研究人員幫助機(jī)器人進(jìn)行抽象思考和計(jì)劃

布朗大學(xué)和麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種方法，通過構(gòu)建周圍世界的抽象表示來幫助機(jī)器人規(guī)劃多步驟任務(wù)。他們的研究發(fā)表在人工智能研究雜志上，是朝著建造能夠像人一樣思考和行動的機(jī)器人邁出的一步。

對于機(jī)器人來說，規(guī)劃是一件非常困難的事情，主要是因?yàn)樗麄內(nèi)绾慰创⑴c世界互動。甲機(jī)器人的世界的感知包括無非由其照相機(jī)采集的像素的繁多更多，并且其采取行動的能力被限制在設(shè)置控制其接頭和夾具各個電機(jī)的位置。它缺乏對這些像素如何與我們在世界上可能認(rèn)為有意義的概念相關(guān)的天生的理解。

布朗的計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授，新研究的主要作者喬治科尼達(dá)里斯說：“與世界的低級界面使人們很難決定做什么。” “想象一下，如果你不得不考慮你想要到達(dá)的每一塊肌肉，那么計(jì)劃像去雜貨店一樣簡單的東西是多么困難，并提前和詳細(xì)想象數(shù)TB的視覺數(shù)據(jù)。一路走過你的視網(wǎng)膜。你會立刻陷入細(xì)節(jié)之中。人們當(dāng)然不會那樣計(jì)劃。我們能夠引入抽象的概念，拋棄那么多無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)和只關(guān)注重要的事情。“

即使是最先進(jìn)的機(jī)器人也無法實(shí)現(xiàn)這種抽象。當(dāng)我們看到機(jī)器人計(jì)劃和執(zhí)行多步驟任務(wù)的演示時，“幾乎總是如此，程序員已明確告訴機(jī)器人如何思考這個世界以便制定計(jì)劃，”Konidaris說。“但如果我們想要能夠更自主地行動的機(jī)器人，他們將需要自己學(xué)習(xí)抽象的能力。”

在計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語中，這些類型的抽象分為兩類：“程序抽象”和“感知抽象”。程序抽象是由低級別動作組成的程序，由較高級別的技能組成。一個例子是捆綁打開門所需的所有小動作 - 所有涉及到旋鈕的電機(jī)運(yùn)動，轉(zhuǎn)動它并將門拉開 - 進(jìn)入單個“打開門”技能。一旦建立了這樣的技能，您就不必?fù)?dān)心它是如何工作的。您需要知道的是何時運(yùn)行它。他說，機(jī)器人專家 - 包括Konidaris本人 - 一直在研究如何讓機(jī)器人多年來學(xué)習(xí)程序抽象。

但根據(jù)Konidaris的說法，在感知抽象方面的進(jìn)展較少，這與幫助機(jī)器人理解其像素化環(huán)境有關(guān)。這是這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將一個名為Anathema Device(或Ana，簡稱Ana)的機(jī)器人引入一個房間，該房間內(nèi)有一個櫥柜，一個冷卻器，一個控制櫥柜內(nèi)燈光的開關(guān)，以及一個可以留在冷卻器中的瓶子?；驒还?。他們給Ana一套高級運(yùn)動技能，用于操縱房間內(nèi)的物體 - 打開和關(guān)閉冷卻器和櫥柜，翻轉(zhuǎn)開關(guān)并拿起一個瓶子。然后他們讓Ana松了一口氣，在房間里試用她的運(yùn)動技能，在每次執(zhí)行技能之前和之后記錄她的相機(jī)和執(zhí)行器的感官數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被輸入到團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法中。

研究人員表明，Ana能夠?qū)W習(xí)一個非常抽象的環(huán)境描述，其中僅包含了她能夠執(zhí)行特定技能所必需的內(nèi)容。例如，她了解到，為了打開冷卻器，她需要站在前面而不要拿任何東西(因?yàn)樗枰p手打開蓋子)。她還學(xué)會了與冷卻器蓋子關(guān)閉相關(guān)的視野中像素的正確配置，這是唯一可以打開它的配置。

她學(xué)到了與她的其他技能相關(guān)的類似抽象。例如，她了解到櫥柜內(nèi)的燈光非常明亮，以至于它的傳感器變亮了。因此，為了操縱櫥柜內(nèi)的瓶子，燈必須關(guān)閉。她還了解到，為了關(guān)燈，需要關(guān)閉櫥柜門，因?yàn)榇蜷_的門阻擋了她對開關(guān)的接觸。由此產(chǎn)生的抽象表示將所有知識從高清圖像提取到文本文件，只有126行。

“這些都是關(guān)于她周圍環(huán)境的重要抽象概念，”科尼達(dá)里斯說。“門需要在打開之前關(guān)閉。除非它打開，否則你不能將瓶子從柜子里拿出來，等等。而且只要執(zhí)行她的技能并看到會發(fā)生什么，她就能學(xué)會它們。”

一旦Ana手持她學(xué)到的抽象表現(xiàn)，研究人員就要求她做一些需要一些計(jì)劃的事情：從冷卻器中取出瓶子并將其放入櫥柜中。

正如他們希望的那樣，安娜航行到冷卻器并打開它以露出瓶子。但她沒有接受它。相反，她提前計(jì)劃了。她意識到，如果她把瓶子放在她的抓手里，那么她將無法打開櫥柜，因?yàn)檫@樣做需要雙手。因此，在打開冷卻器后，她導(dǎo)航到了櫥柜。在那里，她看到燈開關(guān)處于“開”位置，她意識到打開柜子會擋住開關(guān)，所以她在打開柜子之前關(guān)閉了開關(guān)，返回冷卻器并取回瓶子，最后放置它在櫥柜里。簡而言之，她提前計(jì)劃，發(fā)現(xiàn)問題并在問題發(fā)生之前加以解決。

“我們沒有向Ana提供她為計(jì)劃任務(wù)所需的任何抽象陳述，”Konidaris說。“她自己學(xué)習(xí)了這些抽象，一旦有了這些抽象，計(jì)劃很容易。她發(fā)現(xiàn)這個計(jì)劃只有大約4毫秒。”

Konidaris表示，該研究為將人工智能應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)提供了重要的理論基礎(chǔ)。他說：“我們相信讓我們的機(jī)器人能夠抽象而不是具體地進(jìn)行規(guī)劃和學(xué)習(xí)，這將是構(gòu)建真正智能機(jī)器人的基礎(chǔ)。” “如果你以正確的方式思考問題，很多問題往往都很簡單。”

Konidaris的合著者是來自麻省理工學(xué)院的Leslie Pack Kaelbling和Tomas Lozano-Perez。該研究得到了國防高級研究計(jì)劃局和麻省理工學(xué)院情報(bào)計(jì)劃的獎勵。