一直以來(lái)，DeepMind 引領(lǐng)了強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）智能體的發(fā)展，從最早的 AlphaGo、AlphaZero 到后來(lái)的多模態(tài)、多任務(wù)、多具身 AI 智能體 Gato，智能體的訓(xùn)練方法和能力都在不斷演進(jìn)。

從中不難發(fā)現(xiàn)，隨著大模型越來(lái)越成為人工智能發(fā)展的主流趨勢(shì)，DeepMind 在智能體的開(kāi)發(fā)中不斷嘗試將強(qiáng)化學(xué)習(xí)與自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域融合，努力實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)任務(wù)的統(tǒng)一。Gato 很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。

近日，谷歌 DeepMind 在一篇新論文《Towards A Unified Agent with Foundation Models》中，探討了利用基礎(chǔ)模型打造統(tǒng)一的智能體。

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一作 Norman Di Palo 為帝國(guó)理工學(xué)院機(jī)器學(xué)習(xí)博士生，在谷歌 DeepMind 實(shí)習(xí)期間（任職研究科學(xué)家）參與完成本論文。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2307.09668.pdf

何謂基礎(chǔ)模型（Foundation Models）呢？我們知道，近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)取得了一系列令人矚目的成果，尤其在 NLP 和 CV 領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。盡管模態(tài)不同，但具有共同的結(jié)構(gòu)，即大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常是 transformer，使用自監(jiān)督學(xué)習(xí)方法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練。

雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但基于它們開(kāi)發(fā)出了極其有效的大語(yǔ)言模型（LLM），能夠處理和生成具有出色類(lèi)人能力的文本。同時(shí)，ViT 能夠在無(wú)監(jiān)督的情況下從圖像和視頻中提取有意義的表示，視覺(jué)語(yǔ)言模型（VLM）可以連接描述語(yǔ)言中視覺(jué)輸入或?qū)⒄Z(yǔ)言描述轉(zhuǎn)換為視覺(jué)輸出的數(shù)據(jù)模態(tài)。

這些模型的規(guī)模和能力使社區(qū)創(chuàng)造出了「基礎(chǔ)模型」一詞，這些模型可以用作涵蓋各種輸入模態(tài)的下游任務(wù)的支柱。

問(wèn)題來(lái)了：我們能否利用（視覺(jué)）語(yǔ)言模型的性能和能力來(lái)設(shè)計(jì)更高效和通用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能體呢？

在接受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的文本和視覺(jué)數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，這些模型的常識(shí)推理、提出和排序子目標(biāo)、視覺(jué)理解和其他屬性也出現(xiàn)了。這些都是需要與環(huán)境交互并從環(huán)境中學(xué)習(xí)的智能體的基本特征，但可能需要花費(fèi)大量的時(shí)間才能從反復(fù)試錯(cuò)中顯現(xiàn)出來(lái)。而利用存儲(chǔ)在基礎(chǔ)模型中的知識(shí)，我們能夠極大地引導(dǎo)這一過(guò)程。

受到這一思路的啟發(fā)，谷歌 DeepMind 的研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的框架，該框架將語(yǔ)言置于強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)器人智能體的核心，尤其是在從頭開(kāi)始學(xué)習(xí)的環(huán)境中。

圖 1：框架示意圖。

他們表示，這個(gè)利用了 LLM 和 VLM 的框架可以解決強(qiáng)化學(xué)習(xí)設(shè)置中的一系列基礎(chǔ)問(wèn)題，具體如下：

1）高效探索稀疏獎(jiǎng)勵(lì)環(huán)境

2）重新使用收集的數(shù)據(jù)來(lái)有序引導(dǎo)新任務(wù)的學(xué)習(xí)

3）調(diào)度學(xué)得的技巧來(lái)解決新任務(wù)

4）從專(zhuān)家智能體的觀(guān)察中學(xué)習(xí)

在最近的工作中，這些任務(wù)需要不同的、專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的算法來(lái)單獨(dú)處理，而本文證明了利用基礎(chǔ)模型開(kāi)發(fā)更統(tǒng)一方法的可能性。

此外，谷歌 DeepMind 將在 ICLR 2023 的 Reincarnating Reinforcement Learning Workshop 中展示該研究。

以語(yǔ)言為中心的智能體框架

該研究旨在通過(guò)分析基礎(chǔ)模型的使用，設(shè)計(jì)出更通用的 RL 機(jī)器人智能體，其中基礎(chǔ)模型在大量圖像和文本數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練。該研究為 RL 智能體提出了一個(gè)新框架，利用 LLM 和 VLM 的出色能力使智能體能夠推理環(huán)境、任務(wù)，并完全根據(jù)語(yǔ)言采取行動(dòng)。

為此，智能體首先需要將視覺(jué)輸入映射到文本描述；然后該研究要用文本描述和任務(wù)描述 prompt LLM，以向智能體提供語(yǔ)言指令。最后，智能體需要將 LLM 的輸出轉(zhuǎn)化為行動(dòng)。

使用 VLM 連接視覺(jué)和語(yǔ)言

為了以語(yǔ)言形式描述從 RGB 相機(jī)獲取的視覺(jué)輸入，該研究使用了大型對(duì)比視覺(jué)語(yǔ)言模型 CLIP。 

CLIP 由圖像編碼器和文本編碼器組成，在含有噪聲的大型圖像 - 文本描述對(duì)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練。每個(gè)編碼器輸出一個(gè) 128 維的嵌入向量：圖像嵌入和匹配的文本描述會(huì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以具有較大的余弦相似度。為了從環(huán)境中生成圖像的語(yǔ)言描述，智能體會(huì)將觀(guān)察 Ot 提供給，并將可能的文本描述 ln 提供給，如下圖 2 所示：

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用 LLM 進(jìn)行推理

語(yǔ)言模型將語(yǔ)言形式的 prompt 作為輸入，并通過(guò)自回歸計(jì)算下一個(gè) token 的概率分布并從此分布中采樣來(lái)生成語(yǔ)言形式的輸出。該研究旨在讓 LLM 獲取表征任務(wù)的文本指令，并生成一組供機(jī)器人解決的子目標(biāo)。在模型方面，該研究使用 FLAN-T5，定性分析表明，F(xiàn)LAN-T5 的表現(xiàn)略好于未根據(jù)指令進(jìn)行微調(diào)的 LLM。

LLM 的 in-context 學(xué)習(xí)能力使該研究能夠直接使用它們，無(wú)需進(jìn)行域內(nèi)微調(diào)，并僅需要提供兩個(gè)任務(wù)指令和所需的語(yǔ)言輸出樣本來(lái)指導(dǎo) LLM 的行為。

將指令轉(zhuǎn)化為行動(dòng)

然后，使用語(yǔ)言條件策略網(wǎng)絡(luò)將 LLM 提供的語(yǔ)言目標(biāo)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)。該參數(shù)化為 Transformer 的網(wǎng)絡(luò)將語(yǔ)言子目標(biāo)的嵌入和時(shí)間步 t 時(shí)的 MDP 狀態(tài)（包括物體和機(jī)器人終端執(zhí)行器的位置）作為輸入，每個(gè)輸入都用不同的向量表征，然后輸出機(jī)器人在時(shí)間步 t + 1 時(shí)要執(zhí)行的動(dòng)作。如下所述，該網(wǎng)絡(luò)是在 RL 循環(huán)中從頭開(kāi)始訓(xùn)練的。

收集與推斷的學(xué)習(xí)范式

智能體從與環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)，其方法受到收集與推理范式的啟發(fā)。

在「收集」階段，智能體與環(huán)境互動(dòng)，以狀態(tài)、觀(guān)察結(jié)果、行動(dòng)和當(dāng)前目標(biāo)（s_t, o_t, a_t, g_i）的形式收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)其策略網(wǎng)絡(luò) f_θ(s_t, g_i) → a_t 預(yù)測(cè)行動(dòng)。每一集結(jié)束后，智能體都會(huì)使用 VLM 來(lái)推斷收集到的數(shù)據(jù)中是否出現(xiàn)了任何子目標(biāo)，從而獲得額外獎(jiǎng)勵(lì)，將在后面詳細(xì)說(shuō)明。

在「推斷」階段，研究者會(huì)在每個(gè)智能體完成一集后，即每完成 N 集后，通過(guò)行為克隆對(duì)經(jīng)驗(yàn)緩沖區(qū)中的策略進(jìn)行訓(xùn)練，從而在成功的情節(jié)上實(shí)現(xiàn)一種自我模仿。然后，更新后的策略權(quán)重將與所有分布式智能體共享，整個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。

應(yīng)用與成果

將語(yǔ)言作為智能體的核心，這為解決 RL 中的一系列基本挑戰(zhàn)提供了一個(gè)統(tǒng)一的框架。在這部分內(nèi)容中，研究者討論了這些貢獻(xiàn)：探索、重用過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、調(diào)度和重用技能以及從觀(guān)察中學(xué)習(xí)。算法 1 描述了整體框架：

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探索：通過(guò)語(yǔ)言生成課程

Stack X on Y 和 Triple Stack 的結(jié)果。在下圖 4 中，研究者所提出框架與僅通過(guò)環(huán)境獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行學(xué)習(xí)的基線(xiàn)智能體進(jìn)行了比較。從學(xué)習(xí)曲線(xiàn)可以清楚地看到，在所有任務(wù)中，本文的方法都比基線(xiàn)方法高效得多。

值得注意的是，在 Triple Stack 任務(wù)中，本文智能體的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)迅速增長(zhǎng)，而基線(xiàn)智能體仍然只能獲得一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)，這是因?yàn)槿蝿?wù)的稀疏度為 10^6 。

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這些結(jié)果說(shuō)明了一些值得注意的問(wèn)題：可以將任務(wù)的稀疏程度與達(dá)到一定成功率所需的步驟數(shù)進(jìn)行比較，如下圖 5 所示。研究者還在 「抓取紅色物體」任務(wù)上訓(xùn)練了該方法，這是三個(gè)任務(wù)中最簡(jiǎn)單的一個(gè)，其稀疏程度約為 10^1?？梢钥吹?，在本文的框架下，所需步驟數(shù)的增長(zhǎng)速度比任務(wù)的稀疏程度更慢。這是一個(gè)特別重要的結(jié)果，因?yàn)橥ǔＴ趶?qiáng)化學(xué)習(xí)中，情況是正好相反的。

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提取和轉(zhuǎn)移：通過(guò)重用離線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的連續(xù)任務(wù)學(xué)習(xí)

研究者利用基于語(yǔ)言的框架來(lái)展示基于智能體過(guò)去經(jīng)驗(yàn)的引導(dǎo)。他們依次訓(xùn)練了三個(gè)任務(wù)：將紅色物體堆疊在藍(lán)色物體上、將藍(lán)色物體堆疊在綠色物體上、將綠色物體堆疊在紅色物體上，將其稱(chēng)之為 [T_R,B、T_B,G、T_G,R]。

順序任務(wù)學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)重用結(jié)果。智能體應(yīng)用這種方法連續(xù)學(xué)習(xí)了 [T_R,B、T_B,G、T_G,R]。在每個(gè)新任務(wù)開(kāi)始時(shí)，研究者都會(huì)重新初始化策略權(quán)重，目標(biāo)是探索本文框架提取和重用數(shù)據(jù)的能力，因此要隔離并消除可能由網(wǎng)絡(luò)泛化造成的影響。

下圖 7 中繪制了智能體需要在環(huán)境中采取多少交互步驟才能在每個(gè)新任務(wù)中達(dá)到 50% 的成功率。實(shí)驗(yàn)清楚地說(shuō)明了本文使用技術(shù)在重復(fù)利用以前任務(wù)收集的數(shù)據(jù)方面的有效性，從而提高了新任務(wù)的學(xué)習(xí)效率。

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這些結(jié)果表明，本文提出的框架可用于釋放機(jī)器人智能體的終身學(xué)習(xí)能力：連續(xù)學(xué)習(xí)的任務(wù)越多，學(xué)習(xí)下一個(gè)任務(wù)的速度就越快。

調(diào)度和重復(fù)使用所學(xué)技能

至此，我們已經(jīng)了解到框架如何使智能體能夠高效地探索和學(xué)習(xí)，以解決回報(bào)稀少的任務(wù)，并為終身學(xué)習(xí)重復(fù)使用和傳輸數(shù)據(jù)。此外，框架還能讓智能體調(diào)度和重復(fù)使用所學(xué)到的 M 技能來(lái)解決新任務(wù)，而不局限于智能體在訓(xùn)練過(guò)程中遇到的任務(wù)。

這種模式與前幾節(jié)中遇到的步驟相同：一條指令會(huì)被輸入到 LLM，如將綠色物體疊放在紅色物體上，或?qū)⒓t色疊放在藍(lán)色物體上，再將綠色疊放在紅色物體上，然后 LLM 會(huì)將其分解為一系列更短視距的目標(biāo)，即 g_0:N。然后，智能體可以利用策略網(wǎng)絡(luò)將這些目標(biāo)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)，即 f_θ(s_t, g_n) → a_t。

從觀(guān)察中學(xué)習(xí)：將視頻映射到技能

通過(guò)觀(guān)察外部智能體學(xué)習(xí)是一般智能體的理想能力，但這往往需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的算法和模型。而本文智能體可以以專(zhuān)家執(zhí)行任務(wù)的視頻為條件，實(shí)現(xiàn) one-shot 觀(guān)察學(xué)習(xí)。

在測(cè)試中，智能體拍攝了一段人類(lèi)用手堆疊物體的視頻。視頻被分為 F 個(gè)幀，即 v_0:F。然后，智能體使用 VLM，再配上以子目標(biāo) g_0:M 表示的關(guān)于所學(xué)技能的 M 文本描述來(lái)檢測(cè)專(zhuān)家軌跡遇到了哪些子目標(biāo)，具體如下圖 8：

更多技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果請(qǐng)查閱原論文。