美國防高級研究計劃局征召新一代機器人

石壽松等

目標：高危環境

美國防高級研究計劃局為期長達兩年的“機器人挑戰賽”，將搶險救災任務作為新系統研制的重點，是基于如下兩個理由：其一，因為這是美國白宮和國防部提出的美國國防部十大任務之一；其二，國防高級研究計劃局認為這是一項獲得廣泛共識和重視的任務，是民眾高度關注的領域。

該項目主管普拉特博士解釋說，國防高級研究計劃局“機器人挑戰賽”的目的在于提高美國和全世界對自然災害和人為災難的應對能力，以2011年日本福島核事故為例，先進的機器人系統能夠發揮重要作用。他說，“在最初的24小時內，本來有多次機會進行干預，使災難嚴重程度大大減低。但不幸的是，因為輻射過高，人不能進入事故區域。結果，本來可以控制的災難不斷惡化。”

部署：兵分四路

根據國防高級研究計劃局的部署，“機器人挑戰賽”項目按照兵分四路方案運作，A、B兩路團隊將獲得國防高級研究計劃局提供的經費，而C、D兩路團隊則不會獲得國防高級研究計劃局的經費資助。根據早期的“廣領域公告”，國防高級研究計劃局A路隊伍篩選出7個團隊研制新的硬件和軟件，B路隊伍11個團隊只研制軟件。

A路團隊由一系列機器人技術領域知名單位組成，由他們推出一系列機器人系統。該路團隊及其研制的機器人系統有：卡內基梅隆大學國家機器人工程中心（CHIMP）的高智能移動平臺、德雷塞爾大學牽頭的HUBO人形機器人、雷聲公司的“衛士”機器人、SCHAFT公司的HRP－2機器人、弗吉尼亞理工大學的THOR“危險作業戰術機器人”、美國宇航局約翰遜空間中心的NASA－JSC宇航局空間中心機器人以及美國宇航局噴氣推進試驗室的“機械猴”機器人。

B路隊伍11個團隊也都是機器人技術領域的佼佼者：洛克希德·馬丁公司先進技術試驗室、RE2公司、堪薩斯州大學、卡內基梅隆大學、麻省理工學院、TRAC試驗室、華盛頓大學、佛羅里達人類與機器認知研究所、以色列班古里昂大學、美國宇航局噴氣推進試驗室以及TORC機器人公司等。

B路團隊不研制硬件，而在支持阿帕奇開源協議的虛擬機器人模擬器上演示各自的軟件。模擬器目前為Beta1.0版，將由“開源機器人基金會”在未來幾個月內推出更高版本。普拉特博士解釋說，更高版本的模擬器將采用云計算，使之更易干提高計算能力；此外，還將增加實時模擬功能。模擬器將由國家標準與技術研究所進行驗證。

C路團隊對來自全世界的競選單位開放；同B路團隊一樣，最初也是使用虛擬機器人模擬器。普拉特博士稱，這路團隊必須展示某些非同一般的技術才能獲得競選資格。

B路和C路團隊先參加虛擬環境競選，篩選出一批優勝者繼續進行首輪“實機”挑戰賽，挑戰賽由主辦方向參選方提供經費保障。

D路團隊則是能夠研制硬件和軟件，但國防高級研究計劃局不提供經費保障，這個團隊來自世界各國。參選者可以自由使用虛擬機器人模擬器，但重點應該放在首輪“實機”挑戰賽上。

目前挑戰任務只是概念性的，并且會隨時根據需要提出新的功能需求，包括駕駛車輛、開門、爬樓梯、連接電纜或水管等功能。

項目挑戰賽日程表尚末確定，目前預計會在設計評審后從7個A路團隊項目中篩選出5個。預選工作將在2013年12月完成。在此之前，2013年6月的虛擬挑戰賽參賽的是11個B路團隊和未提供經費的C路團隊，先在5月進行資格賽。6月的虛擬挑戰賽將在“云”平臺上進行，選出6個隊參加下一階段的比賽。

2013年12月比賽的11個團隊（A路選出的5個，B、C路選出的6個）將有8個團隊勝出，獲得經費保障繼續參加2014年12月的挑戰賽，獲勝團隊最終將獲得200萬美元獎勵。

特點：仿生自主

國防高級研究計劃局的“機器人挑戰賽”需求機器人涉及諸多與人類休戚相關的特性，機器人作業的環境就是其中之一。“我們知道，日常災難影響最大的地方不是沒有建筑的戶外環境，而是人類居住的室內環境，這個環境里有許多設施，比如門、樓梯、窗戶等。所以我們研發的機器人和技術要與人類居住的室內環境高度適應”，普拉特博士解釋道。普拉特博士指出另一新的設想是在這些環境中，機器人應該設計成能使用人類使用的工具，如螺絲刀等。這一點在災難現場顯得特別重要，因為在救災的早期階段往往難以提供機器人專用工具。

操作人員與機器人訓練還要考慮一個重要因素，即必須操作簡單。

普拉特博士雖沒有明確說明機器人應該達到的自主水平，但指出挑戰賽將會充分體現出自主能力的重要性。對自主性的考察涉及操作人員和機器人之間的信息流。發生災難時，通信質量往往會很差，優秀的機器人需要有自主性，通信質量越差越需要自主性。比如說，不是在運動級別上指揮機器人，說“前進1英寸”，而必須從任務級別上指揮，例如“開門”。

在挑戰賽中，國防高級研究計劃局還將對通信線路質量進行調控，逐漸減弱通信信號，看機器人如何應對這種情況。

普拉特博士稱，國防高級研究計劃局通過兵分四路的途徑，期待使競賽盡可能開放化和國際化，使之能夠找到來自全世界最好最完美的方案，“這樣做的理由是廣開門路，以便我們能夠聚集那些不在傳統的機器人技術領域的團隊”。

參賽：才能展示

國防高級研究計劃局為未來的救災機器人描繪了一副科學性與藝術性、現實性與幻想性交織的圖景。看到這些參與競爭的研究團隊設計的機器人照片，想像一下，在像日本福島核電站爆炸這樣的災難中，先進的機器人從穿越廢墟到最終關閉泄漏的閥門能一力承擔，就能充分說明機器人的重大意義了。下面是一些參賽團隊提供的部分優秀作品方案。

“機械猴”機器人

美國航空航天局噴氣推進試驗室的“機械猴”機器人能通過深思熟慮、穩定的操作完成具有挑戰性的任務。該試驗室研究小組將采用已經被成功運用在現代機器人中的設計方法、系統元件和軟件算法。

高智能移動平臺

美國卡內基梅隆大學國家機器人工程中心研制的高智能移動平臺，用于在特定環境中執行復雜的危險任務。該機器人具有接近人類的形體結構、力量和敏捷性，同時無需復雜的控制系統。

“衛士”機器人

美國雷聲公司設計的“衛士”機器人是一種新型的自供電、輕量級、健壯、靈巧的人形機器人。這種機器人的設計很好地利用了該公司在制造人形尺寸體外甲殼方面的經驗，并擴展了體外甲殼的概念，引進了一些創新技術。

人形機器人

美國航空航天局約翰遜航天中心提出發展新一代的人形機器人，以及能夠在各種情況下執行動態、感知密集型任務的控制模式。航空航天局約翰遜航天中心將在研究過程中運用開發多代機器宇航員的經驗和相關技術。

HRP－2機器人

美國SCHAFT公司設計的機器人基于成熟的硬件及其現有的HRP－2機器人軟件。該公司將創造一個智能機器人核心，它結合了用于識別、規劃、運動生成、運動控制和用戶界面的必要軟件模塊。該公司研究團隊將分3個小組分頭研究如下課題：硬件設計、軟件集成和情景測試。

“危險作業戰術”機器人

美國弗吉尼亞理工大學設計的“危險作業戰術”機器人是一種戰術冒險操作機器人。這種機器人輕便、敏捷，具有感知能力。它采用人機界面技術，能夠推斷操作者的意圖，允許無縫、直觀的控制。弗吉尼亞理工大學研究小組將著重發展“危險作業戰術”機器人的3個基本主題：硬件應變能力，強大的自主性，直觀的操作。

Hubo人形機器人

美國德雷克塞爾大學設計的Hubo人形機器人是一種開放架構的雙足機器人，具有完整的、全尺寸的人體結構。