原標(biāo)題：波士頓動力機器人如何“成精”？深扒跑酷王Atlas六年進化

作者 |  健恩

編輯 |  心緣

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

波士頓動力雙足機器人Atlas

這個站在機器人研究金字塔尖的神奇“物種”一路飛速進化，剛出場時其形象還人不人鬼不鬼，在滾動履帶上甩著兩條扭曲的大長腿，隨后不僅外觀越來越炫酷，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)波士頓動力放出Atlas新視頻，評論區(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，是波士頓動力Atlas四個團隊協(xié)同作戰(zhàn)修煉的苦功。

六年之間，波士頓動力在雙足機器人平衡控制、行動規(guī)劃等技術(shù)方向如何迭代進化？哪些硬核科技成就了靈敏度和爆發(fā)力越來越強的Atlas？

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

01.從蹣跚學(xué)步到學(xué)會跑酷，Atlas的受虐之路

最早讓波士頓動力走紅的，應(yīng)該是他們在2010年發(fā)布的這段“虐狗”視頻。

▲波士頓動力“虐狗”視頻

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

Atlas有著和Bigdog一樣的遭遇，它成長的路上也伴隨著各種“虐待”。對于Atlas來說，被工程師從背后一把推倒摔個“狗吃屎”是再常見不過的事情。

Atlas的前身是為美軍測試防護服性能的雙足機器人Petman，早在2009年的時候原型機就已經(jīng)亮相，這時的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原型機受到推搡

2013年，初具人類外形的Atlas原型機亮相，這時的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“金雞獨立”，還要承受大擺球的撞擊。

▲Atlas原型機

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

時間到了2016年，也就是波士頓動力被谷歌收購后的第三年，我們所熟悉的那個Atlas終于正式亮相。它的外觀已與現(xiàn)在會跑酷、會跳舞的Atlas無異。但這時的Atlas仍是個“嬰兒”，尚在蹣跚學(xué)步階段，走路踉踉蹌蹌，動作也不連貫。網(wǎng)友調(diào)侃說它像極了一個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。比如，當(dāng)Atlas費勁半天力氣搬起箱子時，工作人員一棍子將箱子打掉，還“粗暴地”推上它一把，讓它險些摔倒。

▲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一個親密接觸，趴在地上久久不能動彈。

▲Atlas被從背后推倒

盡管機器人并沒有情感和痛覺，對于這樣的“欺凌”不會感到傷心或難過，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)那個可憐的家伙了！”“我真的為機器人感到難過?！?

▲網(wǎng)友留言

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

不過這次易主并未影響到Atlas的快速成長，距離Atlas上次露面僅僅過去一年多時間，它的動作變得更加流暢，學(xué)會了在臺階之間跳躍，甚至還可以來個后空翻。

▲Atlas跳上臺階并完成后空翻

當(dāng)然，這代Atlas離“完美”還有很大的距離，它的動作仍不連貫， 跳起來落地后依舊會踉蹌甚至摔倒。不知道波士頓動力是不是聽到了網(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

時間又過了一年，Atlas學(xué)會了跑步，能夠邊跑邊越過原木、躍上臺階。

▲Atlas跑步越過原木并躍上臺階

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

被軟銀收購后，波士頓動力一直希望能夠開啟商業(yè)化之路。2020年中旬，波士頓動力首款商用機器狗Spot正式開售，售價折合人民幣將近50萬元。顯然這個售價很難給波士頓動力帶來太多銷量。據(jù)彭博社報道，截至2020年底，Spot僅被賣出了大約400臺。

與波士頓動力漫長的商業(yè)化之路相對應(yīng)的是，開發(fā)機器人需要大量的投入?；蛟S正是因為這個原因，讓軟銀最終選擇將波士頓動力出售。2020年底，現(xiàn)代汽車集團宣布將收購波士頓動力。今年6月份，現(xiàn)代正式宣布從軟銀手中購得了波士頓動力80%的股份，獲得波士頓動力的控股權(quán)。

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

▲Atlas跳舞

兩周前，波士頓動力展示了Atlas的最新成就——跑酷。這段視頻里，它連續(xù)地越過臺階，跑過斜坡，走過平衡木，甚至還單手支撐身體越過橫桿，一系列動作下來靈巧度不輸人類。

波士頓動力的工程師還透露，這一代的Atlas并非像以前一樣通過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。

▲Atlas跑酷

盡管Atlas已經(jīng)能夠如此流暢地跑酷，但摔跤對它來說依舊是一件不可避免的事情。跑酷過程中Atlas仍會失去平衡而摔倒，甚至有時為它提供動力的液壓管會突然爆裂，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)步成長到可以流暢跑酷。在波士頓動力內(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。

對于波士頓動力的工程師而言，Atlas不斷地摔跤和與障礙物之間的碰撞都是研究團隊學(xué)習(xí)過程的一部分，這讓Atlas身上需要改進的地方得以暴露，為他們提供了改進機器人的機會。

02.五年時間，環(huán)境感知和適應(yīng)性得到提升

對Atlas來說，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、跳躍過程中摔跤是頭等大事。為了做到這一點，從它對環(huán)境的感知能力到對環(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，它自主行動的能力也得到了增強。

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，行走過程中身體仍較為僵硬，在快要摔倒的時候無法調(diào)動全身，只會通過改變步伐來重新尋找平衡。它的雙臂更是像“焊死”了一樣，一動不動，因此網(wǎng)友評價它說像極了一個醉漢。

▲走路踉踉蹌蹌的Atlas

在接下來的幾年內(nèi)，Atlas逐漸學(xué)會了揮動雙臂來保持身體平衡，對全身的調(diào)動也變得越來越靈活，甚至學(xué)會了倒立、跳馬、跳舞和跑酷，其動作越來越接近人類。

然而，這并非單純的對人類的模仿。機器人身體結(jié)構(gòu)和人類有很大差別，比如它沒有脊椎和肩胛骨，同時手臂也相對較為脆弱。因此團隊必須不斷地在它的尺寸和復(fù)雜性之間對它的重量、強度、活動能力等各種要素進行權(quán)衡，并對控制算法進行優(yōu)化，來更好的協(xié)調(diào)它的各種動作。

盡管跑酷是一項小眾運動，但是它作為一項需要調(diào)動全身的活動，要求Atlas做到在各種條件下保持身體平衡，并做到在各種動作之間的無縫切換，這為Atlas團隊提供了一個完美的測試條件。

波士頓動力在IEEE Spectrum的一次采訪中提到，Atlas開發(fā)團隊正在利用跑酷來推動Atlas處理更多復(fù)雜的動態(tài)行為，目前仍只是一個開端，在接下來的幾年內(nèi)它將學(xué)會利用手臂拓展更多活動能力。

2、從提前預(yù)設(shè)行動到自主規(guī)劃路徑

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

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

在Atlas最近的這次跑酷中，研究團隊已不需要提前對它的行動進行規(guī)劃。在跑酷之前，研究團隊為Atlas提供了一張高級地圖，其中大致描述了它的行動路線和相應(yīng)位置應(yīng)該做出的動作。跑酷過程中Atlas利用這些信息來為自己導(dǎo)航，并且它可以對環(huán)境進行感知，根據(jù)實時感知到的數(shù)據(jù)自主規(guī)劃整個行動以完成挑戰(zhàn)。

Atlas執(zhí)行的每個動作都源自其行為庫中的動作模板，它可以根據(jù)目標(biāo)情況自主從庫中選擇相應(yīng)的動作執(zhí)行。跑酷過程中，Atlas的模型預(yù)測控制器（MPC）會調(diào)整其發(fā)力、姿勢、動作發(fā)生時機等細節(jié)，來應(yīng)對環(huán)境、腳滑等各種可能實時出現(xiàn)的因素。這意味著研究人員不必為Atlas的行動逐個調(diào)整細節(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)測下一步的行動，比如它知道了這次跳躍后是一個后空翻后，就可以自動地創(chuàng)建從一個行為到下一個行為的過渡，使每一步動作都自然的連貫起來。

▲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，得益于其環(huán)境感知能力的提升。

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

但是這還遠不能支撐Atlas自主行動，它需要將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對決策和規(guī)劃身體動作有用的信息，以識別障礙物和自主導(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)境的點云（point clouds）。點云是大量測距結(jié)果的集合，Atlas獲取到環(huán)境的點云后，它的感知軟件會利用一種稱作多平面分割（multi-plane segmentation）的算法從中提取平面，并輸入到一個映射系統(tǒng)中，構(gòu)建出Atlas看到的不同對象的模型。

這就相當(dāng)于為Atlas構(gòu)建了一張3D地圖，Atlas跑酷過程中正是基于它構(gòu)建的這個模型來規(guī)劃路徑，計算每一步的落腳點。

▲Atlas搭載的TOF深度相機生成的點云圖

03.幕后團隊罕見露面，講述跑酷背后故事

Atlas團隊負(fù)責(zé)人Scott Kuindersma稱Atlas是波士頓動力在液壓驅(qū)動的人形機器人領(lǐng)域十多年來工作的結(jié)晶，為該團隊提供了一個研究平臺。而Atlas團隊的工作便是讓這個平臺不斷地突破極限，來做他們能想象的到的最瘋狂、最激動人心的事情。

▲Atlas團隊負(fù)責(zé)人Scott Kuindersma

與其他的任何項目或試驗一樣，Atlas從步履蹣跚的走路，到學(xué)會跑酷都是團隊合作的成果。目前，Atlas團隊共有4個小團隊，分別是軟件團隊、硬件團隊、技術(shù)團隊和運營團隊。

軟件團隊負(fù)責(zé)創(chuàng)建機器人所有的行為控制軟件，讓它可以可靠地完成各種動作。硬件團隊負(fù)責(zé)對機器人進行戰(zhàn)略升級，以讓它實現(xiàn)更多的功能，如跳舞、跑酷等。技術(shù)團隊負(fù)責(zé)調(diào)試和修復(fù)各種問題，從機械部件損壞到液壓泄露再到電氣故障都由他們負(fù)責(zé)。而運營團隊負(fù)責(zé)搭建和維護整個測試環(huán)境，并幫助整個團隊完成對機器人的各項測試。

▲Atlas團隊部分成員

對于波士頓動力的各個團隊而言，其發(fā)布的每條視頻都是他們在過去幾個月或一年所做的工作的總結(jié)，代表著他們過去這段時間內(nèi)的工作到達了一個新的頂點。因此，每當(dāng)有視頻要拍攝的時候都是全員參與。

視頻的拍攝過程中機器人經(jīng)常會發(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)機器人出現(xiàn)問題時必須盡快介入并修復(fù)它們。”電氣工程技術(shù)員Crystal Kemp說。

為了讓視頻效果更好，他們準(zhǔn)備了四臺Atlas機器人，其中兩個作為“演示機器人”，外觀要盡量保持干凈整潔，另外兩個作為“試驗機器人”，用于開發(fā)和測試新行為，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說道：“對于這個團隊來說，看著機器人失敗是最奇妙的部分之一。每一次失敗都有機會讓機器人變得更好、更強大?！?

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?！斑@便是機器人的樂趣所在，我們正處于創(chuàng)造未來的早期階段?！盨cott Kuindersma說道。

04.結(jié)語：下個六年，Atlas會怎樣成長？

波士頓動力能夠開發(fā)出這樣會跑酷、會跳舞的機器人Atlas并非一日之功。

已經(jīng)成立近30年的波士頓動力一直專注于機器人的研發(fā)，尤其是近些年來，波士頓動力幾次易主，都未改變其機器人研發(fā)的進程。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，而是一個研究平臺，因此它也能代表波士頓動力最先進的技術(shù)，每次露面都會帶來新的驚喜。

從走路踉踉蹌蹌到可以流暢地跑酷，Atlas只用了6年時間。隨著Atlas逐漸成熟，它越來越接近人們在科幻電影中勾勒的“機械戰(zhàn)警”形象。下個六年，Atlas會讓“機械戰(zhàn)警”變?yōu)楝F(xiàn)實嗎？