你能想象讓機(jī)器人揉面團(tuán)，搟面皮，包餃子嗎？對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，操縱衣物、面團(tuán)等柔軟無(wú)堅(jiān)固形狀的可形變材料一直是個(gè)棘手的問(wèn)題。面團(tuán)的形狀可以以多種方式變化，而這些變化很難用方程式表示。

此外，從面團(tuán)中創(chuàng)建新形狀需要多個(gè)步驟并使用不同的工具。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)具有長(zhǎng)步驟序列的操作任務(wù)尤其困難，因?yàn)閷W(xué)習(xí)通常是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)完成的，其中有許多可能的選擇。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月30日，麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員為這種任務(wù)提出了一種更好的方法。他們創(chuàng)造了一種“兩階段學(xué)習(xí)框架”，名為“Teacher”（老師）的算法解決機(jī)器人要完成任務(wù)所必需的每個(gè)步驟，然后它訓(xùn)練“Student”（學(xué)生）機(jī)器學(xué)習(xí)模型去學(xué)習(xí)關(guān)于何時(shí)及如何執(zhí)行任務(wù)所需的每項(xiàng)技能的抽象概念，比如用搟面杖。有了這些知識(shí)，系統(tǒng)就會(huì)推理出如何執(zhí)行技能來(lái)完成整個(gè)任務(wù)。

研究人員認(rèn)為，這種他們稱之為DiffSkill的方法可以在模擬中執(zhí)行復(fù)雜的操作任務(wù)，例如切和揉面團(tuán)，或從砧板周?chē)占鎴F(tuán)，同時(shí)優(yōu)于其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

除了制作披薩、餃子外，這種方法還可以應(yīng)用于機(jī)器人需要操縱可形變物體的其他環(huán)境中，如為老年人或運(yùn)動(dòng)障礙者喂食、洗澡或穿衣的護(hù)理機(jī)器人。

“這種方法更接近我們?nèi)祟愑?jì)劃行動(dòng)的方式。當(dāng)一個(gè)人執(zhí)行一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)時(shí)，我們并沒(méi)有寫(xiě)下所有的細(xì)節(jié)。我們有一個(gè)更高級(jí)別的計(jì)劃者，它大致告訴我們?cè)诖诉^(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)哪些階段以及一些中間目標(biāo)，然后我們執(zhí)行它們，”論文作者之一，MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能專業(yè)的研究生李云珠說(shuō)道。

分開(kāi)來(lái)看具體的工作原理。DiffSkill框架中的“Teacher”是一種軌跡優(yōu)化算法，可以解決物體初始狀態(tài)和目標(biāo)位置很接近的短視界（short-horizon）任務(wù)。軌跡優(yōu)化器在模擬現(xiàn)實(shí)世界的物理模擬器中工作（稱為可微物理模擬器，它將“Diff”放入“DiffSkill”中）?！癟eacher”算法使用模擬器中的信息來(lái)學(xué)習(xí)面團(tuán)在每個(gè)階段必然如何移動(dòng)，一次一個(gè)，然后輸出這些軌跡。

然后“Student”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)模仿老師的動(dòng)作。作為輸入，它使用兩個(gè)攝像頭圖像，一個(gè)顯示當(dāng)前狀態(tài)的面團(tuán)，另一個(gè)顯示任務(wù)結(jié)束時(shí)的面團(tuán)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成一個(gè)高級(jí)計(jì)劃，以確定如何將不同的技能聯(lián)系起來(lái)以達(dá)到目標(biāo)。然后，它為每個(gè)技能生成特定的、短視界的軌跡，并將命令直接發(fā)送到工具。

研究人員使用這種技術(shù)對(duì)三種不同的模擬面團(tuán)操作任務(wù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在一項(xiàng)任務(wù)中，機(jī)器人使用抹刀將面團(tuán)舉到砧板上，然后使用搟面杖將其壓平。在另一個(gè)例子中，機(jī)器人使用抓手從柜臺(tái)上收集面團(tuán)，將其放在抹刀上，然后將其轉(zhuǎn)移到砧板上。在第三個(gè)任務(wù)中，機(jī)器人用刀將一堆面團(tuán)切成兩半，然后使用夾具將每一塊面團(tuán)運(yùn)送到不同的位置。

“DiffSkill能夠勝過(guò)依賴強(qiáng)化學(xué)習(xí)的流行技術(shù)，在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，機(jī)器人通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)任務(wù)。事實(shí)上，DiffSkill是唯一能夠成功完成所有三個(gè)面團(tuán)操作任務(wù)的方法。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)‘Student’神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)甚至能夠勝過(guò)‘Teacher’算法，”卡內(nèi)基梅隆大學(xué) (CMU) 研究生林興宇說(shuō)道。

林興宇認(rèn)為，這個(gè)框架為機(jī)器人獲得新技能提供了一種新穎的方式，可以將這些技能鏈接起來(lái)，以解決更復(fù)雜的任務(wù)。這些任務(wù)超出了以前的機(jī)器人系統(tǒng)的能力。

因?yàn)樗麄兊姆椒▊?cè)重于控制工具（抹刀、刀、搟面杖等），所以它可以應(yīng)用于不同的機(jī)器人，但前提是它們要使用研究人員定義的特定工具。未來(lái)，他們計(jì)劃將工具的形狀整合到“Student”網(wǎng)絡(luò)的推理中，以便將其應(yīng)用于其他設(shè)備。

研究人員打算通過(guò)使用3D數(shù)據(jù)作為輸入來(lái)提高DiffSkill的性能，而不是使用難以從模擬傳輸?shù)浆F(xiàn)實(shí)世界的2D圖像。他們還希望使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過(guò)程更高效，并收集更多樣的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)DiffSkill對(duì)新情況的泛化能力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，他們希望將 DiffSkill應(yīng)用到更多樣化的任務(wù)中，包括布料操作。

這項(xiàng)研究由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)研究生林興宇，加州大學(xué)圣地亞哥分校研究生黃志奧，麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系認(rèn)知科學(xué)與計(jì)算職業(yè)發(fā)展教授Joshua B. Tenenbaum，CMU助理教授David Held，以及MIT-IBM Watson AI Lab的研究科學(xué)家 Chuang Gan合作完成。其得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、LG電子、麻省理工學(xué)院-IBM 沃森人工智能實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍研究辦公室和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的部分支持。