我教機(jī)器人踢足球

2024年，入行的第二十四個(gè)年頭，趙明國經(jīng)歷了人形機(jī)器人行業(yè)“被看見”的時(shí)刻。

“成果開始集中體現(xiàn)了。”趙明國告訴《環(huán)球人物》記者：“有的人形機(jī)器人展示的是行動(dòng)能力，走路更像人了；有的可以在超市完成各種抓取任務(wù)；有的可以遠(yuǎn)程交互；有的可以疊衣服、刷盤子，甚至在工廠里完成一些操作；等等?！?/p>

說這話時(shí)，他的身后就站著一個(gè)雙足人形機(jī)器人，身高1.1米，體重20公斤，銀黑色系，機(jī)械感十足。相較之下，背黑色雙肩包、穿米色系帶帆布鞋的趙明國則顯得低調(diào)得多。他是清華大學(xué)自動(dòng)化系研究員、機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事人形機(jī)器人的算法開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。

所謂人形機(jī)器人，是指模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人。相較一般機(jī)器人，人形機(jī)器人具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，以及類人的感知、決策、行為和交互能力。行內(nèi)有這么一句話：如果說機(jī)器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，那么人形機(jī)器人則是其中最閃亮的那顆。這個(gè)圈子很小，叫得出名字的入局者就那么幾家。但今年，趙明國感到，情形變得很不一樣。

不只是那些激動(dòng)人心的成果。向內(nèi)一步，也是在今年，業(yè)內(nèi)對人形機(jī)器人的底層技術(shù)邏輯達(dá)成了共識。“以前搞人形機(jī)器人就是locomotion，也就是運(yùn)動(dòng)——如果一個(gè)機(jī)器人能在各種地形上行走，那么我們就認(rèn)為這個(gè)機(jī)器人是高水平的。但今年，大家已經(jīng)找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范式——用‘強(qiáng)化學(xué)習(xí)’，也就是讓智能體（Agent）與環(huán)境進(jìn)行交互，根據(jù)環(huán)境的獎(jiǎng)勵(lì)反饋來調(diào)整自己的行為，以獲得最大化的獎(jiǎng)勵(lì)。以前我們要花很長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，現(xiàn)在很快就能做到，成本也大幅下降。大家都在朝這個(gè)方向努力。”趙明國說，這種共識是全球性的，從這個(gè)意義上來說，2024年堪稱人形機(jī)器人行業(yè)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在新質(zhì)生產(chǎn)力中，人形機(jī)器人是頗為獨(dú)特的存在——它是多個(gè)交叉學(xué)科綜合作用的結(jié)果，是一個(gè)國家綜合生產(chǎn)力的體現(xiàn)；它還是生產(chǎn)力的載體，類似今天的手機(jī)、汽車，“未來很多變革都將發(fā)生在人形機(jī)器人領(lǐng)域或者通過人形機(jī)器人來完成。”趙明國說。

趙明國來自“冰城”哈爾濱，當(dāng)年因?yàn)椤半x家近”入讀了哈爾濱工業(yè)大學(xué)，出于對物理和計(jì)算機(jī)的興趣選擇了“機(jī)電一體化”專業(yè)。1997年，日本本田公司推出了完全獨(dú)立依靠兩條腿行走的機(jī)器人P3。同年，時(shí)任中國國務(wù)院總理李鵬前往本田總部參觀，P3走到大廳當(dāng)中，面對李鵬總理站好，伸出右手作歡迎狀，并用漢語自我介紹：“我是機(jī)器人P3，熱烈歡迎李鵬總理和夫人光臨，請?jiān)试S我與您握手?！闭f罷，它握住李鵬總理的手，連續(xù)搖動(dòng)了3次。

趙明國回憶：“當(dāng)時(shí)我們搞機(jī)器人的老師和學(xué)生都在關(guān)注P3，說搞機(jī)器人的就應(yīng)該搞這種機(jī)器人。”2001年，趙明國加入清華大學(xué)，從此走上研究人形機(jī)器人的道路。

向《環(huán)球人物》記者談及人形機(jī)器人可能帶來的改變時(shí)，趙明國條理清晰，語調(diào)平和。對他而言，那是一個(gè)可以預(yù)見的世界。

從“1V1”到“2V2”

今年12月中旬，在山東淄博舉行的一場足球賽火了。

這是一場中國高校機(jī)器人足球賽，球員是4個(gè)人形機(jī)器人，分別來自清華大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)。視頻畫面中，室內(nèi)一塊幾十平方米大的綠地上，當(dāng)足球向場地中央滾動(dòng)時(shí)，參賽雙方各有一名“球員”移動(dòng)到場邊，一方進(jìn)攻，一方防守；其余兩名追著足球走動(dòng)的“球員”則形成對峙，卻又遲遲沒有動(dòng)作，各自對著幾十厘米外的足球作原地踏步狀?！?個(gè)機(jī)器人很膠著地?fù)屧诹艘黄??！眻鐾饨庹f道，更為這稍顯滑稽的場面增添了幾分幽默。

網(wǎng)友們互動(dòng)很熱烈：“像我太爺太奶”“家里不亂的可以買一個(gè)回去添亂”“人類真是奇妙，造一個(gè)人工智能出來就是為了模仿老年人踢球”……

趙明國也關(guān)注到了這些討論，他是這類比賽的常客。2004年10月和12月，趙明國帶領(lǐng)清華大學(xué)隊(duì)在國內(nèi)兩場機(jī)器人足球比賽中均獲得“四腿組”冠軍。此后，他又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)連續(xù)多年參加了全球級別最高、規(guī)模最大、影響力最廣泛的機(jī)器人賽事之一——RoboCup機(jī)器人世界杯人形組比賽，并多次獲得亞軍。

趙明國告訴《環(huán)球人物》記者，這些機(jī)器人看似笨拙的步態(tài)和遲鈍的表現(xiàn)背后，其實(shí)蘊(yùn)含著重要的技術(shù)突破和可觀的應(yīng)用前景。

人形機(jī)器人的工作機(jī)理和真人完全不同。人的大腦可以做許多預(yù)處理，供我們高效理解和使用感官系統(tǒng)接收到的原始信息。但對于人形機(jī)器人來說，足球、門柱……每捕捉到一幀，就要做一次識別和定位，還要在不確定的概率分布下作出決策?！八杂袝r(shí)它們會(huì)做出‘愚笨’的行為，人類會(huì)覺得‘這個(gè)機(jī)器人太搞笑了’?！?/p>

趙明國提到了今年的一場國際機(jī)器人足球比賽。在那場比賽中，其中一方“球員”已經(jīng)把球踢到了對方的門線上，只需再走過去輕輕一碰就可以進(jìn)球；更何況此時(shí)，對方“球員”已因摔倒在地不能行動(dòng)而下場，它是場上唯一一名“球員”。

當(dāng)時(shí)，這名“球員”從中場走到球門前，看了球一眼，便轉(zhuǎn)身離去；回到中場后，機(jī)器人又開始找球，再次走到球面前后，又轉(zhuǎn)身回到了中場。這樣的情形重復(fù)5次后，這名“球員”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)終于找到了原因：陰影。

場地上方燈光的照射使得處于門線附近的足球剛好被門柱橫梁的投影覆蓋。機(jī)器人識別不到足球，于是返回中場尋找；而當(dāng)時(shí)正有人站在附近，形成了一片面積更大的陰影，機(jī)器人只好“無助地”在場地間穿梭。陰影的問題一解決，機(jī)器人很快便將這粒等候多時(shí)的進(jìn)球“收入囊中”。

“其實(shí)我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些突破，足球比賽從1V1到2V2，遠(yuǎn)不止是雙方增加了一名‘球員’那么簡單。想象一下，在一個(gè)球場中，球門的位置在這兒，我可以把球放在場上任何一個(gè)位置，對于機(jī)器人來說，每個(gè)位置對應(yīng)的識別、判斷和決策都不一樣?！壁w明國解釋道：“1V1時(shí)，機(jī)器人可以不用管隊(duì)友或?qū)κ郑恍枰咔?；但變?yōu)?V2時(shí)，除了要考慮球的運(yùn)動(dòng)，還涉及與隊(duì)友、對手的互動(dòng)。每多一名‘球員’，場上的情況就要復(fù)雜好幾倍，對應(yīng)的技術(shù)難度就要上一個(gè)臺(tái)階?！?/p>

而趙明國的最終目標(biāo)，是研制出像人一樣，能夠在足球場上實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和對抗的人形機(jī)器人，到2050年擊敗人類世界杯冠軍?！案爬▉碚f，就是讓機(jī)器人學(xué)會(huì)在場上站位、跑位，同時(shí)具備控制頭的決策能力和控制雙足的決策能力，比如有球時(shí)怎么辦，沒球時(shí)又怎么辦，對方在什么位置我怎么繞，球門在什么位置我怎么踢……這就像訓(xùn)練一名真人足球運(yùn)動(dòng)員——你想，訓(xùn)練一個(gè)梅西出來有多難？”

既如此，為什么要讓機(jī)器人踢足球？趙明國說，他看中的是“讓機(jī)器人踢足球”這項(xiàng)任務(wù)背后的能力。

“比如有人研究讓機(jī)器人搬運(yùn)貨物，這個(gè)問題現(xiàn)在看很難，但5年后它可能就被解決了，研究者需要再換一個(gè)問題。但我認(rèn)為‘踢足球’這個(gè)問題永遠(yuǎn)有探索空間，因?yàn)樘咔虻乃娇梢圆粩嗵岣摺热绗F(xiàn)在可以每秒跑1米，5年后我們可以提高到每秒跑5米。我們判斷，‘踢足球’至少可以搞到2050年，它對技術(shù)的發(fā)展和促進(jìn)可以一直延續(xù)下去。踢足球的問題解決到一個(gè)階段后，我們可以把相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)出來，轉(zhuǎn)到其他行業(yè)去應(yīng)用?！壁w明國說。而到了那時(shí)，今天我們對“機(jī)器人時(shí)代”的所有想象，或許都是最沒有想象力的答案。

事實(shí)上，就那些被網(wǎng)友們“調(diào)侃”的“球員”而言，當(dāng)中已經(jīng)有部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遷移。比如用于社區(qū)巡檢的智能機(jī)器人，就可以根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境靈活調(diào)整行動(dòng)策略，一如綠茵場上審時(shí)度勢的“球員”。

趙明國非常重視人形機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)業(yè)，深入市場。他的學(xué)生在2023年創(chuàng)立了一家人形機(jī)器人公司——北京加速進(jìn)化科技有限公司（以下簡稱“加速進(jìn)化”），那是接下來的故事。

互動(dòng)

在趙明國的影響下，“加速進(jìn)化”可能是“全國甚至全世界唯一一家用‘踢足球’帶動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的人形機(jī)器人企業(yè)”。

公司CEO程昊從小喜歡機(jī)器人，畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)化系，曾是清華大學(xué)機(jī)器人足球隊(duì)成員，跟著趙明國參加過幾屆機(jī)器人足球賽。

2022年9月，特斯拉推出人形機(jī)器人“擎天柱”（Optimus）的一代原型機(jī)，其可以實(shí)現(xiàn)直立行走、搬運(yùn)、灑水等復(fù)雜動(dòng)作。特斯拉稱，“擎天柱”將于近年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上市。自此，全球人形機(jī)器人賽道被引燃，各大公司紛紛入場。程昊覺得，是時(shí)候“回去”了。

趙明國記得，2022年的一天，在互聯(lián)網(wǎng)“大廠”擔(dān)任高管的程昊找到自己：“老師，我還是要回到機(jī)器人這個(gè)行業(yè)?！睅熗絺z一拍即合，程昊辭職創(chuàng)業(yè)，第二年6月，“加速進(jìn)化”成立，致力于研發(fā)更富有行動(dòng)能力的人形機(jī)器人本體和易于開發(fā)的運(yùn)控平臺(tái)。

老師在學(xué)校做研究，學(xué)生出去創(chuàng)業(yè)，從而推動(dòng)行業(yè)發(fā)展，這是當(dāng)前人形機(jī)器人領(lǐng)域的普遍做法?！把芯亢貌缓糜弥苯泳湍茯?yàn)證，最關(guān)鍵的是，我們可以知道當(dāng)下最需要解決的問題是什么。”趙明國回憶，有一次，他的一名研究生向他請教：在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)我們的算法有3個(gè)功能，但目前只能優(yōu)先強(qiáng)化一種，不知道哪一個(gè)功能在應(yīng)用中更重要？

趙明國把這個(gè)問題帶到了“加速進(jìn)化”，從工程師那里得到了答案。這個(gè)被工程師們選擇的功能叫做“抗負(fù)載變化”。以端水為例，具備“抗負(fù)載變化”功能的機(jī)器人在拿起水杯前就可以通過視覺預(yù)判杯子重量，并自動(dòng)將負(fù)載重量調(diào)整至合適區(qū)間——這和真人端水時(shí)的行為模式十分接近。與現(xiàn)在只能抓取固定重量的機(jī)器人不同，具備“抗負(fù)載變化”功能的機(jī)器人適應(yīng)性更強(qiáng)，靈活度更高，在復(fù)雜操作中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

“我們經(jīng)常會(huì)冒出來一些新點(diǎn)子，但這個(gè)點(diǎn)子未來在實(shí)際應(yīng)用中能否用得上，就需要和一線的工程師們溝通，修正我們的研究。相應(yīng)地，我們的研究也會(huì)有益于他們問題的解決。學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)的互動(dòng)就這么產(chǎn)生了?！壁w明國說。

“我自己就能用上”

《環(huán)球人物》：您如何理解新質(zhì)生產(chǎn)力？在您看來，人形機(jī)器人將在其中發(fā)揮怎樣的作用？

趙明國：新質(zhì)生產(chǎn)力的特征是高科技創(chuàng)新，并具有高效能、高質(zhì)量的特征，能引起社會(huì)的創(chuàng)新發(fā)展。人形機(jī)器人符合這幾點(diǎn)特征，屬于新質(zhì)生產(chǎn)力。

此外，由于人形機(jī)器人是多學(xué)科交叉的結(jié)果，所以發(fā)展人形機(jī)器人可以帶動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)革命，形成產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新，解決國家和社會(huì)發(fā)展中很多根本性問題。

《環(huán)球人物》：您認(rèn)為，人形機(jī)器人這一行業(yè)發(fā)展至今，大致經(jīng)歷過哪幾個(gè)階段？

趙明國：1973年，世界第一臺(tái)全尺寸人形智能機(jī)器人WABOT—1走出早稻田大學(xué)加藤實(shí)驗(yàn)室。盡管它行走一步需要45秒，步幅只有10厘米，但它的問世代表人類已初步實(shí)現(xiàn)全尺寸人形機(jī)器人雙足行走。此后30多年間，人形機(jī)器人一直在發(fā)展，以本田、波士頓動(dòng)力為代表的公司將人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力發(fā)揮到了極致。但這些技術(shù)僅掌握在少數(shù)團(tuán)隊(duì)手中，實(shí)現(xiàn)時(shí)間長，實(shí)現(xiàn)代價(jià)高。

2019年前后，英偉達(dá)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)在四足機(jī)器人上率先驗(yàn)證了先在仿真中應(yīng)用“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”再遷移到四足機(jī)器人上的可操作性，四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力得到極大提升。2022年以后，許多團(tuán)隊(duì)將這一思路應(yīng)用于人形機(jī)器人，取得了非常好的效果。這一技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)時(shí)間短、實(shí)現(xiàn)代價(jià)低，因此近年來，人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力得到了很大提高。再加上具身智能技術(shù)的興起，使得人形機(jī)器人操作能力也得到提升，人形機(jī)器人的移動(dòng)操作成為可能。

《環(huán)球人物》：目前我國人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是怎樣的？在全球處于什么水平？

趙明國：若從產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線看，可以分成三個(gè)階段：第一階段，解決各種場景中的移動(dòng)問題；第二階段，解決簡單場景中的移動(dòng)操作問題，包括講解、引導(dǎo)、巡檢、搬運(yùn)、裝配、整理等；第三階段，解決復(fù)雜場景中的移動(dòng)操作問題，如適用于養(yǎng)老、 工作空間和家庭的服務(wù)機(jī)器人。

目前國內(nèi)的技術(shù)路線適用于第一階段的教育科研場景，正在嘗試第二階段的To B類（To Business，面向企業(yè)用戶）應(yīng)用，即無人工廠、商店和物流等場景的移動(dòng)操作。當(dāng)前國內(nèi)人形機(jī)器人的發(fā)展基本與全球同步，中美兩國位列全球人形機(jī)器人領(lǐng)域的第一梯隊(duì)。

《環(huán)球人物》：根據(jù)您的研究，人形機(jī)器人作為新質(zhì)生產(chǎn)力，預(yù)計(jì)將帶來多大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模？能在哪些方面造福于人類生活？

趙明國：人形機(jī)器人市場潛力巨大。國際投資銀行高盛預(yù)測，到2035年，人形機(jī)器人市場規(guī)模有望達(dá)到1540億美元（約合11037.3億元人民幣）。特斯拉CEO馬斯克展望，長期來看人形機(jī)器人需求量可能高達(dá)100億臺(tái)。可見，它對中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的意義。

未來，人形機(jī)器人將具有高效、高敏捷性的移動(dòng)能力，能夠感知復(fù)雜的自然環(huán)境，并通過智能完成復(fù)雜任務(wù)，解決中國由于老齡化帶來的很多問題。

我現(xiàn)在這個(gè)年紀(jì)，再搞20年人形機(jī)器人，大概70多歲，那時(shí)人形機(jī)器人我自己就能用上（笑），哪怕端端茶、倒倒水或者做一些簡單的服務(wù)。人形機(jī)器人在養(yǎng)老方面的應(yīng)用與每個(gè)人都息息相關(guān)。

另外，人形機(jī)器人還能在一定程度上彌補(bǔ)勞動(dòng)力短缺的問題，比如高空作業(yè)、地下勘測等特定場景使用的人形機(jī)器人。

現(xiàn)在是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，手機(jī)扮演著重要角色；未來，我們學(xué)習(xí)、生活、工作中的很多事情將通過機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，那時(shí)就是“機(jī)器人時(shí)代”了。

趙明國

清華大學(xué)自動(dòng)化系研究員、機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)室主任，2001年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，主要從事人形機(jī)器人步態(tài)控制及無人駕駛自行車的研究。