瞬间进化： 人工智能在几秒钟内从零开始设计新机器人

由美国西北大学的研究团队领导，开发了迄今为止第一个可以智能设计机器人的人工智能（AI）。

为了测试这款新的AI，研究人员给系统一个简单的提示：设计一个可以在平坦表面上行走的机器人。大自然花了数十亿年才演化出第一种能够行走的物种，但新算法将进化过程压缩到了极速——在短短几秒钟内设计出了一个成功行走的机器人。

这款AI程序不仅速度快，而且可以在轻巧的个人电脑上运行，并从零开始设计全新的结构。

这与其他AI系统形成了鲜明的对比，其他系统通常需要耗电量巨大的超级计算机和庞大的数据集。即使在处理了所有这些数据之后，这些系统也受限于人类创造力的限制——只能模仿人类的过去作品，无法生成新的想法。

“当人们看到这个机器人时，他们可能会认为它是个无用的小玩意儿。但我看到了一个全新生物体的诞生。”

– Sam Kriegman

这项研究于10月3日发表在《美国国家科学院院刊》上。

西北大学的Sam Kriegman是该研究的负责人，他表示：“我们发现了一种非常快速的AI驱动的设计算法，它绕过了进化的拥堵，而不会回到人类设计师的偏见。”他补充道：“我们告诉AI，我们想要一个可以在陆地上行走的机器人。然后我们只需按下一个按钮，咔擦！它在眨眼之间生成了一个机器人的蓝图，看起来与任何曾经在地球上行走过的动物都不相似。我称这个过程为‘即时进化’。”

Kriegman是西北大学McCormick工程学院的计算机科学、机械工程和化学生物工程助理教授，他是机器人与生物系统中心的成员。

该论文的第一作者是Kriegman实验室的科学家David Matthews。在取得突破性发现之前，Kriegman和Matthews与共同作者Andrew Spielberg和Daniela Rus（麻省理工学院）以及Josh Bongard（佛蒙特大学）密切合作了数年。

探索人工生命的潜力

在2020年初，Kriegman因开发由生物细胞制成的第一个生物机器人“异生机器人”而引起了广泛的媒体关注。现在，Kriegman和他的团队将他们的新AI视为探索人工生命潜力的下一步进展。这个机器人看起来很不起眼，小巧、柔软且形状不规则。目前，它由无机材料制成。Kriegman表示，这代表了AI设计的工具的新时代的第一步，这些工具可以像动物一样直接作用于世界。

“当人们看到这个机器人时，他们可能会认为它是个无用的小玩意儿，” Kriegman说道。“但我看到了一个全新生物体的诞生。”

从零到行走只需几秒钟

虽然AI程序可以从任何提示开始，但Kriegman及其团队从一个简单的请求开始，即设计一个能够在陆地上行走的物理机器。研究人员的输入止步于此，AI接管了设计过程。

计算机从一个大小约为肥皂块大小的方块开始。它能够摆动，但绝对无法行走。知道它尚未达到目标，AI迅速迭代设计。在每次迭代中，AI评估其设计，识别缺陷，并削减模拟方块的结构。最终，在仅仅九次尝试之后，它生成了一个能够每秒行走半个身体长度的机器人——大约是人类步幅的一半。

从一个没有任何运动的毫无形状的方块到一个能够行走的机器人的整个设计过程只花了26秒，而这是在一台笔记本电脑上完成的。

“现在任何人都可以看到AI在实时生成越来越好的机器人体型方面的进化过程，” Kriegman说道。“以前，要使机器人进化需要在超级计算机上进行数周的试验和错误，当然，在动物能够在我们的世界中奔跑、游泳或飞翔之前，经历了数十亿年的试验和错误。这是因为进化是没有远见的。它无法预见未来，无法知道特定的突变是有益还是灾难性的。我们找到了一种去除这个眼罩的方法，从而将数十亿年的进化压缩到一瞬间。”

重新发现腿部

AI意外地提出了与大自然一样用于行走的解决方案：腿。但与大自然的明显对称设计不同，AI采取了不同的方法。最终生成的机器人有三条腿、背

部有鳍、平坦的脸部，并且布满孔洞。

Kriegman表示：“有趣的是，我们没有告诉AI机器人应该有腿，但它重新发现了腿是在陆地上移动的好方法。用腿来移动在陆地上是最有效的方式。”

为了查看模拟机器人在现实生活中是否有效，Kriegman及其团队将AI设计的机器人作为蓝图使用。首先，他们3D打印了机器人身体周围的负空间的模具。然后，他们将模具填充了液态硅橡胶，并让其固化了几个小时。当团队从模具中取出固化的硅橡胶时，它变得柔软而有弹性。

现在，是时候查看机器人的模拟行为——行走是否在物理世界中得以保留。研究人员用空气填充了橡胶机器人的身体，使其三条腿膨胀。当空气从机器人的身体中泄漏时，腿部就会收缩。通过不断向机器人注入空气，它反复膨胀然后收缩，实现了缓慢但稳定的移动。

一个有趣的设计

尽管腿的进化是有道理的，但孔洞是一个奇特的附加部分。AI在机器人的身体上随机制作了许多孔洞。Kriegman假设，多孔性去除了重量并增加了灵活性，使机器人可以弯曲腿部以行走。

他说：“我们不太清楚这些孔究竟有什么作用，但我们知道它们很重要。因为当我们去掉它们时，机器人要么无法行走，要么无法像以前那样行走。”

总的来说，Kriegman对机器人的设计感到惊讶和着迷，指出大多数由人类设计的机器人要么看起来像人，要么像狗，要么像冰球。

Kriegman说：“但AI可以创造出新的可能性和新的前进道路，这是人类从未考虑过的。它可能帮助我们以不同的方式思考和梦想。这也可能帮助我们解决一些最困难的问题。”

尽管AI的第一款机器人除了能够前进以外几乎什么都做不了，但Kriegman想象着由同一程序设计的工具的无限可能性。未来，类似的机器人可能能够在倒塌建筑物的废墟中导航，根据热和振动信号搜索被困的人和动物，或者它们可能能够穿越下水道系统来诊断问题、疏通管道和修复损坏。AI也可能能够设计纳米机器人，进入人体并在血液中穿行，以疏通动脉、诊断疾病或杀死癌细胞。

Kriegman说：“唯一阻碍我们使用这些新工具或者疗法的，是我们不知道如何设计它们。幸运的是，AI有了自己的想法。”

参考链接：https://news.northwestern.edu/stories/2023/10/instant-evolution-ai-designs-new-robot-from-scratch-in-seconds/