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Evolution Gym：一套能讓機(jī)器人進(jìn)化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2021-12-19 15:10:18 來源：cnBeta.COM

想象一下，你正在跑一場(chǎng)比賽。為了完成它，你的身體需要強(qiáng)壯，你的大腦需要跟蹤路線以控制你的步伐并防止你絆倒。機(jī)器人的情況也是如此。為了完成任務(wù)，它們既需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的身體也需要一個(gè)“大腦”或控制器。

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工程師們可以使用各種模擬來改善機(jī)器人的控制，從而使其更加智能。但很少有辦法能夠同時(shí)優(yōu)化機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

除非設(shè)計(jì)者是一個(gè)算法。

得益于計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在終于有可能編寫同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制的軟件，這種方法被稱為協(xié)同設(shè)計(jì)。雖然有既定的平臺(tái)來優(yōu)化控制或設(shè)計(jì)，但大多數(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)研究人員不得不設(shè)計(jì)自己的測(cè)試平臺(tái)，而這些平臺(tái)通常是非常密集的計(jì)算且耗時(shí)。

為了幫助解決這個(gè)問題，麻省理工學(xué)院的一名本科生研究員Jagdeep Bhatia和其他研究人員創(chuàng)建了一個(gè)名為Evolution Gym的2D協(xié)同設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人模擬系統(tǒng)。他們?cè)诮衲甑纳窠?jīng)信息處理系統(tǒng)會(huì)議上展示了該系統(tǒng)。現(xiàn)在，他們還在一篇新論文中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)。

“基本上，我們?cè)噲D做一個(gè)非常簡(jiǎn)單和快速的模擬器，”該論文的第一作者Bhatia說說道，“在此基礎(chǔ)上，我們?yōu)檫@些機(jī)器人建立了一系列的任務(wù)。”

在Evolution Gym中，2D軟體機(jī)器人是由彩色單元或體素組成。不同的顏色代表不同類型的簡(jiǎn)單組件--要么是軟性材料，要么是剛性材料，要么是水平或垂直的執(zhí)行器。其結(jié)果是機(jī)器人由彩色方塊拼湊而成，在視頻游戲般的環(huán)境中移動(dòng)。因?yàn)樗?D的、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以不需要太多的計(jì)算能力。

顧名思義，研究人員將該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化以模仿生物的進(jìn)化過程。它不是生成單個(gè)機(jī)器人，而是生成具有輕微不同設(shè)計(jì)的機(jī)器人種群。該系統(tǒng)有一個(gè)雙級(jí)優(yōu)化系統(tǒng)--一個(gè)外循環(huán)和一個(gè)內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)是設(shè)計(jì)優(yōu)化。該系統(tǒng)為一個(gè)給定的任務(wù)生成若干不同的設(shè)計(jì)，如行走、跳躍、攀爬或抓取東西；內(nèi)環(huán)則用于控制優(yōu)化。

Bhatia指出，系統(tǒng)將采取這些設(shè)計(jì)中的每一個(gè)，它將在Evolution Gym中為它優(yōu)化特定任務(wù)的控制器，然后，它將會(huì)為每一個(gè)設(shè)計(jì)返回一個(gè)分?jǐn)?shù)以回到設(shè)計(jì)優(yōu)化算法并說“這是機(jī)器人使用最佳控制器的表現(xiàn)”。

通過這種方式，該系統(tǒng)根據(jù)特定任務(wù)的“獎(jiǎng)勵(lì)”分?jǐn)?shù)生成多代機(jī)器人并保留維持和增加這種獎(jiǎng)勵(lì)的元素。研究人員開發(fā)出了30多個(gè)任務(wù)供機(jī)器人嘗試執(zhí)行，它們有簡(jiǎn)單、中等或困難分級(jí)。

“如果你的任務(wù)是行走，在這種情況下，你希望機(jī)器人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)盡可能快地移動(dòng)，”MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、該論文的第一作者Wojciech Matusik說道。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)許多任務(wù)都非常有效且算法設(shè)計(jì)的機(jī)器人比人類設(shè)計(jì)的機(jī)器人效果更好。該系統(tǒng)想出了人類永遠(yuǎn)無法做到的設(shè)計(jì)，其能產(chǎn)生復(fù)雜的材料和非常有效的執(zhí)行器。盡管該系統(tǒng)之前對(duì)動(dòng)物或生物學(xué)沒有任何了解，但它還獨(dú)立地想出了一些類似動(dòng)物的設(shè)計(jì)。

另一方面，沒有一個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)能夠有效地完成最困難的任務(wù)，如舉起和抓起物品。來自亞利桑那大學(xué)的工程系副教授、沒有參加這項(xiàng)研究的Wolfgang Fink指出，這可能有很多原因，包括程序選擇的進(jìn)化群體不夠多樣化。

另外，Evolution Gym的簡(jiǎn)單化、2D設(shè)計(jì)還不適合改編成現(xiàn)實(shí)生活中的機(jī)器人。盡管如此，Bhatia希望Evolution Gym能成為研究人員的資源并能使他們開發(fā)新的和令人興奮的共同設(shè)計(jì)算法。目前，該程序是開源的，人們可以免費(fèi)使用。