智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | ?林卓瑋
編輯 | ?江心白
智東西12月28日消息，據IEEE Spectrum消息，美國國防高級研究計劃局（DARPA）將于明年舉辦“SUBT”地下挑戰賽（Subterranean Challenge）的(de)(de)決賽(sai)，該比賽(sai)旨在深入探索復雜(za)的(de)(de)地下(xia)未知世界。
據悉，參賽團隊之一CoSTAR正在(zai)緊張備賽(sai)中(zhong)，在(zai)熔巖管或洞穴(xue)內測試自主研發的機器人。
這(zhe)支隊伍由來自美(mei)國航(hang)空航(hang)天(tian)局噴(pen)氣推進(jin)實驗室(shi)（NASA JPL，全稱為(wei)National Aeronautics and Space Administration Jet Propulsion Laboratory）和加州理工大學的(de)研究人(ren)(ren)員組成，憑(ping)借輪式機(ji)器(qi)人(ren)(ren)和四足機(ji)器(qi)人(ren)(ren)贏得(de)了今(jin)年早些時候(hou)舉辦的(de)“SUBT”城市巡回賽(sai)。
盡管CoSTAR團隊向來(lai)以研發星際探索機(ji)器(qi)人見長，但(dan)該團隊的(de)(de)機(ji)器(qi)人在(zai)城市地(di)形和地(di)下管(guan)道中也(ye)表現強勁，這和美國航空航天局(ju)近年來(lai)對洞穴(xue)探索機(ji)器(qi)人的(de)(de)關(guan)注不謀而合(he)。
IEEE Spectrum采訪了來自美國航空航天局BRAIILE項目的科學家Jen Blank，以及來自CoSTAR團隊的兩位核心成員——領隊Ali Agha和副任務經理（Deputy Task Manager）Ben Morrell，深度揭秘了CoSTAR團隊的(de)備賽進展，以(yi)及美(mei)國航空航天局的(de)星際探索計劃。以(yi)下是(shi)該訪談錄的(de)全文翻(fan)譯：
IEEE Spectrum：你們的測試主要在哪種洞穴環境中開展？您選取這些地方的標準是什么？又是如何找到這些地方的呢？
Ali Agha：天然洞穴是美國航空航天局未來的重要研究對象，它既能啟迪對古老生物和現代生物的研究，還有可能成為未來人類的棲息保護地。目前，我們已和美國航空航天局科學任務理事會（Science Mission Directorate）達成合作，在北加利福尼亞州的熔巖床國家紀念碑保護區（ Lava Beds National Monument）的洞穴開展探索任務，以模擬火星上的情形。很長一段時間內，我們都會繼續在這開展美國航空航天局的項目。此外，我們為DARPA“SUBT”城市巡回賽做準備時，也是在這做的測試。?
Ben Morrell：我們團隊十分激動能參與到“SUBT”地下挑戰賽的洞穴巡回賽。這些洞穴十分吻合NASA的長期目標：探索月球和火星上的洞穴，特別是熔巖管。這些異星表面有很多熔巖流形成的洞穴。現階段，Jen Blank領導的NASA團隊已經在測試熔巖管的探索機器人，并選擇熔巖床國家紀念碑保護區來模擬火星熔巖管地形。這個地點雖然相當理想，但也不乏挑戰，畢竟熔巖床國家紀念碑保護區內有超800個洞穴。
▲CoSTAR團隊研發的Spot機器人在北加利福尼亞州的熔巖床國家紀念碑保護區（ Lava Beds National Monument）的洞穴開展探索任務
IEEE Spectrum：從城市環境到洞穴環境，您覺得最大的區別是什么？
Agha：最大的(de)區(qu)別(bie)在于可(ke)通(tong)行(xing)(xing)性。城市(shi)地下(xia)環(huan)境垂直度較大，遍布樓梯、多層平臺(tai)和頗具(ju)挑戰性的(de)迷宮結(jie)構。相較之下(xia)，洞(dong)穴地形更加惡劣(lie)極端，很多時(shi)候連(lian)人類都沒法通(tong)行(xing)(xing)，從而對(dui)機器人的(de)自動(dong)通(tong)行(xing)(xing)組件和自動(dong)危險(xian)規(gui)避組件提出(chu)了更高的(de)要求。
Morrell：3D地圖要美得多，隨著機器人的探索逐漸深入，大自然的鬼斧神工逐漸展現于眼前。洞穴的復雜地形有助于訓練基于激光雷達的地圖繪制能力，此外，洞穴具有許多獨特的幾何特征，在垂直方向上也有更多微妙且有規律的變化，給我們帶來了更大挑戰。?
IEEE Spectrum：您能否舉一些令你吃驚的洞穴挑戰事例？
Agha：在熔(rong)巖(yan)流中(zhong)形(xing)成的(de)洞穴地形(xing)比(bi)我們預期(qi)的(de)更加極(ji)端，我們的(de)團(tuan)隊成員有時都難以通行(xing)。
Morrell：?面對各色各樣的通行挑戰，我們需要重新研究本地規劃，來設計穿越危險區域的整體路徑。例如，我們的機器人雖然可以穿越陡峭的“熔巖瀑布”坡(po)，但前提是采用(yong)合適的方式。畢竟(jing)對于我們(men)人類而言，跨過這(zhe)種(zhong)陡(dou)坡(po)都相當艱難，而我們(men)需要通過編程來教會機器人做到這(zhe)點。
熔巖管表殼的巨大摩擦力也是讓我們特別驚訝的一點。熔巖管表殼是我們目前測試過的所有表面中最粗糙、最崎嶇的。不過事實證明，這對于四足機器人來說反而很有利，但是給靠打滑轉向的輪式機器人造成了許多難題。?
Jen Blank：?（波士頓動力公司研制的）的四足機器人在不同熔巖流表殼展現出的超強通行能力振奮了整個團隊。它既可以在較為光滑的繩狀熔巖（即“pahoehoe”，常見熔巖之一）表面通行，也可以穿越崎嶇嶙峋的渣狀熔巖（即“aa”，狀若西藍花）表面。此外，洞穴頂部塌方形成的桌子大小的松散格狀碎塊堆，機器人也能輕松通過，之后再向洞穴邊緣移動。在洞穴邊緣往往有古代熔巖流冷卻形成的壁架或“浴缸環”（指的是浴缸經長期使用后，缸壁形成一圈由油漬、洗浴產品殘余構成的可見污漬）。它還能輕松進出洞穴，盡管我們選擇了一個進出最方便的洞穴（兼具自然梯級和人造通道）。?
IEEE Spectrum：你們的研究手段與城市巡回賽所使用的系統相比有何變化？
Agha：受限于新冠疫情，我們前幾個月里沒有太多機會改善硬件。所以，我們的硬件解決方案變化不大。但是軟件方面，我們一直在模擬實驗中改良算法的各個部分，包括規劃算法和感知方法。?
Morrell：我(wo)們(men)在規(gui)劃算(suan)法方(fang)面取得(de)了(le)較(jiao)大進展，理(li)論和應(ying)用方(fang)面都進行了(le)重大升級。城市競賽(sai)經驗為我(wo)們(men)改良規(gui)劃算(suan)法提(ti)供了(le)靈感，比(bi)如說，在城市競賽(sai)中我(wo)們(men)需要應(ying)對(dui)包含多房間(jian)的(de)廣闊(kuo)區域，也需要應(ying)對(dui)復雜的(de)洞穴地形，既有狹長通(tong)道，也有露天大洞穴。我(wo)們(men)還(huan)優化了(le)機器(qi)人的(de)操作(zuo)體驗，發(fa)明了(le)一些(xie)工具(ju)以減輕(qing)任務負擔，同時簡化了(le)機器(qi)人團隊的(de)管理(li)流(liu)程。
IEEE Spectrum：機器人操作員在山洞中的體驗如何？其體驗與“隧道”和“城市”環境有何不同？
Morrell：與“隧道”和“城市”環境相比，我(wo)們(men)的測(ce)試環境面積較(jiao)小、復(fu)雜性較(jiao)低。我(wo)們(men)也隨(sui)之作出調(diao)整，測(ce)試時間更短，參與(yu)測(ce)試的機器人更少。此外(wai)，隨(sui)著全(quan)球規劃取得(de)一定進步(bu)、自動(dong)技術取得(de)突破(po)、操(cao)作輔助工具逐(zhu)漸(jian)豐富，操(cao)作員的整體(ti)體(ti)驗較(jiao)巡(xun)回賽也更為輕松(song)。輕松(song)的操(cao)作體(ti)驗正是我(wo)們(men)努力的方(fang)向之一。所以(yi)，這是我(wo)們(men)團隊的一次勝利，我(wo)們(men)也正在穩步(bu)向目(mu)標靠(kao)近。
和城市地形相比，山洞測驗更具挑戰性的地方便是要識別出潛在的危險地形。操作員必須通過非結構化的3D地圖識別出較低的洞穴頂部和陡崖。?
IEEE Spectrum：您有舉辦虛擬洞穴巡回賽嗎？如果是這樣，情況如何，您學到了什么？
Morrell：我們確實打算在測試地點舉行虛擬洞穴巡回賽，同時把NASA科學團隊的掃描地圖作為地面實況圖（Ground truth map）來使用，其作用類似于DARPA在隧道和城市巡回賽結束后提供的地圖。我們可以在地圖上選擇工件位置（artifact location），并測量標記位置。在實地測驗中，我們使用了帶有這些測量標記的全站儀，來測量便攜式校準門相對于地圖的位置。使用這些門的坐標對機器人進行校準之后，我們就可以像DARPA那樣舉辦測試賽！
學到了哪些教訓？城市的建筑結構相當規整，有直角、拐角、適合測量的平直走廊和平面圖，便于我們在地面實況圖上設定工件位置和校準門。由于地面平整，最終配置結果的可信度很高。但在洞穴環境中不是這樣，因為沒法確認最終結果是否偏差了一兩度，其可信度也大打折扣。?
虛擬競賽能夠評估使用其他方式難以評估的組件，比如壓力下操作、工件全局定位以及判斷路徑規劃是否覆蓋了所有工件。通過虛擬測試，我們明白了給操作員減負的重要性，知道了如何調整規劃器以適應工件感測，意識到工件定位管道（artifact localization pipeline）中有待改進的一些方面。?
▲研究者驚嘆于Spot機器人(ren)探索(suo)不同熔巖地形的(de)能力
IEEE Spectrum：有什么特別大的成功或者失敗嗎？
Morrell：在一次測試中，我們做到了完全自主運行Spot機器人，并完成對洞穴的完整探索。為達到NASA的洞穴(xue)科考目標，并在比賽(sai)中獲勝(sheng)，完全(quan)自(zi)主(zhu)是我們團隊設定的目標之一，因(yin)此(ci)這次(ci)測試可謂是一大勝(sheng)利。
另一個成功是順利完成規劃器、自主工具、操作工具等虛擬組件到實物的過渡。這證明我們建立仿真系統、并每月進行仿真迷你游戲（我們自己的“迷你虛擬洞穴電路”）的努力(li)是卓有成(cheng)效(xiao)的。
不過我們也發現輪式機器人難以適應熔巖管環境，受到嚴重磨損后出現了致命的硬件故障，但在疫情的大背景下這些故障很難解決。?
IEEE Spectrum：如果給您重來一次隧道和城市巡回賽的機會，您會怎么做？
Agha：我們的自動解決方案（稱為NeBula）在過去幾個月得到了整體提升，在可通行性和規劃方面的改善尤為顯著。我們相信，如果采用當前的解決方案，我們在隧道和城市競賽中的探索會更加深入。?
Morrell：我對Ali的話進行一些補充，如果能重來一次，那將是格外令人興奮的事！我們相信，現有系統將以更高的自主性和更強的操作性，實現更高的勘探效率、更準確的定位、更短的停機時間。我們與其他團隊相比，孰強孰弱？我們等不及要在決賽中找到答案！我們知道其他團隊已經取得了驚人進步，我們正竭盡全力跟上，并期待很快能與其他團隊進行測試！?
IEEE Spectrum：您對“SUBT”決賽采用組合巡回賽的形式有何感想？
Agha：看到DARPA對于決(jue)賽(sai)的新構(gou)想(xiang)，我們(men)非常興奮！如何將隧道、洞穴、城市這三種環境融合在一(yi)條(tiao)路線上？我們(men)非常好奇。
Morrell：巡回賽決賽確實為我們評估自主系統能力提供了無與倫比的機會，也是展示我們團隊多年研究開發成果的完美測試。不過，我們還有很長的路要走，還有很多事情要做。競爭激勵著我們馬不停蹄，其他團隊的不斷進步鞭策著我們奮勇向前。?
IEEE Spectrum：您目前已經經歷了隧道和城市巡回賽，也進行了自己版本的洞穴賽，您是否覺得離提出地下環境通用解決方案越來越近？
Agha：是(shi)的，我們(men)從一(yi)(yi)開始就打(da)算提(ti)(ti)出(chu)一(yi)(yi)套通(tong)(tong)用型解決方案。在不(bu)同環(huan)境(jing)中進行(xing)實(shi)地(di)測試無疑有(you)助于我們(men)確定這(zhe)套方案中難(nan)以適應環(huan)境(jing)變化(hua)的環(huan)節，同時為我們(men)改善這(zhe)些環(huan)節提(ti)(ti)供了機會，從而提(ti)(ti)出(chu)一(yi)(yi)套能夠更好地(di)適用于不(bu)同環(huan)境(jing)的通(tong)(tong)用解決方案。
Morrell：我必須要對設計比賽的DARPA工作(zuo)人員提出表揚，大型隧道帶來的各種挑(tiao)戰、城市地址復雜(za)性和(he)多層次性、以及洞穴的極(ji)端地形為(wei)提出通用解決方案帶來了切實(shi)幫(bang)助。但是(shi)，我(wo)(wo)們(men)也清楚地知道，還有(you)很多(duo)不(bu)(bu)同(tong)種類(lei)的(de)(de)礦山(shan)、洞(dong)穴和城市環(huan)(huan)境是(shi)我(wo)(wo)們(men)沒有(you)測試過的(de)(de)，因此我(wo)(wo)們(men)將繼續在各種環(huan)(huan)境中進行測試，揭開(kai)未知領域(yu)的(de)(de)神秘面紗（不(bu)(bu)像(xiang)比賽(sai)的(de)(de)最(zui)終形式仍是(shi)一個謎團(tuan)），讓我(wo)(wo)們(men)的(de)(de)解決(jue)方案更加耐用(yong)、更加通用(yong)。
來(lai)源(yuan)：IEEE Spectrum
