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

這個(gè)站在機(jī)器人研究金字塔尖的神奇“物種”一路飛速進(jìn)化，剛出場(chǎng)時(shí)其形象還人不人鬼不鬼，在滾動(dòng)履帶上甩著兩條扭曲的大長(zhǎng)腿，隨后不僅外觀(guān)越來(lái)越炫酷，而且新技能不斷刷新人類(lèi)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(dòng)力放出Atlas新視頻，評(píng)論區(qū)總能聽(tīng)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(dòng)力Atlas四個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)修煉的苦功。

六年之間，波士頓動(dòng)力在雙足機(jī)器人平衡控制、行動(dòng)規(guī)劃等技術(shù)方向如何迭代進(jìn)化？哪些硬核科技成就了靈敏度和爆發(fā)力越來(lái)越強(qiáng)的Atlas？

一、從蹣跚學(xué)步到學(xué)會(huì)跑酷，Atlas的受虐之路

最早讓波士頓動(dòng)力走紅的，應(yīng)該是他們?cè)?010年發(fā)布的這段“虐狗”視頻。

早期的波士頓動(dòng)力與美國(guó)軍方有著密切的合作，研究資金也大多來(lái)自美軍資助。上面這只受到“虐待”的機(jī)器人就是波士頓動(dòng)力為美軍開(kāi)發(fā)的用于運(yùn)輸貨物的四足仿生機(jī)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(huì)被網(wǎng)友拿來(lái)調(diào)侃。

Atlas有著和Bigdog一樣的遭遇，它成長(zhǎng)的路上也伴隨著各種“虐待”。對(duì)于A(yíng)tlas來(lái)說(shuō)，被工程師從背后一把推倒摔個(gè)“狗吃屎”是再常見(jiàn)不過(guò)的事情。

Atlas的前身是為美軍測(cè)試防護(hù)服性能的雙足機(jī)器人Petman，早在2009年的時(shí)候原型機(jī)就已經(jīng)亮相，這時(shí)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(kāi)始。

2013年，初具人類(lèi)外形的Atlas原型機(jī)亮相，這時(shí)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(dú)立”，還要承受大擺球的撞擊。

時(shí)間到了2016年，也就是波士頓動(dòng)力被谷歌收購(gòu)后的第三年，我們所熟悉的那個(gè)Atlas終于正式亮相。它的外觀(guān)已與現(xiàn)在會(huì)跑酷、會(huì)跳舞的Atlas無(wú)異。但這時(shí)的Atlas仍是個(gè)“嬰兒”，尚在蹣跚學(xué)步階段，走路踉踉蹌蹌，動(dòng)作也不連貫。網(wǎng)友調(diào)侃說(shuō)它像極了一個(gè)半夜里走在回家路上的醉漢。

盡管如此，Atlas受到的“虐待”絲毫沒(méi)有減少，反而還變本加厲了起來(lái)。比如，當(dāng)Atlas費(fèi)勁半天力氣搬起箱子時(shí)，工作人員一棍子將箱子打掉，還“粗暴地”推上它一把，讓它險(xiǎn)些摔倒。

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(lái)一個(gè)親密接觸，趴在地上久久不能動(dòng)彈。

盡管機(jī)器人并沒(méi)有情感和痛覺(jué)，對(duì)于這樣的“欺凌”不會(huì)感到傷心或難過(guò)，但這樣的畫(huà)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(gè)可憐的家伙了！”“我真的為機(jī)器人感到難過(guò)。”

當(dāng)然，這代Atlas離“完美”還有很大的距離，它的動(dòng)作仍不連貫， 跳起來(lái)落地后依舊會(huì)踉蹌甚至摔倒。不知道波士頓動(dòng)力是不是聽(tīng)到了網(wǎng)友的呼聲，他們沒(méi)有再放出“虐待”Atlas的鏡頭。

時(shí)間又過(guò)了一年，Atlas學(xué)會(huì)了跑步，能夠邊跑邊越過(guò)原木、躍上臺(tái)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。

被軟銀收購(gòu)后，波士頓動(dòng)力一直希望能夠開(kāi)啟商業(yè)化之路。2020年中旬，波士頓動(dòng)力首款商用機(jī)器狗Spot正式開(kāi)售，售價(jià)折合人民幣將近50萬(wàn)元。顯然這個(gè)售價(jià)很難給波士頓動(dòng)力帶來(lái)太多銷(xiāo)量。據(jù)彭博社報(bào)道，截至2020年底，Spot僅被賣(mài)出了大約400臺(tái)。

與波士頓動(dòng)力漫長(zhǎng)的商業(yè)化之路相對(duì)應(yīng)的是，開(kāi)發(fā)機(jī)器人需要大量的投入?；蛟S正是因?yàn)檫@個(gè)原因，讓軟銀最終選擇將波士頓動(dòng)力出售。2020年底，現(xiàn)代汽車(chē)集團(tuán)宣布將收購(gòu)波士頓動(dòng)力。今年6月份，現(xiàn)代正式宣布從軟銀手中購(gòu)得了波士頓動(dòng)力80%的股份，獲得波士頓動(dòng)力的控股權(quán)。

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

兩周前，波士頓動(dòng)力展示了Atlas的最新成就——跑酷。這段視頻里，它連續(xù)地越過(guò)臺(tái)階，跑過(guò)斜坡，走過(guò)平衡木，甚至還單手支撐身體越過(guò)橫桿，一系列動(dòng)作下來(lái)靈巧度不輸人類(lèi)。

波士頓動(dòng)力的工程師還透露，這一代的Atlas并非像以前一樣通過(guò)事先編程完成整條路線(xiàn)，而是靠它自身的傳感器感知環(huán)境，從而自主行動(dòng)。

盡管Atlas已經(jīng)能夠如此流暢地跑酷，但摔跤對(duì)它來(lái)說(shuō)依舊是一件不可避免的事情。跑酷過(guò)程中Atlas仍會(huì)失去平衡而摔倒，甚至有時(shí)為它提供動(dòng)力的液壓管會(huì)突然爆裂，讓它瞬間“癱瘓”在地。

Atlas正是在不斷地摔跤中逐漸從蹣跚學(xué)步成長(zhǎng)到可以流暢跑酷。在波士頓動(dòng)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(hào)。

對(duì)于波士頓動(dòng)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(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的一部分，這讓Atlas身上需要改進(jìn)的地方得以暴露，為他們提供了改進(jìn)機(jī)器人的機(jī)會(huì)。

二、五年時(shí)間，環(huán)境感知和適應(yīng)性得到提升
對(duì)Atlas來(lái)說(shuō)，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(guò)程中摔跤是頭等大事。為了做到這一點(diǎn)，從它對(duì)環(huán)境的感知能力到對(duì)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(shí)，它自主行動(dòng)的能力也得到了增強(qiáng)。

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(guò)程中身體仍較為僵硬，在快要摔倒的時(shí)候無(wú)法調(diào)動(dòng)全身，只會(huì)通過(guò)改變步伐來(lái)重新尋找平衡。它的雙臂更是像“焊死”了一樣，一動(dòng)不動(dòng)，因此網(wǎng)友評(píng)價(jià)它說(shuō)像極了一個(gè)醉漢。

走路踉踉蹌蹌的Atlas

在接下來(lái)的幾年內(nèi)，Atlas逐漸學(xué)會(huì)了揮動(dòng)雙臂來(lái)保持身體平衡，對(duì)全身的調(diào)動(dòng)也變得越來(lái)越靈活，甚至學(xué)會(huì)了倒立、跳馬、跳舞和跑酷，其動(dòng)作越來(lái)越接近人類(lèi)。

然而，這并非單純的對(duì)人類(lèi)的模仿。機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)和人類(lèi)有很大差別，比如它沒(méi)有脊椎和肩胛骨，同時(shí)手臂也相對(duì)較為脆弱。因此團(tuán)隊(duì)必須不斷地在它的尺寸和復(fù)雜性之間對(duì)它的重量、強(qiáng)度、活動(dòng)能力等各種要素進(jìn)行權(quán)衡，并對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)更好的協(xié)調(diào)它的各種動(dòng)作。

盡管跑酷是一項(xiàng)小眾運(yùn)動(dòng)，但是它作為一項(xiàng)需要調(diào)動(dòng)全身的活動(dòng)，要求Atlas做到在各種條件下保持身體平衡，并做到在各種動(dòng)作之間的無(wú)縫切換，這為Atlas團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)完美的測(cè)試條件。

波士頓動(dòng)力在IEEE Spectrum的一次采訪(fǎng)中提到，Atlas開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)正在利用跑酷來(lái)推動(dòng)Atlas處理更多復(fù)雜的動(dòng)態(tài)行為，目前仍只是一個(gè)開(kāi)端，在接下來(lái)的幾年內(nèi)它將學(xué)會(huì)利用手臂拓展更多活動(dòng)能力。

2、從提前預(yù)設(shè)行動(dòng)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(huì)感覺(jué)Atlas在最近幾年的進(jìn)步?jīng)]那么明顯。比如，在2017年的時(shí)候Atlas就能夠在臺(tái)階之間跳躍，還能進(jìn)行后空翻。一年后，它又學(xué)會(huì)了一邊跑步一邊躍上幾層臺(tái)階。在這樣的成長(zhǎng)軌跡下，Atlas學(xué)會(huì)“跑酷”似乎也是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?。然而，Atlas實(shí)現(xiàn)這一系列動(dòng)作背后的基本過(guò)程已經(jīng)發(fā)生了巨大的改變。

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

在A(yíng)tlas最近的這次跑酷中，研究團(tuán)隊(duì)已不需要提前對(duì)它的行動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。在跑酷之前，研究團(tuán)隊(duì)為Atlas提供了一張高級(jí)地圖，其中大致描述了它的行動(dòng)路線(xiàn)和相應(yīng)位置應(yīng)該做出的動(dòng)作。跑酷過(guò)程中Atlas利用這些信息來(lái)為自己導(dǎo)航，并且它可以對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，根據(jù)實(shí)時(shí)感知到的數(shù)據(jù)自主規(guī)劃整個(gè)行動(dòng)以完成挑戰(zhàn)。

Atlas執(zhí)行的每個(gè)動(dòng)作都源自其行為庫(kù)中的動(dòng)作模板，它可以根據(jù)目標(biāo)情況自主從庫(kù)中選擇相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行。跑酷過(guò)程中，Atlas的模型預(yù)測(cè)控制器（MPC）會(huì)調(diào)整其發(fā)力、姿勢(shì)、動(dòng)作發(fā)生時(shí)機(jī)等細(xì)節(jié)，來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境、腳滑等各種可能實(shí)時(shí)出現(xiàn)的因素。這意味著研究人員不必為Atlas的行動(dòng)逐個(gè)調(diào)整細(xì)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(cè)下一步的行動(dòng)，比如它知道了這次跳躍后是一個(gè)后空翻后，就可以自動(dòng)地創(chuàng)建從一個(gè)行為到下一個(gè)行為的過(guò)渡，使每一步動(dòng)作都自然的連貫起來(lái)。

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(dòng)，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(dá)和立體傳感器，這能夠幫助它躲避障礙物、識(shí)別地形變化、輔助導(dǎo)航等。在2018年的迭代中，Atlas可以利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)標(biāo)記和定位自己，以幫助其在跑步和跳躍過(guò)程中準(zhǔn)確定位落腳點(diǎn)。

但是這還遠(yuǎn)不能支撐Atlas自主行動(dòng)，它需要將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)決策和規(guī)劃身體動(dòng)作有用的信息，以識(shí)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(diǎn)云（point clouds）。點(diǎn)云是大量測(cè)距結(jié)果的集合，Atlas獲取到環(huán)境的點(diǎn)云后，它的感知軟件會(huì)利用一種稱(chēng)作多平面分割（multi-plane segmentation）的算法從中提取平面，并輸入到一個(gè)映射系統(tǒng)中，構(gòu)建出Atlas看到的不同對(duì)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(guò)程中正是基于它構(gòu)建的這個(gè)模型來(lái)規(guī)劃路徑，計(jì)算每一步的落腳點(diǎn)。

三、Atlas機(jī)器人如何感知世界
機(jī)器人該怎么樣才能像運(yùn)動(dòng)員一樣奔跑、翻轉(zhuǎn)、跳躍？創(chuàng)造這些高能演示的是一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)，但波士頓的技術(shù)目標(biāo)不僅僅是創(chuàng)造一場(chǎng)華麗的表演。在A(yíng)tlas項(xiàng)目中，他們以跑酷為實(shí)驗(yàn)主題，通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，感知和控制之間的聯(lián)系，來(lái)研究相關(guān)的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決有助于機(jī)器人更加順暢的運(yùn)行。

機(jī)器人感知算法會(huì)被用到相機(jī)和激光雷達(dá)等傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對(duì)策和規(guī)劃物理行動(dòng)中。雖然Atlas使用IMU、關(guān)節(jié)位置和受力傳感器來(lái)控制其身體并感受地面獲得平衡，但Atlas還需要感知算法來(lái)識(shí)別障礙物，如圖1中看到的木箱和窄橋。

Atlas使用深度相機(jī)以每秒15幀的速度生成環(huán)境點(diǎn)云。點(diǎn)云是距離測(cè)量數(shù)據(jù)的集合。Atlas的感知軟件使用多平面分割的算法從點(diǎn)云中提取表面。接著算法輸出的數(shù)據(jù)被輸入地圖系統(tǒng)，最后系統(tǒng)幫助Atlas用相機(jī)看到不同物體建立模型。

為了擴(kuò)展跑酷課程，機(jī)器人被導(dǎo)入一張高級(jí)地圖，其中包括命令它去哪里，以及路上應(yīng)該做什么動(dòng)作。這張高級(jí)地圖與實(shí)際課程不完全一致，它是對(duì)障礙物位置和一些主要?jiǎng)幼鞯暮?jiǎn)要描述。所以Atlas會(huì)使用這些簡(jiǎn)要的信息來(lái)導(dǎo)航，同時(shí)使用實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)來(lái)填充細(xì)節(jié)。例如，Atlas尋找一個(gè)可以跳躍的盒子，如果盒子移動(dòng)到側(cè)面0.5米，Atlas會(huì)在那里找到并調(diào)整姿勢(shì)。如果盒子移動(dòng)得太遠(yuǎn)，系統(tǒng)找不到它就會(huì)停下來(lái)。

機(jī)器人在跑酷障礙跑道上看到的內(nèi)容和機(jī)器人通過(guò)內(nèi)容反饋的計(jì)劃。主動(dòng)跟蹤的物體被繪制成綠色，當(dāng)物體的距離超過(guò)感知范圍時(shí)，圖標(biāo)就會(huì)從綠色變成紫色。跟蹤系統(tǒng)也會(huì)不斷跟進(jìn)物體的姿態(tài)傳給導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)通過(guò)地圖上的信息設(shè)計(jì)好對(duì)應(yīng)物體的綠色腳印。

為未來(lái)奠定基礎(chǔ)
研究人員對(duì)Atlas系統(tǒng)中創(chuàng)建和控制動(dòng)態(tài)行為（也包括舞蹈）有了深刻的理解。但更重要的是，創(chuàng)造了一個(gè)可擴(kuò)展軟件系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，也讓Atlas系統(tǒng)通過(guò)感知自身環(huán)境做出改變，這個(gè)系統(tǒng)將與他們的團(tuán)隊(duì)一起成長(zhǎng)。