原標(biāo)題：波士頓動(dòng)力機(jī)器人如何“成精”？深扒跑酷王Atlas六年進(jìn)化

作者 |  健恩

編輯 |  心緣

自2016年首次亮相以來(lái)，波士頓動(dòng)力雙足機(jī)器人Atlas已經(jīng)紅了整整五年半。

波士頓動(dòng)力雙足機(jī)器人Atlas

這個(gè)站在機(jī)器人研究金字塔尖的神奇“物種”一路飛速進(jìn)化，剛出場(chǎng)時(shí)其形象還人不人鬼不鬼，在滾動(dòng)履帶上甩著兩條扭曲的大長(zhǎng)腿，隨后不僅外觀越來(lái)越炫酷，而且新技能不斷刷新人類認(rèn)知。

從踩碎石爬雪地到撐桿跳后空翻，從蹣跚學(xué)步到高難度體操跑酷，每當(dāng)波士頓動(dòng)力放出Atlas新視頻，評(píng)論區(qū)總能聽取“哇”聲一片。這些神乎其神宛如CG特效的炫技背后，是波士頓動(dòng)力Atlas四個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)修煉的苦功。

六年之間，波士頓動(dòng)力在雙足機(jī)器人平衡控制、行動(dòng)規(guī)劃等技術(shù)方向如何迭代進(jìn)化？哪些硬核科技成就了靈敏度和爆發(fā)力越來(lái)越強(qiáng)的Atlas？

答案，或許就藏在波士頓動(dòng)力從2016年至今發(fā)布的8條Atlas視頻里。

01.從蹣跚學(xué)步到學(xué)會(huì)跑酷，Atlas的受虐之路

最早讓波士頓動(dòng)力走紅的，應(yīng)該是他們?cè)?010年發(fā)布的這段“虐狗”視頻。

▲波士頓動(dòng)力“虐狗”視頻

早期的波士頓動(dòng)力與美國(guó)軍方有著密切的合作，研究資金也大多來(lái)自美軍資助。上面這只受到“虐待”的機(jī)器人就是波士頓動(dòng)力為美軍開發(fā)的用于運(yùn)輸貨物的四足仿生機(jī)器人BigDog，它以“踹不倒”的能力走紅網(wǎng)絡(luò)，直到現(xiàn)在這段“虐狗”視頻還會(huì)被網(wǎng)友拿來(lái)調(diào)侃。

Atlas有著和Bigdog一樣的遭遇，它成長(zhǎng)的路上也伴隨著各種“虐待”。對(duì)于Atlas來(lái)說(shuō)，被工程師從背后一把推倒摔個(gè)“狗吃屎”是再常見不過(guò)的事情。

Atlas的前身是為美軍測(cè)試防護(hù)服性能的雙足機(jī)器人Petman，早在2009年的時(shí)候原型機(jī)就已經(jīng)亮相，這時(shí)的Petman只有兩條腿，需要拖著電纜在履帶上晃晃悠悠地行走，它的受虐之路也正是由此開始。

▲行走在履帶上的Petman原型機(jī)受到推搡

2013年，初具人類外形的Atlas原型機(jī)亮相，這時(shí)的Atlas已經(jīng)能夠在碎石堆上行走，受到的“虐待”也變得更殘酷，它不僅要“金雞獨(dú)立”，還要承受大擺球的撞擊。

▲Atlas原型機(jī)

這段視頻發(fā)布兩個(gè)月后，波士頓動(dòng)力被谷歌收購(gòu)。當(dāng)時(shí)谷歌表示不希望波士頓動(dòng)力繼續(xù)參與國(guó)防工作，隨后終止了波士頓動(dòng)力的軍事合同。同時(shí)這次收購(gòu)也使谷歌開始涉足機(jī)器人產(chǎn)品領(lǐng)域。

時(shí)間到了2016年，也就是波士頓動(dòng)力被谷歌收購(gòu)后的第三年，我們所熟悉的那個(gè)Atlas終于正式亮相。它的外觀已與現(xiàn)在會(huì)跑酷、會(huì)跳舞的Atlas無(wú)異。但這時(shí)的Atlas仍是個(gè)“嬰兒”，尚在蹣跚學(xué)步階段，走路踉踉蹌蹌，動(dòng)作也不連貫。網(wǎng)友調(diào)侃說(shuō)它像極了一個(gè)半夜里走在回家路上的醉漢。

▲在雪地中步履蹣跚的Atlas

盡管如此，Atlas受到的“虐待”絲毫沒有減少，反而還變本加厲了起來(lái)。比如，當(dāng)Atlas費(fèi)勁半天力氣搬起箱子時(shí)，工作人員一棍子將箱子打掉，還“粗暴地”推上它一把，讓它險(xiǎn)些摔倒。

▲Atlas手中的貨物被打掉

再或者，工作人員直接從Atlas背后推上一把，讓它的面部和地面來(lái)一個(gè)親密接觸，趴在地上久久不能動(dòng)彈。

▲Atlas被從背后推倒

盡管機(jī)器人并沒有情感和痛覺，對(duì)于這樣的“欺凌”不會(huì)感到傷心或難過(guò)，但這樣的畫面仍然引起了一部分網(wǎng)友的同情，紛紛留言道：“不要再欺負(fù)那個(gè)可憐的家伙了！”“我真的為機(jī)器人感到難過(guò)?！?

▲網(wǎng)友留言

時(shí)間接著往后推移，到了2017年中旬，被谷歌收購(gòu)僅僅3年半的波士頓動(dòng)力再次易主，來(lái)到了軟銀門下。對(duì)于這次易主人們有很多猜測(cè)，受到較多認(rèn)可的一種說(shuō)法是谷歌母公司Alphabet認(rèn)為談?wù)撊诵螜C(jī)器人為時(shí)尚早，距離商業(yè)化還有不少距離。

不過(guò)這次易主并未影響到Atlas的快速成長(zhǎng)，距離Atlas上次露面僅僅過(guò)去一年多時(shí)間，它的動(dòng)作變得更加流暢，學(xué)會(huì)了在臺(tái)階之間跳躍，甚至還可以來(lái)個(gè)后空翻。

▲Atlas跳上臺(tái)階并完成后空翻

當(dāng)然，這代Atlas離“完美”還有很大的距離，它的動(dòng)作仍不連貫， 跳起來(lái)落地后依舊會(huì)踉蹌甚至摔倒。不知道波士頓動(dòng)力是不是聽到了網(wǎng)友的呼聲，他們沒有再放出“虐待”Atlas的鏡頭。

▲Atlas后空翻落地站不穩(wěn)摔倒

時(shí)間又過(guò)了一年，Atlas學(xué)會(huì)了跑步，能夠邊跑邊越過(guò)原木、躍上臺(tái)階。

▲Atlas跑步越過(guò)原木并躍上臺(tái)階

到了2019年，Atlas掌握了“體操”技巧，能夠連續(xù)的跳躍、翻滾、倒立。

▲Atlas展示體操技巧

被軟銀收購(gòu)后，波士頓動(dòng)力一直希望能夠開啟商業(yè)化之路。2020年中旬，波士頓動(dòng)力首款商用機(jī)器狗Spot正式開售，售價(jià)折合人民幣將近50萬(wàn)元。顯然這個(gè)售價(jià)很難給波士頓動(dòng)力帶來(lái)太多銷量。據(jù)彭博社報(bào)道，截至2020年底，Spot僅被賣出了大約400臺(tái)。

與波士頓動(dòng)力漫長(zhǎng)的商業(yè)化之路相對(duì)應(yīng)的是，開發(fā)機(jī)器人需要大量的投入?；蛟S正是因?yàn)檫@個(gè)原因，讓軟銀最終選擇將波士頓動(dòng)力出售。2020年底，現(xiàn)代汽車集團(tuán)宣布將收購(gòu)波士頓動(dòng)力。今年6月份，現(xiàn)代正式宣布從軟銀手中購(gòu)得了波士頓動(dòng)力80%的股份，獲得波士頓動(dòng)力的控股權(quán)。

不過(guò)，Atlas的成長(zhǎng)依舊未受到易主的影響，在2020年即將結(jié)束之際，波士頓動(dòng)力發(fā)布了一條Atlas跳舞的視頻。在這條視頻里，兩個(gè)Atlas機(jī)器人隨著音樂(lè)翩翩起舞，因動(dòng)作過(guò)于流暢自然，以至于不少網(wǎng)友認(rèn)為這是CG特效。

▲Atlas跳舞

兩周前，波士頓動(dòng)力展示了Atlas的最新成就——跑酷。這段視頻里，它連續(xù)地越過(guò)臺(tái)階，跑過(guò)斜坡，走過(guò)平衡木，甚至還單手支撐身體越過(guò)橫桿，一系列動(dòng)作下來(lái)靈巧度不輸人類。

波士頓動(dòng)力的工程師還透露，這一代的Atlas并非像以前一樣通過(guò)事先編程完成整條路線，而是靠它自身的傳感器感知環(huán)境，從而自主行動(dòng)。

▲Atlas跑酷

盡管Atlas已經(jīng)能夠如此流暢地跑酷，但摔跤對(duì)它來(lái)說(shuō)依舊是一件不可避免的事情。跑酷過(guò)程中Atlas仍會(huì)失去平衡而摔倒，甚至有時(shí)為它提供動(dòng)力的液壓管會(huì)突然爆裂，讓它瞬間“癱瘓”在地。

▲Atlas腿部液壓管爆裂摔倒

Atlas正是在不斷地摔跤中逐漸從蹣跚學(xué)步成長(zhǎng)到可以流暢跑酷。在波士頓動(dòng)力內(nèi)部，“建造它、摔壞它、修好它（Build it, Break it, Fix it）成為了一句廣為流傳的口號(hào)。

對(duì)于波士頓動(dòng)力的工程師而言，Atlas不斷地摔跤和與障礙物之間的碰撞都是研究團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的一部分，這讓Atlas身上需要改進(jìn)的地方得以暴露，為他們提供了改進(jìn)機(jī)器人的機(jī)會(huì)。

02.五年時(shí)間，環(huán)境感知和適應(yīng)性得到提升

對(duì)Atlas來(lái)說(shuō)，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，保持身體平衡從而避免在行走、跑步、跳躍過(guò)程中摔跤是頭等大事。為了做到這一點(diǎn)，從它對(duì)環(huán)境的感知能力到對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力在這五年間經(jīng)歷了多次迭代。與此同時(shí)，它自主行動(dòng)的能力也得到了增強(qiáng)。

1、從“醉漢”到“跑酷者”，Atlas身體協(xié)調(diào)性得到提高

最初的Atlas走路踉踉蹌蹌，行走過(guò)程中身體仍較為僵硬，在快要摔倒的時(shí)候無(wú)法調(diào)動(dòng)全身，只會(huì)通過(guò)改變步伐來(lái)重新尋找平衡。它的雙臂更是像“焊死”了一樣，一動(dòng)不動(dòng)，因此網(wǎng)友評(píng)價(jià)它說(shuō)像極了一個(gè)醉漢。

▲走路踉踉蹌蹌的Atlas

在接下來(lái)的幾年內(nèi)，Atlas逐漸學(xué)會(huì)了揮動(dòng)雙臂來(lái)保持身體平衡，對(duì)全身的調(diào)動(dòng)也變得越來(lái)越靈活，甚至學(xué)會(huì)了倒立、跳馬、跳舞和跑酷，其動(dòng)作越來(lái)越接近人類。

然而，這并非單純的對(duì)人類的模仿。機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)和人類有很大差別，比如它沒有脊椎和肩胛骨，同時(shí)手臂也相對(duì)較為脆弱。因此團(tuán)隊(duì)必須不斷地在它的尺寸和復(fù)雜性之間對(duì)它的重量、強(qiáng)度、活動(dòng)能力等各種要素進(jìn)行權(quán)衡，并對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)更好的協(xié)調(diào)它的各種動(dòng)作。

盡管跑酷是一項(xiàng)小眾運(yùn)動(dòng)，但是它作為一項(xiàng)需要調(diào)動(dòng)全身的活動(dòng)，要求Atlas做到在各種條件下保持身體平衡，并做到在各種動(dòng)作之間的無(wú)縫切換，這為Atlas團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)完美的測(cè)試條件。

波士頓動(dòng)力在IEEE Spectrum的一次采訪中提到，Atlas開發(fā)團(tuán)隊(duì)正在利用跑酷來(lái)推動(dòng)Atlas處理更多復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為，目前仍只是一個(gè)開端，在接下來(lái)的幾年內(nèi)它將學(xué)會(huì)利用手臂拓展更多活動(dòng)能力。

2、從提前預(yù)設(shè)行動(dòng)到自主規(guī)劃路徑

如果你看完了Atlas這五年內(nèi)的8條視頻，可能會(huì)感覺Atlas在最近幾年的進(jìn)步?jīng)]那么明顯。比如，在2017年的時(shí)候Atlas就能夠在臺(tái)階之間跳躍，還能進(jìn)行后空翻。一年后，它又學(xué)會(huì)了一邊跑步一邊躍上幾層臺(tái)階。在這樣的成長(zhǎng)軌跡下，Atlas學(xué)會(huì)“跑酷”似乎也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹Ｈ欢?，Atlas實(shí)現(xiàn)這一系列動(dòng)作背后的基本過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了巨大的改變。

最初的Atlas由人進(jìn)行遙控，控制它的行走方向。如果想要它完成某項(xiàng)挑戰(zhàn)（比如跑酷或跳舞等），需要提前對(duì)各種動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，然后將捕捉到的動(dòng)作連成可執(zhí)行的程序。這時(shí)的Atlas只是機(jī)械的完成相應(yīng)的任務(wù)，而并沒有與環(huán)境產(chǎn)生互動(dòng)。

在Atlas最近的這次跑酷中，研究團(tuán)隊(duì)已不需要提前對(duì)它的行動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。在跑酷之前，研究團(tuán)隊(duì)為Atlas提供了一張高級(jí)地圖，其中大致描述了它的行動(dòng)路線和相應(yīng)位置應(yīng)該做出的動(dòng)作。跑酷過(guò)程中Atlas利用這些信息來(lái)為自己導(dǎo)航，并且它可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，根據(jù)實(shí)時(shí)感知到的數(shù)據(jù)自主規(guī)劃整個(gè)行動(dòng)以完成挑戰(zhàn)。

Atlas執(zhí)行的每個(gè)動(dòng)作都源自其行為庫(kù)中的動(dòng)作模板，它可以根據(jù)目標(biāo)情況自主從庫(kù)中選擇相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行。跑酷過(guò)程中，Atlas的模型預(yù)測(cè)控制器（MPC）會(huì)調(diào)整其發(fā)力、姿勢(shì)、動(dòng)作發(fā)生時(shí)機(jī)等細(xì)節(jié)，來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境、腳滑等各種可能實(shí)時(shí)出現(xiàn)的因素。這意味著研究人員不必為Atlas的行動(dòng)逐個(gè)調(diào)整細(xì)節(jié)，它的控制器就可以做到。

并且，MPC還允許Atlas跨行為邊界預(yù)測(cè)下一步的行動(dòng)，比如它知道了這次跳躍后是一個(gè)后空翻后，就可以自動(dòng)地創(chuàng)建從一個(gè)行為到下一個(gè)行為的過(guò)渡，使每一步動(dòng)作都自然的連貫起來(lái)。

▲Atlas第一視角的路徑規(guī)劃

3、TOF深度傳感器構(gòu)建“3D地圖”

Atlas能夠根據(jù)環(huán)境自主規(guī)劃行動(dòng)，得益于其環(huán)境感知能力的提升。

最初版本的Atlas頭部裝有激光雷達(dá)和立體傳感器，這能夠幫助它躲避障礙物、識(shí)別地形變化、輔助導(dǎo)航等。在2018年的迭代中，Atlas可以利用計(jì)算機(jī)視覺來(lái)標(biāo)記和定位自己，以幫助其在跑步和跳躍過(guò)程中準(zhǔn)確定位落腳點(diǎn)。

但是這還遠(yuǎn)不能支撐Atlas自主行動(dòng)，它需要將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)決策和規(guī)劃身體動(dòng)作有用的信息，以識(shí)別障礙物和自主導(dǎo)航。

現(xiàn)在，Atlas可以利用頭部的RGB攝像頭和TOF深度傳感器獲取更加全面的環(huán)境信息。TOF深度傳感器以每秒15幀的速度生成環(huán)境的點(diǎn)云（point clouds）。點(diǎn)云是大量測(cè)距結(jié)果的集合，Atlas獲取到環(huán)境的點(diǎn)云后，它的感知軟件會(huì)利用一種稱作多平面分割（multi-plane segmentation）的算法從中提取平面，并輸入到一個(gè)映射系統(tǒng)中，構(gòu)建出Atlas看到的不同對(duì)象的模型。

這就相當(dāng)于為Atlas構(gòu)建了一張3D地圖，Atlas跑酷過(guò)程中正是基于它構(gòu)建的這個(gè)模型來(lái)規(guī)劃路徑，計(jì)算每一步的落腳點(diǎn)。

▲Atlas搭載的TOF深度相機(jī)生成的點(diǎn)云圖

03.幕后團(tuán)隊(duì)罕見露面，講述跑酷背后故事

Atlas團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Scott Kuindersma稱Atlas是波士頓動(dòng)力在液壓驅(qū)動(dòng)的人形機(jī)器人領(lǐng)域十多年來(lái)工作的結(jié)晶，為該團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)研究平臺(tái)。而Atlas團(tuán)隊(duì)的工作便是讓這個(gè)平臺(tái)不斷地突破極限，來(lái)做他們能想象的到的最瘋狂、最激動(dòng)人心的事情。

▲Atlas團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Scott Kuindersma

與其他的任何項(xiàng)目或試驗(yàn)一樣，Atlas從步履蹣跚的走路，到學(xué)會(huì)跑酷都是團(tuán)隊(duì)合作的成果。目前，Atlas團(tuán)隊(duì)共有4個(gè)小團(tuán)隊(duì)，分別是軟件團(tuán)隊(duì)、硬件團(tuán)隊(duì)、技術(shù)團(tuán)隊(duì)和運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)。

軟件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)創(chuàng)建機(jī)器人所有的行為控制軟件，讓它可以可靠地完成各種動(dòng)作。硬件團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行戰(zhàn)略升級(jí)，以讓它實(shí)現(xiàn)更多的功能，如跳舞、跑酷等。技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)調(diào)試和修復(fù)各種問(wèn)題，從機(jī)械部件損壞到液壓泄露再到電氣故障都由他們負(fù)責(zé)。而運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)搭建和維護(hù)整個(gè)測(cè)試環(huán)境，并幫助整個(gè)團(tuán)隊(duì)完成對(duì)機(jī)器人的各項(xiàng)測(cè)試。

▲Atlas團(tuán)隊(duì)部分成員

對(duì)于波士頓動(dòng)力的各個(gè)團(tuán)隊(duì)而言，其發(fā)布的每條視頻都是他們?cè)谶^(guò)去幾個(gè)月或一年所做的工作的總結(jié)，代表著他們過(guò)去這段時(shí)間內(nèi)的工作到達(dá)了一個(gè)新的頂點(diǎn)。因此，每當(dāng)有視頻要拍攝的時(shí)候都是全員參與。

視頻的拍攝過(guò)程中機(jī)器人經(jīng)常會(huì)發(fā)生崩潰，視頻很難一次性拍攝完成?！拔覀兌继幱诖鼱顟B(tài)，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)必須盡快介入并修復(fù)它們?！彪姎夤こ碳夹g(shù)員Crystal Kemp說(shuō)。

為了讓視頻效果更好，他們準(zhǔn)備了四臺(tái)Atlas機(jī)器人，其中兩個(gè)作為“演示機(jī)器人”，外觀要盡量保持干凈整潔，另外兩個(gè)作為“試驗(yàn)機(jī)器人”，用于開發(fā)和測(cè)試新行為，承擔(dān)了大部分的跌落，以至于全身傷痕累累。

▲Atlas腹部的傷痕

控制工程師Sean Mason說(shuō)道：“對(duì)于這個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，看著機(jī)器人失敗是最奇妙的部分之一。每一次失敗都有機(jī)會(huì)讓機(jī)器人變得更好、更強(qiáng)大。”

在一次又一次的摔倒、修復(fù)與調(diào)試之后，Atlas終于完成了一次近乎完美的跑酷。“這便是機(jī)器人的樂(lè)趣所在，我們正處于創(chuàng)造未來(lái)的早期階段?！盨cott Kuindersma說(shuō)道。

04.結(jié)語(yǔ)：下個(gè)六年，Atlas會(huì)怎樣成長(zhǎng)？

波士頓動(dòng)力能夠開發(fā)出這樣會(huì)跑酷、會(huì)跳舞的機(jī)器人Atlas并非一日之功。

已經(jīng)成立近30年的波士頓動(dòng)力一直專注于機(jī)器人的研發(fā)，尤其是近些年來(lái)，波士頓動(dòng)力幾次易主，都未改變其機(jī)器人研發(fā)的進(jìn)程。相反，這一次又一次地轉(zhuǎn)手仿佛讓它更加具有活力，成長(zhǎng)為了一家“網(wǎng)紅”公司，賺足了全球的目光。

Atlas并非商業(yè)產(chǎn)品，而是一個(gè)研究平臺(tái)，因此它也能代表波士頓動(dòng)力最先進(jìn)的技術(shù)，每次露面都會(huì)帶來(lái)新的驚喜。

從走路踉踉蹌蹌到可以流暢地跑酷，Atlas只用了6年時(shí)間。隨著Atlas逐漸成熟，它越來(lái)越接近人們?cè)诳苹秒娪爸泄蠢盏摹皺C(jī)械戰(zhàn)警”形象。下個(gè)六年，Atlas會(huì)讓“機(jī)械戰(zhàn)警”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)嗎？