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我想讓幾何機器人摸爬滾打,成為美麗的強者造福人類

本文為2019年6月23日“我是科學家”演講活動第十二期——從達·芬奇到愛因斯坦 | 姚燕安 演講實錄:

能搶險救援,能探測星球,甚至維護世界和平…“幾何機器人“究竟能有多強大的力量?北京交通大學機械與電子控制工程學院教授、北京交通大學機器人研究中心執行副主任姚燕安和我們分享:《我想讓幾何機器人摸爬滾打,成為美麗的強者造福人類》。

我是姚燕安,來自北京交通大學機械與電子控制工程學院和北京交通大學機器人研究中心。

機器人,大家應該都不陌生。傳統的機器人概念,是人形機器人(又名兩足機器人、足式機器人或仿人型的機器人),有兩條腿。也包括機器動物,比如著名的美國波士頓動力公司開發了一種仿大狗的機器人,叫做Big Dog。再廣義一些,也包括仿蛇形的機器人。

從機器人研究專家角度來看,其實還有一種仿生形的機器人——輪式、履帶式或者球形的小車,給它裝上攝像頭,它就有一定對環境感知的能力;再裝上車載的計算機,它就能夠進行自動決策和判斷。

所以,機器人是一個更為廣義的家族概念。

“幾何機器人”是我自己起的名詞,是一類完全新概念的機器人。

這是我們一款三角形的機器人。三角形的結構很穩固,但我把三角形機器人做成可變形,三條邊都可以伸縮,三個角都可以變化。然后給它裝兩只腳,它就變成了一個可以步行的三角形機器人。

這是一款四邊形機器人。大家能注意到,它一會變成正四邊形,一會變成平行四邊形,在地上滾動。

輪子大家應該都很熟悉,如果說它是世界上最偉大的發明,估計大多數人也沒有異議。輪子的幾何形狀其實很簡單,就是個圓形或者圓柱體。但有了輪子,汽車就可以用來載重,可以高速行駛,整個推動了人類文明的進步。所以我一直開玩笑,說這個能滾動的四邊形機器人是我最偉大的發明。

輪子適合很硬的路面,比如高速公路;但是它不適合松軟的野外路面。這種四邊形的機器人,以及我們后面會看到更復雜的可以變形的機器人,可以適應更復雜的地形。

我把這一類機器人叫做多邊形機器人,這里展示的是六邊形機器人。它是個六邊形,但是可以一會變成三角形,一會變成四邊形,還可以往左滾,往右滾。

這是我的孩子剛剛上初中的時候,我們給拍的錄像,他現在已經上大學了。畫面中他在指揮這個機器人,一會讓它向左走,一會讓它向右走,像交警在指揮交通一樣。

這就有了一個很重要的機器人的概念:變形機器人。它的形態可以變化。

在初中,我們就學了平面幾何,上面展示的是一部分平面幾何的機器人;而高中,我們開始學立體幾何了,所以也設計了一些立體幾何機器人。

這是四面體機器人。當它站得比較正的時候,是一個標準的四面體。四面體由四個三角形構成,我把這四個三角形都做成可變形的三角形,就變成一個可以變形的四面體機器人。這樣,它整體的高度和寬度就可以變化,很適合進行一些摸爬滾打的活動,比如爬山、鉆洞。

還有更復雜的。這是雙正交的四邊形。

這個叫削棱截角多面體。

這個是雙三角錐,它由兩個四面體組合構成。

我們實驗室還開發了更為復雜的變形機器人。

有一種拓撲幾何,是拓樸學跟幾何學的融合,是研究形狀在變化過程中性質的一門學科。像我們也設計了幾款拓撲幾何的機器人。

像這款機器人,它是個橢球形,但是可以展開變成一個多面體。大家可能會很奇怪,怎么用啊?現在是把它做成炮彈。用炮彈把它打出去,讓機器人展開,落地之后再爬山越嶺、適應復雜的地形。

這是變形金剛,它本來是一個多面體,沒有手,沒有腳。但是我們可以通過變形,把它變出手或腳出來。它可以滾,也可以用手腳去攀爬。

這是我們目前正在做的另外一款變形金剛。變形金剛一般是把汽車變成汽車人,我們這個要復雜得多,有很多復雜的多模塊組合。

除了平面幾何、立體幾何、拓撲幾何,我們還研究了更為復雜的高維幾何。

我們的物理世界是三維空間,用X、Y和Z三個笛卡爾坐標系就可以表達。但是愛因斯坦發現,實際上我們的世界不是三維空間,而是四維時空。像現在也有一些著名的幾何學家、數學家,比如哈佛大學著名的華人教授丘成桐,他就在研究十一維的幾何空間——他認為宇宙可能有十一個維度。

我的研究借鑒了高維幾何——專門有高維幾何這個學科。我一直認為數學好像遠遠領先于我們其他的學科,包括機器人、物理和化學。愛因斯坦在研究相對論的時候,他發現還沒有很好的數學工具能描述四維時空,才去尋找四維幾何學。實際上,幾何學家早已經把非歐幾何、四維幾何準備好了。后來愛因斯坦掌握四維幾何之后,就很快解決了相對論的問題。

這是我們做的一款非常玄妙的機器人,它起自于四維空間,叫雙多棱柱。大家看到,它里面是個小的三棱柱,外面是個大的三棱柱。在運動過程中,里面的三棱柱可以伸出來把外面的三棱柱吞掉,外面變成里面,里面變成外面。非常有趣,也非常玄妙。

其實四維空間很重要的特性,就是內外不分,內外一體。

曾經有一位氣功師張寶勝,有段時間非常有名,他聲稱可以把一個封閉瓶子里面的藥片抖出來——這在三維空間里顯然做不到,你除非把瓶子破壞掉。我們后來知道,這位先生是在變魔術。

實際上,四維空間的幾何學真的有這種特性,比如說克萊因瓶,它真的是內外相通的。

我們團隊正在進行一項更為復雜的工作,我把它叫做“超(機器)人”,用術語描述是“極端地形可重構多模式機器人”。

這是仿真錄像(左圖)和第一代實驗樣機(圖右)。它的外形是多面體,可以近似球形——靈活,有全向移動能力,但不是很容易控制;也可以變成履帶式——滾動行走,適應比較松軟、崎嶇的地形;也可以變成輪子——快速滾動。此外,在硬路面上(如高速公路),它還可以變出腿和腳去攀爬。

它有一個很獨特的特性:可以折疊起來,堆在一起——很適合隱蔽、隱藏或者運輸、投擲的工作。

這樣,它就具備了內在變拓撲、外部變形態的特點。我希望用它來克服極端復雜的地形:需要快的時候就變成輪子或球形,需要跨越松軟地形就變成履帶或蛇形,需要攀爬臺階、壕溝、垂直墻等離散障礙就變出腿腳。

從提出幾何機器人的概念到今天,我做了有十五、六年的研究。不斷有人問我:你提的這個幾何機器人,有什么用?

我也經常開玩笑回答——

幾何學的創始人是古希臘偉大的哲學家、數學家歐幾里得,他寫了一本《幾何原本》,在柏拉圖的幾何學園里來教幾何學。

有一天,一個年輕人問歐幾里得:我跟你學幾何學,有什么用?

歐幾里得就對站在他旁邊的學生說:給這個小伙子三個硬幣,讓他走吧,他想從幾何學里面學到實際的利益。

對此,我的理解是:柏拉圖、歐幾里得這些偉大的數學家、哲學家、科學家,他們很不希望自己的學問被看作是實用的、技術性的技巧。但是我們知道,除了古希臘之外,其他文明古國(古印度、古巴比倫、古埃及,包括古中國)實際上都把幾何學作為測地術——用來丈量土地、蓋房子。

其實幾何學是非常有用的學問,古希臘的哲學家、數學家他們試圖用它來研究宇宙的結構,探索神是怎么創建宇宙的。當時柏拉圖就提出來:宇宙是由五個正多面體(正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體和正二十面體)構成的——多面體有很多,但正多面體只有這五種。他認為,正四面體代表火,正六面體代表土,正八面體代表空氣,正二十面體代表水;后來他的學生提出來,正十二面體代表上帝的一種元素“以太”。

我們做的幾何機器人,它具有無用的一面,也確實有實用的一面。我在實用方面的探索,是希望把它作為探索極端地形的機器人。

這是2008年汶川地震的一張照片,當時我正在德國做訪問學者。其實本來蜀地就沒有什么路,山很陡峭——“蜀道之難,難于上青天”。地震把僅有的路面嚴重破壞了,所以地面的救援車輛根本過不去。天氣很惡劣,地形很復雜,直升機也不敢降落,就只能靠士兵攀爬。士兵需要背很多很重的救援物資,速度很慢,也很危險——真的讓人很揪心。

當時我在德國,遠水解不了近渴,也沒有辦法。但是我給坦克裝甲車研究所的工程師打電話:裝甲突擊車那么厲害,能不能過這種地形?很遺憾,裝甲突擊車也過不去。

于是我就想,能不能做一款機器人,它能夠在這種復雜地形下通行自如,進行搶險救援?

陸軍在2016年辦了一個仿生機器人的挑戰賽,邀請了國內做仿生機器人比較強的團隊。比賽現場有好幾個仿美國大狗的機器人,而我們的鐵馬多足機器人有16條腿。

我們在一個山區里面比賽,這是當時的場景。鐵馬多足機器人跟大狗機器人采用了截然不同的設計原理,它每一只馬腿都由若干層的網格疊加,很復雜,也是我幾何機器人的一個延伸。最后,我們拿到了山地賽總分第一名,在載重和速度方面都超過了美國的大狗機器人。

很多人可能會奇怪:機器人是很典型的高科技,為什么又在做藝術?

我是這樣思考的:高科技往往很快就會被取代,比如手機,可能兩三個月就換代了,難以持久。但藝術是永恒的,比如李白的詩、齊白石的畫,可能有人類存在,藝術就會不斷地存在下去。那怎么在瞬態變化、日新月異的高科技之中,探索永恒不變的元素?

這也是引起我關于“藝術跟科技融合”探索的動機。

實際上,我主要受到這兩個人的啟發:塞尚和達·芬奇。

塞尚,西方把他稱為“現代藝術之父”和“新藝術之父”,他開創了包括立體主義、抽象主義等等現代藝術的畫風。他認為,圓柱、圓球和圓錐這些抽象的幾何元素更適合表達自然,更接近自然的本質。我跟塞尚學了一點點的皮毛,所以做出了圓柱形、圓球形和錐體的機器人。

另外,也受到了達·芬奇很深刻的影響。達·芬奇不僅是偉大的畫家,同時也是一位偉大的科學家——很多巧妙的裝置都是由他最初設計的。我從達·芬奇繪畫里得到最大的靈感是,一種運動的藝術。其實我最開始看《蒙娜麗莎》的時候,覺得好像也沒有很漂亮;但后來就越看就越入迷。我逐漸感覺到,達·芬奇的藝術造詣可能不是形態的、幾何學的漂亮,而是一種巧妙、精巧又玄妙的運動的藝術。

我也創造了一些具有運動藝術的機器人作品,比如雪花機器人,它是一個比較復雜的多邊形機器人。

我對流行歌曲不是很感冒。但當時聽到薩頂頂唱這首歌的時候,就很有感覺:思緒像飄揚的雪花,落在地面上,變成自由行走的花。我就想,是不是真的可以做一枝可以行走的花?

后來我就做出了可以行走的雪花,當然是很抽象的雪花的造型。我也請一個舞蹈家作為舞蹈老師,排了一個雪花機器人的舞蹈,并且請了小演員表演群舞。

機器人是一種智能的生命,它跟傳統的機器都不一樣。它有智能,有自主感知運動的能力,有可能跟人類是一樣的。那將來,機器人怎么跟人類去共融相處?所以我希望嘗試“人機融合”。

我們也嘗試借鑒了藝術領域的一些流派和風格,來做一些機器人藝術作品的創作。

比如,這是我和康奈爾大學教授、中央美院客座教授陳小文合作創作的撞南墻圓柱機器人。得知我的機器人是圓柱體,陳老師提議:能不能讓它去撞南墻?結果做出來的這款機器人就不斷地撞墻——撞完墻,退回來,再撞——我覺得有點“行為主義”的味道。

這是一個滑行四邊形機器人,其實在仿蛇形;但形是一條曲線,不是蛇形——神似形不似。

這個雙三角錐機器人,以數學圖陣里一個很著名的問題命名,叫Random Working。它有一個非常有意思的特性:可以在地面上隨機行走。

它像一個醉漢——一會清醒,一會糊涂,有時候第一步知道往哪里走,結果第二步就不知道了。

這個鼎是我的鎮宅之寶。我跟中科院自然科學史研究所張柏春所長非常熟,也認識一位用現代技術做鼎的蘇榮譽老師。所以有一次我們三人聊天,我就請兩位老師指導一下。

蘇老師很感興趣,說這個是行鼎;但是古鼎專家也沒有搞清楚到底什么是行鼎,因為出土文物很少。他說,這可能是世界上第一臺真正能走的鼎,干脆我給起個名字叫“姚氏行鼎”。但是張老師就質疑:鼎本來是靜物,一言九鼎,不能動——這晃來晃去算怎么回事?

張老師的話困擾了我很長時間,讓我好幾年都不敢往外推——我做的裝置不被科技史專家認可,大概也不太好辦。后來我想,牽強一點,干脆讓它“動如脫兔,靜如處子”——平常讓它不動,但每隔半個小時讓它出來轉一圈。

前段時間,我在798的成當代藝術中心舉辦了一個幾何機器人的科學藝術展,上圖是當時的一個展品。這雙鞋子實際上是個機器人,也可能是世界上最簡單的機器人,只有兩只腳——我把它簡化到只有兩只腳,連身子都沒有了。我做了機器人的骨架,后來陳老師幫它穿了兩只鞋,中央美院的幾個研究生也參與了創作。展出時只有一個電機,只用了一個馬達,很好地體現了極簡主義的風格。

我提出了MSEAP的理念,五個英文字母分別代表數學(Mathematics)、科學(Science)、工程(Engineering)、藝術(Art)和哲學(Philosophy)。靜態的幾何圖形,通過力學(代表科學),可以變成可動的物理裝置(即機器人),再通過工程的設計、制造、加工、檢測,可以變成實用的產品。我還要通過藝術的設計,使它更美妙,更符合美學的視角。另外,也希望融入哲學思想,使它具有普世性。整個過程,我把它概括為數學的嚴謹思維、科學的創新精神、工程的實踐能力、藝術的美學視角還有哲學的普世情懷。

幾何機器人有有用的一面,可以裝攝像頭,可以偵查探測,可以運載、運輸,也可以放槍、放炮。作為超級金剛、作為武器,它有強大的力量,可以救人,也可以殺人。

最初柏拉圖、歐幾里得這些古希臘偉大的數學家、哲學家,他們用幾何學來研究宇宙的結構和秩序;牛頓完全繼承了他們的衣缽,提出了萬有引力定律,認為萬物包括宇宙天體要有力來推動運動——這樣的話,整個宇宙其實變成了一部機器。在他們的基礎上,我稍微引申了一點點,把機器人引入到幾何學里面。

機器(包括汽車、飛機)是人設計和制造的,但是人和動物是進化來的,這是兩個不同的技術路線。那么,機器人將往哪里走?它是人造的,但又有智能,可能比人類更聰明。孩子被父母生出來之后,就可能不受父母控制了——機器人也可能如此。目前來看,機器人的體力已經超過了人,存儲、計算能力也超過了人(比如AlphaGo),實際上邏輯分析能力可能也已經遠遠超過人了。

我的看法是,機器人超過人是必然的,可能指日可待。這樣的話可能會引起很多人的憂慮和思考:如果機器人真的比我們還厲害、強大,它會不會對人類不利,甚至毀滅人類?

我很喜歡看武俠小說,一直很喜歡“強大的武功和力量掌握在正義之人手中”的劇情。比如降龍十八掌,這么強大的武功掌握在蕭峰手中,我們不會很擔心,但是如果掌握在星宿老怪手中,世界可能就會一團糟——我很希望強大的力量能夠掌握在正義的人手中。

我也非常喜歡《西游記》,這段時間我一直在研究它。大家都知道觀音菩薩是慈善和美麗的化身,但其實她也有非常強大的力量。孫悟空和觀音菩薩之間,曾經有過這么一段故事:觀音菩薩讓孫悟空拿她的玉凈瓶去對付紅孩兒。孫悟空就去抓,但根本抓不動,他就很不服氣,為什么菩薩輕輕一拎就能它拎起來了?菩薩說,你神通廣大,但只有擔山之力,沒有架海之力,玉凈瓶里裝的是五湖四海的水,你的力量還差很遠。

我希望我的機器人將來能成為菩薩一樣的美麗的強者,造福人類,維護世界和平。

謝謝大家。

演講嘉賓姚燕安:《我想讓幾何機器人摸爬滾打,成為美麗的強者造福人類》

The End

發布于2019-07-19, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

我的評論

我是科學家iScientist

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