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从智能飞行器到平衡立方体,这位无人机“教父”想通过技术使魔法成为现实

摘要: 在拉菲罗·安德烈看来,目前的机器人发展,用“机器智能”一词形容,比“人工智能”更贴切。他创造的无人机,在门外汉看来好像有能力自主学习,但其实更多用的是自适应算法的概念(adaptive control)。

拉菲罗·安德烈(左)在前往T-EDGE大会途中

拉菲罗·安德烈(左)在前往T-EDGE大会途中

亚马逊的仓库里,上万台橘红色圆形小机器人忙忙碌碌。货物被存储在一个个被称为“pods”的小货柜上 ,当机器人确认了柜子里面有它所要的物品,它就会钻到货柜底部,旋转变成一个起重机,将这个货柜运到人工挑拣处进行订单处理。

亚马逊物流机器人

亚马逊物流机器人

这些在仓库周围快速移动物品的橙色机器人被称为Amazon Robotics,高 16 英寸,采用轮子代步,可搬运重达 700 磅的货物,内置十分先进的避障算法。

它的原名叫 Kiva System,由Mick Mountz,Peter Wurman和Raffaello D'Andrea共同创建的Kiva公司出品,2012年被亚马逊以7.75亿美金收购。目前,美国亚马逊的第八代物流中心里配备了超过 1.5 万台这样的机器人,每年为亚马逊节省 20% 的营业费。

Mick Mountz,一个麻省理工学院的和哈佛商学院的双料毕业生,先想出了这点子。 他发现,很多公司效益低下是因已有仓储物流系统的人工成本高,且效率低。他希望能解决原先在大仓库里人工找货效率低下的问题,建造一种自动化的拣货、仓储系统,提高配送的流程,降低企业运营成本,产生更大价值。

于是,他找到了机器人工程与自动化的专家Peter Wurman(多代理系统专家,美国北卡罗来纳州立大学前计算机工程系教授)和拉菲罗·安德烈教授(Prof. Dr. Raffaello D’Andrea),希望创造出一种能主动将货物送到人面前的机器系统。他们三人一拍即合,于2003年创办了Kiva公司。

Kiva System的三位创始人

Kiva机器人系统的设计逻辑并不复杂:个体机器人由一个存有仓库所有货物信息的电脑集群统一调度,并移动到规定的地点,执行被分配到的任务。比如,它们会接受到这样的指令:1051号机器人把308号货物运给12号工人,路上不要和1433号机器人相撞(1433号机器人和它走的是同一条道)。

但显然,Kiva系统的算法并不简单,它们在接受指令运作的同时,还需不停学习、适应环境,自动更新算法。它的开发者,受邀参加2016钛媒体T-EDGE年度盛典的安德烈教授解释:

对于Kiva来说,它不断在各个层级进行学习和适应。我们的想法是,机器人身上使用不贵重的部件,但是我们设计的复杂的算法让机器人能够学习和自适应,以至于它们能和昂贵的机器人一样达到非常高的性能和可靠性。

安德烈现任苏黎世联邦理工学院动力系统及控制专业教授(Institute for Dynamic Systems and Control, ETH),Verity Studios的创始人。此前他曾在康奈尔大学任教。任职期间,他曾带领康奈尔机器人足球队赢得了四次机器人足球世界杯 RoboCup世界冠军。

2013 年他第一次上了TED演讲台,那段关于无人机的16分钟视频在 TED 官网上点击量已过千万。3 年后在TED 2016演讲台上,他用立式垂直起落飞机(The Tailsitter)、单螺旋机(The Monospinner)、 全向直升机(The Omnicopter)、合成蜂群(a synthetic swarm)等多款不同形态的飞行器,展示了目前无人机达到的最高智能。

无人机建塔

无人机建塔

今年,安德烈获得IEEE Robotics and Automation Award (它是IEEE Technical Field Award的奖项之一,表彰在机器人和自动化领域有杰出贡献的个人),颁奖词是这样写的:该奖表彰安德烈博士对分布式合作型机器人,及商用自动化系统设计和应用上的开拓贡献。

安德烈和他的团队正在尝试拓展挑战机器学习的边界,让机器完成人类做不到的事。他在2016钛媒体T-EDGE年度盛典的演讲中提到:

机器人的自动化市场非常大,可能在未来的5年内会高达135-150千亿美元(Bank of America Merrill Lynch 2016)。而对机器人自动化行业来说,共享学习比个体学习更有益处,这是一个行业颠覆点。这些自动化的机器有极大的潜力待开发,只要我们找到了一种架构,能让这些机器共享信息,它们就能学得更快更好,就像人分享共同记忆一样。

未来我们将重点研发一个能让机器共享信息的基础系统,从而加速机器的学习过程。人类学习的速度其实和机器相比是有限的,机器能做很多人类做不到的事,而我们要对这点加以利用。

用“机器智能”一词比“人工智能”更贴切

过去5年间,各行业产业升级和效能提升的需求越来越大,对机器学习需求也不断增加。云计算的出现和算法的不断升级使海量数据的获取与使用成为可能,机器学习也有了质的飞跃。

2016年AlphaGo 和围棋高手李世石的人机大战在全世界掀起一轮人工智能小高潮,很多人开始幻想电脑智能与人脑智能兼容的“奇点”时刻,一个机器人与人类共存的未来。

作为目前机器人和自动化行业的前沿领导者,安德烈对预言这样的未来却并不热衷,他在接受钛媒体记者专访时表示:

我一点都不相信“奇点”临近这种理论。我认为很多现在人们眼中的“颠覆性技术”,并不是凭空造出的,不是从来都不存在的。科技的发展一直个渐进的过程,有时候一个技术没有得到重视,可能是因为经济或其他条件不允许。很多时候技术已经有了,但人们还不知道怎么去使用它们。往往这时,创业者就会嗅到商机,找到一个能运用这些技术的领域,并创造价值,这只是商业模式的颠覆性,而不是技术本身的颠覆性。

就像“社交媒体”这个概念,它用的并不是新技术,只是这个商业模式很创新。Facebook之前有很多做社交的公司,但是只有它成功了。是它的运气好,还是商业模式好,还是技术好,这些都很难说,要视情况而定。这也是我对“奇点”这种理论存疑的原因,古往今来,并没有这种突然间颠覆一切的技术。

他目前所想的就是接下来3个月、6个月、1年的时间,能让手头的机器人、飞行器做出什么新鲜事。在钛媒体T-EDGE的舞台上,他展示了一个能依靠一个角倒立并保持平衡的正立方体Cubli。为了让这个立方体自主学习并达到最后的平衡,安德烈教授和他的团队花了3年时间。

可自我保持平衡的正立方体Cubli

可保持自身平衡的Cubli 

“我每次要做什么东西之前,都会进行粗略测算,试图证明自己的想法不是不可能的,一旦我证明了这点,我就会在电脑上进行仿真模拟。如果电脑模拟证明可行,我就开始动手制作。当然,这个过程中有很多假设不正确,遇到这种情况,我会回去重新检查,如果有误,就推翻重来。”

比如他要展示的立方体,最开始想用一个栓针让里头的转动的轮子迅速停止,但这样的方式太过粗鲁,花了一个月的时间也没能成功。后来换了一个思路,把栓换成类似自行车的刹车片,建了新的模型,最后成功了。

Raffaello D

Raffaello D'Andrea教授在2016钛媒体T-EDGE年度盛典上演示

在他看来,目前的机器人发展,用“机器智能”一词形容,比“人工智能”更贴切。他创造的无人机,在门外汉看来好像有能力自主学习,但其实更多用的是自适应算法的概念(adaptive control)。自适应控制源自自动控制学界,使用的是经过修改的自适应算法。

不过,他希望将新技术和机器学习结合在一起,利用数据去学习系统参数或者控制策略,或者学习模型和现实的误差(correction term)。让数据去适应算法,从多个角度看问题,最后得出最优解决方案。比如Kiva系统,很多人认为这是一种分布式控制系统(distributed control system)的系统,而不是集中控制系统(centralized control system)。但这两种系统在开发Kiva时并不对立:

其实用什么手段和应用本身是相关的,有些应用比较适合分布式的协作,有些应用则需要集中化的管理。Kiva系统就是分布式和集中式控制系统的结合体。它们接收到的指令,是统一发出的,而规定了它们要往那里去的路径规划算法(the path planning algorithm) 则是由分布的计算机代理(distributed agents)算出的。机器人自己则会根据现实的状况作出判断。

我在生活中学到的一件很重要的事就是,不同的情况有不同的处理方法,一个完美通用的准则并不存在。你需要用一种开放的态度去应对新的问题,才能更好解决问题。"

在钛媒体T-EDGE舞台上,安德烈教授还展示了无人机和人玩抛接球,无人机托着直立木棍沿既定8字形路线飞行的视频。这些案例的成功都是多次试验,改进算法后,机器不断学习的成果。这也是他们实验室的理念--用开放的思维和科学的方法,不断超越极限,挑战边界。

不愿被贴标签的实干者

安德烈是一个极聪明且上进的研究者。他出生于意大利,10岁移民加拿大,大学考上了多伦多大学工程系,并以第一名的成绩毕业。1997 年,他考取了加州理工的电气工程博士学位,后至美国康奈尔大学机械与航空工程系任教。2007年他离开康奈尔大学,到苏黎世联邦理工学院担任动力系统及控制专业教授至今。

在此期间,他还共同创办了Kiva系统,创立了旨在用科技创造新的艺术形态的Verity Studios公司。无论在学界还是商界,他都游刃有余。

虽然公众眼中安德烈教授头衔繁多,科学家,工程师,艺术家,无人机教父,商人,创业者……但他并不喜欢给自己贴标签,他最在意的是自己的作品。

“这些定义对,也不对。我不会用这些名号定义自己,我只是很幸运,一直在做自己喜欢做的事情。我从记事起就喜欢动手做东西,无论是艺术作品,还是机器人。我是由我的作品定义的,而我的作品种类很广。”

安德烈在2016年钛媒体 T-EDGE 年度盛典上展示的最后一段视频里,各式无人机在他的控制下,或单飞,或旋转,或时合时聚地载着光源在舞台、剧院、室内上空摇曳起舞,如梦如幻,场内外安安静静,所有人都看得出神。他的演讲结语说道:

“我本人非常热爱研究这些新兴技术。每一天我醒来,对于我们能创造出来的东西都有着无限幻想。我也在思考,人类是不是真的能学会魔法,通过技术,使魔法成为现实。

或许,“魔法师” 是一个他不会拒绝的称号。(本文独家首发钛媒体,记者/元婕、吴宁川 )

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元婕
元婕

Rerum cognoscere causas | yuanjieluo@tmtpost.com

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