趙明國 機器人5年後或將真正進入家庭
2023-10-31 13:12:42 1
[「人形機器人和佐羅的馬有著共同之處，馬既是佐羅的交通工具又是他的夥伴；機器人也並不應該是人的工具、替代品，而是一個家庭的夥伴，可以與人交流協作。」]
在當代，機器人借著科幻小說和影視作品深入人心，人們在小說裡或是在銀幕上看到各式各樣或正或邪的機器人。然而與現實形成鮮明對比的是，人們的生活中卻甚少出現真正的機器人的身影。這種現狀可能會在不久就能有所改變，很多機器人學術研究領域的專家認為，機器人進入家庭，與人類交流協同或將不再遙遠。清華大學自動化系的趙明國教授就是他們之中的一員。
帶領清華大學「火神隊」贏得RoboCup國際冠軍
除了是清華大學的教授之外，趙明國在圈裡面最為人所熟悉的是機器人世界盃RoboCup的冠軍隊成員。說起RoboCup這項機器人領域最為熱門的賽事，要追溯至1997年，當時也是因為人機對弈，人工智慧與機器人的話題熱度曾一時無兩。當年5月，IBM深藍在西洋棋中擊敗人類世界冠軍。隨後的7月，美國宇航局的探路者號成功著陸，第一個自製機器人系統「旅行者」被部署在火星表面。1個月後，第一屆正式的RoboCup在日本舉行，「2050年實現機器人足球隊戰勝人類世界盃冠軍隊」是RoboCup的最終目標。
「相對而言，諸如深藍和AlphaGo在西洋棋和圍棋上對人類的挑戰，無論難度如何都是屬於靜態問題，而要進一步發展，則需要機器人在更為複雜的環境裡解決動態問題」，讓機器人踢足球是RoboCup發起者參與者包括趙明國自己所認同的，能夠有效推進機器人發展的一種方式。「要達到最終戰勝人類世界盃冠軍隊的目標，機器人需要解決涉及到動態環境、對環境中噪音識別、多機器人交互協調等問題」，趙明國教授如是說。
正是被這一目標所吸引，趙明國教授發動清華大學的同學組建了一支機器人足球隊，即如今的清華大學「火神」隊，在他的帶領下，團隊很快在RoboCup上嶄露頭角。
2004年，火神隊帶著實驗室買來的Sony公司Aibo機器狗參加了國內首次RoboCup，並一舉拿下了四足組的冠軍。很快，趙明國教授開始帶領火神隊衝向國際，並獲得了相當不錯的成績。2006年，他們的四足機器人在RoboCup的12米競速走挑戰賽中得了第一名，成為當時跑得最快的機器人。
參加比賽並不僅僅是為了獲得好成績，一方面是通過參加比賽來驗證相關的研究結果，另一方面是為了適應不斷提高的比賽要求去促進研究的提升，即推動教學、培養人才和提升研究水平。2008年開始，趙明國教授正式將機器人研究納入清華大學自動化系的一門課程。
目前，趙明國教授在清華大學帶領的團隊有十幾人，其中，本科生著重於比賽和應用，研究生博士生則著重於技術研發。儘管已經獲得了諸多成績，但趙教授表示，團隊在綜合能力、視覺、決策等方面還有很大的提升空間。
人形機器人就像「佐羅的馬」 是夥伴不是替代品
雖然以四足機器人獲得了成功，但是對於趙明國教授而言，更加吸引他的卻是科研難度更高的雙足人形機器人。
從2006年起，趙明國教授的團隊將比賽的重點由四足機器人轉向雙足機器人，一方面源於Aibo機器狗的停產，賽事轉用雙足機器人NAO。考慮到成本，團隊選擇了在軟體之外涉足自主硬體開發；另一方面則是雙足機器人更利於自動化專業的他們發揮機電控等技術上的優勢。在大家十分注重人形機器人行走的2008年，團隊根據「被動行走」方法研究出了一套「虛擬斜坡」的方法，並在內部實驗機器人上成功實現了世界上行走最快的雙足機器人。這項技術也讓火神隊在RoboCup中的實力大幅提升，使得團隊機器人在「行走」方面成為最頂尖的兩支隊伍之一，並在隨後的比賽中一直名列前茅。
之所以從四足機器人轉而專注於雙足人形機器人研究，趙明國教授還有著更廣泛的人文層面考慮。在他看來，人形機器人是最為人類接受以及最適應人類生活及情感的形態，而人形機器人是家庭服務機器人的最終目標，這就需要賦予機器人以人的形態以及人的功能，這是人類與機器人之間最友好的交互方式和使用方式。在技術層面，他也提到，當前人形機器人在原理性上還存在很多未知有待人們不斷地探索和完善，因而這是一個在未來20-30年具備重要價值的研究主題。
「我認為，人形機器人和佐羅的馬有著共同之處，馬既是佐羅的交通工具又是他的夥伴；機器人也並不應該是人的工具、替代品，而是一個家庭夥伴，可以與人交流協作。」
趙明國教授提到，受限於技術和成本，目前沒有確切的技術可以保證人形機器人的實用化，仍處於科研探索階段。因此，實驗室致力於開發像人類運動一樣具有很高的能量效率，走路、步態更加自然的機器人。開發能夠在複雜的環境行走，同時保證能量效率、對環境的適應性、穩定性、命中率都比較高的方法。因此，他認為最早從動力學出發的一套方法至今依舊可行，但同時需要很高的控制系統的軟體、硬體和算法。近年來，隨著人工智慧提升、深度學習方法的出現，為研究提供了新的手段，他預測近兩年會有新的突破。
技術漸進積累 5年後人形機器人或將走進家庭
「人形機器人是家庭服務機器人的最終目標」，目前的技術研發都在為達成這一目標而努力。
在趙明國教授看來，人形機器人要最終實現應用，核心是人工智慧，但只靠人工智慧是不夠的。「對於人形機器人來說，人工智慧只是手段之一，是機器人的大腦、神經控制系統的核心；而在身體層面，人形機器人需要機械製造、材料、生物、運動控制技術等技術作為支撐。」
為了推動技術研究與生活應用的結合，由趙明國教授領導的清華大學機器人控制實驗室，正在與百度IDL研究院、Intel研究院等機構合作，研究各種機器人保持平衡的技術，近期，他們還將與國內某機器人獨角獸公司進行技術合作。
趙明國教授認為，機器人的發展是一個漸變而非突變的過程，從技術的發展歷程來看，機器人進入家庭大概需要5年以上的時間。他還提到，人形機器人進入家庭的過程也將是漸進的。目前人形機器人最先突破的領域可能是公共服務領域，如圖書館、酒店、銀行、超市，然後再到家庭服務領域，不僅能夠對話，還能夠切實實現如倒水、拖地、洗碗等服務。而進入家庭服務的人形機器人形態也是由粗糙到精細的過程，由輪子行走、到輪腿複合再到雙足行走。在他看來，「雙足或輪腿複合的機器人在未來5年左右一定會落地」。
