星”，Daniela Rus 為共同作者

本文作者：付靜

2021-04-25 18:50

導(dǎo)語：該團(tuán)隊(duì)的可拆分模擬迭代方法很大程度上減少了機(jī)器人開發(fā)的時(shí)間成本。

水下機(jī)器人，長(zhǎng)什么樣？

2016 年，兩名斯坦福大學(xué) AI 實(shí)驗(yàn)室學(xué)生在對(duì)大疆無人機(jī)研究了一番后，設(shè)計(jì)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。

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同年 10 月 21 日的世界機(jī)器人大會(huì)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。

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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(jì)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。

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可見，水下機(jī)器人逐漸呈現(xiàn)出仿生趨勢(shì)。想象一下，在“魚的世界”里，混進(jìn)一條機(jī)器魚要比一臺(tái)龐大的機(jī)器更為合理自然，更符合仿生學(xué)原理。

而 MIT 計(jì)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！

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嗯沒錯(cuò)，「派大星 MIT 分星」來了！

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如何用 18 小時(shí)造出一個(gè)“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）。

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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(jì)算起來并不容易，對(duì)水下軟體機(jī)器人進(jìn)行建模、控制其實(shí)是一個(gè)較為棘手的問題。

論文介紹：

要對(duì)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(dòng)力學(xué)及其與水環(huán)境的相互作用通常會(huì)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(shí)和實(shí)際操作中的差距，未來機(jī)器人控制器和設(shè)計(jì)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(gè)可差分模擬器嵌入到一個(gè)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(dòng)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(shí)別縮小了現(xiàn)實(shí)（右下角的四個(gè)綠色球體）和模擬（右下角的四個(gè)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。

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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(jì)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(jì)了一只由四個(gè)肌腱驅(qū)動(dòng)的“派大星”，四個(gè)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(dòng)。

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隨后，“派大星”被放進(jìn)一個(gè)水箱進(jìn)行測(cè)試，為記錄實(shí)際情況，水箱外放置了一個(gè)高速相機(jī)。

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【左側(cè)無水，右側(cè)有水】

實(shí)際上，從設(shè)計(jì)到通過 Real2Sim 方法對(duì)其優(yōu)化，整個(gè)過程只需 18 小時(shí)?？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(shí)間成本。

關(guān)于作者

如上文所述，這一設(shè)計(jì)來自于 MIT CSAIL。

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(jì)算機(jī)讀碩士，目前 MIT 博士在讀，研究方向是計(jì)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(jì)和控制問題。

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另外，雷鋒網(wǎng)在作者名單中看到了另一個(gè)名字——Daniela Rus。

Daniela Rus 是 MIT CSAIL 主任、Andrew and Erna Viterbi 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、IEEE Fellow、AAAI Fellow、美國(guó)國(guó)家工程院院士，曾于康奈爾大學(xué)獲得計(jì)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(dòng)計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)。

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