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Daniela Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

(2013-02-06 09:51:46)
标签:

微软研究院

21世纪的大会

人机互动

机器人

分类: 人才

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战



                 Daniela Rus教授主题演讲:“构建自治系统的计算挑战”的全程视频

Daniela Rus教授在主题演讲中展示的PPT

 

以下文稿整理自现场速记,仅供参考:

 

演讲人:Daniela Rus 教授

麻省理工学院电气工程与计算机系 教授

美国人工智能学会(AAAI)、电气电子工程师学会(IEEE)院士

 

谢谢所有人今天能够来参加我们的活动!感谢微软亚洲研究院组织这样令人振奋的活动,也给我们提出挑战,让我们来思考关于二十一世纪的计算。今天我要讲的是:计算是如何越来越多的成为人类和物理世界互动的技术的。下一代的计算机能够感知我们外部世界,能够进行自主的运算,他们能够跟人互动。换句话说,他们成了机器人。这几点前面的演讲者们都已经讲过了。

 

今天我们进入了一个全新的时代。对人类来说,机器人可以减少昂贵的劳动力。一些人对用机器人替代人类进行工作这个想法感到恐惧,另一些人则显得十分兴奋。我们的梦想就是可以创建我们自己的影像:一些智能的人,可以服从人类社会。现在这些机器会不断的从技术的角度进入十七世纪,让科幻小说里面的机器人变成现实。机器人已经影响到我们生活的各个方面。从小的方面,一些医药,到比较大的方面,探索我们的宇宙;从我们的制造业到我们的家庭,机器人对科学和技术的进步做了很大的贡献,令我们的生活环境变得更加美好。为了能够构建机器人,我们需要非常广泛的技术。我们需要传感技术,让我们有能力和物理世界进行互动,我们需要决策,我们也需要人机的互动,我们需要支撑的软件和硬件来做机器人。

    Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

 

案例1:机器人厨师

机器人已经变得更加有自主性,拥有更高的能力。我们来设想一下你家里所有的工作:你想它自动化的话,也许你需要一个洗衣服的机器人,还有房间的整理,也许还希望有一个机器人给我们做饭,一些小的机器人可以给我们洗碗。但是,在我们现有的机器人中(或者我们想要他们叫做钢铁厨师),还存在一个问题。设想一下,在我们厨房里都有些什么东西呢?有一些橱柜;打开橱柜,在橱柜当中有很多的瓶子之类的,还有炉子上的接管等,我们还有很多的东西很难定出模型的,很多东西是不可预测的。到底我们如何缩小厨房的复杂性和实际当我们厨师机器人之间的差距呢?其中可以把所有的原料简化,放在我们的桌面上,大量混乱的东西,就是可以看到厨师面对什么样的情况,我们需要标准的工具,在厨房里。我们把以人为工作中心的环境做成一个模型。

 

实际上我的学生,我们的一些本科生就像你们一样,他们已经在做这样的研究,希望能够研发出可以做饭、可以烤面包、可以和面、可以做好一些曲奇饼的成品的机器人。我们体现以人为中心的空间都是让机器人使用,它会使用搅拌机,从我们一般的菜单上来讲,这个时候会给予一系列的指令,也就是说从最基本的原料到最终的饼干的成品,所以我们就提供了自然语言的数据库,大家可以在屏幕上看到,这样的食谱到底是什么样的。我们拿到这样的食谱打印出来,而且是翻译成机器人可以行动的语言。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

 所以,这是一些新的方式。比如说让机器人来做混合,找到这个原料,然后倒进来。在这个视频中,你会看到这样的机器人,它在执行自动的一些指令,这个指令是从我们的食谱中自动生成的指令,传给机器人。机器人我们叫做它为钢铁厨师,它可以根据食谱找到这样的一些原材料,然后把它混合在一起,最后做成成品。我们看到,这些混合的原料,揉面,对于机器来说很难做,但是我们可以用最先进的技术来实现,而且一些规划的算法也应用于其中。那么,需要我们去发出指令,你拿起这个碗,然后把所有的材料放进去,用搅拌器进行搅拌,比如说要做的饼干是巧克力饼干,里面有什么样的材料。那么这个机器人就能够非常成功的根据这个指令放入黄油,这个机器人并没有厨房最好的执行者,但是它能够成功的执行这样的原料混合,并且做好了这样的黄油。机器人搅拌的时候太偏左了,但是不管怎么样,它完成了工作。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

因此,我们的机器人厨师,能够找到厨房里烤箱在哪里,打开烤箱的门,然后它还可以在厨房里自如的在不同的工作站当中移动。比如说把这个饼干胚子放入炉子里,根据食谱的规定,设置20分钟的烤制时间。我鼓励你们把机器人放在实验室里,这样就有更专业的厨师为你们制造最新鲜的饼干了。

 

你们可能还会想要实现一些日常的家务自动化,比如说你刚搬到一个新的公寓,刚从宜家买回一些新的家具,想要让机器人帮你进行安装。这里有两个安装了机器手臂的机器人,这是我们实验室所复制的工业级的机器人。它们的机械臂上安装了专门的装置,能够执行一些非常复杂的操作,比如说钉如何和这个孔切合。这一些机械装置是原来用在停车场的。这个机器人是我实验室里的本科学生做出来的,是一个非常令人兴奋的项目。

 

案例2:多机器人的相互配合

那么有了这些的例子后,接下来我要为大家展示的是,在建立自主的系统来帮助你做一些工作时,多个机器人是如何相互配合工作的,尤其是在一个非常大、非常复杂的环境里。比如说,要制作家具组装的机器人。在这个环境中,机器人要到处移动,去感知环境,然后进行有一个感知指标的计算,接下来才有行动。在这样的感知过程中,每一个机器都会汇聚自己所处的地理位置信息,而且这个信息还可以和其他机器人共享。因为可能对于其它的机器人来说,这也是非常重要的信息。正是因为如此,我们还有分布式系统。每一个机器人都只访问本地的信息,但有一些机器人的行为可以被整个系统感知,来确保机器人之间的配合。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战
 所以有了这个例子,我想谈三点:

·   首先,为了让这些拥有巨大能量的自主系统发挥作用,我们必须学习数学,我们要打造系统,我们要制定理论定理。

·    第二点,我们要知道如何编程,我们需要知道执行这些系统,不管是硬件还是软件。

·    第三点,我们需要有这样的勇气,来追逐自己的梦想,实现自己的梦想,能够去思考有什么样新的能力可以加入到你的系统,帮助你们去追逐和实现自己的梦想。

 

下面我想再来详细谈谈这三点:

 

. 定理和算法(Theory and algorithms)

我先给大家举一些例子,看看到底开发什么样的理论能够让我们进行机器人的本地建模,同时保持它是一个全局观的。这里有一个非常简单的例子。我有这样的环境,我有几个黄色的点代表这个机器人可以感知环境。下面我想把这些机器人进行这样的配置,比如说我要收集一些样本,同时进行我们所说的稀疏感知。在这里我必须考虑计算机科学的不同的层面。首先有一个多座席的控制,还需要研究机器人之间的通信,我需要考虑机器人的感知,这就是要有学习和估计理论。所以我们把数学,还有其他的理论融合在一起,然后在这个基础上制定其他的理论来解决我们要解决的问题,所以我们要有非常具体的数学,来帮助我们把这个问题做成战略,而这个战略由不同的部分组成。比如说有计算的部分来做本地传感的计算。这就是我们所说的跨功能的意思。那么,也许在这个方面,数学并不是那么重要,但是一般来说,这个流程是这样,如果你不知道这个环境哪个地方是有意思的,所以你就必须先学习这个环境,这就是我们所说的系统跨功能,我们需要去估计这个机器人下一步要移到哪里,然后采取行动。那么使用数学,我们可以找到这样的一种定式,让机器人以这种方式进行行动的优化。这就是形成了一个机器人的网络的最优路径。那么,除了这个技术的层面之外,同时我们还要看一下到底这个环境有趣的地方在哪里,我们可以定制一个公式,解决这个问题。这就是我们所谓最基本的功能。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战  

比如说,一般他们有未知的点,可以通过做环境的测度来解决这个问题,概念就是这样的,这些机器人的传感功能是什么,他们进行的遥感或者是测度,根据这个结果,当然他们要提供必要的参数。我们要解决这个问题,就是这样的算法能够实现机器人在物理空间的移动,并且学习这一传感系统的参数环境。那么,因为机器人在本地是这样做的,但是多个机器人的配置要保持和这个环境匹配,这是非常有意思的事情。大家看一下,一组机器人放到一个你根本不知道的环境下,让它们进行运作,最后带来一个确实能够保证解决这个解难问题的一个好的答案。所以,我们必须要使用数学模型,这就是我们实际控制的算法。也就是说一个机器人会测度,比如说座标,测度传感的信息,根据计算结果采取行动,这是一个小的模拟仿真,我们有两个红十字在这个环境中,这些红十字就是环境当中非常有意思的部分。你们可以看到在这三张图中,每一个机器人都在自己的位置做一些估测估量的计算,然后在这个环境中又有哪些重要的点和重要的事件。

 

 

. 从理论到机器人(From Theory to Robots)

下面让大家了解一下,到底数学如何被利用以实际的方式解决一个困难的问题。那么,也就是说有一个非常实际的环境,假设这个答案是一个非常简单问题的答案。比如说机器人的摄象头是向下的方向,这个摄象头会把整个环境覆盖住,都能够监控住,所以这是一个监控的环境。那么我使用同样的方法,那么它是一种辐射,跨功能的一种方法。我们可以引入这样一个交叉公式,让这个机器人要在自己,就是有趣的环境中移动,而避免和其他机器人碰撞,同时机器人的摄象头向下能看的更细致,向上能够看到更多,这是非常关键的部分。那么我们看到,这就足够能够执行非常复杂的算法。我们并不需要提前知道这个系统中有多少台机器人,机器人会以自适应的方式在世界上采集样本,来优化功能,同时找到最优的位置,能够实现最大环境的监控覆盖,并且获得最高的解析度。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

为大家展示一下,这个系统无所谓机器人的数量,这个就是机器人之父,它们告诉机器人来进行调整,第三个机器人出现了故障,那两个机器人就替代它,然后第二个机器人又出现问题,然后这个机器就会再次替代第二个机器人来做工作。这是我们实验室中的工作展示,我们如何使用这样的理论解决实际的问题,我们看到哪些可能的应用呢?

 

案例3:机器人在生物学中的应用

比如说在生物学中,生物学家希望找到非常稀有的树种。比如太平洋岛上的树,这些树的叶子比一般的树的叶子要绿,但是很难从从这样的图辨别并找出非常稀有的树种。我们可以让机器人,比如说照树冠的位置,我们可以让机器人非常明确的告诉这些生物学家,这些稀有的树种在哪些位置,同时可以使用这个机器人看到动物非常隐私和神秘的生活。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战
有很多的生物学家想观察一些动物,他们希望了解这些动物的行为。比如说太平洋的鲸鱼,目前没有其他的方案能够观察鲸鱼每天的行为,它们的生活方式,它们到底哪一天会到哪一个位置。生物学家目前的工具只有纸和铅笔,比如说他们爬到一个山顶,通过望远镜观察鲸鱼;他们也可以坐直升飞机,鲸鱼看到直升飞机会很害怕,会潜到海底去;他们也可以坐大的喷气飞机,这个飞机要飞的足够高,但是这样的话,就要求摄像成像效果要高。所以在我们的系统中,我们看到有鲸鱼,还有其他的一些动物,比如说海狮。这些机器人可以成为生物学家的眼睛,能够帮助他们跟踪环境中有意思的现象。科学家可以成为这样系统的用户,他们可以为科学家提供非常细致的信息。比如说这些动物整天都在干什么,甚至科学家在休息的时候,机器人可以帮助他们观察。因此,这是非常好的机器人设备的应用,让他们在真正实际生活中发挥作用。这个机器人项目是由我一个研究生做的,主要是观察海狮。海狮其实是看到了机器人,它们很兴奋,所有的海狮都在运动中,它们希望引起机器人的兴趣,它们甚至跟着机器人游动。

 

我还有一些例子可以给你们看一下。我们如何看到一些形成的复杂的问题,涉及到我们要调用当地的决策,控制机器人的行为。我们还有一些新的案例,可以把这些理念映射到实际的系统当中去,就是什么是必要的,能够把这些硬件拿过来考虑这些问题,以及到底是什么核心的原因,把这些物理问题结合起来,然后我们再把原因和功能放到我们简单的现实算法当中。我们目前还没有什么解决办法,但是我们一些项目程序是很容易的,通过计算,表明它是正确的,也是很难的,你需要两个方面都做,以便于能够实现非常宝贵的、可靠的系统。

 

. 可编程的物质Programmable Matter

我演讲的最后一个部分,就是讲到第三项,如何追逐实现我们的梦想。我想给你们举一个个人的例子。当我还是一个小孩的时候,我最喜欢这种卡通,它可以是任何一种形状,都能够分配一个任务,比如说社区受到巨人的入侵,这个家庭就会变出一些工具砍掉巨人的手臂,然后变成一些容器,可以收集所有的种子,把种子做成非常美味的菜汤,这是一个非常令人惊叹的家庭。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

这跟我前面讲的关于多个机器人的系统有什么关系呢?让我们来考虑一下,我们如何把目前的机器人已经变成小型化,把它变成越来越软,可以灵活折叠的东西。它可以做更多像原材料一样的东西,很柔软。同时,设想一下原材料的领域,我们在中国开发了很种材料,这些材料本身具备一些智能,我们本身重视到的是融合,这个机器变得越来越像我们材料一样,非常柔软。这个材料已经有越来越多的智能,两个之间融合在一起,变成一种可编程的物质,这是一种理念。不仅仅是计算机的一些数位数码的编程可以使用,或者我们所有周围的对象,都可以变成一个物理的形状,提供所需要的功能,不管任务是什么样的。我们感到非常兴奋,可以实现我小时候的梦想,我小时候梦想着有这样一个卡通家庭的环境。

 

下面展示一下,到底能够做到什么,什么是可能的,来实现我们机器人的系统?它看上去越来越像这个卡通家庭一样的生活方式?它是一种变形的,我们做一个技术语言上的介绍。这个可编程的物质,可以实现,就是收集一些物理上相互联系的物质,它有能力对形状改变的响应做出反应。比如说这个形状可以收集一些信息,可以导航,通过一个狭窄的走廊,就像我们的牙膏一样,可以挤压在一起,就是这些机器人。这些机器人也许事先并不知道这个情况的发生,到底它们要发生什么任务,在最后一分钟,这个机器人需要第三只手,或者第二个头,把它变成一个鳄鱼,可是这个里面的理念是什么呢?我们可以发明这样的机器,是变形的,非常小的模块,是进行物理的相互连接,可以实现可编程的形状,我们叫做自我重构或者可编程的物质,由不同的形状变成。

 

目前我有两种不同的途径实施可编程的物质,变成现实,就是把原材料在机器里面相互联系起来。第一个打算实施这样的想法,能够有一个智慧的纸张,设想你的纸就像一个计算机一样,在你的兜里面,需要的时候,可以打开进行计算,不需要的时候也可以折叠,这样的理念可以通过一个物质进行智慧的实现。另外,可编程的物质,我们可以用像这样一种智慧的沙子一样,给你一小袋,里面有很多小的颗粒物,然后把这个袋子赋予一些计算能力,可以让这些颗粒相互聚集,形成一种形状。还有这个袋子做一个兔子,袋子里面的小颗粒能够形成一个叫做像兔子的形状,这是巨大的发展,在我们可编程的语言里面。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

我们使用一种工具用于任何一个方面的需求,我们都需要这个袋子里面智慧的材料。如果需要一个工具,可以给它进行合成,可以放在袋子里面使用。我们科幻的小说里面是什么情况?好像觉得很科幻,在我们的实验室里,我们跟一些学生进行工作,已经启动了这样想法的项目来构建智慧的纸张。比如说有一些很好的算法,这张图片可以看到我们早期的结果,制作一个计算机,上面有纸,嵌入到里面,还有一些执行器,还有传感能力,可以命令智慧的纸张折成不同的形状,用我们的算法实施,我们观看一下。这样是一张纸,可以自己折叠起来,变成一个形状,这是一个船的形状。然后同样一张纸可以拆解,可以变成平滑的纸,也可以用来做任何的形状。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

我们下面一个编程的形状就是一架飞机,这张纸还是一样,自己折叠起来,变成一个纸叠飞机的形状。这些理念都是通过使用智慧的纸张来实现,我们是否可以做成任何一种机器人呢?这张片子上我们可以看到一些草图图片,我们本科生做的开发,主要是为了响应一个有意思的挑战,就是非洲的一个机器人网络提出的,只需要10美元就能够做出机器人。这么廉价的机器人创造出来以后,我们可以给所有的学生一个机器人,来学习物理和一些特别的互动课程。

 

在左上角可以看到这张纸折叠成一个车轮,表明折叠的纸张可以折叠,这是10美元的机器人,这个机器人非常好玩,而这个机器人就像一个小蚂蚁一样,可以跑来跑去,遇到障碍可以改变方向,这是非常令人兴奋的。我们可以开始设想了,通过我们嵌入智能,我们通常的材料里面嵌入智能,就可以实现有智能性的功能。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

下面一个概念,也是非常有意思的一个开发,叫做智能的沙粒。概念是这样的,比如说有一袋子的颗粒物,想提供一个边,可以把这个材料倒到一个现有的工作台上,可以再做一个,可以把这个材料摇晃一下,可以拷贝出一个工具。比如把这个扳子放进去,这个扳子一摇动就会形成另外一个扳子。我们如何在现实当中实现这种概念?我们可能不能达到毫米级,但是有可以达到厘米级的材料。看这个里面的硬件,在我们智慧的鹅卵石上,从示意图可以看出,这种磁铁有这样的一种能力,能够给我们可编程的联系,它可以打开,也可以关掉,就是这样的组件。同时,可以让这个机器人相互之间沟通,能够做出一些协作式的决策,它可以把这个能量转化到另外一个单元里面去。所以必须要放到这个单元里,让我们能够做一些小的设备。下面这个视频展示这个流程,就是你们刚才所看到的景象是怎么来工作的。

 

Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战
所以如何去把这些模块包装起来,进行局域的连接,能量转换,还有可编程的算法,在局域的通信可以实现这个创新的想法?比如说为一个新的形状编程的目的,给我们带来什么?我们达到这一点,就是我们视频上所看到的。我想给你们展示,实际上最终的算法是非常现实的。这是我们看到的非常微小的计算器在里面,它有能力,能够更加物理的跟我们世界和人之间进行互动。这些物理的计算器可以有局域的沟通,实施这样的操作,他们相互之间有一些线条的闪烁,表示他们之间的沟通,它们就能够复制出最初想要复制的对象。我们有这样的办法去做,实施这样的想法。我们能够实现毫米级的实现刚才视频中看到的现象。

 

从大型主机与桌面系统的发展,计算机的传感功能的出现,嵌入技术的产生,物理上拥有的的微型的计算能力到机器人,到可编程的物质领域,计算运算当中发生很大的变化。我们希望能够编程的不仅是这些在装置上运算,还有物理的形状上,比如说弹性、折叠,还有光的运算上。我们将能够创建出一种系统来,他们能够采用方法来给我们展示。

  Daniela <wbr>Rus在“21世纪的计算大会”上的主题演讲:构建自治系统的计算挑战

 

我的演讲完毕了,感谢大家参加我们的活动。我希望你们可以得到一些启发,能够开始的追逐你们各自的梦想,谢谢!

 

 

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