DARPA別出心裁的地下機器人大賽

編譯 思羽

2018年9月底，美國國防高級研究計劃局（DARPA）將眾多機器人學家聚集于肯塔基州的路易維爾巨洞，交給他們一項任務：設計出一種能在隧道和洞穴構成的、能令人筋疲力盡的地下環境里通行的機器人，那些機器人要面對地球上最殘酷無情的環境。組織方稱其為“地下挑戰賽”，但不妨稱其為“機器人必死挑戰賽”。

這個比賽將于2019年展開，與過去的賽事有著本質的不同。最初，這個高級研究部門主辦了“大挑戰賽”（Grand Challenge），讓自動駕駛車輛在沙漠中比賽，該活動幫助推動了無人駕駛汽車革命。接著，它監督了“機器人挑戰賽”（Robotics Challenge），比賽中的人形機器人嘗試開門和駕駛敞篷車，但大多數機器人都臉朝下摔倒在地上。兩次賽事的技術挑戰都極具意義，但它們面臨的環境相對來說平淡無奇。“地下挑戰賽”中的機器人要進入地下世界，將會面臨非同一般、猶如地獄的可怕環境。

DARPA會將這項新競賽分成3條路線，每條路線都會給參賽團隊帶來新的麻煩。首先是由雜亂的通道構成的隧道環境，又有具備峭壁、斜坡和狹道的洞穴環境，還有一處類似地下掩體的環境，它將是機器人會遇到的最具“結構性”,或者最可預知的環境。然而，那意味著機器人將要在一片針對人類的靈巧性而優化過的區域內展開活躍的行動，其中或許還包括了爬樓梯。

參賽團隊（其中包括來自卡內基·梅隆大學、NASA轄下的噴氣推進實驗室、加州理工學院的參賽者）將分別攻克每條路線，其間會相隔大約6個月。首先從隧道路線開始，時間定于2019年8月。參賽的機器人將會在每個環境中運轉多次，取最高分的成績。在2021年8月，參賽團隊會聚集在一起，攻克最終的比賽項目，它是某種程度上的3種不同環境的混搭。

對于這些團隊來說，最核心的考驗將會是他們的機器人是否具備足夠的靈活性，足以在洞穴、隧道和都市建筑物中運行自如。DARPA的項目經理蒂莫西·莊（Timothy Chung）說：“你可能是個厲害的游泳者，但在跑步或騎單車上不算厲害，然而當你將3項能力放在一起，最終讓你能越過終點線的，就是你如何應付所有3項比賽的方式。”

評分將會圍繞著DARPA所關注的細節。這些關注點將會散布于整個地下環境，包括幸存者、無線電、手機、閥門和氧氣濃度。基本理念是參賽團隊要盡可能快地偵測和定位到這些關注點。你完成得越快，獲得的分數就越多。

這將會是傳感領域的混亂困境。常規的老式視覺傳感器對于氧氣濃度之外的大多數關注點都能奏效，但是假如你失去光源，那該怎么辦？激光雷達也許能用三維激光幫助你繪制環境地圖，但它不會幫助你順利找到手機之類的小型物件。

但是話又要說回來，多重傳感器意味著冗余的系統。譬如說，在你尋找幸存者時，你也許用一臺熱成像相機、甚至是麥克風就能辦到，于是假如一種方法無效，你還有后備方案。傳統的視覺傳感器會幫助你發現入口點和出口點，但激光雷達也能在這點上幫你。團隊要接受的挑戰不僅在于選擇恰當的傳感器，還在于保持所有傳感器的運作，又不讓系統過載，避免電池過早耗盡。

令挑戰更加艱巨的因素是競賽環境本身的嚴酷性。除了一直保持黑暗的環境，機器人還得要對付微粒、泥漿、豎井和狹道。這種骯臟的環境肯定會對傳感器造成破壞。畢竟，就連讓一臺機器人在潮濕的溫室中運轉又不造成傳感器故障都很難實現。洞穴也可能很潮濕，更不用說可能從洞頂滴下水珠。

因為地下環境的多種多樣，這些團隊所構想的機器人不會是同個模樣。或許，像藤蔓一樣生長的柔性機器人會很好地適應洞穴中的狹隘空間，而一臺無人機能夠繪制更大的洞穴空間的地圖。不同的機器人能夠協同工作——可能是一臺無人機拴在一個類似坦克、甚至是四足的機器人上面，從更大號的電池中汲取電力，并獲得一些穩定性。

不管使用什么方法，關鍵將會在于自主性：地下沒有GPS，而無線網絡通訊也僅會在一定距離內有效。考慮到環境的崎嶇不平，讓你的機器人始終連接著主基站會很困難。另一種替代方案是讓團隊使用小型的“中繼”機器人，由它們在打頭陣的機器人和團隊的控制中心之間轉接信號，這樣操作員能夠監控任務的進展。

DARPA讓參賽團隊自由發揮。想要嘗試一下集群機器人，讓地下環境中涌入許多微型機器人嗎？試一試吧，但要小心開支。“部署1 000個機器人，在后勤方面就意味著得有人管理那1 000個機器人，進行維護保養。”DARPA的蒂莫西·莊說。

如果機器人能學會在地下環境中行進，機器人學家就離幫助現場應急人員的目標更近了一步。正如我們在2018年夏天泰國的洞窟救援事件中認識到的，救援行動仍然要由人類去完成（無論埃隆·馬斯克和他的“不實用”機器人會告訴你什么）。在洞穴之外，單單紐約市就有數百英里長的地鐵隧道和汽車隧道，民眾可能在緊急事件中被困于那些隧道中。如果現場有煙氣或瓦斯泄漏，現場應急人員的明智做法會是首先派一名機器人去偵察現場。

因為我們在討論的是DARPA組織的機器人大賽，所以軍事應用也是我們的首要考慮。譬如說，讓機器人去偵察躲藏在隧道或洞穴里的敵人。美國國防部下轄的國防威脅降低局（Defense Threat Reduction Agency，DTRA）的資深技術顧問鮑勃·黑斯蒂（Bob Hastie）說：“我希望你們這些來到這兒的聰明絕頂的人思考這件事。當躲在地下的敵人不希望我進入，而他將要做什么事令我的人生變得痛苦，那時會發生什么。我希望你們所有人都思考一下，當你們的團隊被邪惡博士盯上會怎樣。”

資料來源 Wired