從MIT的新式無人船，聊聊機(jī)器人的“組隊(duì)打野”模式

原標(biāo)題：從MIT的新式無人船，聊聊機(jī)器人的“組隊(duì)打野”模式

大多數(shù)科技愛好者也許都幻想過，未來的海洋角逐，將由智慧型艦艇在海上展開各種作業(yè)、對(duì)戰(zhàn)、探險(xiǎn)等，完全不需要人類的參與……

在現(xiàn)實(shí)中，無人船也早已經(jīng)不是什么新鮮玩意。比如加州Saildrone 公司，2012年就開始采用自動(dòng)化無人船隊(duì)來收集全球海洋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，除此之外，在物資投放、人員搜救、巡視監(jiān)控、通訊等方向上，也都有應(yīng)用。

但同時(shí)，無人船想要在復(fù)雜、危險(xiǎn)的海域內(nèi)具有穩(wěn)定的航行能力和應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的能力，其難度并不亞于無人車。

走向深藍(lán)，無人船還需要跨越溝壑

丹麥啟動(dòng)無人船研發(fā)項(xiàng)目，挪威開辟無人船試驗(yàn)區(qū)，荷蘭試圖利用“浮動(dòng)自駕無人船”實(shí)現(xiàn)載人和貨運(yùn)……近些年，我們AI、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制等數(shù)據(jù)，正在快速與船業(yè)結(jié)合在一起，為智能無人船的開發(fā)提供了澎湃的技術(shù)可行性。

目前主流的商用無人船，本質(zhì)就是搭載一臺(tái)采樣機(jī)、傳感分析器，就能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并依靠蓄電池實(shí)現(xiàn)5個(gè)小時(shí)左右的航行。這樣確實(shí)將一部分監(jiān)測人員解放了出來，但能力與服務(wù)場景的單一，也大大縮減了其商業(yè)和技術(shù)上的無限可能性。

而要讓無人船在復(fù)雜的海域執(zhí)行更高難度的任務(wù)，又需要它們具備能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況并作出正確決策的高性能精準(zhǔn)算法，以及與外界環(huán)境交互的高靈敏傳感器與穩(wěn)定快速的網(wǎng)絡(luò)通訊。但這實(shí)現(xiàn)起來并不容易，2016年，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員測試了一個(gè)機(jī)器人原型，它可以沿著預(yù)先設(shè)定的路徑向前、向后和橫向移動(dòng)，但也僅此而已。

我們知道，為了讓自動(dòng)駕駛汽車早日上路，科技巨頭們往往不吝于投入，甚至連城市道路都給改造了。近幾年興起的“車路協(xié)同”技術(shù)，就是對(duì)路面、圍欄、交通標(biāo)志、信號(hào)燈、涵洞等都進(jìn)行數(shù)字化改造，讓它們自己給車輛發(fā)信息，從而令車與車、車與路之間的關(guān)系更加清晰和安全。

無人船就沒有這樣的好事兒了，因?yàn)槿祟悰]辦法在茫茫大海中為其建立如此高密度的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，除了根據(jù)動(dòng)態(tài)海圖與氣象預(yù)報(bào)，結(jié)合衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航之外，無人船在海上難免遇到操作員遠(yuǎn)程操作失靈、發(fā)生避碰事故等問題，感知系統(tǒng)限制，這是困擾水面無人船大規(guī)模應(yīng)用的一大難點(diǎn)。

除了技術(shù)上的限制，無人船的經(jīng)濟(jì)性也一直存在爭議。盡管它能夠比常規(guī)船舶節(jié)約施工成本，人力成本和燃料成本。但為其增添新興自動(dòng)化設(shè)備與高精度感知儀器，建立岸基遙控中心，運(yùn)營方案、人員培訓(xùn)等都需要重新再來，背后的隱形成本也將勸退一大波潛在用戶。

總體來看，我們不難感受到除了吸引輿論關(guān)注之后，無人船并沒有順利走入產(chǎn)業(yè)端的視野，大規(guī)模釋放應(yīng)用價(jià)值。這背后的原因說起來復(fù)雜，其實(shí)核心就是兩個(gè)：1.智能化程度欠缺，鎖住了應(yīng)用場景；2.邊際成本太高，商業(yè)價(jià)值受限。

獨(dú)木成林：MIT的機(jī)器船協(xié)作曲

不過，科學(xué)家們也在不斷為無人船賦予新的能力。最近，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的研究者們，就開發(fā)了一種新型鎖閉系統(tǒng)(latching system)，可以讓無人船克服水流干擾，具備“變形”的新能力。

這只自主船只 “組隊(duì)打野”所帶來的想象力，就與單槍匹馬的無人船截然不同了。

首先，艦隊(duì)形態(tài)擁有加乘級(jí)的感知能力，各個(gè)船體結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)1+1>2的數(shù)據(jù)協(xié)同效果。每個(gè)roboat船體都配有傳感器、推進(jìn)器、微處理器、GPS 模塊、攝像頭等硬件，他們結(jié)合在一起，令復(fù)雜的通信和控制成為可能，能夠在河道、水面實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度的連接組合。

研究者開發(fā)了協(xié)調(diào)器coordinator和工作器worker。一個(gè)或多個(gè)worker連接到一個(gè)協(xié)調(diào)器，形成一個(gè) “連接容器平臺(tái)”(connection -vessel platform, CVP)。每個(gè)協(xié)調(diào)器都知道并可以與所有連接的worker進(jìn)行無線通信。然后CVP通過比較初始形狀和新形狀之間的幾何差異，使用自定義軌跡規(guī)劃技術(shù)來計(jì)算到達(dá)目標(biāo)位置的方式與最短軌跡，并決定要不要移動(dòng)和分拆。

效果是明顯的，在 MIT 的游泳池和水流稍微洶涌一些的查爾斯河里進(jìn)行了測試。機(jī)器船通常能夠在大約 10 秒內(nèi)成功連接成隊(duì)，或者是在幾次失敗后成功。

另外，艦隊(duì)形態(tài)在功能上更加高效靈活。這種3D打印出來的機(jī)器船雖然大小僅為之前版本的1/4，但通過定制化鎖閉裝置(latching mechanism)連接，以無碰撞的路徑移動(dòng)，并重新連接到新集合配置中的適當(dāng)位置。

實(shí)際上，在阿姆斯特丹，該機(jī)器船艦隊(duì)正計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了晚上收垃圾的操作，它們?cè)谶\(yùn)河道中到處游走，定位并連接至有垃圾桶的平臺(tái)，然后把它們拖回垃圾收集設(shè)施，以此讓運(yùn)河重新煥發(fā)生機(jī)，并通過夜晚操作解放人力。

同時(shí)，由于形態(tài)被改變，矩形的機(jī)器船組合在一起，還將收獲傳統(tǒng)無人船沒有的能力——搭建臨時(shí)水上設(shè)施。比如橋梁和舞臺(tái)，來幫助緩解城市繁忙街道上的擁堵。在麻省理工學(xué)院的演示池和計(jì)算機(jī)模擬中，一組組相連的機(jī)器船單元，從直線或正方形重新排列成其他形狀，比如矩形和“L”形，整個(gè)過程只花了幾分鐘。

研究人員相信，他們的軌跡規(guī)劃算法能構(gòu)建更大體積的城市建筑。未來，他們會(huì)在阿姆斯特丹市中心的尼莫科學(xué)博物館和正在開發(fā)的MARITERETRIN區(qū)之間，架起一座橫跨60米運(yùn)河的“動(dòng)態(tài)橋梁”。接完乘客之后，如果發(fā)現(xiàn)水道上有東西，這些無人船就會(huì)停下來或改道。

一旦roboat真正投入使用，白天送人送貨，晚上還要加班搞垃圾管理與物流，偶爾還能組裝成音樂會(huì)舞臺(tái)、食品市場平臺(tái)和其他結(jié)構(gòu)?？峙伦钋趭^的人類勞模也只能望其項(xiàng)背了。這些船只還可以配備環(huán)境傳感器，監(jiān)測城市水域，了解城市和人類健康狀況。

當(dāng)然，roboat目前還是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的項(xiàng)目。但我們發(fā)現(xiàn)，無人船正在從單打獨(dú)斗，變成一個(gè)在水面協(xié)同戰(zhàn)斗的靈敏、動(dòng)態(tài)的智能體，從而完成更多的任務(wù)。從這種變化中，我們不難找到一些未來機(jī)器人協(xié)作的靈感。

當(dāng)機(jī)器進(jìn)入?yún)f(xié)作時(shí)代，城市會(huì)變成什么樣子？

論文發(fā)出后，荷蘭阿姆斯特丹代爾夫特理工大學(xué)認(rèn)知機(jī)器人學(xué)系助理教授Javier Alonso Mora曾表示：“在運(yùn)河中聚集成群的機(jī)器人，是一個(gè)偉大的想法?！?/p>

之所以有如此感慨，恐怕是因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)解決方案，能夠解答長期以來困囿于無人船的幾個(gè)問題：

第一，能否向更多場景進(jìn)行延伸？

傳統(tǒng)的無人船只能在較為寬廣的水域進(jìn)行作業(yè)，但隨著靈活的可以聚集成各種形狀的船只艦隊(duì)出現(xiàn)，無人船可以成為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要補(bǔ)充，將一些活動(dòng)從陸地轉(zhuǎn)移到海洋。一方面能夠解決路面擁堵的困境，也讓無人船技術(shù)有了更大的商業(yè)想象力。

第二，能否突破技術(shù)目標(biāo)的天花板？

既往我們對(duì)機(jī)器智能的預(yù)期，就是和L5自動(dòng)駕駛汽車、波士頓動(dòng)力機(jī)器人等一樣高度智慧體。但這類技術(shù)解決方案的弊端也在日益顯露，比如投入成本過高，訓(xùn)練周期長，算法難度大，現(xiàn)實(shí)落地困難等。而roboat這種靈活的解決方案，核心就是“去掉大腦”，機(jī)器人不必具備高智能，只要像螞蟻一樣協(xié)同工作，也能完成許多復(fù)雜任務(wù)。

這并不是孤例，實(shí)際上已經(jīng)有科學(xué)家讓納米機(jī)器人形成“蟻群”，對(duì)人體血管進(jìn)行藥物輸送與清理，被看做是癌癥治療的新希望。

目前看來，讓更多的機(jī)器船自由組合形成綜合智能體，這種務(wù)中心化的分布式系統(tǒng)，也讓無人船技術(shù)變得更加真實(shí)了一點(diǎn)。

第三，能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本制造？

除了在技術(shù)上更具現(xiàn)實(shí)價(jià)值之外，與傳統(tǒng)無人船需要風(fēng)帆等復(fù)雜硬件相比，這種體積更小的roboat完全可以通過3D打印進(jìn)行生產(chǎn)，價(jià)格也更加低廉。通過移動(dòng)和形態(tài)轉(zhuǎn)換的疊加，實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的功能，顯然更容易打破產(chǎn)業(yè)端投資的一些顧慮。

科學(xué)作家凱文凱利曾在《失控》中寫道，未來機(jī)器人將按照“無中心分布式系統(tǒng)”模式來運(yùn)行，大量“愚蠢”的個(gè)體在分工的情況下完成高難度的行為。從這個(gè)角度看，能闖大洋，能游淺水的無人船，或許正在“蟻群智慧”中成為現(xiàn)實(shí)。

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