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機(jī)械臂與靈巧手在虛擬環(huán)境和真實(shí)世界中進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試。受訪者供圖

仿生靈巧手轉(zhuǎn)動(dòng)骰子示意圖。受訪者供圖

凌晨4點(diǎn)，耿逸然和安博施的鬧鐘同時(shí)響起。一個(gè)小時(shí)后，第36屆神經(jīng)信息處理系統(tǒng)大會(huì)（NeurIPS 2022）即將開(kāi)始，作為大會(huì)中MyoChallenge挑戰(zhàn)賽骰子重定向（Die Reorientation）賽道冠軍，這兩位來(lái)自北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2020級(jí)圖靈班的大三學(xué)生，即將迎來(lái)各自人生中首次在國(guó)際頂級(jí)會(huì)議上的亮相。

“還是很激動(dòng)和緊張的?！?022年12月，該會(huì)議在美國(guó)舉辦。北京時(shí)間清晨5點(diǎn)，耿逸然和安博施線上參會(huì)，在15分鐘的全英文報(bào)告中，他們對(duì)參賽方案的完整闡釋，將來(lái)自世界各地的聽(tīng)眾帶回2022年的夏天。

去年8月，兩人在導(dǎo)師的推薦下了解到，NeurIPS推出了一項(xiàng)比賽，要求參賽者設(shè)計(jì)一套人工智能算法，控制仿生靈巧手完成隨機(jī)的抓取、轉(zhuǎn)動(dòng)骰子等任務(wù)，最終成功率最高、需要肌肉施加力最小的團(tuán)隊(duì)獲勝。

賽事通知讓他們立即興奮起來(lái)。兩人的導(dǎo)師、北京大學(xué)人工智能研究院助理教授、北京通用人工智能研究院研究員楊耀東和計(jì)算機(jī)學(xué)院前沿計(jì)算研究中心助理教授董豪長(zhǎng)期從事機(jī)械臂和靈巧手的人工智能與環(huán)境交互研究，在這幾位老師的指導(dǎo)下，耿逸然和安博施也一直在學(xué)習(xí)，如何在這一領(lǐng)域成為訓(xùn)練人工智能的“優(yōu)秀教師”。此外，他們?cè)趨R集頂級(jí)人工智能專家的北京通用人工智能研究院長(zhǎng)期與許多優(yōu)秀研究員共同工作，積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)。用國(guó)際頂級(jí)人工智能會(huì)議的大賽檢驗(yàn)自己，既是絕佳的練兵機(jī)會(huì)，也是展示學(xué)習(xí)所得的機(jī)會(huì)。

比賽發(fā)令槍響，耿逸然和安博施的“全速奔跑”開(kāi)始了。和他們一起合作的，還有同樣來(lái)自北京通用人工智能研究院的大學(xué)生鐘伊凡、吉嘉銘、陳源培等。盡管他們對(duì)機(jī)械臂的人工智能控制已經(jīng)相對(duì)熟悉，但這次比賽中要面對(duì)的，是一只截然不同的“虛擬仿生手”。在電腦屏幕上的模擬器中，這只手“有血有肉”，銀灰色的手部骨骼外，覆蓋著由紅色線條表示的一束束肌肉，如同真正的手一樣，各個(gè)關(guān)節(jié)和每條肌肉密切聯(lián)動(dòng)，“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，和常見(jiàn)的只能控制每個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的實(shí)體機(jī)械手相比，復(fù)雜程度多了不是一點(diǎn)半點(diǎn)。

花了大約一周時(shí)間熟悉仿生靈巧手的關(guān)節(jié)與肌肉之間的關(guān)系后，他們開(kāi)始制訂培訓(xùn)這位人工智能“學(xué)生”的方案。抓取、轉(zhuǎn)動(dòng)骰子，對(duì)仿生手來(lái)說(shuō)相當(dāng)復(fù)雜，他們就將動(dòng)作拆解，如同體操教練教學(xué)員完成一套復(fù)雜的轉(zhuǎn)體、曲體組合動(dòng)作時(shí)，先教各個(gè)分解動(dòng)作，再進(jìn)一步完成動(dòng)作組合。如同水族館表演的海豚，通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)塑造，人工智能在完成目標(biāo)動(dòng)作時(shí)，一個(gè)相當(dāng)于小魚的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)會(huì)對(duì)它進(jìn)行“激勵(lì)”，以促進(jìn)其更好地“學(xué)習(xí)”。

這些聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單的操作，背后是無(wú)數(shù)爭(zhēng)分奪秒的努力。電腦隨身攜帶，耿逸然有時(shí)就趁著上課前的10分鐘，打開(kāi)電腦修改代碼。每天面對(duì)黑色屏幕上一行行白色字母組成的代碼難免枯燥，但早上醒來(lái)打開(kāi)頭天晚上訓(xùn)練的模型，一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以讓人雀躍。“這個(gè)過(guò)程就像開(kāi)盲盒?！卑膊┦┙榻B，研發(fā)的過(guò)程沒(méi)有正確答案，一切都是摸著石頭過(guò)河，“前一天訓(xùn)練了10個(gè)模型，第二天跑完數(shù)據(jù)可能有8個(gè)結(jié)果一般、1個(gè)不好、還有1個(gè)非常好。每天都很期待，會(huì)有更多好的結(jié)果?！?/p>

憑著長(zhǎng)期打下的基礎(chǔ)和比賽期間的用心，第一次上傳參賽代碼，他們就高居首位，隨著之后不斷調(diào)整方案，也一直處于領(lǐng)先。但就在接近比賽截止日期的一個(gè)凌晨4點(diǎn)，從睡夢(mèng)中醒來(lái)的耿逸然突然發(fā)現(xiàn)，有其他參賽者的成績(jī)超過(guò)了他們。他一下就清醒了，套上衣服就沖進(jìn)隔壁宿舍，搖醒了安博施。兩個(gè)眼睛還沒(méi)睜開(kāi)的人大腦已經(jīng)無(wú)比清醒，迅速?zèng)_出宿舍，沖進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，緊鑼密鼓地開(kāi)始調(diào)整方案。

10月末，比賽截止。在之后公布的結(jié)果中，在全球10多個(gè)國(guó)家的40個(gè)參賽隊(duì)伍提交的340余份有效方案中，他們的方案位居榜首。

在2022年末的學(xué)術(shù)會(huì)議召開(kāi)前，耿逸然和安博施分工合作，為了他們共同的第一次英文學(xué)術(shù)報(bào)告反復(fù)推敲，擬定表述方式、寫下逐字稿、互相給對(duì)方試講，一直磨到凌晨3點(diǎn)。兩個(gè)小時(shí)后，他們的報(bào)告結(jié)束，一位來(lái)自瑞士的教授向安博施發(fā)出邀約：“你們的講述非常好，希望你可以考慮申請(qǐng)我的博士項(xiàng)目?！?/p>

2023年年初，兩位搭檔了一年多的伙伴再次合作，以共同第一作者的身份，在2023年國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)（ICRA 2023）中，發(fā)表研究論文《基于端到端可操作性學(xué)習(xí)的機(jī)器人操縱框架》?！罢撐睦锝榻B了我們探索出的機(jī)械臂抓取物件的方法。”比起參加比賽，日常的學(xué)術(shù)研究需要更加深入的方法探索，通過(guò)他們開(kāi)發(fā)的這套方法，機(jī)械臂可以通過(guò)作用域物體的關(guān)鍵點(diǎn)，如柜子的拉手、鍋蓋的抓手等，實(shí)現(xiàn)拉開(kāi)柜門、提起鍋蓋等操作。

但比賽的過(guò)程也對(duì)他們啟發(fā)頗多。“之前覺(jué)得讓靈巧手轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)骰子很簡(jiǎn)單，但這次比賽中使用的仿生靈巧手模擬了真實(shí)的骨骼和肌肉關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的日常動(dòng)作遠(yuǎn)比機(jī)械精細(xì)的多，且不說(shuō)大腦，動(dòng)物小腦中就不知有多少我們還沒(méi)發(fā)現(xiàn)的秘密?！彼麄冎?，想讓人工智能實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的功能，一代代計(jì)算機(jī)人還有很長(zhǎng)的路要走。

（記者 畢若旭）