這項(xiàng)由Meta AI研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的研究題為"ALOHA: A Low-cost Open-source Hardware System for Bimanual Teleoperation"，于2023年發(fā)表在IEEE機(jī)器人與自動化快報(bào)（IEEE Robotics and Automation Letters）期刊上，論文DOI為10.1109/LRA.2023.3236571。該研究由Tony Z. Zhao、Vikash Kumar、Sergey Levine等多位研究者共同完成，他們來自加州大學(xué)伯克利分校、Meta AI研究團(tuán)隊(duì)以及華盛頓大學(xué)。

想象一下，當(dāng)你第一次學(xué)習(xí)騎自行車時(shí)，你需要不斷練習(xí)才能掌握平衡。同樣，機(jī)器人也需要通過大量練習(xí)才能學(xué)會靈活應(yīng)對各種任務(wù)。但與人類不同，機(jī)器人通常需要專業(yè)工程師編寫復(fù)雜的代碼，或者使用昂貴的專業(yè)設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練。Meta AI研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的ALOHA系統(tǒng)正是為了解決這個(gè)問題，讓機(jī)器人訓(xùn)練變得像教孩子學(xué)習(xí)新技能一樣簡單直觀。

ALOHA代表"A Low-cost Open-source Hardware system for bimanual teleOperation"（一種用于雙手遠(yuǎn)程操作的低成本開源硬件系統(tǒng)）。這個(gè)名字不僅是一個(gè)縮寫，還暗示了系統(tǒng)的友好性和開放性，就像夏威夷問候語"Aloha"傳遞的友善精神一樣。這個(gè)系統(tǒng)的核心理念是創(chuàng)建一個(gè)價(jià)格親民、容易使用的平臺，讓研究人員和愛好者都能參與到機(jī)器人學(xué)習(xí)研究中來。

在機(jī)器人研究領(lǐng)域，一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)是如何讓機(jī)器人具備靈活應(yīng)對多變環(huán)境的能力。傳統(tǒng)方法通常依賴于精確的編程指令，這使得機(jī)器人在面對未預(yù)料到的情況時(shí)表現(xiàn)得很僵硬。而人類則可以輕松地適應(yīng)新環(huán)境、學(xué)習(xí)新技能。Meta研究團(tuán)隊(duì)希望通過ALOHA系統(tǒng)，讓機(jī)器人也能擁有這種適應(yīng)能力。

ALOHA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念非常清晰：創(chuàng)建一個(gè)完整的端到端解決方案，包括硬件和軟件兩部分。硬件部分是一個(gè)雙臂機(jī)器人，配備了靈活的機(jī)械手和各種傳感器；軟件部分則是一套基于模仿學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能系統(tǒng)，能讓機(jī)器人從人類示范中學(xué)習(xí)技能。

在硬件設(shè)計(jì)方面，ALOHA系統(tǒng)采用了模塊化的理念，就像搭建積木一樣，各個(gè)部件可以根據(jù)需要組合或替換。機(jī)器人的每個(gè)手臂有7個(gè)自由度，這意味著它可以像人類手臂一樣靈活移動。機(jī)器人的"手"采用了Allegro手型號，每只手有16個(gè)自由度，可以執(zhí)行精細(xì)的抓取和操作任務(wù)。為了讓機(jī)器人能"看見"周圍的環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)中集成了多個(gè)攝像頭，包括兩個(gè)用于立體視覺的相機(jī)和一個(gè)深度相機(jī)，就像給機(jī)器人配備了一雙能感知深度的眼睛。

遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)是ALOHA的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分。想象一個(gè)木偶師如何通過拉動線繩控制木偶的動作，ALOHA的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)允許人類操作者通過穿戴特制的控制器來直接控制機(jī)器人的動作。這個(gè)控制器由3D打印部件和現(xiàn)成的電子元件組成，成本僅約200美元，遠(yuǎn)低于商業(yè)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)動輒數(shù)萬美元的價(jià)格。操作者戴上這個(gè)控制器后，可以直接用自己的手部動作來指導(dǎo)機(jī)器人，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)捕捉操作者的動作并傳輸給機(jī)器人執(zhí)行。這就像是在教一個(gè)孩子如何完成一項(xiàng)任務(wù)，通過示范和引導(dǎo)，而不是抽象的語言指令。

在軟件方面，ALOHA系統(tǒng)采用了一種名為"行為克隆"的技術(shù)。這種技術(shù)的工作原理類似于一個(gè)學(xué)生觀察老師的示范并嘗試模仿。具體來說，當(dāng)人類操作者通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)控制機(jī)器人完成各種任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會記錄下所有的動作數(shù)據(jù)和相應(yīng)的視覺輸入。然后，這些數(shù)據(jù)被用來訓(xùn)練一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其能夠?qū)W習(xí)將視覺輸入映射到相應(yīng)的機(jī)器人動作上。經(jīng)過足夠的訓(xùn)練后，機(jī)器人就能根據(jù)視覺輸入自主執(zhí)行類似的任務(wù)，無需人類進(jìn)一步干預(yù)。

為了評估ALOHA系統(tǒng)的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，包括25個(gè)不同的機(jī)器人操作任務(wù)。這些任務(wù)涵蓋了從簡單的物體拾取到復(fù)雜的雙手協(xié)調(diào)操作，如打開瓶蓋、系鞋帶等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ALOHA系統(tǒng)在這些任務(wù)上展現(xiàn)出了令人印象深刻的性能。特別是，通過使用行為克隆技術(shù)，機(jī)器人能夠從少量的人類示范中學(xué)習(xí)，并在新的環(huán)境中應(yīng)用所學(xué)技能。

一個(gè)特別有趣的發(fā)現(xiàn)是，ALOHA系統(tǒng)展示了強(qiáng)大的泛化能力。例如，當(dāng)機(jī)器人被訓(xùn)練打開一種特定顏色和形狀的瓶子后，它能夠成功打開不同顏色和形狀的瓶子，甚至是訓(xùn)練中從未見過的瓶子。這種泛化能力對于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中，機(jī)器人經(jīng)常需要處理各種各樣的物體和環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，通過增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性，可以顯著提高機(jī)器人的泛化能力。就像人類學(xué)習(xí)一項(xiàng)新技能時(shí)，接觸各種不同的例子會幫助我們更好地理解這項(xiàng)技能的本質(zhì)一樣，機(jī)器人也從多樣化的訓(xùn)練數(shù)據(jù)中受益。例如，當(dāng)研究人員使用不同背景、不同物體位置和不同光照條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，機(jī)器人在新環(huán)境中的表現(xiàn)明顯提升。

ALOHA系統(tǒng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是其開源性質(zhì)。研究團(tuán)隊(duì)已將所有硬件設(shè)計(jì)文件、軟件代碼和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集公開發(fā)布，使全球的研究人員和愛好者都能復(fù)制和改進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)。這種開放共享的精神，就像夏威夷的"Aloha"精神一樣，鼓勵(lì)合作和創(chuàng)新。通過開源，ALOHA系統(tǒng)有望吸引更多人參與到機(jī)器人學(xué)習(xí)研究中來，加速這一領(lǐng)域的發(fā)展。

當(dāng)然，ALOHA系統(tǒng)也面臨一些挑戰(zhàn)和局限性。首先，盡管相比商業(yè)系統(tǒng)成本大幅降低，但完整的ALOHA系統(tǒng)仍需約3萬美元的投資，這對個(gè)人研究者來說可能仍然不小。其次，當(dāng)前的系統(tǒng)在處理需要精確力控制的任務(wù)時(shí)還有提升空間，例如組裝精密部件或處理易碎物品。此外，雖然系統(tǒng)展示了良好的泛化能力，但在處理完全未知的任務(wù)類型時(shí)仍有局限。

展望未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在幾個(gè)方向上繼續(xù)改進(jìn)ALOHA系統(tǒng)。一個(gè)重要方向是進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，使其更加普及。另一個(gè)方向是增強(qiáng)系統(tǒng)的力反饋能力，讓操作者能夠感受到機(jī)器人與環(huán)境的交互力，從而實(shí)現(xiàn)更精確的操作。研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃探索將語言指令與示范學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，使機(jī)器人能夠理解和執(zhí)行自然語言描述的任務(wù)。

總的來說，Meta AI研究團(tuán)隊(duì)的ALOHA系統(tǒng)代表了機(jī)器人學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)重要進(jìn)展。通過創(chuàng)建一個(gè)低成本、開源的平臺，并結(jié)合先進(jìn)的模仿學(xué)習(xí)技術(shù)，ALOHA為機(jī)器人研究的民主化和普及化鋪平了道路。就像其名字所暗示的那樣，ALOHA向機(jī)器人研究社區(qū)發(fā)出了友好的邀請，鼓勵(lì)更多人參與到這一激動人心的領(lǐng)域中來。

隨著ALOHA等系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，我們可以期待未來的機(jī)器人將變得更加靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)，能夠在各種環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)。這不僅將推動機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療和家庭等領(lǐng)域的應(yīng)用，還將幫助我們更好地理解人類自身的學(xué)習(xí)和適應(yīng)機(jī)制。畢竟，在教機(jī)器人學(xué)習(xí)的過程中，我們也在不斷加深對人類學(xué)習(xí)過程的理解。

Q&A

Q1：ALOHA系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是什么？ A：ALOHA系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于它創(chuàng)建了一個(gè)低成本(約3萬美元)的開源雙臂機(jī)器人平臺，結(jié)合了價(jià)格親民的遠(yuǎn)程操作設(shè)備(約200美元)和基于行為克隆的學(xué)習(xí)算法，使機(jī)器人能夠從人類示范中學(xué)習(xí)復(fù)雜技能并泛化到新環(huán)境中。系統(tǒng)的開源性質(zhì)和相對低廉的成本使機(jī)器人研究更加民主化。

Q2：ALOHA系統(tǒng)是如何讓機(jī)器人學(xué)習(xí)新技能的？ A：ALOHA系統(tǒng)采用"行為克隆"技術(shù)讓機(jī)器人學(xué)習(xí)新技能。首先，人類操作者通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)控制機(jī)器人完成任務(wù)，系統(tǒng)記錄所有動作數(shù)據(jù)和視覺輸入。然后，這些數(shù)據(jù)被用來訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)將視覺輸入映射到相應(yīng)動作。經(jīng)過訓(xùn)練后，機(jī)器人能根據(jù)視覺輸入自主執(zhí)行類似任務(wù)，無需人類干預(yù)。

Q3：ALOHA系統(tǒng)面臨哪些局限性和未來發(fā)展方向？ A：ALOHA系統(tǒng)的主要局限包括：成本雖低于商業(yè)系統(tǒng)但對個(gè)人研究者仍較高(約3萬美元)；在需要精確力控制的任務(wù)上表現(xiàn)有限；處理完全未知任務(wù)類型的能力有限。未來發(fā)展方向包括：進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本；增強(qiáng)力反饋能力；將語言指令與示范學(xué)習(xí)相結(jié)合，使機(jī)器人能理解和執(zhí)行自然語言描述的任務(wù)。