孫宇教授：我們與靈活的機(jī)器手之間，還差了一個(gè)“智能大腦” | CCF-GAIR

編者按：2016年8月12、13日，雷鋒網(wǎng)(搜索“雷鋒網(wǎng)”公眾號(hào)關(guān)注)在深圳舉辦了盛況空前的“全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)（CCF-GAIR）”，來自中美加的全球最為頂尖的科研實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)權(quán)威、產(chǎn)業(yè)大咖、投資領(lǐng)袖共同探討人工智能、機(jī)器人、無人機(jī)、智能駕駛等四大領(lǐng)域的未來趨勢(shì)和產(chǎn)學(xué)研發(fā)展方向。雷鋒網(wǎng)將會(huì)議精彩演講內(nèi)容與視頻精心編輯，近期將逐步放出。

“在座的哪一位能在國(guó)際象棋比賽中贏 IBM 深藍(lán)計(jì)算機(jī)？能在圍棋比賽里贏 Google 的阿爾法狗? ”

孫宇教授以這樣的提問開場(chǎng)，并不是想強(qiáng)調(diào)如今計(jì)算機(jī)多么高的智力水平，而是想引出一個(gè)對(duì)比：計(jì)算機(jī)下棋超過全人類，但是至今卻還沒有出現(xiàn)能堪比人類雙手的機(jī)器手。

“世界上最高級(jí)的機(jī)器人靈巧手，也趕不上一個(gè)一歲小孩的手能力。”

我們雙手的重量只占我們體重的百分之一，成人有 206 塊骨頭，其中四分之一的骨頭在我們的雙手里。人手的精密復(fù)雜程度超出很多人的想象。

而造出可堪比人手功能的“機(jī)器手”，一直是孫宇的夢(mèng)想。

啟蒙：1993 年的《終結(jié)者 2》

大部分人在回顧自己人生中重要的“啟蒙點(diǎn)”的時(shí)候，往往是青少年時(shí)代的一部小說或者是電影。對(duì)于孫宇教授來說，這個(gè)“啟蒙點(diǎn)”，就是略帶黑暗色彩的《終結(jié)者 2》。

那是在 1993 年。

“我看完了電影，并沒有對(duì)人類的未來充滿擔(dān)心和憂慮，而是滿腦子的終結(jié)者機(jī)器人，特別是和人手一樣靈活的機(jī)械手。我的人生夢(mèng)想就是像 Miles Dyson一樣成為第一造出終結(jié)者手的人。帶著這個(gè)遠(yuǎn)大的夢(mèng)想，我來到了美國(guó)猶他大學(xué)，進(jìn)入了 John Hollerbach 的實(shí)驗(yàn)室讀博士。”

然而進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的第一天，他的夢(mèng)想就破滅了，因?yàn)樗吹搅诉@個(gè)名為“Utah/MIT Hand”的機(jī)器手。

Utah/MIT Hand 是 1983 年造出來的, 比他看到《終結(jié)者 2》還要早 10 年。這個(gè)機(jī)器手，是由兩位天才制造出來的：Stephen Jacobsen 和 John Hollerbach。

前者帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在 Utah 設(shè)計(jì)并制造了機(jī)械部分；后者帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)在 MIT 開發(fā)了控制和智能部分。Steve Jacobsen 在今年 3 月份，因心血管疾病去世了。

機(jī)械手：從“酷”到“實(shí)用”

從1983 年開始，更多的機(jī)械手被發(fā)明出來，它們個(gè)個(gè)精密復(fù)雜，但是有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：貴，而且不實(shí)用。

“像下圖中具有代表性的四個(gè)，每一個(gè)都很酷，都跟瑞士勞力士手表一樣設(shè)計(jì)精密，機(jī)械部件精準(zhǔn)咬合，有十幾個(gè)可動(dòng)關(guān)節(jié)，傳動(dòng)裝置。很多的氣動(dòng)或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還有個(gè)共同特點(diǎn)，每一個(gè)都很昂貴。這里面最便宜的 Bionic hand 也要三萬(wàn)多英鎊, 最貴的要十幾萬(wàn)美元。”

“在很多實(shí)驗(yàn)室中，這些精致的機(jī)械手演示各種各樣與人手相媲美的能力：可以做家務(wù)，做飯，日常起居無所不能。而現(xiàn)實(shí)中卻沒有一款被大規(guī)模應(yīng)用。不光是因?yàn)樵靸r(jià)昂貴，還因?yàn)閺?fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制很多的動(dòng)力裝置都十分困難。大家看到的演示，多是精心設(shè)計(jì)和編排，通過大量編程實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)特定場(chǎng)景。”

所以孫宇教授認(rèn)為，機(jī)械手光酷是沒用的，更重要的是實(shí)用。在可以拋開“酷”的枷鎖之后，就可以完全從工程的角度來設(shè)計(jì)機(jī)械手：外形不那么令人驚艷，但是有用。

而這個(gè)理念，好萊塢早就接受了。

“電影《機(jī)器人總動(dòng)員》里，機(jī)器人瓦力（Wall-E）只有三根手指，而且和人的手指頭完全不同。它可以用自己簡(jiǎn)單的手做很多事情，至少在動(dòng)畫片里，它可以換燈泡。”

“純粹的工程辦法來解決抓取，完全不需要機(jī)械手。工業(yè)生產(chǎn)里早就有了及簡(jiǎn)單又完美的解決方案：真空吸盤或者真空杯。上一年在 ICRA, 亞馬遜舉辦了了一個(gè)抓取挑戰(zhàn)賽。贏得挑戰(zhàn)賽的 TU-Berlin 團(tuán)隊(duì)就是用真空吸杯來吸起亞馬遜的商品，然后放到包裝盒里。今年上個(gè)月剛結(jié)束的亞馬遜抓取挑戰(zhàn)賽，同樣是用真空吸杯的隊(duì)伍贏得了比賽。而且前三名都是用真空杯。”

所以在這個(gè)背景下，兩年前，美國(guó) DARPA 當(dāng)時(shí)的負(fù)者人Gill Pratt 就宣布機(jī)器人抓取已經(jīng)解決了。

“Gill 并不是講了個(gè)笑話。我個(gè)人認(rèn)為，抓取從一個(gè)地方抓起一個(gè)物體，然后放到另一個(gè)地方的大部分問題已經(jīng)解決。但是有些工程問題沒有解決：抓起工具并使用工具的抓取，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決。”

這些工程問題沒有解決，在于“智能芯片”的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

機(jī)器人的智能：面向功能對(duì)象網(wǎng)絡(luò)（FOON）

“問題的關(guān)鍵并不在機(jī)械手本身，而是機(jī)器人的智能還不夠。《終結(jié)者》電影里機(jī)械手和智能芯片是產(chǎn)生終結(jié)者機(jī)器人需要的兩個(gè)最重要的技術(shù)。我們已經(jīng)有了各式各樣的機(jī)械手，甚至有在機(jī)械結(jié)構(gòu)上與終結(jié)者機(jī)器人手類似的機(jī)械手，但是卻還沒有另外一個(gè)更重要的技術(shù)——終結(jié)者機(jī)器人的智能芯片。”

而孫宇教授所在的實(shí)驗(yàn)室，目前最主要的任務(wù)之一，就是致力于為機(jī)器手開發(fā)出相匹配的“智能”－－FOON。

“ 我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一個(gè)面向功能對(duì)象網(wǎng)絡(luò)（Functional Object-Oriented Network，簡(jiǎn)稱 FOON），它是一個(gè)存儲(chǔ)功能對(duì)象和操作信息的中心知識(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)......這個(gè)系統(tǒng)通過處理在線視頻，比如 YouTube 上的視頻，來得到功能對(duì)象和操作信息。"

這就是一個(gè)通過學(xué)習(xí)視頻而得到的巨大“知識(shí)庫(kù)”，而人們通過搜索知識(shí)庫(kù)就可以得到想要的信息。

“比如，我晚上想吃烤牛排，就告訴我的機(jī)器人。機(jī)器人通過查詢 FOON 這個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，得到這么一個(gè)圖，不光給出做烤牛排需要什么原料，還給出所有步驟和每一個(gè)步驟需要什么操作動(dòng)作。FOON 的基本元素里包含了物體和操作的信息。”

機(jī)器人智能和計(jì)算機(jī)智能，是兩個(gè)不同的概念

計(jì)算機(jī)在虛擬世界里可以做的很好，而一旦涉及到實(shí)實(shí)在在的物理環(huán)境，就會(huì)“發(fā)生差之毫厘失之千里的事情。”

“如今，計(jì)算機(jī)智能在很多領(lǐng)域里已經(jīng)把人類遠(yuǎn)遠(yuǎn)的甩在了后面（比如下棋）。而之所以機(jī)器人領(lǐng)域中還有很多問題沒有解決，就是因?yàn)闄C(jī)器人要與現(xiàn)實(shí)環(huán)境有實(shí)實(shí)在在接觸，這是計(jì)算機(jī)智能和機(jī)器人智能的區(qū)別。”

比如說擰螺絲這個(gè)動(dòng)作，在擰的過程中會(huì)受到不同的作用力。

“螺絲刀與螺絲之間有實(shí)實(shí)在在的接觸。手不光要抓緊螺絲刀，使螺絲刀不滑落，而且還要為螺絲刀提供擰螺絲的運(yùn)動(dòng)和力。同樣的物體， 不同的操作任務(wù)也會(huì)需要不同的運(yùn)動(dòng)和力，自然需要不同的抓握方式。”

而孫宇教授所做的，就是根據(jù)不同的任務(wù)總結(jié)出不同的要求，然后根據(jù)這個(gè)要求得到最優(yōu)的手抓解決方案。

“比如說使用錘子，需要做的是，怎么讓機(jī)器手運(yùn)行最少的動(dòng)作步驟來完成任務(wù)。有時(shí)，機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)期間要保證鼠標(biāo)不掉出去；有時(shí)機(jī)器手?jǐn)Q燈泡，這個(gè)燈泡要跟燈座有實(shí)實(shí)在在的運(yùn)作。”

最后，孫宇教授鼓勵(lì)大家參加今年 10 月份在韓國(guó)舉辦的一個(gè)比賽。

“我們發(fā)表了 9 個(gè)任務(wù)，都是有實(shí)實(shí)在在基礎(chǔ)的任務(wù)。從一個(gè)碗里面取豌豆放到另一個(gè)碗里面，復(fù)雜的是機(jī)器人抓鋸割木板。希望大家更多的來關(guān)心機(jī)器人靈巧手抓取，Make Grasping Great Again。” 

PS: 本文是根據(jù) 8 月 13 日孫宇教授參加 CCF-GAIR  發(fā)表的演講進(jìn)行的精編整理，原文請(qǐng)點(diǎn)擊 AIR 042 | 南佛羅里達(dá)大學(xué)孫宇教授：機(jī)器人靈巧手抓取的復(fù)興

孫宇教授演講的完整視頻，請(qǐng)戳：視頻鏈接

雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。