大數(shù)據(jù)文摘出品
編譯：王緣緣、李雷、宋欣儀
你是不是也做過(guò)機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)夢(mèng)，幻想過(guò)將人類(lèi)意識(shí)植入機(jī)器？
麻省Hermes，它可以通過(guò)遙控操作實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)。
研究人員希望它可以代替人類(lèi)去執(zhí)行搜索和營(yíng)救任務(wù)。在面對(duì)極度，操縱者可以通過(guò)頭戴顯示器以第一人稱視角進(jìn)行操作。
悲劇敲響的警鐘：救援機(jī)器人的重要性
2011福島第一核電站的災(zāi)難為我們敲響了警鐘。在災(zāi)難中，高危輻射阻止了工人采取緊急措施，他們甚至無(wú)法操作壓力閥。這個(gè)任務(wù)其實(shí)交給機(jī)器人完成是最適合的，沒(méi)有能力使之變成現(xiàn)實(shí)。
福島災(zāi)難讓機(jī)器人學(xué)社區(qū)的許多人意識(shí)到，救援機(jī)器人需要從實(shí)驗(yàn)室走到世界各地。
此后，救援機(jī)器人開(kāi)始不斷取得重大進(jìn)展。世界各地的研究小組已經(jīng)展示了可以行駛在碎石中的無(wú)人地面車(chē)輛，可以擠過(guò)狹窄間隙的機(jī)器人蛇，以及在天上繪制站點(diǎn)的無(wú)人機(jī)。研究人員還在建造仿生機(jī)器人，可以測(cè)量損壞情況并執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，例如使用儀表盤(pán)或運(yùn)輸急救設(shè)備。
盡管取得了進(jìn)步，但是打造跟應(yīng)急工作人員具備一樣運(yùn)動(dòng)和決策能力的機(jī)器人仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。推開(kāi)沉重的門(mén)，卸下滅火器，以及其他簡(jiǎn)單但艱巨的工作需要的一定的協(xié)調(diào)能力，還沒(méi)有能制造出掌握這種能力的機(jī)器人。
把人腦放在機(jī)器里面
理想的救援機(jī)器人應(yīng)該是靈活而自主性很強(qiáng)的。比如能夠自主進(jìn)入燃燒的建筑物中找到受害者，或者在受損的工業(yè)設(shè)施中找到需要關(guān)閉的閥門(mén)。
但是災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)是不可預(yù)測(cè)的，行走在這些復(fù)雜的環(huán)境中需要高度的適應(yīng)性，而目前的救援機(jī)器人還無(wú)法做到。如果自主機(jī)器人遇到門(mén)把手，但在門(mén)把手?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中找不到匹配，任務(wù)失敗。如果機(jī)器人手臂卡住并且不知道如何自救，任務(wù)失敗。
人類(lèi)可以輕松應(yīng)對(duì)這種情況：，我們可以辨別物體形狀的變化，應(yīng)對(duì)糟糕的能見(jiàn)度，可。我們的運(yùn)動(dòng)技能也是如此。比如，我們可能會(huì)跑得慢一些或者沒(méi)那么遠(yuǎn)，但仍然可以跑，我們的身體可以輕松地適應(yīng)新的變化。
把人腦放到機(jī)器里不就可以了嗎？
針對(duì)這個(gè)短板的一種解決方案是使用遠(yuǎn)程操作，即讓操作人員連續(xù)地或在特定任務(wù)期間遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，以幫助其完成超出自身能力的操作。
遙控機(jī)器人長(zhǎng)期以來(lái)一直用于工業(yè)、航空航天和水下環(huán)境。最近，有研究人員已經(jīng)嘗試使用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)將：你揮動(dòng)手臂，機(jī)器人模仿你的姿勢(shì)。為了獲得完全身臨其境的體驗(yàn)，特殊的護(hù)目鏡可以讓操作員通過(guò)相機(jī)看到機(jī)器人看到的東西，觸覺(jué)背心和手套可以為操作員的身體提供觸覺(jué)。
在麻省理工學(xué)院的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步推動(dòng)人機(jī)融合，開(kāi)發(fā)遙操作系統(tǒng)，希望加速實(shí)操型救援機(jī)器人的發(fā)展。他們正在建立一個(gè)遙控機(jī)器人系統(tǒng)，由兩個(gè)部分組成：一個(gè)能夠靈活、動(dòng)態(tài)行為的仿生機(jī)器人，以及一種新的雙向人機(jī)界面，可以將人和機(jī)器人的動(dòng)作互相傳遞。
通過(guò)將機(jī)器人與人類(lèi)聯(lián)系起來(lái)，研究者充分結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)：機(jī)器人的耐力和力量，以及人類(lèi)的多功能性和感知力。如果機(jī)器人踩上碎片并開(kāi)始失去平衡，操作員會(huì)感覺(jué)到同樣的不穩(wěn)定性并本能地做出反應(yīng)以避免跌落。然后捕獲該物理反應(yīng)并將其發(fā)送回機(jī)器人，這有助于避免機(jī)器人墜落。通過(guò)這種人機(jī)交互，機(jī)器人可以利用操作員的先天運(yùn)動(dòng)技能和瞬間反應(yīng)來(lái)保持站立。
比之前的仿生機(jī)器人進(jìn)步在哪
現(xiàn)有機(jī)器人的一個(gè)特殊限制是它們無(wú)法執(zhí)行我們所說(shuō)的力量操縱，即費(fèi)力的技能，比如將一大塊混凝土敲開(kāi)或?qū)⒏^揮舞向一扇門(mén)。大多數(shù)機(jī)器人只能進(jìn)行一些精細(xì)和精確的動(dòng)作。
而MIT實(shí)驗(yàn)室推出的仿生機(jī)器人HERMES可以進(jìn)行重型操縱。該機(jī)器人重量只有45公斤，但是強(qiáng)壯有力。它的身型大約是普通人體的90％，這足以讓它在人類(lèi)環(huán)境中自然地演習(xí)。
為HERMES的關(guān)節(jié)提供動(dòng)力的是定制執(zhí)行器而不是使用常規(guī)直流電機(jī)，執(zhí)行器包括將無(wú)刷直流電機(jī)融合到行星齒輪箱，這樣取名是因?yàn)樗娜齻€(gè)“行星”齒輪圍繞“太陽(yáng)”齒輪旋轉(zhuǎn)，這可以為它們的重量產(chǎn)生大量的扭矩。機(jī)器人的肩部和臀部直接驅(qū)動(dòng)，而膝蓋和肘部由連接到執(zhí)行器的金屬桿驅(qū)動(dòng)。這使得HERMES比其他仿生機(jī)器人更靈活，能夠吸收機(jī)械沖擊而不會(huì)使齒輪摔成碎片。
控制HERMES的人機(jī)界面也不同于傳統(tǒng)，它是依賴于操作員的反應(yīng)來(lái)提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，被稱為平衡反饋界面，簡(jiǎn)稱BFI。BFI需要數(shù)月和多次迭代才能開(kāi)發(fā)，最初的概念與2018年史蒂文?斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的電影《頭號(hào)玩家》中的全身虛擬現(xiàn)實(shí)服裝有一些相似之處。
具體實(shí)驗(yàn)檢測(cè)
與HERMES，操作員站在一個(gè)邊約90厘米的正方形平臺(tái)上，由稱重傳感器測(cè)量平臺(tái)表面的力，由此判斷操作員的腳向下推的位置。一組連桿附著在操作員的四肢和腰部，并使用旋轉(zhuǎn)編碼器精確測(cè)量一厘米的范圍內(nèi)的位移。連桿不僅用于傳感，其中還裝有電機(jī)，用于向操作員的軀干施加力和扭矩。被綁在BFI員的身體施加推力。
研究人員準(zhǔn)備了兩臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)來(lái)控制HERMES和BFI。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的控制回路，雙方不斷交換數(shù)據(jù)。在每，HERMES收集自己的姿勢(shì)數(shù)據(jù)，并將其與從BFI獲得的有關(guān)操作員姿勢(shì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。根據(jù)兩者的不同，機(jī)器人調(diào)整其執(zhí)程序，并將新的姿勢(shì)數(shù)據(jù)立即發(fā)送給BFI。然后BFI也執(zhí)行類(lèi)似的控制回路來(lái)調(diào)整操作員的姿勢(shì)。如此重復(fù)，每秒執(zhí)行1,000次。
為了使雙方能夠高速運(yùn)作，必須壓縮它們之間交換的信息。例如，BFI不會(huì)發(fā)送操作員姿勢(shì)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，僅僅發(fā)送操作員的重心位置及其手腳的相對(duì)位置。然后，控制機(jī)器人的計(jì)算機(jī)將這些測(cè)量數(shù)據(jù)與HERMES的尺寸進(jìn)行成比例地縮放，再由HERMES重現(xiàn)該參考姿勢(shì)。
與任何其他的雙向遙控操作回路一樣，BFI和HERMES間的耦合可能導(dǎo)致振蕩或不穩(wěn)定，通過(guò)微調(diào)人體和機(jī)器人姿勢(shì)間映射的縮放參數(shù)來(lái)使這種振蕩或不穩(wěn)定最小化。
在最初的實(shí)驗(yàn)中，研究人員給HERMES使用了早期平衡算法，以了解人類(lèi)和機(jī)器人一起的行為方式。在測(cè)試中，一位研究人員使用橡皮錘擊打HERMES的上半身。每次打擊，BFI都會(huì)對(duì)研究人員自身也產(chǎn)生沖擊，他會(huì)習(xí)慣性地側(cè)轉(zhuǎn)身體以找回平衡，機(jī)器人也能保持平衡。
在另一輪實(shí)驗(yàn)中，HERMES做到了揮動(dòng)斧頭和劈開(kāi)石膏墻板。還在當(dāng)?shù)叵啦块T(mén)的監(jiān)督下，實(shí)現(xiàn)用滅火器救火。救援機(jī)器人需要的不僅僅是蠻力，因此HERMES和還執(zhí)行了一些需要更多靈活性的任務(wù)，比如用水壺往杯子中倒水。
在每種情況下，當(dāng)佩戴BFI的操作員模，研究人員觀察機(jī)器人執(zhí)行這些相同動(dòng)作的到位程度，記錄了操作員的哪些反應(yīng)能幫助機(jī)器人更好地做動(dòng)作。例如，當(dāng)HERMES，它的軀干會(huì)向后反彈。，BFI將類(lèi)似的推力作用于操作員，他會(huì)習(xí)慣性地向前傾斜身體，從而也幫助了HERMES調(diào)整姿勢(shì)。
LittleHERMES來(lái)助力
因?yàn)镠ERMES體型對(duì)于一些實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)還是太大了，而且能力也過(guò)強(qiáng)。雖然HERMES可以執(zhí)行實(shí)際的任務(wù)，但要移，而且要讓它動(dòng)起來(lái)還要多加小心，因此研究人員給HERMES弄了個(gè)小兄弟。
LittleHERMES是HERMES的縮小版。像它的大哥HERMES一樣，LittleHERMES也使用定制的高扭矩執(zhí)行單元，裝在靠近身體的地方而不是腿上，這樣做可以使腿部擺動(dòng)更靈活。要做到更緊湊的設(shè)計(jì)，用機(jī)器人術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，就是減少了運(yùn)動(dòng)軸或自由度的數(shù)量，每個(gè)肢體上從六個(gè)減到三個(gè)，并且用簡(jiǎn)單的橡膠球替換HERMES的兩趾腳，每只腳都裝有一個(gè)三向力傳感器。
將BFI與LittleHERMES連接需要進(jìn)行調(diào)整。人類(lèi)成年人和這個(gè)小型機(jī)器人的體型存在很大差異，因此當(dāng)研究人員無(wú)法將兩者的動(dòng)作直接進(jìn)行關(guān)聯(lián)，比如將人膝蓋的位置和機(jī)器人膝蓋的位置相對(duì)應(yīng)等等，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)很不平穩(wěn)。
LittleHERMES需要的是一個(gè)與HERMES不同的數(shù)學(xué)模型，在新的模型中研究人員加入了跟蹤參數(shù)，如地面接觸力和操作員的重心。這使得新模型可以預(yù)測(cè)操作員打算做的動(dòng)作，從而控制LittleHERMES執(zhí)行這些動(dòng)作。
在一次實(shí)驗(yàn)中，操作員一步一步地先慢走，然后再加快速度快走，可以看到LittleHERMES也以同樣的方式走路。當(dāng)，LittleHERMES也跳了起來(lái)。現(xiàn)在仍然是初步進(jìn)展階段，LittleHERMES還不能自由站立或四處走動(dòng)。
研究人員還在進(jìn)一步擴(kuò)展它的功能，希望讓它可以在實(shí)驗(yàn)室里漫步，甚至可以去戶外，就像已經(jīng)完成的另一對(duì)兄弟Cheetah和MiniCheetah一樣。
下一步研究目標(biāo)
接下來(lái)還有一系列難題需要解決。一是BFI或高度集中注意力的任務(wù)后導(dǎo)致的疲勞問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)操作員不僅要指揮自己的身體而且，大腦會(huì)快速疲勞。這對(duì)于需要精細(xì)操作的任務(wù)尤其明顯，在連續(xù)三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，操作員就必須休息一下。
目前解決方案是讓操作員和控制器共同負(fù)責(zé)穩(wěn)定機(jī)器人的動(dòng)作。如果HERMES正在執(zhí)行的任務(wù)需要操作員更多的注意力，那么操作員就不必協(xié)助保持機(jī)器人平衡，自主控制器可以接管機(jī)器人的平衡控制。要識(shí)別此類(lèi)情形的一種方法是跟蹤操作員的目光注視。操作員目光的凝視表示其注意力的高度集中，在這種情況下，自主平衡模式就會(huì)啟動(dòng)。
就像任何遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)一樣，另一個(gè)難題是傳輸延遲。當(dāng)遠(yuǎn)程，如果發(fā)出的命令和機(jī)器人的反應(yīng)之間有1秒的延遲，仍然可以遠(yuǎn)程操作它，但如果延遲變得更久，可能就無(wú)法順利進(jìn)行操作。目前的計(jì)劃是依靠新的無(wú)線技術(shù)，如5G，從而保證低延遲和高吞吐量的傳輸。
最后，研究人員還正在打算將實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的直立機(jī)器人Cheetah和HERMES的技術(shù)合并，產(chǎn)生一個(gè)可快速移動(dòng)的四足機(jī)器人，可以用四條腿快速進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，還可以變形為一個(gè)直立機(jī)器人，這樣救災(zāi)人員就可以利用自己豐富的經(jīng)驗(yàn)技能和反應(yīng)讓機(jī)器人開(kāi)展救援任務(wù)。