DARPA地下挑戰(zhàn)賽對自主機器人的未來有何意義。

在美國肯塔基州路易斯維爾的地下深處，有一個巨大的石灰?guī)r洞穴網(wǎng)絡。洞穴里漆黑、潮濕，滿是灰塵。2021年9月的一個星期，這里擠滿了世界上最先進的機器人。這些機器人（及其人類隊友）匯聚在此是為了征服美國國防高級研究計劃局（DARPA）設計的一個大型地下賽道，這也是其為期三年的地下挑戰(zhàn)賽（SubT）的最終目標。

地下挑戰(zhàn)賽于2018年初首次發(fā)布。DARPA設計該競賽的目的是推動極端條件下實用機器人技術的發(fā)展，競賽基于3種不同的地下環(huán)境：人造隧道、地下城市和天然洞穴。為了取得好的比賽成績，機器人必須進行團隊合作，在嚴格規(guī)定的時間內穿越數(shù)公里的未知區(qū)域并繪制出地圖，搜索找到各種人造物品，并精確地確定它們的位置。為了更逼真地模擬應急人員可能使用自主機器人的場景，機器人要經(jīng)歷黑暗、灰塵、煙霧，甚至間或會阻塞它們行進的崩塌（由DARPA控制）。

本次大賽的直接資助加獎金 額達到數(shù)百萬美元，DARPA鼓勵國際頂級學術機構和行業(yè)開展合作。各參賽隊可在三場巡回預賽中體驗每種環(huán)境。

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2019年8月，隧道巡回賽在匹茲堡郊外的美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所的實驗煤礦舉行，比賽期間，許多參賽團隊在隧道的第一個拐彎處就與機器人失去了聯(lián)系。6個月后，城市巡回賽在華盛頓州薩特索普一座未完工的核電站舉行，參賽團隊通過各種方式加強了通信能力，有的采用直接的以太網(wǎng)電纜，有的使用電池供電的網(wǎng)狀網(wǎng)絡節(jié)點，在理想的情況下，機器人走出通信范圍之前，會像扔面包屑一樣沿途扔下網(wǎng)絡節(jié)點。洞穴巡回賽原定于2020年秋季舉行，后因新冠疫情而取消。

當各支參賽隊伍進入路易斯維爾巨洞，參加地下挑戰(zhàn)賽決賽時，比賽的重點將不再是通信，而是自主性。和預賽一樣，參賽人員不允許進入賽道，而且每隊只允許一人與該隊的機器人進行遠程交互，因此直接遠程控制是不切實際的。很明顯，快速穿越賽道唯一的可行辦法是機器人團隊自主決定往哪里走、如何到達那里。 DARPA為地下挑戰(zhàn)賽決賽費盡了心思，在現(xiàn)有洞穴中建造了一條長達1公里的巨大賽道。工作人員用集裝箱首尾相連形成復雜的網(wǎng)絡，其中許多經(jīng)過精心雕琢和裝飾，很像采礦隧道和天然洞穴。辦公室、倉庫，甚至是一個地鐵站，都是從零開始建造的，它們構成了賽道的城市部分。各參賽團隊可用1個小時的時間盡可能多地找到40件人造物品。想要在比賽中得分，機器人必須向賽道入口處的基站報告物品的位置，這是一個挑戰(zhàn)，因為在賽道的遠端無法實現(xiàn)直接通信。 ? ?

共有8支隊伍進入了地下挑戰(zhàn)賽決賽，其中大多數(shù)都帶來了精心設計的可協(xié)同工作的機器人組合。輪式機器人的移動性更加可靠；四足機器人有令人驚訝的能力，尤其是在復雜地形中；無人機則可對一些大的洞穴進行全面的探測。

到?jīng)Q賽結束時，有兩個參賽團隊分別發(fā)現(xiàn)了23件物品：Cerberus團隊，由內華達大學里諾分校、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、挪威科技大學、加州大學伯克利分校、牛津機器人研究所、Flyability無人機公司，以及內華達山脈公司的研究人員組成；CSIRO Data61團隊，由澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSIRO）的Data61部門、Emesent公司，以及佐治亞理工學院的研究人員組成。兩隊得分相同，觸發(fā)了打破平局的規(guī)則：哪支隊伍最快找到最后一件物品？最終Cerberus獲得了第一名，它只比CSIRO快了46秒。 ? ?

盡管排名第二，但CSIRO團隊的機器人取得了一項驚人成績：它們繪制的賽道地圖與DARPA的真實地圖相差不到1%，與人類專家團隊花了許多天繪制的地圖實際上完全匹配。這正是地下挑戰(zhàn)賽想要激發(fā)的那種實在的、基本的進步，負責此次挑戰(zhàn)賽的DARPA項目經(jīng)理蒂姆?鐘（Tim Chung）說。

“地下發(fā)生的事情太多了，很多事情我們通常還沒有考慮太多，但如果你看看我們在地下修建的基礎設施數(shù)量，真的是非常龐大。”鐘對《科技縱覽》說，“在地下環(huán)境中，我們有很多能夠感知、理解和導航的機會，有工程集成挑戰(zhàn)以及基礎設計挑戰(zhàn)，還有我們尚未解決的理論問題。這些都是DARPA最感興趣的問題，因為這將在5年、10年，最多15年里，改變機器人技術的面貌。”

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《科技縱覽》當時在路易斯維爾報道了地下挑戰(zhàn)賽決賽，近期，圍繞地下挑戰(zhàn)賽的參賽經(jīng)歷，以及該賽事對機器人技術未來的影響，我們采訪了蒂姆?鐘、CSIRO Data61團隊負責人納文達?科特奇（Navinda Kottege）和Cerberus團隊負責人科斯塔?亞歷克西斯（Kostas Alexis）。 ?

DARPA有幾百個項目，但大多數(shù)項目都沒有百萬美元獎金和持續(xù)多年的國際比賽。地下挑戰(zhàn)賽有何特別之處呢？ 蒂姆?鐘：DARPA的理念時常會帶來一種完全不同的創(chuàng)新刺激模式。當知道在某個領域即將取得突破，但不確定該突破將如何發(fā)生，而廣泛公告然后選擇方案這種傳統(tǒng)的DARPA項目模式可能會限制創(chuàng)新時，我們將為尋求創(chuàng)新而采用某種不同的模式。DARPA認為，地下挑戰(zhàn)賽正有這樣的作用，它可以吸引機器人行業(yè)群體解決我們預期有影響的問題，比如，在嚴峻環(huán)境中的恢復力、自主性和感知力。而且你能發(fā)現(xiàn)這些技術挑戰(zhàn)交織在一起的地方就是地下。

這些團隊在自主繪制環(huán)境地圖方面的技能令人印象非常深刻，您能談談嗎？ 蒂姆?鐘：我們請了一個專家團隊，他們擁有專業(yè)的測繪設備，并花了很多天的時間制作出一張精確校準真實賽道的地下挑戰(zhàn)賽賽道地圖。然后在比賽中，我們看到這些機器人在不到一個小時的時間里，幾乎完全覆蓋了整個賽道，我簡直不敢相信那些點云有多完美！（見下面點云圖）我覺得這真的是一種“加速劑”。可以信任地圖時，你就有了更多可執(zhí)行的環(huán)境感知。這不是一個已經(jīng)解決的問題，但當你達到我們在地下挑戰(zhàn)賽中看到的精確程度，那就是一種有潛力解鎖未來各種創(chuàng)新的門戶技術。

自主性是地下挑戰(zhàn)賽的必要組成部分，但讓人參與其中依然至關重要。您認為人會繼續(xù)成為高效機器人團隊的必要組成部分嗎？還是說未來將是完全自主的？

蒂姆?鐘：在早期比賽中，我們看到了很多手把手的指導，操作員給機器人發(fā)出低級指令。但各參賽隊伍很快意識到，他們需要一種更自主的方法。不過，實現(xiàn)中很難實現(xiàn)完全自主，我認為人將繼續(xù)扮演一個很重要的角色，只不過這個角色需要進化和轉變，專注于人類最擅長的事情。 我認為，人從操作員進步到監(jiān)管員，這將擴展人-機器人團隊能夠執(zhí)行的任務類型。在決賽中，我們看到機器人在賽道上探索和尋找人造物品，而監(jiān)管員則在忙于其他事情，甚至沒有關注機器人。這太酷了。機器人在做它們需要做的事情，讓人有時間進行高級決策。從基本的遠程遙控到“機器人做機器人的事，我做我的事”，這是一個巨大的變化。機器人必須變得能力更強，（人類）才能從操作員過渡到監(jiān)管員。

在地下環(huán)境中，機器人還面臨哪些挑戰(zhàn)？ 蒂姆?鐘：關于環(huán)境可通過性的分析和推理仍然是一個問題。機器人如果能更多地了解它們在哪里行者、在哪里繞圈飛行，將能以更快的速度通過這些環(huán)境。盡管在測繪方面它們比人快了一到兩個數(shù)量級，但機器人的行動速度仍然相對較慢。提高一個數(shù)量級將真正有助于改變局面。速度將成為決定性的促成因素，并對緊急救援場景產(chǎn)生巨大影響，那里每分鐘都很重要。

您認為地下挑戰(zhàn)賽已經(jīng)或將要對機器人技術產(chǎn)生哪些影響？ 蒂姆?鐘：在我看來，地下挑戰(zhàn)賽中使用的許多技術正在實現(xiàn)產(chǎn)品化和商業(yè)化，這意味著機器人到達緊急救援人員手中的時間已經(jīng)大大縮短。這些已經(jīng)發(fā)生，而且比賽期間正在發(fā)生，這真的是一個巨大的影響。 ? ?

機器人在地下操作有哪些困難和重要性？

納文達?科特奇：事實上，我們身處地下環(huán)境是挑戰(zhàn)的一方面，也是一個非常重要的方面，但如你把它分解來看，地下挑戰(zhàn)賽意味著我們身處的環(huán)境中，GPS不可用，無法通信，我們面臨著非常困難的移動性挑戰(zhàn)。在其他許多情形中也會遇到這些事情，例如，福島核事故雖然不是發(fā)生在地下，但要想派機器人進入，通信是一個巨大的問題。再比如亞馬遜雨林，在那里也會遇到類似的通信和移動性困難。因此，我們開發(fā)的不斷成熟的每項組件技術都將在其他許多領域得到應用，而不僅限于地下。

在人-機器人團隊中，人的恰當位置在哪里？ 納文達?科特奇：人有兩個極端的位置。一個是你按下按鈕，機器人就會去做它們的事情；另一個是我們所說的“人在回路中” （human in the loop），因為機器人大體上是通過高級命令實現(xiàn)遠程控制的。但是，如果人離開回路，回路就會中斷，系統(tǒng)就會停止，在脆弱的通信中，我們經(jīng)歷過這種情況。這中間地帶是“人在回路上”（human on the loop）的概念，即由一個監(jiān)管員設置任務級目標，但如果人離開回路，回路仍然可以運轉。人的價值增加了，因為他們能更好地概覽整個場景中發(fā)生的事情，這是人非常擅長的事情。 ?

地下挑戰(zhàn)賽對機器人技術的發(fā)展有哪些影響？

納文達?科特奇：要使現(xiàn)場機器人取得成功，需要許多項技術協(xié)同運行。我想這就是非常復雜的地下挑戰(zhàn)賽迫使我們做的事情。能夠在真實場景中可靠地部署機器人這個整體概念，對我們來說是關鍵。回顧我們團隊的發(fā)展，3年前我們有一些很酷的零散技術，但如果沒有人去維護，我們的機器人系統(tǒng)的可靠工作時間無法超過。這是我們取得的最大進步之一，現(xiàn)在繼續(xù)這項工作時，我們不必再考慮如何部署機器人，也不用擔心如果我們10分鐘不管它們，它們會不會毀了自己。為了在地下挑戰(zhàn)賽取得成功，我們不得不設計和制造魯棒可靠的系統(tǒng)，正因如此，我們才擁有了這樣的技術成熟度。下一步開始關注的問題是：當你擁有一支可靠的自主機器人戰(zhàn)隊，你能做什么？ ?

? 您的機器人團隊繪制的賽道地圖與DARPA官方地圖相差不到1%，真是太了不起了。 納文達?科特奇：最后一場比賽剛結束，DARPA聘請繪制地下挑戰(zhàn)賽賽道真實地圖的公司立刻聯(lián)系了我。他們使用非常昂貴的設備，花了100個工時才制作出他們的地圖，他們想知道我們究竟是如何在不到1個小時的時間里用一群機器人繪制出地圖的。這是個好問題！但要知道，我們這1小時的繪圖15年研發(fā)的結果。 理論上可行與現(xiàn)實世界中切實可用是不一樣的。在早期階段，我們的軟件是成功的，我們認為它達到了所有的理論里程碑。后來我們開始把它應用到現(xiàn)實世界，在非常困難的環(huán)境中進行測試，在那里開始尋找它出現(xiàn)問題的各種臨界情況。基本上，在過去的十幾年里，我們試圖盡可能多地突破繪圖系統(tǒng)的極限，使它變成了一個真正設計精良的解決方案。老實說，看到我們繪圖系統(tǒng)的成果時，我們仍然會感到驚訝！ ?

? 是什么讓您決定參加地下挑戰(zhàn)賽？ 科斯塔?亞歷克西斯：激勵每個參賽人員的是對自主機器人的理解，這項挑戰(zhàn)賽是極其困難和有價值的。我們知道，如果有人陪伴或遙控，機器人系統(tǒng)可以在這些環(huán)境中運行，但我們也知道，我們距離完全自主還很遠。而且我們明白機器人代替人類進入危險場景的價值。正是這種社會影響和技術挑戰(zhàn)的結合吸引了我們，尤其是在這樣一個競爭環(huán)境下，你不能只在實驗室里工作、寫論文，你必須開發(fā)出一種能一直堅持到底的東西。

對您的團隊來說，地下挑戰(zhàn)賽最具挑戰(zhàn)性的部分是什么？ 科斯塔?亞歷克西斯：我們目前可以在類似于辦公環(huán)境的正常場景中操作機器人，但地下挑戰(zhàn)賽提出了許多挑戰(zhàn)。首先，依靠與機器人的通信是不可行的。其次，地形也非常復雜。通常，對機器人困難的地形對人來說可能很容易，但面對天然洞穴地形時，我第一次覺得這對人類來說也是一個挑戰(zhàn)。第三，挑戰(zhàn)賽擁有的是一公里的環(huán)境規(guī)模。機器人必須在其自主性和功能性方面表現(xiàn)出一定程度的魯棒性和智能性，而當時最先進的機器人技術也無法做到這一點。地下挑戰(zhàn)賽很了不起的一點是，DARPA在一開始時就知道機器人技術尚不具備這種能力，但依然堅持要我們在接下來的3年里，打造一支有競爭力的機器人團隊。我認為這種方法對所有參賽團隊都很有效，對加速研究有著極大的推動作用。

隨著機器人變得更加自主，人將發(fā)揮哪些作用？ 科斯塔?亞歷克西斯：事實上，現(xiàn)在我們可以從機器人那里得到非常好的地圖，我們可以進行目標檢測，等等。但是，我們沒有辦法將環(huán)境中的所有物體關聯(lián)起來，與物體進行可能的交互。因此，盡管我們可以通過機器人繪制出令人驚嘆、漂亮、精確的地圖，但推理仍是薄弱環(huán)節(jié)。 時間非常關鍵。如果我們要執(zhí)行一項任務，在沒有時間限制的情況下，要想對一個地方進行完全探測和覆蓋，可能不需要人參與，完全可以實現(xiàn)自動化。但如果時間是一個限制因素，而我們又想盡可能多地探索，那么人利用數(shù)據(jù)推理的能力是非常有價值的。即使有時我們能讓機器人表現(xiàn)得和人一樣好，但這種能力也不一定能轉變到新的環(huán)境。 ?

? 另一方面是社會因素。我們制造機器人來為我們服務，對于所有這些關鍵操作，作為一名機器人專家，我知道是人在做最后的決定。 您認為地下挑戰(zhàn)賽能夠解決機器人技術遇到的重要挑戰(zhàn)嗎？ 科斯塔?亞歷克西斯：有一件事，我為我的團隊感到非常自豪，那就是地下挑戰(zhàn)賽證實，在任何條件下，都可以部署腿式機器人系統(tǒng)。（Cerberus團隊在決賽中部署了瑞士機器人公司ANYbotics的4個ANYmal C四足機器人。）在地下挑戰(zhàn)賽之前，我們知道腿式機器人在研究領域非常出色，但現(xiàn)在我們還知道，如果需要應對復雜的地面或地下環(huán)境，那么把腿式機器人與無人機結合起來，可以做得更好。 ?

地下挑戰(zhàn)賽推動了一些技術的發(fā)展，我們什么時候才能看到實際的應用？

科斯塔?亞歷克西斯：我認為通過地下挑戰(zhàn)賽實現(xiàn)商業(yè)化的速度比通常的研究活動要快得多。我的觀點，時間尺度可以按月計算，也許是一年左右，不會是很多年，通常我在這方面比較保守。 在救災方面，我們關注的是責任。我們要系統(tǒng)達到幾乎100%可靠。這就涉及很多方面，因為你要展示、認證和保證你的系統(tǒng)能夠在各種不同用例中工作。關鍵的問題是：你能信任它嗎？這需要很長時間。DARPA通過地下挑戰(zhàn)賽打造了一個廣闊的前景。我相信會找到實現(xiàn)這一愿景的途徑，但在用于救災之前，我們將首先在工業(yè)中看到這些機器人。 作者：Evan Ackerman

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編輯：黃飛

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