谷歌AI最新成果——投擲機器人 TossingBot

昨日，谷歌 AI 在博客介紹了最新成果——投擲機器人 TossingBot，一個能夠在真實、隨機的世界里學(xué)會抓取物體，并扔至習(xí)慣范圍外指定位置的拾取機器人。 AI 科技評論將之編譯如下。

盡管已在物體抓取、視覺自適應(yīng)、從現(xiàn)實經(jīng)驗學(xué)習(xí)方面取得相當(dāng)大的進步，然而我們依舊要考慮機器人如何執(zhí)行抓取、處理以及物體置放等任務(wù)的——尤其在無規(guī)律的環(huán)境設(shè)置里。讓我們觀察這個在亞馬遜機器人挑戰(zhàn)賽的裝載任務(wù)中取得第一名的機器人：

這是一個令人印象深刻的系統(tǒng)，擁有許多從運動學(xué)角度上來說可以防止由于不可預(yù)見動力而導(dǎo)致物體掉落的設(shè)計功能：從穩(wěn)定、從容的動作軌跡，到限制物體動量的機械夾子，無一不在保證該功能的實現(xiàn)。

與其他機器人一樣，在最開始設(shè)計時，它便旨在適應(yīng)無規(guī)律世界的動力因素。這里有一個問題是，除了單純地適應(yīng)動力因素，難道機器人就不能夠?qū)W會有效使用它們，開發(fā)物理層面的「直覺」，從而能夠更有效地完成指定任務(wù)？這樣做的話也許可以有效提高機器人的行動能力，進而掌握更復(fù)雜的運動技能，比如扔?xùn)|西、滑動、旋轉(zhuǎn)、擺動或者是捕捉等，這將能帶來許多有潛力的應(yīng)用，比如災(zāi)難場景中高效作業(yè)的碎片清理機器人——在這種場景中往往爭分奪秒。

為了進一步探索這個概念，我們與來自普林斯頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)以及麻省理工學(xué)院的研究員們合作開發(fā)出了 TossingBot：一個能夠在真實、隨機的世界里學(xué)會抓取物體，并扔至習(xí)慣范圍外指定位置的拾取機器人。通過學(xué)習(xí)拋出，TossingBot 得以實現(xiàn)兩倍于過往系統(tǒng)的拾取速度，并達到兩倍的有效置放范圍。TossingBot 利用從視覺觀察（RGB-D 圖像）映射至運動圖元控制參數(shù)的端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)抓取與投擲策略。通過高架攝像頭追蹤物體落地位置，TossingBot 得以借助自我監(jiān)督機制逐步自我完善。

面臨挑戰(zhàn)

投擲是一項難度特別高的任務(wù)，主要取決于多種因素：從物體被拾取的方式（即“投擲前條件”），到物體的物理屬性（如質(zhì)量、摩擦力、空氣動力學(xué)等）。打個比方，如果你以靠近質(zhì)心的把手位置來抓住一把螺絲刀并扔掉，其著陸位置會比你從金屬尖端抓住并拋出更靠近你，后者的話，它將向前擺動后落在離你較遠的位置。需要強調(diào)的是，無論是何種拾取方式，拋擲一把螺絲刀與拋擲一個乒乓球，兩者之間有很大的不同，乒乓球?qū)⒁蚩諝庾枇β湓诟拷愕奈恢?。如果要靠手動去設(shè)計一個能夠妥當(dāng)處理隨機對象涉及這些因素的解決方案，幾乎是不可能的。

投擲取決于多重因素：從如何撿起它到物體的屬性與動態(tài)

借助深度學(xué)習(xí)，我們的機器人得以從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，不用依賴手動式的逐案工程。過去我們已證明我們的機器人能夠?qū)W習(xí)如何推動與抓住各種物體，然而要想準確投擲物體，需要我們對射彈物理學(xué)有深入的了解。僅僅通過反復(fù)試驗試圖獲取這些知識，不僅耗時耗錢，而且往往無法勝任那些不夠具體、且未仔細進行訓(xùn)練方案設(shè)置的任務(wù)。

物理和深度學(xué)習(xí)的結(jié)合

TossingBot 通過整合基礎(chǔ)物理學(xué)與深度學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)投擲，使之能夠快速被訓(xùn)練，并推廣至新場景中進行運用。物理學(xué)提供關(guān)于世界如何運作的先驗?zāi)Ｐ停覀兛梢赃\用該模型來開發(fā)機器人的初始控制器。比如在投擲場景里，我們可以利用彈道學(xué)原理幫助我們估計使物體落至目標位置所需的投擲速度。接著利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測基于物理估算的調(diào)整，以隨時應(yīng)對可能出現(xiàn)的未知動態(tài)，例如現(xiàn)實世界中的噪聲與變化。我們將這種混合方案稱為殘留物理學(xué)，它使 TossingBot 達到 85％的投擲精度。

訓(xùn)練一開始，伴隨著初始權(quán)重隨機化， TossingBot 反復(fù)嘗試不那么精確的抓取行為。隨著時間的推移，TossingBot 逐漸學(xué)會以更好的方式來抓取物體，并在同一時間提高其投擲水平。在這過程中，機器人會偶爾以過去未曾嘗試過的速度投擲物體，來探索隨后會發(fā)生些什么。當(dāng)垃圾箱被清空時，TossingBot 會主動抬起盒子以便讓物體滑落回垃圾箱里。通過這種方式，訓(xùn)練期間的人為干預(yù)被降到最低。通過10，000 次左右的抓握與投擲嘗試（或等同于 14 小時的訓(xùn)練時間），它最終實現(xiàn) 85％的投擲準確度，在雜亂環(huán)境中的抓取可靠性為 87％ 。

推廣至新場景

通過對物理與深度學(xué)習(xí)進行整合，TossingBot 能夠快速適應(yīng)未出現(xiàn)過的投擲位置與物體。打個比方，當(dāng)我們利用形狀簡單的物體（如木塊、球和馬克筆）對之進行訓(xùn)練，隨后它便可以很好應(yīng)對塑料水果、裝飾物品和辦公物品等新物體。在新物體的抓取 & 投擲任務(wù)上，TossingBot 剛開始的表現(xiàn)可能比較一般，然而在經(jīng)過幾百個訓(xùn)練步驟（一或兩小時）的淬煉后，它可以快速適應(yīng)并實現(xiàn)與訓(xùn)練物體同等的性能表現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)，將物理學(xué)、深度學(xué)習(xí)與殘差物理結(jié)合，可以達到比基線方案更好的性能。我們甚至親自上手操作這個任務(wù)，驚喜地發(fā)現(xiàn) TossingBot 的表現(xiàn)比我們當(dāng)中任何一名工程師還要精準！即便如此，我們尚未將之與那些具有運動天賦的人進行測試對比。

TossingBot 能力可以輕易被推廣至新物體上，且表現(xiàn)比普通的 Google 員工要更準確

我們還測試了一種可以推廣至過去在訓(xùn)練過程中未曾出現(xiàn)過的新目標位置的對策。為此，我們先將模型放在一組箱子上進行訓(xùn)練，接著再選擇另一組擁有截然不同著陸區(qū)域的箱子上進行測試。在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)投擲背后的殘差物理理論作用很明顯，彈道學(xué)對投擲速度的初始估計能夠幫助我們推導(dǎo)出新的目標位置，而殘差理論可以在這些估計的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，以應(yīng)對不同物體屬性在現(xiàn)實世界中的變化。這與僅僅使用深度學(xué)習(xí)的基線方法形成了強烈對比，后者只能處理訓(xùn)練期間看到的目標位置。

TossingBot 基于殘差物理理論將物體扔到不可預(yù)見的位置

基于互動的語義擴充

為了解 TossingBot 的學(xué)習(xí)內(nèi)容，我們在箱中放置幾種物體，在捕獲圖像后，將之輸入至 TossingBot 的訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以提取中間像素的深層特征。我們基于相似性對特征進行聚類，并將最近鄰居可視化為熱圖（越熱的區(qū)域表示該特征空間擁有越多的相似性），這樣便可以準確定位在該場景中的所有乒乓球。即使橙色墻塊與乒乓球有著相似的顏色，然而其特征已經(jīng)足以讓 TossingBot 作出區(qū)分。同理，我們也可以利用提取特征來定位所有的馬克筆，即便這些馬克筆擁有相似的形狀與重量，且在顏色上不盡相同。觀察結(jié)果表明，TossingBot 可能更多依賴幾何線索（如形狀）來學(xué)習(xí)抓握與投擲行為。此外，學(xué)習(xí)到的特征也可能反映了進階屬性（如物理屬性），這些屬性決定了該物體應(yīng)該如何被拋出。

在未有明確監(jiān)督情況下，TossingBot 習(xí)得了區(qū)分物體類別的深層特征。

這些新興功能是在除了任務(wù)級別的抓取和投擲任務(wù)外，在沒有任何明確監(jiān)督的情況下從頭開始學(xué)習(xí)的。它似乎已經(jīng)足以使系統(tǒng)對物體類別進行區(qū)分（比如之前提到的乒乓球和馬克筆）。這個實驗說明一個與機器視覺相關(guān)的廣泛概念：機器人應(yīng)該如何學(xué)習(xí)視覺世界的語義？從經(jīng)典計算機視覺的角度來看，語義通常是通過人工圖像數(shù)據(jù)集與人工構(gòu)建的類別區(qū)分來預(yù)先進行定義的。然而我們的實驗結(jié)果表明，只要對手頭的任務(wù)來說是重要的，模型就能從物理交互中隱含習(xí)得物體級別的語義。這些交互越復(fù)雜，語義的分辨率就越高。對于通用智能機器人來說——也許它們通過交互來發(fā)展自己的語義概念就已足夠，而無需人為的干預(yù)。

局限性與工作展望

盡管 TossingBot 的實驗結(jié)果看起來充滿希望，然而卻依然存在其局限性。例如，它假設(shè)所有物體都足以承受拋擲后的著陸碰撞——這就需要進一步的工作來學(xué)習(xí)針對易碎物體的投擲行為，或者訓(xùn)練其他機器人以緩沖著陸的方式來抓取物體。此外，TossingBot 只能憑視覺數(shù)據(jù)來推斷控制參數(shù)—— 而探索額外的感覺（如力矩或觸覺）實際上可以使系統(tǒng)更好地對新物體作出反應(yīng)。

物理學(xué)和深度學(xué)習(xí)的結(jié)合，將 TossingBot 導(dǎo)向一個有趣的問題：還有哪些領(lǐng)域可以從殘差物理學(xué)中受益？如何將這個想法推導(dǎo)至其他類型的任務(wù)與交互，是未來研究里一個充滿希望的方向。