机器人设计的计算机辅助创意
一个名为RoboGrammar的系统允许设计师模拟潜在的机器人设计，以找到最适合特定地形的系统。
所以你需要一个会爬楼梯的机器人。机器人应该是什么形状?它应该像人一样有两条腿吗?还是六只，像一只蚂蚁?
选择正确的形状对于你的机器人穿越特定地形的能力至关重要。而且不可能构建和测试每一种潜在的形式。
现在，麻省理工学院开发的系统可以模拟它们，并确定哪种设计效果最好。首先，你要告诉这个名为“机器人语法”的系统，你的商店周围有哪些机器人部件——轮子、关节等等。你还告诉它你的机器人需要在什么地形上行走。剩下的工作由RoboGrammar完成，它会为你的机器人生成一个优化的结构和控制程序。
这一进步可能会给该领域注入一剂计算机辅助的创造力。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的博士生Allan Zhao说:“机器人设计仍然是一个非常手工的过程。”他将RoboGrammar描述为“一种新的、更有创造力的机器人设计方法，可能会更有效。”
赵是这篇论文的第一作者，他将在SIGGRAPH亚洲会议上发表这篇论文。合著者包括博士生徐洁，博士后Mina konakovii - lukoviic，博士后Josephine Hughes，博士生Andrew Spielberg，教授Daniela Rus和Wojciech Matusik，他们都是麻省理工学院的人。
基本规则
机器人是为几乎无穷无尽的各种任务而设计的，然而“它们在整体形状和设计上都非常相似，”赵说。例如，“当你想到建造一个需要穿越各种地形的机器人时，你马上就会跳到四足动物身上，”他说，他指的是像狗这样的四足动物。“我们想知道这是否真的是最佳设计。”
赵的团队推测，更多的创新设计可以提高功能。因此，他们为这项任务建立了一个计算机模型——一个不受先前惯例过度影响的系统。虽然创新是他的目标，但他也必须制定一些基本规则。
机器人可能的形态“主要是由无意义的设计组成的，”赵在论文中写道。他说:“如果你只是随意地把各个部分连接起来，最终就会出现混乱。”为了避免这种情况，他的团队开发了一种“图形语法”——一套约束机器人组件排列的规则。例如，相邻的腿段应该用一个关节连接，而不是与另一个腿段连接。这样的规则确保每个计算机生成的设计至少在基本水平上是可行的。
赵说，他的图形语法规则不是受到其他机器人的启发，而是受到动物——尤其是节肢动物的启发。这些无脊椎动物包括昆虫、蜘蛛和龙虾。作为一个群体，节肢动物是一个进化成功的故事，占已知动物物种的80%以上。“它们的特点是有一个中心身体，有不同数量的部分。有些部分可能还连着腿。”“我们注意到，这不仅足以描述节肢动物，也足以描述更熟悉的形式，”包括四足动物。赵采用节肢动物启发的规则部分是由于这种灵活性，尽管他确实添加了一些机械的华丽。例如，他让计算机变出了轮子而不是腿。
机器人方阵
“机器人语法”使用赵的图形语法，分为三个连续步骤:定义问题，草拟机器人可能的解决方案，然后选择最优方案。问题定义主要落在人类用户身上，他们输入一组可用的机器人组件，如电机、腿和连接段。赵说:“这是确保最终机器人能够在现实世界中制造的关键。”用户还指定要穿越的地形的种类，可以包括台阶、平坦区域或光滑表面等元素的组合。
有了这些输入，RoboGrammar然后使用图形语法的规则来设计数十万个潜在的机器人结构。有些看起来有点像赛车。还有一些看起来像蜘蛛，或者是做俯卧撑的人。赵说:“看到各种各样的设计，我们很受鼓舞。”“这无疑显示了语法的表现力。”但是，虽然语法可以产生数量，但它的设计并不总是最优的质量。
选择最佳的机器人设计需要控制每个机器人的运动并评估其功能。“到目前为止，这些机器人还只是结构，”赵说。控制器是一组指令，将这些结构赋予生命，控制机器人各个电机的运动顺序。该团队为每个机器人开发了一个控制器，该控制器采用一种称为模型预测控制的算法，该算法优先考虑快速向前移动。
“机器人的形状和控制器深深交织在一起，”赵说，“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。”一旦每个模拟机器人都可以自由移动，研究人员就会使用“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进行采样和评估，并学习哪些设计更适合给定的任务。“随着时间的推移，启发式功能不断改进，”赵说，“搜索会收敛到最优机器人。”
这一切都发生在人类设计师拿起螺丝钉之前。
哥伦比亚大学(Columbia University)机械工程师、计算机科学家霍德·利普森(Hod Lipson)说，“这项工作是25年来自动设计机器人形态和控制的最高成就。”他没有参与这个项目。“使用形状语法的想法已经存在了一段时间，但没有任何一个想法像这个作品一样被完美地执行。一旦我们能让机器自动设计、制造和编程机器人，一切就都完了。”
赵想让这个系统成为人类创造力的火花。他将RoboGrammar描述为“机器人设计师扩展机器人结构空间的工具”。为了证明其可行性，他的团队计划在现实世界中建造并测试一些RoboGrammar的最佳机器人。
赵补充说，该系统可以适应于追求机器人超越地形穿越的目标。他还表示，RoboGrammar可以帮助人们普及虚拟世界。赵说:“比如说，在一款电子游戏中，你想要生成很多种类的机器人，而不需要美术师一一创造。”“机器人语法几乎可以立即解决这个问题。”
这个项目令人惊讶的结果是什么?“大多数设计最终都是四条腿的，”赵说。也许手动机器人设计师一直都被四足动物所吸引是正确的。“也许真的有什么道理。”
-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．
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