想象一下，如果人们需要一个会爬楼梯的机器人，那么机器人应该是什么形状呢？它应该像人一样有两条腿吗？还是应该像蚂蚁一样有六只脚？设计合适的形状对于机器人穿越给定地形的能力至关重要。然而，不可能通过人为设计来构建和测试每一种潜在的形态。最近，麻省理工学院(MIT)的研究人员成功开发了一种计算机系统，可以让他们模拟机器人的形状，并确定哪种设计最有效。在2020SIGGRAPH亚洲会议上发表了题为“RoboGrammar:GraphGrammarforTerrain-OptimizedRobotDesign”的相关论文。（来源：麻省理工学院官网）该论文的作者之一、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的博士生AllanZhao表示：“机器人设计仍然是一个非常手动的过程。RoboGrammar系统提出了一个一种新的、更具创造性的机器人设计方法可能会导致更有效的机器人结构。”首先，人们告诉RoboGrammar系统车间周围有哪些机器人部件可用（例如：轮子、关节等）；同时，告诉它机器人需要在什么类型的地面上行驶，然后RoboGrammar就会处理剩下的事情，为人们想要的机器人生成优化的结构和控制程序。研究人员说，这一进步可以为设计机器人形状的领域注入一些计算机辅助创造力。计算机辅助创造力机器人可以执行各种任务任务，但它们在总体形状和设计上往往非常相似。例如，当人们想到构建需要穿越各种地形的机器人时，他们会立即想到四足动物，例如四条腿的狗状动物。但是这真的是最好的设计吗？而且没有人知道。因此，麻省理工学院的团队推测，更多的创新设计可以改善机器人的功能。他们建立了一个任务的计算机模型，该模型没有受到预先的过度影响各种约定。虽然创新是目标，但该模型必须制定一些基本标准才能正常运行。研究人员认为，如果人们能够以任意方式连接机器人的这些部分，它们最终会变得一团糟。为了避免这种情况，研究团队开发了一种“图形语法”，它是对机器人组件排列的一组约束。例如，相邻的外伸支架应与一个接头连接，而不是另一个接头。这些规则确保每个计算机生成的设计都是可行的，至少在基本层面上是可行的。（来源：麻省理工学院官网）事实上，该系统的图形语法规则并非受其他机器人启发，而是受动物（尤其是节肢动物）的启发。这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和虾。作为一个大群体，节肢动物在进化上取得了成功，占已知动物物种的80%以上。“节肢动物的特征是中央身体有可变数量的节段，一些部分可能由外伸支架连接，”AllanZhao说。“而且我们注意到，这不仅足以描述节肢动物，还可以描述更熟悉的动物形态，包括四足动物。”因此研究人员使用了受节肢动物启发的规则。但该系统还为机器人增加了一些机械能力，例如，它允许机器人使用轮子而不仅仅是腿。RobotPhalanx使用团队为系统开发的规则，RoboGrammar可以分三个连续步骤进行操作。首先是定义问题，然后生成可能的机器人解决方案，最后选择最佳解决方案。问题定义在很大程度上取决于人类用户，他们输入一组可用的机器人组件，如电机、腿、和连接段。需要注意的是，这些问题是确保最终机器人可以在现实世界中实际制造的关键。用户还可以指定要穿越的地形类型，其中可以包括步骤等元素的组合，平坦区域，或光滑表面。有了这些输入，RoboGrammar使用图形语法规则来设计数以千计的潜在机器人结构。有些看起来有点像赛车，其他人看起来像蜘蛛，或者一个做俯卧撑的人。“我们很高兴看到设计的多样性，”AllanZhao说。“它确实显示了图形语法的创造性。”高品质。此外，选择最佳机器人设计需要控制每个机器人的运动并评估其能力。到目前为止，这些机器人只不过是系统生成的结构。控制器是使这些结构栩栩如生的指令集，控制机器人各种电机的运动顺序。因此，该团队使用优先考虑快进运动的模型预测控制算法为每个机器人开发了一个控制器。“机器人的形状和控制器深深地交织在一起，这就是为什么我们必须为每个给定的机器人单独优化控制器，”AllanZhao说。一旦每个模拟机器人都可以自由移动，研究人员便可以使用“图形启发式搜索”来寻找高性能机器人。这种神经网络算法迭代地对机器人的整体进行采样和评估，并了解哪种设计更适合给定的任务。“启发式功能将随着时间的推移而改进，搜索将收敛到最佳机器人，”AllanZhao在人类设计师拿起螺丝钉之前说道。麻省理工学院研究人员25年来的最高成就，希望该系统能够激发人类的创造力。他们将RoboGrammar描述为“机器人设计师扩展他们使用的机器人结构空间的工具”。为了证明其可行性，研究团队还计划在现实世界中构建和测试一些RoboGrammar最好的机器人。该系统还可以作为一种目标工具，用于在穿越地形之外进行机器人形状设计。AllenZhao说RoboGrammar可以帮助填充虚拟世界。“例如，在视频游戏中，如果人们想要生成多种类型的机器人，RoboGrammar几乎可以立即为它工作，而不需要艺术家来创建每个机器人。”图|机器人创造力（来源：JAMESYANG）该项目的一个令人惊讶的结果是大多数机器人设计最终都是四足动物。研究人员说，也许出于某种原因，机器人设计师一直倾向于四足动物。哥伦比亚大学机械工程师和计算机科学家HodLipson评论道：“这项工作是25年来机器人形态和控制自动设计的结晶。使用形状语法的想法已经存在了一段时间，但没有像这篇论文那样的地方。”我在工作中完美地实现了这个想法。一旦我们可以让机器自动设计、制造和编程机器人，一切都将成为泡影。”随着这套系统的出现，人们可以预见，未来机器人的设计可能只需要一台电脑。
