连机器⼈也“卷”起来了,还卷成了⻜天⾯条怪的模样

作者: 栗⼦

来源: 环球科学

发布日期: 2022-11-06 22:29:34

文章介绍了飞天意⾯怪的由来及其在现实世界中的影响,特别是最近出现的形如⾯条的触⼿机器⼈,展示了机器⼈在抓取技能上的新突破。机器⼈通过充⽓和放⽓控制触⼿,能够灵活抓取各种形状的物体,展示了其高适应性和抓取成功率。

天空中,有⼀只我们看不见的怪兽在飞⾏。它⾝体的主要成分是淀粉,具体来说是⼀坨松散的意⼤利⾯。乱蓬蓬的⾯条丛⾥,伸出两⽀像蜗⽜那样的眼柄,托起⼀双⽆神却难以抗拒的⼤眼睛。除此之外,看上去柔软的⾯条,还牢牢抓着两颗饱满的⾁丸,那是意⼤利⾯常见的配菜。

这只怪兽名叫飞天意⾯怪(Flying Spaghetti Monster),是⼀位毕业不久的美国⼤学⽣鲍⽐·亨德森(Bobby Henderson)在2005年创造出来的“神”。鲍⽐曾就读俄勒冈州⽴⼤学物理系,当他知道堪萨斯州教育委员会决议允许公⽴⾼中开设与神创论有关的课程后,便构思出飞天意⾯怪以表达抗议和嘲讽。

在此基础上,他创⽴了“飞天⾯条神教”(Pastafarianism),教义认为宇宙就是由这只隐形的怪兽创造的——鲍⽐还在写给教育委员会的公开信中呼吁,学校⾥的科学课堂应给予这位创世神⾜够的重视。在那之后,这个因讽刺神创论⽽被缔造的“神”,却意外地吸引到世界各地的信众。他们甚⾄在⼀部分国家和地区,让⾃⼰信仰的“飞天⾯条神教”成为了官⽅认可的宗教。

或许只是巧合吧,最近出现了⼀只机器⼈,⾝形也像是许多根⾯条聚在⼀起的样⼦,⽽它也会⽤那些⾯条般的触⼿紧紧抓住⼀个球……21世纪的机器⼈,能跑步能跳舞,能深⼊核电⼚的废墟检测辐射⽔平,能在⽉球上四处探索未知的空间……仿佛⼈类能做的事机器⼈能做,⼈类做不到的事机器⼈也能做。不过,在全⾯溃败之前,⼈类仍有⼀些独到的技能,尚未被机器⼈攻克。其中之⼀便是抓取技能。

不论马克杯还是纸杯,不论⾜球还是⽓球,不论⼀根⾹蕉还是⼀串葡萄,我们可以轻易拿起各种各样的物体,根据它的形状和质地来决定要施加怎样的⼒——这对⼈类来说通常不是太复杂的计算,在我们还没意识到的时候,⼤脑可能早就完成了决策。但对机器⼈⽽⾔,抓取物体从来不是简单直接的任务。

特别是遇到形状不规则的物件,它们很少能做出合适的抓取动作,常常表现得笨拙又好笑,让⼈联想起⼀些被故意设置了地狱参数⽽抓不到娃娃的娃娃机。多年以来,总有不少科学家在挑战这道世界难题。于是,我们隔三岔五便会在科技新闻⾥看到,又有新的机器⼈为抓取⽽⽣,技能更上⼀个台阶。今年10⽉,形如⾯条的触⼿机器⼈(tentacle robot)出现在⼈们眼前。

它来⾃哈佛⼤学⼯程与应⽤科学学院(SEAS),可以靠⼀组细长的触⼿缠住物体。科学家说它和⽔母有些相似,这类动物会将⾃⼰的触⼿黏在猎物⾝上。⽽对机器⼈来说,⼀根触⼿⼒量弱⼩,但有12根触⼿⼀起⼯作,抓紧物体就变得容易,形状不规则的“猎物”也能应对。只不过,机器⼈的触⼿抓住猎物后,不会像许多⽔母那样释放毒素让猎物瘫痪。毕竟,它被设计出来并不是为了捕⾷哪种动物,抓取和搬运才是主要功能。

没有⼯作的时候,机器⼈的触⼿们会⾃然地垂下;⽽当⼯作来临时,触⼿可以迅速卷曲起来抓住物体。这些灵动的触⼿,是依靠充⽓和放⽓来控制的。⾔下之意,它们是中空的,更像意⼤利⾯家族⾥的吸管⾯(Bucatini)。没有充⽓的情况下,这些⾯条处在放松状态,充⽓后则会卷曲,成为抓取⼯具。每根“吸管⾯”⼤约有30厘⽶长,由⼀种硅橡胶制成,是弹性体。重点在于管壁的厚度并不均匀,⼀侧⽐较厚,另⼀侧⽐较薄。

如此⼀来,“吸管⾯”被打⽓之后可以变得⾼度弯曲,从⽽有更多的区域能和它要抓取的物体发⽣接触。这样的12根⾯条,排列为两个圆圈,外圈直径5厘⽶,内圈2.5厘⽶,它们共同组成了机器⼈的抓⼿。⽽当机器⼈抓住物体并搬运到⽬的地,操控者想让它撒⼿的话,只要将⾯条放⽓,它就会回归⾃然下垂的形态。抓取不同的物体时,需要的⼒道总有不同。可以说,每种物体都会带来⼀项新的任务,可能需要具体问题具体分析。

在从前的许多研究中,科学家常常⽤到复杂的算法,根据物体本⾝的属性或机器⼈与物体接触时的状态,来决定每⼀次抓取要⽤怎样的动作。不过,这只⾯条机器⼈不需要智能的动作规划,不依靠感知或反馈的数据来调整姿势,省去了机器学习的过程,仅凭充⽓这⼀种简单的控制⽅法,便可在⼀定的尺⼨范围内,抓住各种形状的物体。所以,它都能抓些什么?先从形状⽐较简单的物体讲起。

开头展⽰的抓球只是其中之⼀,科学家还让机器⼈⽀配过⼀个空⼼的圆柱(筒)。当圆柱躺平的时候,卷起来的机器⼈可以把它稳稳拿捏,并传送到指定位置;当圆柱⽴起来的时候,让机器⼈从内部抓起它来,同样不在话下。机器⼈的另外⼀个抓取对象,是⼀副树状的⼩架⼦。它有8条枝杈,⽐球体或圆柱的形状更复杂,可供机器⼈接触的边界更不规则——在研究者眼中,这代表着⼀项新的抓握任务,与传统抓握有本质区别。

但在机器⼈的抓⼿⾯前,这项新任务似乎没有带来额外的难度:80次抓取测试的成功率超过90%。于是,科学家又设置了附加题,不让机器⼈从“树”的正上⽅直接抓取,⽽是往旁边偏移⼀段距离(如1厘⽶、2厘⽶、3厘⽶)再出⼿缠住⽬标。结果发现,稍稍错位影响不⼤,⾯条机器⼈对位置误差的容忍度很⾼,当抓⼿中⼼轴与⽬标物体的中⼼轴之间,相隔0.6个物体半径那么远的距离,抓取(并短距离搬运)的成功率仍然居⾼不下。

如果想动摇机器⼈的成绩,还需让抓⼿偏移到更远的位置再开始⾏动。⾯条机器⼈出⾊的能⼒,让科学家感到欣慰。假如你觉得,实验室⾥的“树”不算什么,现实世界会有更多结构复杂的货物等着它来⽀配。⽐如,许多⼈喜欢在家⾥养育花草,⽽⼩型盆栽已经成为了机器⼈的⽬标。当内部压强为172千帕的时候,卷曲的⾯条顺利拎起了⼀盆植物。还有另外⼏株盆栽,虽说各有各的形态,但都逃不出相似的命运。

⼀些形状不规则的玩具,以及⼀座⼩型三脚架,也被机器⼈⽤同⼀种⽅式捕获。以不变应万变,研究者最欣赏的就是这只机器⼈的适应性。它或许没有像传说中的“飞天意⾯怪”⼀样创造万物,但可以⽤12只灵活的触⼿,将许多不同的物体玩弄于股掌。这只机器⼈的诞⽣并⾮⼀蹴⽽就。

研究者在倒模制造前,已经在电脑上⽤模拟实验测试了⾯条机器⼈的能⼒:看⾯条抓⼿应该如何排布,或者说排成的两个圆圈应有多⼤直径,才能实现更⾼的抓取成功率。它在现实世界成功捕捉猎物之前,⼤概已经在虚拟世界失败⽆数次了。当然,现实世界⾥依然会有不少失败,⽽科学家也依然需要继续努⼒。如果上⽹时遇到“证明你不是机器⼈”的验证程序,告诉它你抓取物体的能⼒⽐机器⼈强,也不能帮你通过验证。

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