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撰文| 馬修赫特森（Matthew Hutson）
翻譯| 林清
大多數(shù)機(jī)器人是由人類工程師設(shè)計(jì)的，人類工程師總要煞費(fèi)苦心地安排好所有關(guān)節(jié)和人造肌肉，才能讓機(jī)器人完成特定任務(wù)，但這一過程會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，還會(huì)受到人類想象力的限制。美國佛蒙特大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家喬希邦加德（Josh Bongard）表示，用算法設(shè)計(jì)機(jī)器人可能“
有助于開啟定制機(jī)器人的新世界
”。在一項(xiàng)新研究中，他和同事使用了基于反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)了多款可以行走的團(tuán)塊狀機(jī)器人。該研究近期發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》（
PNAS）。
最初，每個(gè)機(jī)器人都是從數(shù)字模擬世界中的膠狀物團(tuán)塊開始的。團(tuán)塊中隨機(jī)分布著64個(gè)孔洞，看起來就像一塊瑞士奶酪。其中還含有64塊隨機(jī)放置的“人造肌肉”，“肌肉”彎曲時(shí)就會(huì)帶動(dòng)附近的物質(zhì)伸長或收縮。起初，模擬團(tuán)塊還只能在原地做簡單的跳躍，但隨著算法不斷調(diào)整肌肉位置、孔的位置和孔的大小，機(jī)器人逐漸擁有了向前跳動(dòng)的能力。歷經(jīng)9個(gè)版本的修改后，這些孔合并成了幾條
短粗的“腿”
，上面布滿了
“肌肉”
。由此產(chǎn)生的模擬機(jī)器人每秒可以移動(dòng)其身長一半的距離。團(tuán)隊(duì)將這樣的設(shè)計(jì)過程重復(fù)了100次，每一次在筆記本電腦上都只需要30秒。
制圖：阿曼達(dá) 蒙塔涅斯（Amanda Montaez）
“這項(xiàng)研究的重要之處在于，他們在很短的時(shí)間內(nèi)，以極為有限的迭代次數(shù)實(shí)現(xiàn)了所有預(yù)定目標(biāo)。”新加坡國立大學(xué)的機(jī)械工程師塞西莉亞拉斯奇（Cecilia Laschi，未參與這項(xiàng)新研究）表示，她主要從事軟體機(jī)器人的研究。
研究人員用硅膠復(fù)刻了其中一款設(shè)計(jì)，成品只有半塊肥皂大�？茖W(xué)家在其中加裝了小型的氣囊，它隨著空氣泵入泵出進(jìn)行伸縮，以模擬“肌肉”的部分。盡管機(jī)器人的行走速度比模擬的要慢每分鐘只能行走半個(gè)身長的距離但
比隨機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)器人明顯快得多
。
研究人員使用的優(yōu)化算法名為梯度下降法，這種算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)中的參數(shù)優(yōu)化，可為許多棘手的變量問題提供最佳解決方案。在這項(xiàng)研究中，需要優(yōu)化的變量就是肌肉位置、孔的位置和孔的大校該算法可以策略性地反復(fù)修改這些變量，這樣一來系統(tǒng)就可以
在每次迭代中得到改進(jìn)
。
基于相同的技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了具備其他功能的模擬機(jī)器人，如用于運(yùn)輸或發(fā)射物體的機(jī)器人。接下來，他們希望能創(chuàng)造出更為復(fù)雜的機(jī)器人，使其能通過傳感器與現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)。
本文選自《環(huán)球科學(xué)》2月刊“前沿”欄目。
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