雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：昨日，谷歌 AI 在博客介紹了最新成果——投擲機(jī)器人 TossingBot，一個(gè)能夠在真實(shí)、隨機(jī)的世界里學(xué)會(huì)抓取物體，并扔至習(xí)慣范圍外指定位置的拾取機(jī)器人。雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論將之編譯如下。

盡管已在物體抓取、視覺(jué)自適應(yīng)、從現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面取得相當(dāng)大的進(jìn)步，然而我們依舊要考慮機(jī)器人如何執(zhí)行抓取、處理以及物體置放等任務(wù)的——尤其在無(wú)規(guī)律的環(huán)境設(shè)置里。讓我們觀察這個(gè)在亞馬遜機(jī)器人挑戰(zhàn)賽的裝載任務(wù)中取得第一名的機(jī)器人：

這是一個(gè)令人印象深刻的系統(tǒng)，擁有許多從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度上來(lái)說(shuō)可以防止由于不可預(yù)見(jiàn)動(dòng)力而導(dǎo)致物體掉落的設(shè)計(jì)功能：從穩(wěn)定、從容的動(dòng)作軌跡，到限制物體動(dòng)量的機(jī)械夾子，無(wú)一不在保證該功能的實(shí)現(xiàn)。

與其他機(jī)器人一樣，在最開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，它便旨在適應(yīng)無(wú)規(guī)律世界的動(dòng)力因素。這里有一個(gè)問(wèn)題是，除了單純地適應(yīng)動(dòng)力因素，難道機(jī)器人就不能夠?qū)W會(huì)有效使用它們，開(kāi)發(fā)物理層面的「直覺(jué)」，從而能夠更有效地完成指定任務(wù)？這樣做的話也許可以有效提高機(jī)器人的行動(dòng)能力，進(jìn)而掌握更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)技能，比如扔?xùn)|西、滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)或者是捕捉等，這將能帶來(lái)許多有潛力的應(yīng)用，比如災(zāi)難場(chǎng)景中高效作業(yè)的碎片清理機(jī)器人——在這種場(chǎng)景中往往爭(zhēng)分奪秒。

為了進(jìn)一步探索這個(gè)概念，我們與來(lái)自普林斯頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)以及麻省理工學(xué)院的研究員們合作開(kāi)發(fā)出了 TossingBot：一個(gè)能夠在真實(shí)、隨機(jī)的世界里學(xué)會(huì)抓取物體，并扔至習(xí)慣范圍外指定位置的拾取機(jī)器人。通過(guò)學(xué)習(xí)拋出，TossingBot 得以實(shí)現(xiàn)兩倍于過(guò)往系統(tǒng)的拾取速度，并達(dá)到兩倍的有效置放范圍。TossingBot 利用從視覺(jué)觀察（RGB-D 圖像）映射至運(yùn)動(dòng)圖元控制參數(shù)的端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)抓取與投擲策略。通過(guò)高架攝像頭追蹤物體落地位置，TossingBot 得以借助自我監(jiān)督機(jī)制逐步自我完善。更多技術(shù)細(xì)節(jié)可以通過(guò) arXiv 這篇早期論文進(jìn)行了解：

https://tossingbot.cs.princeton.edu/paper.pdf

面臨挑戰(zhàn)

投擲是一項(xiàng)難度特別高的任務(wù)，主要取決于多種因素：從物體被拾取的方式（即“投擲前條件”），到物體的物理屬性（如質(zhì)量、摩擦力、空氣動(dòng)力學(xué)等）。打個(gè)比方，如果你以靠近質(zhì)心的把手位置來(lái)抓住一把螺絲刀并扔掉，其著陸位置會(huì)比你從金屬尖端抓住并拋出更靠近你，后者的話，它將向前擺動(dòng)后落在離你較遠(yuǎn)的位置。需要強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論是何種拾取方式，拋擲一把螺絲刀與拋擲一個(gè)乒乓球，兩者之間有很大的不同，乒乓球?qū)⒁蚩諝庾枇β湓诟拷愕奈恢谩Ｈ绻渴謩?dòng)去設(shè)計(jì)一個(gè)能夠妥當(dāng)處理隨機(jī)對(duì)象涉及這些因素的解決方案，幾乎是不可能的。

投擲取決于多重因素：從如何撿起它到物體的屬性與動(dòng)態(tài)

借助深度學(xué)習(xí)，我們的機(jī)器人得以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，不用依賴手動(dòng)式的逐案工程。過(guò)去我們已證明我們的機(jī)器人能夠?qū)W習(xí)如何推動(dòng)與抓住各種物體，然而要想準(zhǔn)確投擲物體，需要我們對(duì)射彈物理學(xué)有深入的了解。僅僅通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)試圖獲取這些知識(shí)，不僅耗時(shí)耗錢(qián)，而且往往無(wú)法勝任那些不夠具體、且未仔細(xì)進(jìn)行訓(xùn)練方案設(shè)置的任務(wù)。

物理和深度學(xué)習(xí)的結(jié)合

TossingBot 通過(guò)整合基礎(chǔ)物理學(xué)與深度學(xué)習(xí)來(lái)學(xué)習(xí)投擲，使之能夠快速被訓(xùn)練，并推廣至新場(chǎng)景中進(jìn)行運(yùn)用。物理學(xué)提供關(guān)于世界如何運(yùn)作的先驗(yàn)?zāi)Ｐ停覀兛梢赃\(yùn)用該模型來(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)器人的初始控制器。比如在投擲場(chǎng)景里，我們可以利用彈道學(xué)原理幫助我們估計(jì)使物體落至目標(biāo)位置所需的投擲速度。接著利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)基于物理估算的調(diào)整，以隨時(shí)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的未知?jiǎng)討B(tài)，例如現(xiàn)實(shí)世界中的噪聲與變化。我們將這種混合方案稱為殘留物理學(xué)，它使 TossingBot 達(dá)到 85％的投擲精度。

訓(xùn)練一開(kāi)始，伴隨著初始權(quán)重隨機(jī)化， TossingBot 反復(fù)嘗試不那么精確的抓取行為。隨著時(shí)間的推移，TossingBot 逐漸學(xué)會(huì)以更好的方式來(lái)抓取物體，并在同一時(shí)間提高其投擲水平。在這過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)偶爾以過(guò)去未曾嘗試過(guò)的速度投擲物體，來(lái)探索隨后會(huì)發(fā)生些什么。當(dāng)垃圾箱被清空時(shí)，TossingBot 會(huì)主動(dòng)抬起盒子以便讓物體滑落回垃圾箱里。通過(guò)這種方式，訓(xùn)練期間的人為干預(yù)被降到最低。通過(guò)10,000 次左右的抓握與投擲嘗試（或等同于 14 小時(shí)的訓(xùn)練時(shí)間），它最終實(shí)現(xiàn) 85％的投擲準(zhǔn)確度，在雜亂環(huán)境中的抓取可靠性為 87％ 。

TossingBot 在一開(kāi)始的表現(xiàn)并不佳（左），但在逐漸學(xué)會(huì)并掌握相應(yīng)技能后，一切都翻轉(zhuǎn)了（右）

推廣至新場(chǎng)景

通過(guò)對(duì)物理與深度學(xué)習(xí)進(jìn)行整合，TossingBot 能夠快速適應(yīng)未出現(xiàn)過(guò)的投擲位置與物體。打個(gè)比方，當(dāng)我們利用形狀簡(jiǎn)單的物體（如木塊、球和馬克筆）對(duì)之進(jìn)行訓(xùn)練，隨后它便可以很好應(yīng)對(duì)塑料水果、裝飾物品和辦公物品等新物體。在新物體的抓取 & 投擲任務(wù)上，TossingBot 剛開(kāi)始的表現(xiàn)可能比較一般，然而在經(jīng)過(guò)幾百個(gè)訓(xùn)練步驟（一或兩小時(shí)）的淬煉后，它可以快速適應(yīng)并實(shí)現(xiàn)與訓(xùn)練物體同等的性能表現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)，將物理學(xué)、深度學(xué)習(xí)與殘差物理結(jié)合，可以達(dá)到比基線方案更好的性能。我們甚至親自上手操作這個(gè)任務(wù)，驚喜地發(fā)現(xiàn) TossingBot 的表現(xiàn)比我們當(dāng)中任何一名工程師還要精準(zhǔn)！即便如此，我們尚未將之與那些具有運(yùn)動(dòng)天賦的人進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。

TossingBot 能力可以輕易被推廣至新物體上，且表現(xiàn)比普通的 Google 員工要更準(zhǔn)確

我們還測(cè)試了一種可以推廣至過(guò)去在訓(xùn)練過(guò)程中未曾出現(xiàn)過(guò)的新目標(biāo)位置的對(duì)策。為此，我們先將模型放在一組箱子上進(jìn)行訓(xùn)練，接著再選擇另一組擁有截然不同著陸區(qū)域的箱子上進(jìn)行測(cè)試。在這種情況下，我們發(fā)現(xiàn)投擲背后的殘差物理理論作用很明顯，彈道學(xué)對(duì)投擲速度的初始估計(jì)能夠幫助我們推導(dǎo)出新的目標(biāo)位置，而殘差理論可以在這些估計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)不同物體屬性在現(xiàn)實(shí)世界中的變化。這與僅僅使用深度學(xué)習(xí)的基線方法形成了強(qiáng)烈對(duì)比，后者只能處理訓(xùn)練期間看到的目標(biāo)位置。

TossingBot 基于殘差物理理論將物體扔到不可預(yù)見(jiàn)的位置

基于互動(dòng)的語(yǔ)義擴(kuò)充

為了解 TossingBot 的學(xué)習(xí)內(nèi)容，我們?cè)谙渲蟹胖脦追N物體，在捕獲圖像后，將之輸入至 TossingBot 的訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以提取中間像素的深層特征。我們基于相似性對(duì)特征進(jìn)行聚類，并將最近鄰居可視化為熱圖（越熱的區(qū)域表示該特征空間擁有越多的相似性），這樣便可以準(zhǔn)確定位在該場(chǎng)景中的所有乒乓球。即使橙色墻塊與乒乓球有著相似的顏色，然而其特征已經(jīng)足以讓 TossingBot 作出區(qū)分。同理，我們也可以利用提取特征來(lái)定位所有的馬克筆，即便這些馬克筆擁有相似的形狀與重量，且在顏色上不盡相同。觀察結(jié)果表明，TossingBot 可能更多依賴幾何線索（如形狀）來(lái)學(xué)習(xí)抓握與投擲行為。此外，學(xué)習(xí)到的特征也可能反映了進(jìn)階屬性（如物理屬性），這些屬性決定了該物體應(yīng)該如何被拋出。

在未有明確監(jiān)督情況下，TossingBot 習(xí)得了區(qū)分物體類別的深層特征。

這些新興功能是在除了任務(wù)級(jí)別的抓取和投擲任務(wù)外，在沒(méi)有任何明確監(jiān)督的情況下從頭開(kāi)始學(xué)習(xí)的。它似乎已經(jīng)足以使系統(tǒng)對(duì)物體類別進(jìn)行區(qū)分（比如之前提到的乒乓球和馬克筆）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明一個(gè)與機(jī)器視覺(jué)相關(guān)的廣泛概念：機(jī)器人應(yīng)該如何學(xué)習(xí)視覺(jué)世界的語(yǔ)義？從經(jīng)典計(jì)算機(jī)視覺(jué)的角度來(lái)看，語(yǔ)義通常是通過(guò)人工圖像數(shù)據(jù)集與人工構(gòu)建的類別區(qū)分來(lái)預(yù)先進(jìn)行定義的。然而我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要對(duì)手頭的任務(wù)來(lái)說(shuō)是重要的，模型就能從物理交互中隱含習(xí)得物體級(jí)別的語(yǔ)義。這些交互越復(fù)雜，語(yǔ)義的分辨率就越高。對(duì)于通用智能機(jī)器人來(lái)說(shuō)——也許它們通過(guò)交互來(lái)發(fā)展自己的語(yǔ)義概念就已足夠，而無(wú)需人為的干預(yù)。

局限性與工作展望

盡管 TossingBot 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看起來(lái)充滿希望，然而卻依然存在其局限性。例如，它假設(shè)所有物體都足以承受拋擲后的著陸碰撞——這就需要進(jìn)一步的工作來(lái)學(xué)習(xí)針對(duì)易碎物體的投擲行為，或者訓(xùn)練其他機(jī)器人以緩沖著陸的方式來(lái)抓取物體。此外，TossingBot 只能憑視覺(jué)數(shù)據(jù)來(lái)推斷控制參數(shù)—— 而探索額外的感覺(jué)（如力矩或觸覺(jué)）實(shí)際上可以使系統(tǒng)更好地對(duì)新物體作出反應(yīng)。

物理學(xué)和深度學(xué)習(xí)的結(jié)合，將 TossingBot 導(dǎo)向一個(gè)有趣的問(wèn)題：還有哪些領(lǐng)域可以從殘差物理學(xué)中受益？如何將這個(gè)想法推導(dǎo)至其他類型的任務(wù)與交互，是未來(lái)研究里一個(gè)充滿希望的方向。

via https://ai.googleblog.com/2019/03/unifying-physics-and-deep-learning-with.html

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