Avatar XPrize揭示了遠程呈現(xiàn)機器人的未來
對于自主機器人而言，僅僅在現(xiàn)實世界中生存下來就是一項難得的成就，而這與任何有用的廣義自主性還相去甚遠。雖然在一些相當具體的限制條件下，自主機器人開始在辦公室、醫(yī)院和倉庫等半結(jié)構(gòu)化環(huán)境中找到一些有價值的用武之地，但當涉及非結(jié)構(gòu)化性質(zhì)的災(zāi)區(qū)或與人類互動，或任何需要創(chuàng)新和創(chuàng)造力的情況時，自主機器人往往會不知所措。
機器人還沒有準備好進入現(xiàn)實世界。
這意味著，在可預(yù)見的未來，人類仍然是必需的。不過，這并不是說人類必須親自在場，而是在某個地方進行人機協(xié)同。這就創(chuàng)造了一個機遇。
2018年，XPrize基金會宣布了一項創(chuàng)建“將人類實時呈現(xiàn)到遠程位置的化身系統(tǒng)”競賽（由日本全日空航空公司贊助），目的是開發(fā)供人類使用、順利獲得良好的互聯(lián)網(wǎng)連接可在任何地方與世界互動的機器人系統(tǒng)。決賽于2022年11月在加州長灘舉行，由來自世界各地的17支隊伍在賽中爭奪800萬美元獎金。
(1)在Avatar XPrize賽場上，腿不是必選項，因此首爾大學(xué)進行了調(diào)整，讓人類大小的有腿機器人坐在了輪式底座上。 (2)美國東北大學(xué)獨特的微流體致動器為操作員給予了細致的觸覺。(3來自意大利技術(shù)研究院的iCub團隊認為，其兩足化身是將人類自然運動傳遞給機器人的最直觀的方式。(4)XPrize評委杰瑞 普拉特在賽場上操作NimbRo的機器人。 (5)包括i-Botics在內(nèi)的許多團隊都將商用虛擬現(xiàn)實耳機作為其接口的一部分。 (6)將化身接口盡可能制作得身臨其境，以幫助操作員有效地控制其機器人。 (7)法國初創(chuàng)公司Pollen Robotics使用了自己的商用平臺的修改版
這場比賽展示了人類與機器人系統(tǒng)相互配合的力量，可將 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的經(jīng)驗和適應(yīng)能力傳送到遠程位置。雖然這些機器人和接口在很大程度上還屬于研究項目，而不是準備好用于現(xiàn)實世界的系統(tǒng)，但Avatar XPrize給予了靈感（以及結(jié)構(gòu)和資金），可幫助世界上一些最好的機器人學(xué)家順利獲得遠程呈現(xiàn)突破可能的極限。
機器人化身
機器人化身系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實類似，二者都能讓身處異地的人將技術(shù)作為接口來體驗不同的地方并與之交互。與虛擬現(xiàn)實一樣，一個有效的機器人化身能夠使用戶身臨其境般地看、聽、觸摸、移動和研討。二者的不同之處在于，虛擬現(xiàn)實是將人類帶入虛擬環(huán)境，而機器人化身則是將人類帶入真實環(huán)境，這個真實環(huán)境可能在隔壁房間，也可能在數(shù)千公里之外。
XPrize基金會希望有一天化身機器人能被用于更實際的目的：無論距離遠近，都能立即為任何人給予照料服務(wù)；在人類救援人員無法前往的危險地區(qū)進行救災(zāi)；執(zhí)行關(guān)鍵維修、維護任務(wù)和其他難以給予的服務(wù)。
“現(xiàn)有的將 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 自己從一個地方傳送到另一個地方的方法開展得不夠快?！盇vatar XPrize的執(zhí)行董事大衛(wèi)?洛克（David Locke）說，“這一領(lǐng)域早就應(yīng)該有所突破了。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的目標是順利獲得引入一種新的物理連接方式，跨越距離和時間的障礙，讓世界上的任何人都能親身體驗另一個地方，并在需要的時候給予實地援助。”
全球性比賽
在長灘會議中心，XPrize盡最大努力營造了一種既有搖滾音樂會，又有體育賽事，還有機器人研究會議和博覽會的氛圍。比賽場地設(shè)置在一個有體育場座位的競技場上（對公眾開放），裝飾華麗，燈光明亮?，F(xiàn)場解說伴隨著每位選手的比賽。比賽間隙，各支隊伍可以在一間會議廳改進其化身系統(tǒng)，他們可以相互研討，也可以與好奇的旁觀者溝通。這17支隊伍來自法國、德國、意大利、日本、墨西哥、新加坡、韓國、荷蘭、英國和美國。每個團隊要在3天內(nèi)準備幾次比賽，隊員們在場地周圍走來走去，努力修理或改進他們的機器人，氣氛時而緊張，時而專注。主要的學(xué)術(shù)研究實驗室都設(shè)立在小型機器人初創(chuàng)公司旁邊，每支隊伍都希望憑借獨特的方法獲勝。
比賽過程中，每個機器人必須執(zhí)行一系列任務(wù)，這些任務(wù)以外星表面執(zhí)行的科學(xué)任務(wù)為基礎(chǔ)。要完成比賽，機器人需要與人類任務(wù)指揮官溝通、撥動電氣開關(guān)、穿過障礙物、順利獲得重量識別容器并對其進行操作、使用電鉆，以及最后順利獲得觸摸對巖石樣本進行分類。根據(jù)各支隊伍的化身系統(tǒng)成功完成所有任務(wù)所花費的時間對其進行排名。
化身系統(tǒng)主要包括兩個基本方面。第一個是由人類操作員操控的機器人移動操作器；第二個是允許操作員進行操控的接口，可以說這是系統(tǒng)中更難的部分。在美國國防部高級研究計劃局機器人挑戰(zhàn)賽和地下挑戰(zhàn)賽等之前的比賽中，接口通?；谝慌_（或多臺）帶鍵盤和鼠標的傳統(tǒng)計算機，操作員的工作高度專業(yè)化，需要大量的培訓(xùn)和經(jīng)驗。然而，這種方法卻不易使用或不可擴展。因此，長灘比賽以與操作員無關(guān)的化身系統(tǒng)為主，任何人都可以有效地使用它們。“畢竟，公眾才是最終用戶。”洛克解釋說，“這場比賽迫使各支隊伍花時間研究和降低這項技術(shù)的操作經(jīng)驗門檻。他們需要向能夠操作并給予體驗反饋的普通用戶開放技術(shù)和實驗室，得分最高的隊伍也擁有最為直觀和用戶友好的操作接口?！?/p>
Avatar XPrize賽場的設(shè)計看起來像外星上的科學(xué)站，化身系統(tǒng)需要完成使用工具和識別巖石樣本等任務(wù)。美國東北大學(xué)的機器人(左下角)在賽場上移動。鉆孔任務(wù)(右下角)特別困難需要舉起一個重物并以很高的精度操縱它。
比賽期間不允許隊員們操作自己的機器人。相反，每支隊伍都分配了一名評委，各隊有45分鐘的時間對評委進行機器人和接口方面的培訓(xùn)。評委包括機器人、虛擬現(xiàn)實、人機交互和神經(jīng)科學(xué)方面的專家，但他們都沒有作為化身操作員的經(jīng)驗。
培訓(xùn)完成后，評委則使用團隊的接口來操作機器人完成整個比賽，而團隊只能坐著觀看。允許兩名團隊成員陪同評委以防出現(xiàn)技術(shù)問題，而操作員室的直播捕捉到了各個團隊所面臨的壓力和無助：投入多年的努力和幾百萬美元，全看這位他們1小時前才遇到的陌生人能否將他們的系統(tǒng)帶向成功。比賽并非總是順利，偶爾也會非常糟糕，比如在一次比賽中，一個兩足機器人撞到了賽場的門邊，然后摔倒在地，造成了最終無法修復(fù)的損壞。
硬件和人類
團隊的多樣性體現(xiàn)在他們化身系統(tǒng)的多樣性上。比賽對機器人提出了一些基本的設(shè)計要求，比如機動性、操作性和通信接口，但除此之外，每個團隊還需設(shè)計和實現(xiàn)自己的硬件和軟件。大多數(shù)團隊都青睞輪式底座、有兩只機械臂和一個由顯示屏組成的頭部以顯示操作員的面部。幾個大膽的團隊則帶來了兩足人形機器人。立體攝像機被普遍用于向操作員給予視覺和深度信息，一些團隊還加入了額外的傳感器來傳達有關(guān)遠程環(huán)境的其他信息。
例如，在決賽任務(wù)中，操作員需要具備相當于觸覺的感覺來區(qū)分粗糙的巖石和光滑的巖石。雖然機器人的觸摸傳感器很常見，但將它們收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為人類可讀的數(shù)據(jù)并非易事。一些團隊選擇了高度復(fù)雜（且昂貴）的微流體手套，將觸覺從機器人的指尖傳遞到操作員的指尖。其他團隊則使用了安裝在手指上的小型振動電機將粗糙度轉(zhuǎn)化為操作員可以感覺到的觸覺反饋。另一種方法是在機器人的手指上安裝麥克風(fēng)。其手指在不同表面上移動時，操作員可以根據(jù)聲音大小來判斷，粗糙的表面聲音更大，而光滑的表面聽起來更柔和。
除了感知遠程環(huán)境外，操作員還必須有效且高效地控制機器人。基本的控制接口可能是鼠標和鍵盤，或者游戲控制器。但由于控制自由度高、操作員培訓(xùn)時間有限，而且比賽成績以速度來判定，所以團隊必須發(fā)揮創(chuàng)造力。有些團隊使用了運動檢測虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來將操作員的運動傳遞給化身機器人。還有一些團隊則喜歡物理接口，將操作員與硬件結(jié)合起來（有點像機器人外骨骼），這種硬件可以讀取他們的動作，然后驅(qū)動化身機器人的肢體進行匹配，同時給予力反饋。由于操作員的手臂和手忙于操縱，因此機器人的行走運動通常由腳踏板控制。
雖然化身系統(tǒng)都能夠移動并與環(huán)境交互，但Avatar XPrize比賽展示了為了創(chuàng)建最有效的系統(tǒng)而采用的各種不同的軟硬件方法。
XPrize比賽的另一項挑戰(zhàn)是如何使用化身機器人與遠處的人類進行通信。評判標準是這種溝通的自然程度，不允許使用純文本或純語音接口；相反，團隊需要給他們的機器人一些表情。對于使用屏幕的操作接口來說，這非常簡單；一個指向操作員并流式傳輸?shù)綑C器人上進行顯示的網(wǎng)絡(luò)攝像頭也不錯。
不過采用使用虛擬現(xiàn)實耳機的接口時，操作員的面部被部分遮擋，團隊必須找到其他解決方案。一些團隊使用了耳機眼動追蹤和語音識別技術(shù)，將操作員的聲音和面部動作映射成一張生動的動畫臉。其他團隊則對用戶面部的真實圖像進行了扭曲，以反映其眼睛和嘴巴的運動。雖然互動并非天衣無縫，但效果驚人。
人的形態(tài)還是人的功能？
順利獲得Avatar XPrize這樣的機器人比賽，揭示了實現(xiàn)現(xiàn)實世界問題的廣義解決方案這一更廣泛的目標與參賽團隊關(guān)注的目標（只是為了獲勝）之間的內(nèi)在沖突。獲勝并不一定能解決比賽試圖解決的問題。XPrize可能想有助于創(chuàng)建“將人類實時呈現(xiàn)到遠程位置的化身系統(tǒng)”，但獲勝的團隊卻是最有效地完成特定比賽任務(wù)的團隊。
例如，來自意大利熱那亞意大利技術(shù)研究院（IIT）的iCub團隊認為，將人類呈現(xiàn)到遠程位置的最佳方式是盡可能地表現(xiàn)那個人的特征。因此，IIT的化身系統(tǒng)由一個小型兩足人形機器人組成，即100厘米高的iCub。讓兩足機器人可靠地行走頗具挑戰(zhàn)，尤其是在機器人受缺乏經(jīng)驗的人類直接控制時。但即使在理想條件下，iCub也不可能像其輪式競爭對手那樣快速移動。
XPrize決定設(shè)置一個不會對類人機器人更有利的比賽場地，例如，場地中沒有樓梯，這引發(fā)了“人類呈現(xiàn)”（human presence）到底意味著什么的問題。如果這意味著可以去任何身體健全的人能去的地方，那么腿可能是必要的。如果這意味著接受機器人（和一些人類）有限的行動能力，從而專注于化身體驗的其他方面，那么腿也許是可選項。無論XPrize的意圖是什么，場地本身最終都決定了什么樣的化身能夠贏得比賽。
化身優(yōu)化
不出所料，專注于比賽并對其化身系統(tǒng)做相應(yīng)優(yōu)化的團隊往往表現(xiàn)得不錯。美國東北大學(xué)團隊取得了第三名，贏得了100萬美元獎金，他們?yōu)椴僮鲉T給予的是流體靜力反饋接口。該接口基于10年前迪士尼研究院首次構(gòu)思的流體致動器系統(tǒng)。
第二名是法國初創(chuàng)公司Pollen Robotics團隊。他們的機器人Reachy以Pollen Robotics的商用移動機械手為基礎(chǔ)，它可能是比賽中價格最實惠的系統(tǒng)之一，僅耗資2萬歐元（2.2萬美元）。它主要使用了3D打印組件和開源設(shè)計。Reachy是優(yōu)化策略的一個例外，因為它旨在成為供現(xiàn)實世界操作的一個通用平臺。不過，該團隊相對簡單的方法卻幫助他們贏得了第二名和200萬美元獎金。
第一名是來自德國波恩大學(xué)的NimbRo團隊，他們在不到6分鐘的時間內(nèi)以完美的成績完成了整場比賽。NimbRo在機器人競賽方面經(jīng)驗豐富；他們于2015年參加了美國國防部高級研究計劃局機器人挑戰(zhàn)賽，且自2005年以來不斷參加國際機器人世界杯比賽（RoboCup）。而Avatar XPrize則讓他們專注于將人類智能與機器人控制系統(tǒng)結(jié)合起來的新方法。“看到人類智能操作機器時，我覺得很有趣?！眻F隊負責(zé)人斯文?本克（Sven Behnke）告訴本刊，“人類可以看到機器行為與他們的期望之間的偏差，然后創(chuàng)造性地解決這些偏差。”
NimbRo團隊的系統(tǒng)非常依賴人類操作員自身的感覺和認知。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 嘗試盡可能地利用人類的認知能力。”本克解釋道，“例如， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的系統(tǒng)能夠在不使用傳感器的情況下來估計深度。它只依賴操作員的視覺皮層，因為人類已經(jīng)進化到能夠以非常有效的方式做到這一點?！币虼?，NimbRo的機器人配備了特別長而靈活的脖子，可以跟隨操作員的頭部運動。在比賽中，可以看到機器人的頭部左右移動，因為操作員使用了視差來分析物體的距離。它的效果確實不錯，不過NimbRo必須采用一種特殊的渲染技術(shù)，以最大限度地減少操作員的頭部運動和機器人的視頻饋送之間的延遲，以防操作員出現(xiàn)暈動癥。
團隊還投入了大量精力來確保使用機器人操縱物體的過程盡可能直觀。操作員的手臂直接與機械臂連接，它們與化身機器人的手臂完全一樣。這意味著操作員所做的任何手臂運動都會被機器人反映出來，為操作員帶來非常一致的體驗。
混合式自主的未來
負責(zé)NimbRo團隊獲勝那一場比賽的操作員評委是杰瑞?普拉特（Jerry Pratt），他在佛羅里達州人機認知研究所（IHMC）擔(dān)任了幾十年的機器人教授，去年加入了人形機器人初創(chuàng)公司Figure。普拉特曾帶領(lǐng)IHMC團隊（以及波士頓動力公司Atlas機器人）在2015年的美國國防部高級研究計劃局機器人挑戰(zhàn)賽總決賽中取得第二名。“我覺得不可思議的是，你可以在45分鐘內(nèi)學(xué)會如何使用這些系統(tǒng)?！逼绽卦谡劦剿赬Prize比賽中的操作時說，“操作它們非常有趣！”普拉特以5分50秒的時間完成了Avatar XPrize比賽，這一時間并不比人類速度慢多少。
相比之下，在2015年美國國防部高級研究計劃局機器人挑戰(zhàn)賽總決賽上，Atlas機器人必須由一組專家精心操控。機器人花了50分鐘才完成了人類5分鐘左右便可完成的比賽。“（在美國國防部高級研究計劃局比賽期間）試圖用操縱桿和鼠標拾取東西真的很慢?！逼绽卣f，“沒有什么能比得上完全遠程呈現(xiàn)地召開行動，‘哦，那是個物體，讓我抓住它’。直接那么做就可以?！?/p>
普拉特和NimbRo的本克都認為，至少在短期內(nèi)，要在現(xiàn)實世界的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中運行機器人，人類是關(guān)鍵組成部分。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要人類來進行高級決策?！逼绽卣f，“只要有新奇的東西，或者出了問題，就需要人類對這個世界的認知。這就是為什么 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要遠程呈現(xiàn)。”
本克表示贊同。他希望其團隊從Avatar XPrize比賽中取得的經(jīng)驗教訓(xùn)能幫助他們順利獲得遠程呈現(xiàn)實現(xiàn)混合自主，即機器人大部分時間是自主的，但當機器人陷入困境時，人類可以使用遠程呈現(xiàn)來幫助它們。這種方法已經(jīng)在較簡單的環(huán)境中實現(xiàn)了，比如人行道上的送貨機器人，但還沒有像本克的系統(tǒng)那樣能夠在復(fù)雜的人機協(xié)同操作中實現(xiàn)。
“一步接一步，我的目標是讓人類跳出這個環(huán)路，這樣一位操作員就可以控制大約10個機器人，而且這些機器人在大多數(shù)時候都具有自主能力。”本克說，“隨著這10個系統(tǒng)的運行， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以從中取得更多的數(shù)據(jù)，然后也許一位操作員可以負責(zé)100個機器人，之后是1000個機器人。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在使用遠程呈現(xiàn)來學(xué)習(xí)如何更好地實現(xiàn)自主?！?/p>
雖然Avatar XPrize最后一場比賽是圍繞太空探索場景進行的，但本克更感興趣的是以遠程呈現(xiàn)為媒介、人類觸摸能夠發(fā)揮更大價值的應(yīng)用，例如個人輔助。本克的團隊已經(jīng)演示了如何使用他們的化身系統(tǒng)來幫助手臂受傷的人測量血壓和穿上外套。這些任務(wù)聽起來簡單，但它們涉及的正是對機器人來說非常困難的人類互動和創(chuàng)造性操作。沉浸式的遠程呈現(xiàn)使這些任務(wù)變得簡單了許多，幾乎受過一點訓(xùn)練的任何人都可以完成，這正是Avatar XPrize試圖實現(xiàn)的目標。
盡管如此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 依然很難知道這些技術(shù)的可擴展性如何?，F(xiàn)在，化身系統(tǒng)是脆弱且昂貴的。從歷史上看，從備受矚目的機器人比賽到技術(shù)（如自動駕駛汽車和人形機器人）在實驗室外得到應(yīng)用，大約有5到10年的時間間隔。雖然自主性可能會快速開展，減少化身機器人對結(jié)構(gòu)化環(huán)境中常見任務(wù)的影響，但很難想象自主系統(tǒng)會達到人類的感知或創(chuàng)造力水平。也就是說，在可預(yù)見的未來， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將繼續(xù)需要化身。如果這些團隊能夠利用其在4年Avatar XPrize比賽中汲取的經(jīng)驗教訓(xùn)，讓這項技術(shù)走出研究階段，那么他們的系統(tǒng)就可以順利獲得人類的智慧突破自主性的限制，為 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 帶來對日常生活更有幫助的機器人。
作者：Evan Ackerman
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