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編譯 | ?林卓瑋
編輯 | ?江心白
智東西12月28日消息，據(jù)IEEE Spectrum消息，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）將于明年舉辦“SUBT”地下挑戰(zhàn)賽（Subterranean Challenge）的決賽，該比賽旨在深入探索復(fù)雜的地下未知世界。
據(jù)悉，參賽團(tuán)隊(duì)之一CoSTAR正在緊張備賽中，在熔巖管或洞穴內(nèi)測試自主研發(fā)的機(jī)器人。
這支隊(duì)伍由來自美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA JPL，全稱為National Aeronautics and Space Administration Jet Propulsion Laboratory）和加州理工大學(xué)的研究人員組成，憑借輪式機(jī)器人和四足機(jī)器人贏得了今年早些時(shí)候舉辦的“SUBT”城市巡回賽。
盡管CoSTAR團(tuán)隊(duì)向來以研發(fā)星際探索機(jī)器人見長，但該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人在城市地形和地下管道中也表現(xiàn)強(qiáng)勁，這和美國航空航天局近年來對洞穴探索機(jī)器人的關(guān)注不謀而合。
IEEE Spectrum采訪了來自美國航空航天局BRAIILE項(xiàng)目的科學(xué)家Jen Blank，以及來自CoSTAR團(tuán)隊(duì)的兩位核心成員——領(lǐng)隊(duì)Ali Agha和副任務(wù)經(jīng)理（Deputy Task Manager）Ben Morrell，深度揭秘了CoSTAR團(tuán)隊(duì)的備賽進(jìn)展，以及美國航空航天局的星際探索計(jì)劃。以下是該訪談錄的全文翻譯：
IEEE Spectrum：你們的測試主要在哪種洞穴環(huán)境中開展？您選取這些地方的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)代生物的研究，還有可能成為未來人類的棲息保護(hù)地。目前，我們已和美國航空航天局科學(xué)任務(wù)理事會(huì)（Science Mission Directorate）達(dá)成合作，在北加利福尼亞州的熔巖床國家紀(jì)念碑保護(hù)區(qū)（ Lava Beds National Monument）的洞穴開展探索任務(wù)，以模擬火星上的情形。很長一段時(shí)間內(nèi)，我們都會(huì)繼續(xù)在這開展美國航空航天局的項(xiàng)目。此外，我們?yōu)?span id="g6acca4" class="s1">DARPA“SUBT”城市巡回賽做準(zhǔn)備時(shí)，也是在這做的測試。?
Ben Morrell：我們團(tuán)隊(duì)十分激動(dòng)能參與到“SUBT”地下挑戰(zhàn)賽的洞穴巡回賽。這些洞穴十分吻合NASA的長期目標(biāo)：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(xiàn)階段，Jen Blank領(lǐng)導(dǎo)的NASA團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在測試熔巖管的探索機(jī)器人，并選擇熔巖床國家紀(jì)念碑保護(hù)區(qū)來模擬火星熔巖管地形。這個(gè)地點(diǎn)雖然相當(dāng)理想，但也不乏挑戰(zhàn)，畢竟熔巖床國家紀(jì)念碑保護(hù)區(qū)內(nèi)有超800個(gè)洞穴。
▲CoSTAR團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Spot機(jī)器人在北加利福尼亞州的熔巖床國家紀(jì)念碑保護(hù)區(qū)（ Lava Beds National Monument）的洞穴開展探索任務(wù)
IEEE Spectrum：從城市環(huán)境到洞穴環(huán)境，您覺得最大的區(qū)別是什么？
Agha：最大的區(qū)別在于可通行性。城市地下環(huán)境垂直度較大，遍布樓梯、多層平臺(tái)和頗具挑戰(zhàn)性的迷宮結(jié)構(gòu)。相較之下，洞穴地形更加惡劣極端，很多時(shí)候連人類都沒法通行，從而對機(jī)器人的自動(dòng)通行組件和自動(dòng)危險(xiǎn)規(guī)避組件提出了更高的要求。
Morrell：3D地圖要美得多，隨著機(jī)器人的探索逐漸深入，大自然的鬼斧神工逐漸展現(xiàn)于眼前。洞穴的復(fù)雜地形有助于訓(xùn)練基于激光雷達(dá)的地圖繪制能力，此外，洞穴具有許多獨(dú)特的幾何特征，在垂直方向上也有更多微妙且有規(guī)律的變化，給我們帶來了更大挑戰(zhàn)。?
IEEE Spectrum：您能否舉一些令你吃驚的洞穴挑戰(zhàn)事例？
Agha：在熔巖流中形成的洞穴地形比我們預(yù)期的更加極端，我們的團(tuán)隊(duì)成員有時(shí)都難以通行。
Morrell：?面對各色各樣的通行挑戰(zhàn)，我們需要重新研究本地規(guī)劃，來設(shè)計(jì)穿越危險(xiǎn)區(qū)域的整體路徑。例如，我們的機(jī)器人雖然可以穿越陡峭的“熔巖瀑布”坡，但前提是采用合適的方式。畢竟對于我們?nèi)祟惗?，跨過這種陡坡都相當(dāng)艱難，而我們需要通過編程來教會(huì)機(jī)器人做到這點(diǎn)。
熔巖管表殼的巨大摩擦力也是讓我們特別驚訝的一點(diǎn)。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(shí)證明，這對于四足機(jī)器人來說反而很有利，但是給靠打滑轉(zhuǎn)向的輪式機(jī)器人造成了許多難題。?
Jen Blank：?（波士頓動(dòng)力公司研制的）的四足機(jī)器人在不同熔巖流表殼展現(xiàn)出的超強(qiáng)通行能力振奮了整個(gè)團(tuán)隊(duì)。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(lán)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(jī)器人也能輕松通過，之后再向洞穴邊緣移動(dòng)。在洞穴邊緣往往有古代熔巖流冷卻形成的壁架或“浴缸環(huán)”（指的是浴缸經(jīng)長期使用后，缸壁形成一圈由油漬、洗浴產(chǎn)品殘余構(gòu)成的可見污漬）。它還能輕松進(jìn)出洞穴，盡管我們選擇了一個(gè)進(jìn)出最方便的洞穴（兼具自然梯級(jí)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(tǒng)相比有何變化？
Agha：受限于新冠疫情，我們前幾個(gè)月里沒有太多機(jī)會(huì)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(shí)驗(yàn)中改良算法的各個(gè)部分，包括規(guī)劃算法和感知方法。?
Morrell：我們在規(guī)劃算法方面取得了較大進(jìn)展，理論和應(yīng)用方面都進(jìn)行了重大升級(jí)。城市競賽經(jīng)驗(yàn)為我們改良規(guī)劃算法提供了靈感，比如說，在城市競賽中我們需要應(yīng)對包含多房間的廣闊區(qū)域，也需要應(yīng)對復(fù)雜的洞穴地形，既有狹長通道，也有露天大洞穴。我們還優(yōu)化了機(jī)器人的操作體驗(yàn)，發(fā)明了一些工具以減輕任務(wù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)簡化了機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的管理流程。
IEEE Spectrum：機(jī)器人操作員在山洞中的體驗(yàn)如何？其體驗(yàn)與“隧道”和“城市”環(huán)境有何不同？
Morrell：與“隧道”和“城市”環(huán)境相比，我們的測試環(huán)境面積較小、復(fù)雜性較低。我們也隨之作出調(diào)整，測試時(shí)間更短，參與測試的機(jī)器人更少。此外，隨著全球規(guī)劃取得一定進(jìn)步、自動(dòng)技術(shù)取得突破、操作輔助工具逐漸豐富，操作員的整體體驗(yàn)較巡回賽也更為輕松。輕松的操作體驗(yàn)正是我們努力的方向之一。所以，這是我們團(tuán)隊(duì)的一次勝利，我們也正在穩(wěn)步向目標(biāo)靠近。
和城市地形相比，山洞測驗(yàn)更具挑戰(zhàn)性的地方便是要識(shí)別出潛在的危險(xiǎn)地形。操作員必須通過非結(jié)構(gòu)化的3D地圖識(shí)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(xué)到了什么？
Morrell：我們確實(shí)打算在測試地點(diǎn)舉行虛擬洞穴巡回賽，同時(shí)把NASA科學(xué)團(tuán)隊(duì)的掃描地圖作為地面實(shí)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(jié)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(biāo)記位置。在實(shí)地測驗(yàn)中，我們使用了帶有這些測量標(biāo)記的全站儀，來測量便攜式校準(zhǔn)門相對于地圖的位置。使用這些門的坐標(biāo)對機(jī)器人進(jìn)行校準(zhǔn)之后，我們就可以像DARPA那樣舉辦測試賽！
學(xué)到了哪些教訓(xùn)？城市的建筑結(jié)構(gòu)相當(dāng)規(guī)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(shí)況圖上設(shè)定工件位置和校準(zhǔn)門。由于地面平整，最終配置結(jié)果的可信度很高。但在洞穴環(huán)境中不是這樣，因?yàn)闆]法確認(rèn)最終結(jié)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(píng)估使用其他方式難以評(píng)估的組件，比如壓力下操作、工件全局定位以及判斷路徑規(guī)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(fù)的重要性，知道了如何調(diào)整規(guī)劃器以適應(yīng)工件感測，意識(shí)到工件定位管道（artifact localization pipeline）中有待改進(jìn)的一些方面。?
▲研究者驚嘆于Spot機(jī)器人探索不同熔巖地形的能力
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(yùn)行Spot機(jī)器人，并完成對洞穴的完整探索。為達(dá)到NASA的洞穴科考目標(biāo)，并在比賽中獲勝，完全自主是我們團(tuán)隊(duì)設(shè)定的目標(biāo)之一，因此這次測試可謂是一大勝利。
另一個(gè)成功是順利完成規(guī)劃器、自主工具、操作工具等虛擬組件到實(shí)物的過渡。這證明我們建立仿真系統(tǒng)、并每月進(jìn)行仿真迷你游戲（我們自己的“迷你虛擬洞穴電路”）的努力是卓有成效的。
不過我們也發(fā)現(xiàn)輪式機(jī)器人難以適應(yīng)熔巖管環(huán)境，受到嚴(yán)重磨損后出現(xiàn)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(jī)會(huì)，您會(huì)怎么做？
Agha：我們的自動(dòng)解決方案（稱為NeBula）在過去幾個(gè)月得到了整體提升，在可通行性和規(guī)劃方面的改善尤為顯著。我們相信，如果采用當(dāng)前的解決方案，我們在隧道和城市競賽中的探索會(huì)更加深入。?
Morrell：我對Ali的話進(jìn)行一些補(bǔ)充，如果能重來一次，那將是格外令人興奮的事！我們相信，現(xiàn)有系統(tǒng)將以更高的自主性和更強(qiáng)的操作性，實(shí)現(xiàn)更高的勘探效率、更準(zhǔn)確的定位、更短的停機(jī)時(shí)間。我們與其他團(tuán)隊(duì)相比，孰強(qiáng)孰弱？我們等不及要在決賽中找到答案！我們知道其他團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了驚人進(jìn)步，我們正竭盡全力跟上，并期待很快能與其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)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對于決賽的新構(gòu)想，我們非常興奮！如何將隧道、洞穴、城市這三種環(huán)境融合在一條路線上？我們非常好奇。
Morrell：巡回賽決賽確實(shí)為我們評(píng)估自主系統(tǒng)能力提供了無與倫比的機(jī)會(huì)，也是展示我們團(tuán)隊(duì)多年研究開發(fā)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(lì)著我們馬不停蹄，其他團(tuán)隊(duì)的不斷進(jìn)步鞭策著我們奮勇向前。?
IEEE Spectrum：您目前已經(jīng)經(jīng)歷了隧道和城市巡回賽，也進(jìn)行了自己版本的洞穴賽，您是否覺得離提出地下環(huán)境通用解決方案越來越近？
Agha：是的，我們從一開始就打算提出一套通用型解決方案。在不同環(huán)境中進(jìn)行實(shí)地測試無疑有助于我們確定這套方案中難以適應(yīng)環(huán)境變化的環(huán)節(jié)，同時(shí)為我們改善這些環(huán)節(jié)提供了機(jī)會(huì)，從而提出一套能夠更好地適用于不同環(huán)境的通用解決方案。
Morrell：我必須要對設(shè)計(jì)比賽的DARPA工作人員提出表揚(yáng)，大型隧道帶來的各種挑戰(zhàn)、城市地址復(fù)雜性和多層次性、以及洞穴的極端地形為提出通用解決方案帶來了切實(shí)幫助。但是，我們也清楚地知道，還有很多不同種類的礦山、洞穴和城市環(huán)境是我們沒有測試過的，因此我們將繼續(xù)在各種環(huán)境中進(jìn)行測試，揭開未知領(lǐng)域的神秘面紗（不像比賽的最終形式仍是一個(gè)謎團(tuán)），讓我們的解決方案更加耐用、更加通用。
來源：IEEE Spectrum
