機器之心報道
編輯：微胖、蛋醬
受自然界進化設(shè)計的啟發(fā)，使用進化算法的機器人自動化設(shè)計已經(jīng)嘗試了二十年，但效率仍然低下�，F(xiàn)在，從一塊肥皂狀物質(zhì)到成功步行的機器人，AI 的整個設(shè)計過程在筆記本電腦（消費級硬件）上只用了 26 秒。
一直以來，設(shè)計一款機器人的難度是有目共睹的，這是由于機器人的物理結(jié)構(gòu)、感官和運動布局以及行為之間存在著非常復雜的相互依存關(guān)系。迄今為止，每個機器人的眾多細節(jié)都會經(jīng)由人類設(shè)計師數(shù)月或數(shù)年來的反復構(gòu)思、原型設(shè)計和測試，最終手動確定。
此前，一些研究者也嘗試過利用進化算法自動設(shè)計機器人，但其效率仍然很低：在模擬中設(shè)計機器人，同時使這些機器人在制造出來后能表現(xiàn)出所需的行為，大概需要數(shù)天的超級計算時間。
最近，由西北大學研究人員領(lǐng)導的一個團隊開發(fā)了迄今為止第一個可以從頭開始設(shè)計機器人的 AI，相關(guān)研究于 10 月 3 日登上《美國國家科學院院刊》。
值得注意的是，這個 AI 是在普通的筆記本電腦上運行的，整個設(shè)計過程只用了 26 秒，而且研究者沒有提供任何設(shè)計方面的線索。也就是說，AI 自己領(lǐng)悟了「長腿」是穿越陸地的好方法。
當 AI 從零開始設(shè)計機器人
「我們發(fā)現(xiàn)了一種非�？焖俚� AI 驅(qū)動的設(shè)計算法，繞過了進化歷史上的漫漫長路，也不會依賴于人類設(shè)計師的偏見，」西北大學 Sam Kriegman 說。Sam Kriegman 是西北大學計算機科學、化學和生物工程以及機械工程的助理教授，也是機器人和生物系統(tǒng)中心（ Center for Robotics and Biosystem）成員。
「我們告訴人工智能，想要一個可以在陸地上行走的機器人，然后按下按鈕，就可以了！一眨眼功夫就設(shè)計出一個機器人，看起來一點也不像曾經(jīng)在地球上行走過的任何動物。我把這個過程稱為『即時進化』�！�
一開始，研究人員給了 AI 一個簡單提示：設(shè)計一個可以在平面上行走的機器人。
雖然自然界花了數(shù)十億年的時間才進化出第一個行走物種，新算法卻將這一進化過程壓縮到了閃電速度 在 26 秒鐘內(nèi)設(shè)計出一個成功步行的機器人。
它的設(shè)計速度不僅快，還可以在個人電腦上運行，并從頭開始設(shè)計全新的結(jié)構(gòu)。這與其他 AI 系統(tǒng)形成鮮明對比，后者通常需要依托超級計算機和巨大的數(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，起初這團物質(zhì)只會搖晃，完全無法行走。AI 知道自己的目標尚未達成，于是迅速迭代設(shè)計。每次迭代，AI 都會評估自己設(shè)計的效果 ，找到缺陷并通過修剪來更新機器人的結(jié)構(gòu)。最后，機器人可以在原地彈跳，然后向前跳和移動。九次嘗試后，AI 設(shè)計出每秒可以行走半個身長距離的機器人，約為人類步速的一半。
整個設(shè)計過程 從無法行動的塊狀物到成功行走的機器人 在筆記本電腦上只用了 26 秒。
為了看看這款機器人能否在現(xiàn)實生活中工作，Kriegman 和他的團隊按照設(shè)計藍圖，3D 打印出身體周圍負空間（negative space around the robot's body）的模具，然后填充液態(tài)硅膠，幾個小時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。通過不斷向機器人泵送空氣，三條腿反復膨脹、收縮，機器人也在這一過程中緩慢但穩(wěn)定地走了起來。
「一個全新生物的誕生」
Sam Kriegman 實驗室的科學家 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（麻省理工學院）、Josh Bongard（佛蒙特大學）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)異種機器人（xenobots）而獲得廣泛關(guān)注，這是第一個完全由生物細胞制成的活機器人�，F(xiàn)在，Kriegman 和他的團隊將新 AI 視為探索人工生命潛力的下一個進步。
這個機器人本身很不起眼 又小又軟又畸形，由無機材料制成。但 Kriegman 表示，這意味我們朝著人工智能設(shè)計工具新時代邁出了第一步，這些工具可以像動物一樣直接作用于世界。
「當人們看到這個機器人時，他們可能會看到一個無用的小工具，」Kriegman 說，「我看到了一個全新生物的誕生�！�
「現(xiàn)在，隨著 AI 實時生成越來越好的機器人身體，任何人可以看到動態(tài)中的進化，」Kriegman 說�！敢郧靶枰诔売嬎銠C上進行數(shù)周試錯，當然，任何動物在奔跑、游泳或飛行之前都經(jīng)歷了數(shù)十億年的試錯，這是因為進化無法預見未來（foresight），無法知道某個特定突變是有益還是災難性的。我們找到了一種去掉障眼物的辦法，將數(shù)十億年進化歷程壓縮到了瞬間�！�
Sam Kriegman 和機器人
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。但與自然界絕對對稱的設(shè)計不同，人工智能采取了不同的方法：它設(shè)計的機器人有三條腿，背部有鰭，扁平的臉，還布滿了孔。
「這很有趣，因為我們沒有告訴 AI 機器人應該有腿，」他說�！杆匦掳l(fā)現(xiàn)了腿是在陸地上行動的好方法。事實上，腿部運動是最有效的地面運動形式。
雖然進化出腿是有道理的，但這些孔的設(shè)計有些奇怪，AI 似乎是隨機打孔。Kriegman 假設(shè)孔隙率可以減輕重量并增加靈活性，使機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。「 因為取消這些孔時，機器人要么不能再走路，要么走路變得不利索�！�
總的來說，Kriegman 對機器人的設(shè)計感到驚訝和著迷，并指出大多數(shù)人類設(shè)計的機器人要么看起來像人類，要么像狗或曲棍球冰球。
「當人類設(shè)計機器人時，我們傾向于將它們設(shè)計成看起來熟悉的物體，」他說�！傅斯ぶ悄芸梢詣�(chuàng)造人類從未考慮過的新可能性和演進道路，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�！�
雖然 AI 設(shè)計的第一個機器人只能蹣跚前行，但 Kriegman 想象了一個新的世界，由 AI 來設(shè)計工具。有朝一日，AI 設(shè)計的機器人可以在廢墟中穿行尋找被困的人和動物，或者穿越下水道修復破損。AI 還可以設(shè)計進入人體的納米機器人，疏通動脈，診斷疾病或殺死癌細胞。
「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)計它們，」他說�！感疫\的是，AI 有自己的想法�！�
參考鏈接
https://www.youtube.com/watch?v=doS94hdQJu4
https://news.northwestern.edu/stories/2023/10/instant-evolution-ai-designs-new-robot-from-scratch-in-seconds/
