機(jī)器人的一小步，AI 的一大步。
近日，美國西北大學(xué)（Northwestern University）的研究人員首次開發(fā)出一種可以完全自行設(shè)計(jì)機(jī)器人的 AI 算法。
當(dāng)該團(tuán)隊(duì)向 AI 程序發(fā)出提示：“設(shè)計(jì)一個(gè)可以在平坦表面上行走的機(jī)器人”。
出乎意料的結(jié)果發(fā)生了，引用西北大學(xué)官方的評價(jià)，「大自然花了數(shù)十億年的時(shí)間才進(jìn)化出第一個(gè)行走的物種，而新 AI 算法程序?qū)⑦M(jìn)化壓縮到閃電般的速度」。
不到 30 秒，就能設(shè)計(jì)出一個(gè)成功行走的機(jī)器人。
為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)中模擬的系統(tǒng)在實(shí)踐中是否有效，研究人員通過 3D 打印設(shè)計(jì)的模具并填充硅膠，最終在 AI 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，得到了如下所示：一個(gè)雖然有些“蠢萌”，但是能以“大約是人類平均步幅的一半”的速度開始行（蠕）走（動(dòng)）的機(jī)器人。
不少網(wǎng)友網(wǎng)友評價(jià)道：
奧創(chuàng)世界，這個(gè) AI 成精了；
未來已至；
AI 審美還是有點(diǎn)差；
......
“AI 設(shè)計(jì)工具新時(shí)代的開端”
這個(gè)像是上了發(fā)條的玩具，是由無機(jī)材料制成的，其背后運(yùn)用的 AI 程序還可以在輕便的個(gè)人電腦上運(yùn)行，并從零開始設(shè)計(jì)全新的結(jié)構(gòu)。
基于此，西北大學(xué)的研究員在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)布了一篇《Efficient automatic design of robots》論文（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305180120），分享了這一最新研究成果。
在領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的 Sam Kriegman 研究員看來，機(jī)器人本身又小又軟，而且形狀詭異，實(shí)則并不起眼。
不過，它的誕生，代表了 AI 設(shè)計(jì)工具新時(shí)代的開端，未來這些工具就像動(dòng)物一樣，可以直接作用于世界。
從零到走路只需幾秒鐘
放眼市場上已存在的很多 AI 系統(tǒng)，創(chuàng)建進(jìn)化機(jī)器人需要生成隨機(jī)變體，對其進(jìn)行測試，用新的變體完善表現(xiàn)最佳的機(jī)器人，然后再次測試這些變體。
周而復(fù)始的工作通常需要高耗能的超級計(jì)算機(jī)和巨大的數(shù)據(jù)集支持。同時(shí)，即使在處理了所有這些數(shù)據(jù)之后，那些系統(tǒng)也受制于人類創(chuàng)造力的局限，僅僅是模仿人類過去的作品，而沒有產(chǎn)生新想法的能力。
在本次實(shí)驗(yàn)中，研究員使用一種自動(dòng)優(yōu)化方法，可以通過追蹤機(jī)器人行為中的失敗以找出物理結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)誤或低效部位，從零開始設(shè)計(jì)可以自主移動(dòng)的機(jī)器人。
以這種方式改進(jìn)機(jī)器人，它可以比以前(設(shè)計(jì)師以試錯(cuò)的方式嘗試不同的機(jī)器人設(shè)計(jì))更快地優(yōu)化機(jī)器人中互相關(guān)聯(lián)的部件。這為快速、按需定制人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)開辟了道路，可用于各種任務(wù)。
“我們告訴 AI，我們想要一個(gè)可以穿越陸地的機(jī)器人。然后我們只需按下一個(gè)按鈕就可以了！它在眨眼間就生成了一個(gè)機(jī)器人的藍(lán)圖，它看起來與地球上行走過的任何動(dòng)物都截然不同。我把這個(gè)過程稱為‘即時(shí)進(jìn)化’”，Sam Kriegman 表示。
這一過程到底是怎么實(shí)現(xiàn)的？
具體來看，研究人員在論文中展示了一種可替代的、可拓展的方法，可以在最少的先驗(yàn)假設(shè)情況下快速且經(jīng)濟(jì)高效地設(shè)計(jì)新型機(jī)器人身體：
只需要 10 次設(shè)計(jì)嘗試，就能在筆記本電腦上用不到 30 秒的時(shí)間高效、自動(dòng)地生成定制機(jī)器人。
當(dāng)然，以上主要是在計(jì)算機(jī)中模擬的。這比所有已報(bào)道的利用計(jì)算機(jī)模擬的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法都要高效得多，比不進(jìn)行模擬的方法少了一個(gè)數(shù)量級的設(shè)計(jì)嘗試。
盡管之前也有很多研究人員探索了不少虛擬機(jī)器人自動(dòng)設(shè)計(jì)的方法，但迄今為止，物理機(jī)器人的自動(dòng)設(shè)計(jì)主要是通過進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)的：設(shè)計(jì)變體通過隨機(jī)變異和選擇進(jìn)化。
正如上文所述，這一過程的試錯(cuò)性質(zhì)可能導(dǎo)致在虛擬環(huán)境中對數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)機(jī)器人進(jìn)行評估，然后選擇一個(gè)適合物理制造的機(jī)器人。其他的進(jìn)化方法可以直接進(jìn)化出物理機(jī)器人，而無需借助模擬，但這需要數(shù)以百計(jì)的物理試驗(yàn)，再次降低了效率。
在這里，研究人員使用了基于梯度下降優(yōu)化的方式，可以有效地沿著設(shè)計(jì)空間的路徑找到最優(yōu)設(shè)計(jì)。
事實(shí)證明，將基于梯度的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榕c所有運(yùn)動(dòng)生物一樣，機(jī)器人的身體規(guī)劃（如形狀和電機(jī)分布）與其行為之間存在復(fù)雜的反饋回路。
確定機(jī)器人身體規(guī)劃的哪個(gè)方面導(dǎo)致了機(jī)器人行為的低效，以及如何改變該身體部分以改善行為，是 AI 設(shè)計(jì)機(jī)器人過程中非常常見且必須解決的問題。
為此，研究人員采用了近些年才出現(xiàn)的可微分物理模擬器使得基于梯度的虛擬機(jī)器人設(shè)計(jì)成為可能。即機(jī)器人的形狀或材料特性中導(dǎo)致不良行為的方面可以被識別出來，并以非隨機(jī)的方式減輕以改善其行為。
但這些方法無法從根本上改變機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（肌肉組織、質(zhì)量分布和空隙）或外部結(jié)構(gòu)，如增加新的肢體。因此，研究人員最新研究了一種新的算法，它可以：
(i) 模擬并評估虛擬機(jī)器人的行為適應(yīng)性；
(ii) 找出機(jī)器人在整體形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（空隙數(shù)量）、肢體數(shù)量和形狀、質(zhì)量分布、肌肉組織和行為控制方面的不足；
(iii) 同時(shí)改變所有這些方面，以便在下一次模擬中改善機(jī)器人的行為。
經(jīng)過證明，這一過程只需重復(fù)九次（只需進(jìn)行 10 次模擬），就能在構(gòu)建設(shè)計(jì)時(shí)保留優(yōu)化后的功能。這比最先進(jìn)的物理機(jī)器人自動(dòng)設(shè)計(jì)算法要高效得多。
3D 打印出模具，實(shí)踐中測試
為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)中的模擬在實(shí)踐中是否有效，研究人員通過 3D 打印設(shè)計(jì)的模具。在材料方面，研究人員準(zhǔn)備了一個(gè) 20×14 厘米的長方體中隨機(jī)放置 64 個(gè)空洞和 64 塊“肌肉塊”。
然后研究員使用液體硅橡膠填充到模具中，并使其固化幾個(gè)小時(shí)。當(dāng)團(tuán)隊(duì)將固化的硅膠從模具中取出時(shí)，它變得又軟又柔韌。
通過 3D 打印出模具之后，他們將空氣注入長方體的小空隙中，以模擬肌肉的收縮和擴(kuò)張。
制成的機(jī)器人每個(gè)都只有一塊肥皂大小，像塊狀的小卡通人物一樣。研究人員為人工智能設(shè)定了開發(fā)陸地運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，然后將新生的機(jī)器人置于虛擬環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)化。
起初，這個(gè)機(jī)器人可以搖晃，但絕對無法行走。
AI 知道自己尚未達(dá)到目標(biāo)。因此迅速迭代了設(shè)計(jì)。在每次迭代中，AI 評估其設(shè)計(jì)、識別缺陷，并逐漸修改模擬塊的結(jié)構(gòu)。
更令人驚訝的是，AI 獨(dú)自想出了與自然界相同的行走解決方案：腿。但與自然界絕對對稱的設(shè)計(jì)不同，人工智能采取了不同的方法。由此產(chǎn)生的機(jī)器人有三條腿，背部有鰭，面部平坦，上面布滿了洞。
“這很有趣，因?yàn)槲覀儧]有告訴人工智能機(jī)器人應(yīng)該有腿”，Kriegman 表示，“它重新發(fā)現(xiàn)腿是在陸地上移動(dòng)的好方法。事實(shí)上，腿式運(yùn)動(dòng)是陸地運(yùn)動(dòng)最有效的形式?！?/span>
最終，經(jīng)過九次嘗試，它生成了一個(gè)每秒可以行走其身體長度一半的機(jī)器人——大約是人類平均步幅速度的一半。
整個(gè)設(shè)計(jì)過程——從一個(gè)零運(yùn)動(dòng)的無形塊到一個(gè)完整的行走機(jī)器人——在筆記本電腦上只花了 26 秒。
“現(xiàn)在任何人都可以觀察 AI 實(shí)時(shí)生成越來越好的機(jī)器人身體的進(jìn)化過程”，Kriegman 表示，“以前，進(jìn)化機(jī)器人需要在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)周的試驗(yàn)和錯(cuò)誤。當(dāng)然，在任何動(dòng)物可以在我們的世界里奔跑、游泳或飛翔之前，都有數(shù)十億年的試錯(cuò)過程。這是因?yàn)檫M(jìn)化沒有先見之明。它無法預(yù)見未來，無法知道特定的突變是有益的還是災(zāi)難性的。我們找到了一種方法來消除這種蒙蔽，從而將數(shù)十億年的進(jìn)化壓縮為瞬間?！?/span>
AI 設(shè)計(jì)的機(jī)器人未來
通過深度研究，得到的結(jié)果最終證明了移動(dòng)機(jī)器人的高效設(shè)計(jì)自動(dòng)化，不過，Kriegman 也表示，大部分設(shè)計(jì)流程仍有待優(yōu)化。例如，制造過程包括幾個(gè)可以通過嵌入式 3D 打印實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的手動(dòng)步驟；物理模型的計(jì)算效率可以優(yōu)化為比實(shí)時(shí)運(yùn)行得更快，并且梯度計(jì)算可以優(yōu)化為也更快。
截至目前，盡管這個(gè)由 AI 設(shè)計(jì)的首個(gè)機(jī)器人只能向前移動(dòng)，但 Kriegman 也在暢想未來的應(yīng)用場景，譬如：
有一天，類似的機(jī)器人可能能夠在倒塌建筑物的廢墟中導(dǎo)航，遵循熱圖像和振動(dòng)信號來搜索被困的人和動(dòng)物，或者它們可能會(huì)穿越下水道系統(tǒng)來診斷問題、疏通管道和修復(fù)損壞；
人工智能還可能設(shè)計(jì)出納米機(jī)器人，進(jìn)入人體并引導(dǎo)血液流動(dòng)，以疏通動(dòng)脈、診斷疾病或殺死癌細(xì)胞。
如果對此你感興趣，也可以查看更為詳細(xì)的論文：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305180120#sec-1
同時(shí)，這篇論文涉及到的源代碼也被開源到 GitHub上：https://github.com/robodiff/robodiff
022年歲末，繼AI繪畫爆火之后，一個(gè)會(huì)聊天能寫作的AI機(jī)器人ChatGPT突然大出風(fēng)頭，網(wǎng)友們紛紛曬出各種“調(diào)戲”ChatGPT的聊天段落，正如馬斯克所言，人們陷入了“瘋狂的ChatGPT循環(huán)中”。不過在感到有趣的同時(shí)，許多人的內(nèi)心也是無比震撼：如果不事先告訴你是在和機(jī)器人聊天，你很可能認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)對面坐著的是和你一樣真實(shí)的人，一個(gè)無所不知的專家。
○ ChatGPT是什么
ChatGPT是一個(gè)訓(xùn)練有素的大型語言模型，由OpenAI公司開發(fā)。ChatGPT的目標(biāo)是通過與用戶進(jìn)行交流，為他們提供信息和回答問題。ChatGPT可以與用戶討論各種話題，并以清晰、連貫的方式回答問題。但是，由于ChatGPT是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，所以ChatGPT并不能像人類一樣感知和思考，它只能根據(jù)所學(xué)習(xí)到的知識（人類“喂”給它的資料庫）來回答問題（圖1）。
（圖1）
圖1 ChatGPT是由OpenAI于2022年11月30日推出的聊天機(jī)器人
○ ChatGPT能做什么
ChatGPT可以討論各種話題并回答問題。ChatGPT的知識領(lǐng)域覆蓋非常廣泛，包括科學(xué)、政治、歷史、文化、藝術(shù)、技術(shù)等等。ChatGPT并不擅長某一個(gè)特定的領(lǐng)域，但是它會(huì)盡力回答所有人提出的每一個(gè)問題。本文的最后有編者的親自測試，它能寫詩，會(huì)講笑話，尤其驚人的是通過簡單幾句描述，它就能編寫出完整、有效的程序代碼。
○ ChatGPT的工作原理
ChatGPT是一個(gè)訓(xùn)練有素的大型語言模型，使用了由OpenAI開發(fā)的一個(gè)名為GPT-3的模型，這一模型可以自動(dòng)學(xué)習(xí)并理解語言。ChatGPT通過分析用戶的輸入，并根據(jù)ChatGPT所學(xué)習(xí)到的知識來回答問題。這些知識來自于ChatGPT所訓(xùn)練的大量文本數(shù)據(jù)，包括維基百科文章、新聞報(bào)道、論壇帖子等等。ChatGPT還可以通過分析這些數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)語言和理解語境，盡可能使答案符合當(dāng)前聊天的上下文語境。OpenAI的一篇博客文章中，介紹了使用來自人類反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF）訓(xùn)練這個(gè)模型的大致過程（圖2）。
（圖2）
圖2 ChatGPT模型的訓(xùn)練過程
○ChatGPT實(shí)戰(zhàn)
筆者嘗試從不同的角度，測試了ChatGPT的反應(yīng)，效果頗為驚人。
問題1：夜深了，有點(diǎn)困，能否講一個(gè)小笑話提提神？
ChatGPT：好的，那么ChatGPT給您講一個(gè)小笑話吧。兩個(gè)人在一起聊天，其中一個(gè)人問另一個(gè)人：“你為什么長得這么丑？”另一個(gè)人回答說：“這不是我的錯(cuò)，這是上帝的設(shè)計(jì)?！庇谑堑谝粋€(gè)人說：“那你為什么不打個(gè)電話問問上帝呢？”第二個(gè)人說：“我打了，上帝告訴我，他還是剛開始學(xué)習(xí)畫畫，所以才把我畫得這么丑。”希望這個(gè)笑話能給您帶來一點(diǎn)樂趣。
問題2：能否以“夜已深”為主題寫一首歌，并譜曲？
ChatGPT：雖然我可以嘗試用文字描述一首歌，但我無法譜曲。我是一個(gè)人工智能助手，我的能力和普通人是不同的。我無法創(chuàng)造音樂，也無法將文字轉(zhuǎn)換為譜曲。下面是一首基于“夜已深”的歌詞，但請注意，它不是一首完整的歌曲，也沒有譜曲（圖3）：
圖3
圖3 ChatGPT寫歌詞
……
我想起過去的日子
那些歡樂和憂傷
我想起未來的路途
那些挑戰(zhàn)和希望
……
說實(shí)話，ChatGPT幾秒鐘就“寫”出來的作品，質(zhì)量已經(jīng)讓編者驚訝了。接著筆者問了個(gè)關(guān)鍵問題：是原創(chuàng)嗎？有沒有版權(quán)問題？
ChatGPT很自信地回答，“它不存在版權(quán)問題”（圖4）。
圖4
圖4 ChatGPT作品的版權(quán)討論
問題3：提示用戶輸入數(shù)字，然后將所有數(shù)字相乘，最后返回計(jì)算結(jié)果。用C++程序如何實(shí)現(xiàn)？
ChatGPT很快就給出完整的C++程序代碼，并且對這段代碼做了詳細(xì)解釋，點(diǎn)擊右上角的“Copy code”還可以復(fù)制這段代碼粘貼到編譯器中使用（圖5）。最后ChatGPT還不忘提醒筆者：“請注意，這僅是一個(gè)簡單的例子，它只演示了如何接收用戶輸入并計(jì)算結(jié)果。如果要編寫完整的程序，還需要考慮其他問題，例如錯(cuò)誤處理、邊界檢查、用戶輸入驗(yàn)證等?！?/span>
圖5
圖5 ChatGPT生成可用的程序代碼
點(diǎn)評：
“有人笑，有人哭，多數(shù)人沉默不語”一直被視為人類所獨(dú)有的創(chuàng)意勞動(dòng)，在AI繪畫、AI寫作等沖擊下也開始慢慢動(dòng)搖了。不過筆者認(rèn)為，現(xiàn)在就說AI將全面替代人類的工作還為時(shí)尚早。以ChatGPT為例，盡管它的一部分聊天內(nèi)容令人震驚，但也不過是對已有知識庫內(nèi)容的整合，它甚至無法區(qū)分知識中哪些是真實(shí)的哪些是虛假的，更不可能像人類一樣有自己真正的意志。CF
原文刊登于2022 年 12月 27 日出版《電腦愛好者》第 22 期
技發(fā)展日新月異，無論是無人車自動(dòng)駕駛，還是ChatGPT，科技在我們的生活中無處不在。如何從小引導(dǎo)孩子們講科學(xué)、愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)、用科學(xué)？
本學(xué)期，團(tuán)區(qū)委向五角場小學(xué)配送了時(shí)下最熱門的機(jī)器人編程課后服務(wù)。12月11日，一批由孩子們自己編制程序，搭建模型的機(jī)器人在學(xué)校集中進(jìn)行展示，進(jìn)一步開闊了孩子們的科學(xué)視野。
當(dāng)兩臺大疆機(jī)甲戰(zhàn)車在賽道間“爭奪”領(lǐng)地，一群充滿好奇心和創(chuàng)造力的小學(xué)生在電腦后一邊操控，一邊發(fā)出驚呼聲。別看只是機(jī)器人間的“追逐打鬧”，實(shí)際上需要考核同學(xué)們的動(dòng)手能力、操控能力、空間判斷能力、編程能力還有創(chuàng)造能力。
與此同時(shí)，單片機(jī)機(jī)器人、達(dá)奇機(jī)器人、四足機(jī)器狗也在孩子們中間“活躍”著，展示出科技創(chuàng)新的魅力。五年級四班的曹梓涵一提起編程，就打開了話匣子?！拔野职志褪浅绦騿T，所以我很小的時(shí)候就接觸到代碼，其實(shí)我還可以設(shè)計(jì)出比現(xiàn)在的機(jī)器人更復(fù)雜的編程，寫編程的過程我覺得很有趣?！?/span>
記者了解到，按照低年級和高年級的認(rèn)知能力和接受度區(qū)別，學(xué)校機(jī)器人編程采用分組教學(xué)模式，學(xué)生們有機(jī)會(huì)自主選擇自己感興趣的領(lǐng)域。有的學(xué)生負(fù)責(zé)編程，有的學(xué)生負(fù)責(zé)搭建，這種合作方式不僅增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，還培養(yǎng)了解決問題的能力。大家發(fā)揮各自的優(yōu)勢，互相幫助，共同完成了這些項(xiàng)目。
“培養(yǎng)編程思維很重要，有助于同學(xué)們更好地理解和解決問題，不僅在編程中，在課業(yè)上、生活中也能派上用場?！睂W(xué)校編程課程負(fù)責(zé)人龔森林老師告訴記者，一學(xué)期的課程下來，同學(xué)們的參與度都非常高，特別是通過平時(shí)的組別競賽和完成任務(wù)，使學(xué)生在搭建機(jī)器人和編制程序的過程中，培養(yǎng)動(dòng)手能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造能力，有目的地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
課后服務(wù)是推進(jìn)“雙減”政策的一項(xiàng)重要舉措。未來，團(tuán)區(qū)委也將繼續(xù)匯聚多方資源，滿足學(xué)生課后多樣化發(fā)展需求，讓學(xué)生享受到更多的“營養(yǎng)大餐”，彰顯共青團(tuán)組織的社會(huì)擔(dān)當(dāng)。
文字/圖片：成佳佳
編輯：奚宇軒
*轉(zhuǎn)載請注明來自上海楊浦官方微信