“你穿個馬甲我就不認(rèn)識你了？”如何讓AI操作可形變物體

　　識別和處理變形物體是人類日常生活中不可或缺的一部分，如疊衣服、處理食材等簡單任務(wù)都會涉及到。 然而這對AI來說卻并不簡單。小品里“小樣，你穿個馬甲我就不認(rèn)識你了？”對AI來說，還真不是一個笑話。認(rèn)識是同一物體之后，還得能夠操作。

　　近日，來自瑞典皇家理工學(xué)院的研究團(tuán)隊在《科學(xué)》（Sience）子刊上發(fā)表了題為《可變形物體操縱的建模、學(xué)習(xí)、感知和控制方法》的論文，研究團(tuán)隊調(diào)查了這一領(lǐng)域的100多項(xiàng)相關(guān)研究，采用學(xué)習(xí)視角來整合對分析方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的討論，探索如何解決在感知和操縱各種可變形對象中使用和集成模型先驗(yàn)和任務(wù)數(shù)據(jù)的問題。研究者認(rèn)為，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的最新進(jìn)展，以及經(jīng)典的控制和規(guī)劃，可以為這些開放的挑戰(zhàn)提供可行的解決方案。此外，隨著更好的模擬環(huán)境開發(fā)，可以允許對各種方法進(jìn)行基準(zhǔn)測試，更好地理解需要進(jìn)行哪些理論開發(fā)，以及如何實(shí)施和評估實(shí)際系統(tǒng)，以提供靈活、可擴(kuò)展和具有魯棒性（robust）的解決方案。

　　盡管AI對可變形物體的操作很重要，但由于與之相關(guān)的建模、感知和控制的整體復(fù)雜性，相對于剛性物體的操作，此前人們上對可變形物體的機(jī)器人操作的研究較少。計算機(jī)圖形學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展提供了有價值的建模技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動范式，可以幫助克服傳統(tǒng)方法在變形對象操作中的一些限制。

　　最近關(guān)于物體抓取和操作的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，與變形物體的物理交互是機(jī)器人領(lǐng)域中一個重要的開放問題。它進(jìn)一步證明了學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法為機(jī)器人在可變形物體操作方面具有更先進(jìn)的能力鋪平了道路。

　　文章從“基于物理的可變形對象建?！遍_始，具體詳舉了質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)、基于位置的動力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)以及基于物理的仿真器。

　　可變形物體的建模和模擬動力學(xué)通常依賴于使用粒子或網(wǎng)格的幾何表示。

　　質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)(MSSs)將可變形材料作為一個網(wǎng)絡(luò)模型。質(zhì)量分配給每個單獨(dú)的頂點(diǎn)，頂點(diǎn)與彈簧邊相互連接。

　　基于位置的動力學(xué)(PBD)是一種無網(wǎng)格方法，建模材料作為一個離散系統(tǒng)的粒子。

　　連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為連續(xù)域中的材料變形建模提供了更精確的物理描述。

　　在基于物理的建模方面，作者例舉了Simulation Open Framework Architecture（SOFA）、PhysX、MuJoCo。

　　Simulation Open Framework Architecture（SOFA）是一個開源框架，專為組織模式開發(fā)用于組織建模和手術(shù)干預(yù)。它采用模塊化設(shè)計，為不同的機(jī)械對象、約束和碰撞幾何圖形提供定制的解算器。SOFA提供內(nèi)置質(zhì)量彈簧模型。它還包括各種FEM模型，例如線性、共旋線性和新胡克模型，用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的精度。該框架已用于運(yùn)動規(guī)劃、跟蹤可變形物體和基于視覺的尖端力估計。

　　PhysX是NVIDIA的開源產(chǎn)品，用于游戲引擎。它的特點(diǎn)是基于PBD的布料建模，允許模擬剛性和布狀物品，而不需要如中那樣橋接不同的模擬器。隨著對摩擦接觸處理的擴(kuò)展，PhysX已被用于人類著裝中的各種任務(wù)，例如觸覺和力預(yù)測，它也被用作規(guī)劃穿衣運(yùn)動的正向動力學(xué)模型。

　　MuJoCo具有凸軟接觸模型，因此允許具有較高收斂速度的優(yōu)化方法。由于該模擬器最初以關(guān)節(jié)型機(jī)器人的建模為目標(biāo)，因此它為加速機(jī)器人建模和學(xué)習(xí)算法提供了有用的接口。其變形動力學(xué)建模已被Bullet是一個用于碰撞檢測和多體模擬的開源庫。它建立在PBD的基礎(chǔ)上，以模擬可變形物體及其與其他世界實(shí)體的相互作用。

　　第二部分是感知（Perception）?？勺冃挝矬w的控制和操作依賴于使用視覺、力、觸覺和距離感知的豐富和魯棒的感知。作者列舉了基于模版的方法，如幾何模型、基于物理的模型、參數(shù)識別以及基于特定應(yīng)用的表示等。

　　在數(shù)據(jù)驅(qū)動方法中，動態(tài)模型不是先驗(yàn)定義的，而是學(xué)習(xí)的，它通常被公式化為監(jiān)督學(xué)習(xí)問題. 這些方法涉及模型預(yù)測的可靠性，借助定制特征、壓縮表示和模型架構(gòu)先驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。作者例舉了可變形對象交互的控制策略、模仿學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

　　第三部分關(guān)于操縱（Manipulation）。由于建模和仿真技術(shù)的進(jìn)步，可變形物體操作的規(guī)劃已經(jīng)從使用特定任務(wù)的幾何圖形，如2D形狀輪廓，轉(zhuǎn)移到使用一般物理模型。

　　關(guān)于可變形物體的建模、感知和控制的工作仍處于初級階段，但最近大量的工作證明了它的重要性。根據(jù)高維狀態(tài)空間和可變形材料的復(fù)雜動力學(xué)，研究者確定了可變形物體操縱的主要挑戰(zhàn)。仿真技術(shù)的進(jìn)步也使得狀態(tài)估計和運(yùn)動規(guī)劃等各種應(yīng)用成為可能。更重要的是基于學(xué)習(xí)的方法的興起證明了它們作為補(bǔ)充范式的靈活性和有效性。最近的趨勢開始融合這兩種范式，用數(shù)據(jù)補(bǔ)償建模不足的方面，或者用模型先驗(yàn)促進(jìn)學(xué)習(xí)性能。先驗(yàn)可以類似于作為結(jié)構(gòu)的分析模型，或者通過模擬器提供任務(wù)數(shù)據(jù)。（見習(xí)記者：邵文）

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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