一直以來，設(shè)計(jì)一款機(jī)器人的難度是有目共睹的，這是由于機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)、感官和運(yùn)動(dòng)布局以及行為之間存在著非常復(fù)雜的相互依存關(guān)系。迄今為止，每個(gè)機(jī)器人的眾多細(xì)節(jié)都會(huì)經(jīng)由人類設(shè)計(jì)師數(shù)月或數(shù)年來的反復(fù)構(gòu)思、原型設(shè)計(jì)和測(cè)試，最終手動(dòng)確定。

此前，一些研究者也嘗試過利用進(jìn)化算法自動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)器人，但其效率仍然很低：在模擬中設(shè)計(jì)機(jī)器人，同時(shí)使這些機(jī)器人在制造出來后能表現(xiàn)出所需的行為，大概需要數(shù)天的超級(jí)計(jì)算時(shí)間。

最近，由西北大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了迄今為止第一個(gè)可以從頭開始設(shè)計(jì)機(jī)器人的 AI，相關(guān)研究于 10 月 3 日登上《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2305180120

值得注意的是，這個(gè) AI 是在普通的筆記本電腦上運(yùn)行的，整個(gè)設(shè)計(jì)過程只用了 26 秒，而且研究者沒有提供任何設(shè)計(jì)方面的線索。也就是說，AI 自己領(lǐng)悟了「長(zhǎng)腿」是穿越陸地的好方法。

當(dāng) AI 從零開始設(shè)計(jì)機(jī)器人

「我們發(fā)現(xiàn)了一種非?？焖俚?AI 驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)算法，繞過了進(jìn)化歷史上的漫漫長(zhǎng)路，也不會(huì)依賴于人類設(shè)計(jì)師的偏見，」西北大學(xué) Sam Kriegman 說。Sam Kriegman 是西北大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)和生物工程以及機(jī)械工程的助理教授，也是機(jī)器人和生物系統(tǒng)中心（ Center for Robotics and Biosystem）成員。

「我們告訴人工智能，想要一個(gè)可以在陸地上行走的機(jī)器人，然后按下按鈕，就可以了！一眨眼功夫就設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)器人，看起來一點(diǎn)也不像曾經(jīng)在地球上行走過的任何動(dòng)物。我把這個(gè)過程稱為『即時(shí)進(jìn)化』。」

一開始，研究人員給了 AI 一個(gè)簡(jiǎn)單提示：設(shè)計(jì)一個(gè)可以在平面上行走的機(jī)器人。

雖然自然界花了數(shù)十億年的時(shí)間才進(jìn)化出第一個(gè)行走物種，新算法卻將這一進(jìn)化過程壓縮到了閃電速度 —— 在 26 秒鐘內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)成功步行的機(jī)器人。

它的設(shè)計(jì)速度不僅快，還可以在個(gè)人電腦上運(yùn)行，并從頭開始設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)。這與其他 AI 系統(tǒng)形成鮮明對(duì)比，后者通常需要依托超級(jí)計(jì)算機(jī)和巨大的數(shù)據(jù)集。而且，即便處理完海量數(shù)據(jù)后，這類系統(tǒng)也往往受到人類創(chuàng)造力的限制 —— 只是模仿人類過去的作品，而無法產(chǎn)生新想法。

AI 先從一塊大約肥皂大小的塊狀物質(zhì)開始，起初這團(tuán)物質(zhì)只會(huì)搖晃，完全無法行走。AI 知道自己的目標(biāo)尚未達(dá)成，于是迅速迭代設(shè)計(jì)。每次迭代，AI 都會(huì)評(píng)估自己設(shè)計(jì)的效果 ，找到缺陷并通過修剪來更新機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。最后，機(jī)器人可以在原地彈跳，然后向前跳和移動(dòng)。九次嘗試后，AI 設(shè)計(jì)出每秒可以行走半個(gè)身長(zhǎng)距離的機(jī)器人，約為人類步速的一半。

整個(gè)設(shè)計(jì)過程 —— 從無法行動(dòng)的塊狀物到成功行走的機(jī)器人 —— 在筆記本電腦上只用了 26 秒。

為了看看這款機(jī)器人能否在現(xiàn)實(shí)生活中工作，Kriegman 和他的團(tuán)隊(duì)按照設(shè)計(jì)藍(lán)圖，3D 打印出身體周圍負(fù)空間（negative space around the robot’s body）的模具，然后填充液態(tài)硅膠，幾個(gè)小時(shí)后再將固化后的硅膠從模具中取出來，又軟又有彈性。

但是，它可以走路嗎？接著，研究人員給它充氣（空氣），三條腿就鼓了起來，放氣后，腿又收縮了。通過不斷向機(jī)器人泵送空氣，三條腿反復(fù)膨脹、收縮，機(jī)器人也在這一過程中緩慢但穩(wěn)定地走了起來。

「一個(gè)全新生物的誕生」

Sam Kriegman 實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 David Matthews 是該論文第一作者，他與 Sam Kriegman 以及其他合著者 Andrew Spielberg、Daniela Rus（麻省理工學(xué)院）、Josh Bongard（佛蒙特大學(xué)）密切合作了幾年才有了這一突破性發(fā)現(xiàn)。

2020 年初，Kriegman 因開發(fā)異種機(jī)器人（xenobots）而獲得廣泛關(guān)注，這是第一個(gè)完全由生物細(xì)胞制成的活機(jī)器人?，F(xiàn)在，Kriegman 和他的團(tuán)隊(duì)將新 AI 視為探索人工生命潛力的下一個(gè)進(jìn)步。

這個(gè)機(jī)器人本身很不起眼 —— 又小又軟又畸形，由無機(jī)材料制成。但 Kriegman 表示，這意味我們朝著人工智能設(shè)計(jì)工具新時(shí)代邁出了第一步，這些工具可以像動(dòng)物一樣直接作用于世界。

「當(dāng)人們看到這個(gè)機(jī)器人時(shí)，他們可能會(huì)看到一個(gè)無用的小工具，」Kriegman 說，「我看到了一個(gè)全新生物的誕生?！?/span>

「現(xiàn)在，隨著 AI 實(shí)時(shí)生成越來越好的機(jī)器人身體，任何人可以看到動(dòng)態(tài)中的進(jìn)化，」Kriegman 說?！敢郧靶枰诔?jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)周試錯(cuò)，當(dāng)然，任何動(dòng)物在奔跑、游泳或飛行之前都經(jīng)歷了數(shù)十億年的試錯(cuò)，這是因?yàn)檫M(jìn)化無法預(yù)見未來（foresight），無法知道某個(gè)特定突變是有益還是災(zāi)難性的。我們找到了一種去掉障眼物的辦法，將數(shù)十億年進(jìn)化歷程壓縮到了瞬間?！?/span>

Sam Kriegman 和機(jī)器人

僅憑一己之力，AI 出人意料地想出了與自然界相同的行走解決方案：腿。但與自然界絕對(duì)對(duì)稱的設(shè)計(jì)不同，人工智能采取了不同的方法：它設(shè)計(jì)的機(jī)器人有三條腿，背部有鰭，扁平的臉，還布滿了孔。

「這很有趣，因?yàn)槲覀儧]有告訴 AI 機(jī)器人應(yīng)該有腿，」他說。「它重新發(fā)現(xiàn)了腿是在陸地上行動(dòng)的好方法。事實(shí)上，腿部運(yùn)動(dòng)是最有效的地面運(yùn)動(dòng)形式。

雖然進(jìn)化出腿是有道理的，但這些孔的設(shè)計(jì)有些奇怪，AI 似乎是隨機(jī)打孔。Kriegman 假設(shè)孔隙率可以減輕重量并增加靈活性，使機(jī)器人能夠彎曲雙腿行走。

「我們真不知道這些孔是做什么的，但知道它們很重要，」他說?！?nbsp; 因?yàn)槿∠@些孔時(shí)，機(jī)器人要么不能再走路，要么走路變得不利索?！?/span>

總的來說，Kriegman 對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)感到驚訝和著迷，并指出大多數(shù)人類設(shè)計(jì)的機(jī)器人要么看起來像人類，要么像狗或曲棍球冰球。

「當(dāng)人類設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，我們傾向于將它們?cè)O(shè)計(jì)成看起來熟悉的物體，」他說。「但人工智能可以創(chuàng)造人類從未考慮過的新可能性和演進(jìn)道路，它可以幫助我們以不同的方式去思考，這有助于解決我們面臨的一些最困難的問題?！?/span>

雖然 AI 設(shè)計(jì)的第一個(gè)機(jī)器人只能蹣跚前行，但 Kriegman 想象了一個(gè)新的世界，由 AI 來設(shè)計(jì)工具。有朝一日，AI 設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以在廢墟中穿行尋找被困的人和動(dòng)物，或者穿越下水道修復(fù)破損。AI 還可以設(shè)計(jì)進(jìn)入人體的納米機(jī)器人，疏通動(dòng)脈，診斷疾病或殺死癌細(xì)胞。

「唯一阻礙我們使用這些新工具和療法的是人類不知道如何設(shè)計(jì)它們，」他說?！感疫\(yùn)的是，AI 有自己的想法?！?/span>