本文來自于微信公眾號 機器之心(ID:almosthuman2014)，作者:微胖、蛋醬。

　　受自然界進化設計的啟發，使用進化算法的機器人自動化設計已經嘗試了二十年，但效率仍然低下。現在，從一塊肥皂狀物質到成功步行的機器人，AI 的整個設計過程在筆記本電腦(消費級硬件)上只用了26秒。

　　一直以來，設計一款機器人的難度是有目共睹的，這是由于機器人的物理結構、感官和運動布局以及行為之間存在著非常復雜的相互依存關系。迄今為止，每個機器人的眾多細節都會經由人類設計師數月或數年來的反復構思、原型設計和測試，最終手動確定。

　　此前，一些研究者也嘗試過利用進化算法自動設計機器人，但其效率仍然很低:在模擬中設計機器人，同時使這些機器人在制造出來后能表現出所需的行為，大概需要數天的超級計算時間。

　　最近，由西北大學研究人員領導的一個團隊開發了迄今為止第一個可以從頭開始設計機器人的 AI，相關研究于10月3日登上《美國國家科學院院刊》。

　　值得注意的是，這個 AI 是在普通的筆記本電腦上運行的，整個設計過程只用了26秒，而且研究者沒有提供任何設計方面的線索。也就是說，AI 自己領悟了「長腿」是穿越陸地的好方法。

　　當 AI 從零開始設計機器人

　　「我們發現了一種非常快速的 AI 驅動的設計算法，繞過了進化歷史上的漫漫長路，也不會依賴于人類設計師的偏見，」西北大學 Sam Kriegman 說。Sam Kriegman 是西北大學計算機科學、化學和生物工程以及機械工程的助理教授，也是機器人和生物系統中心( Center for Robotics and Biosystem)成員。

　　「我們告訴人工智能，想要一個可以在陸地上行走的機器人，然后按下按鈕，就可以了!一眨眼功夫就設計出一個機器人，看起來一點也不像曾經在地球上行走過的任何動物。我把這個過程稱為『即時進化』。」

　　一開始，研究人員給了 AI 一個簡單提示:設計一個可以在平面上行走的機器人。

　　雖然自然界花了數十億年的時間才進化出第一個行走物種，新算法卻將這一進化過程壓縮到了閃電速度 —— 在26秒鐘內設計出一個成功步行的機器人。

　　它的設計速度不僅快，還可以在個人電腦上運行，并從頭開始設計全新的結構。這與其他 AI 系統形成鮮明對比，后者通常需要依托超級計算機和巨大的數據集。而且，即便處理完海量數據后，這類系統也往往受到人類創造力的限制 —— 只是模仿人類過去的作品，而無法產生新想法。

　　AI 先從一塊大約肥皂大小的塊狀物質開始，起初這團物質只會搖晃，完全無法行走。AI 知道自己的目標尚未達成，于是迅速迭代設計。每次迭代，AI 都會評估自己設計的效果 ，找到缺陷并通過修剪來更新機器人的結構。最后，機器人可以在原地彈跳，然后向前跳和移動。九次嘗試后，AI 設計出每秒可以行走半個身長距離的機器人，約為人類步速的一半。

　　整個設計過程 —— 從無法行動的塊狀物到成功行走的機器人 —— 在筆記本電腦上只用了26秒。

　　為了看看這款機器人能否在現實生活中工作，Kriegman 和他的團隊按照設計藍圖，3D 打印出身體周圍負空間(negative space around the robot’s body)的模具，然后填充液態硅膠，幾個小時后再將固化后的硅膠從模具中取出來，又軟又有彈性。

　　但是，它可以走路嗎?接著，研究人員給它充氣(空氣)，三條腿就鼓了起來，放氣后，腿又收縮了。通過不斷向機器人泵送空氣，三條腿反復膨脹、收縮，機器人也在這一過程中緩慢但穩定地走了起來。

　　「一個全新生物的誕生」

　　Sam Kriegman 實驗室的科學家 David Matthews 是該論文第一作者，他與 Sam Kriegman 以及其他合著者 Andrew Spielberg、Daniela Rus(麻省理工學院)、Josh Bongard(佛蒙特大學)密切合作了幾年才有了這一突破性發現。

　　2020年初，Kriegman 因開發異種機器人(xenobots)而獲得廣泛關注，這是第一個完全由生物細胞制成的活機器人。現在，Kriegman 和他的團隊將新 AI 視為探索人工生命潛力的下一個進步。

　　這個機器人本身很不起眼 —— 又小又軟又畸形，由無機材料制成。但 Kriegman 表示，這意味我們朝著人工智能設計工具新時代邁出了第一步，這些工具可以像動物一樣直接作用于世界。

　　「當人們看到這個機器人時，他們可能會看到一個無用的小工具，」Kriegman 說，「我看到了一個全新生物的誕生。」

　　「現在，隨著 AI 實時生成越來越好的機器人身體，任何人可以看到動態中的進化，」Kriegman 說。「以前需要在超級計算機上進行數周試錯，當然，任何動物在奔跑、游泳或飛行之前都經歷了數十億年的試錯，這是因為進化無法預見未來(foresight)，無法知道某個特定突變是有益還是災難性的。我們找到了一種去掉障眼物的辦法，將數十億年進化歷程壓縮到了瞬間。」

　　僅憑一己之力，AI 出人意料地想出了與自然界相同的行走解決方案:腿。但與自然界絕對對稱的設計不同，人工智能采取了不同的方法:它設計的機器人有三條腿，背部有鰭，扁平的臉，還布滿了孔。

　　「這很有趣，因為我們沒有告訴 AI 機器人應該有腿，」他說。「它重新發現了腿是在陸地上行動的好方法。事實上，腿部運動是最有效的地面運動形式。

　　雖然進化出腿是有道理的，但這些孔的設計有些奇怪，AI 似乎是隨機打孔。Kriegman 假設孔隙率可以減輕重量并增加靈活性，使機器人能夠彎曲雙腿行走。

　　「我們真不知道這些孔是做什么的，但知道它們很重要，」他說。「 因為取消這些孔時，機器人要么不能再走路，要么走路變得不利索。」

　　總的來說，Kriegman 對機器人的設計感到驚訝和著迷，并指出大多數人類設計的機器人要么看起來像人類，要么像狗或曲棍球冰球。

　　「當人類設計機器人時，我們傾向于將它們設計成看起來熟悉的物體，」他說。「但人工智能可以創造人類從未考慮過的新可能性和演進道路，它可以幫助我們以不同的方式去思考，這有助于解決我們面臨的一些最困難的問題。」

　　雖然 AI 設計的第一個機器人只能蹣跚前行，但 Kriegman 想象了一個新的世界，由 AI 來設計工具。有朝一日，AI 設計的機器人可以在廢墟中穿行尋找被困的人和動物，或者穿越下水道修復破損。AI 還可以設計進入人體的納米機器人，疏通動脈，診斷疾病或殺死癌細胞。

　　「唯一阻礙我們使用這些新工具和療法的是人類不知道如何設計它們，」他說。「幸運的是，AI 有自己的想法。」