從《環太平洋》說開去—駕駛巨型人形機甲的正確姿勢

期待已久的環太平洋2終於上映了，上周末去電影院看完後，我以為，雖然評分和上座率不高，還算是一部中規中矩的續作（畢竟我就是去看巨型機甲打怪獸）。

距環太平洋1上映已過去近5年，科幻與現實的距離已不再遙遠，打造巨型機器人並不是痴人說夢。當然，很多人會質疑：我們真的需要巨大的人形機器人來戰鬥嗎？這個嘛...我不想在此討論人形機器人用于軍事作戰的戰術價值。我更關心能不能和如何實現的問題。

2017年巨型機器人格鬥比賽出戰雙方：日本水道橋重工Kuratas機器人和美國Megabot

另外有兩個針對科幻動漫作品中的巨型人形機器人（比如高達系列）設定的質疑是：（1）為什麼要人形？（2）為什麼需要駕駛員？

關於駕駛員的設定，從作者的角度考慮，機器人由人類來駕駛是天經地義的，不然主角怎麼安置呢？呃...好吧，讓我們從高達研發者的角度考慮。如果人類科技發達到能造出高達的地步，那麼AI技術也必然突飛猛進了吧，為什麼不能給機器人搭載AI駕駛員系統？確實這幾年深度學習技術的爆發讓我們看到在很多任務上，深度學習——或結合了強化學習的——模型達到並超過了人類水平。不過對於嵌入物理實體的學習系統，要獲取達到人類水平的運動能力要更難一個檔次。首先，我們需要在人工訓練場景中訓練機器人學習和優化特定任務和基礎動作的運動技巧。這一層面目前的機器人學習領域的研究已經指出了比較清晰的技術路徑。在這之上，運動智能的更高一層面是在動態的充滿不確定性的環境中自動定義任務目標，基於其已有的運動技能資料庫通過規劃、優化等方式瞬間構建或調整策略並輸出控制指令。可以說，對AI系統來說，學會通用性運動能力比玩棋牌遊戲更難。在可見的未來，即便我們能訓練出AI戰鬥駕駛系統，我們還是有理由相信一個訓練有素的戰士比AI在面對複雜未知的情況並執行戰術動作時更穩定可靠。

在討論駕駛員的必要性時，另一個問題是與此緊密相關的。也就是說，我們假定我們討論的基礎是人形機器人（但不一定是雙足）。如果我們要操作的兵器是戰鬥機或坦克，我想AI化更容易一些。而人形機器人存在的意義就是複製甚至超越人類的運動技能。正是基於此，最可靠的方式就是直接複製駕駛員的動作。反過來，由於駕駛員的存在，充分利用人類駕駛員的戰鬥技巧的方式就是將兵器也打造成人形，從而複製人類的動作並提升力量和速度，同時提供強大的防禦力。從這個角度來說，可以將機器人看作是巨大化的人形外骨骼。

The Navy is developing a unique exoskeleton suit called "Hardiman" which can be worn like an outer garment to augment a man"s ability to lift and move heavy objects.

—— 「News from the military」 Popular Mechanics. August. 1966

GE於1965年提出的Hardiman I概念圖

在人機一體的前提下，駕駛員和機器人的動作要建立起映射，只靠傳統的手柄加腳踏板的方式是實現不了的。這一點上環太平洋比高達系列在設定上考慮了更多。在環太平洋中，這個人機交互的介面就是駕駛服(Drivesuit)和駕駛艙(Conn-Pod)一體的系統。

Drivesuit的Circuitry suit(左)和Battle armor(右)

我們先來看看駕駛服Drivesuit。Drivesuit由兩層構成，內層是布滿感測器和電路的Circuitry suit，外層是裝甲層Battle armor用於保護駕駛員並搭載其他功能模塊。戰鬥裝甲很好理解。我們先看Circuitry suit的設定。按照環太平洋設定，circuitry suit主要是用來讀取肌電信號的，採用基於acupuncture（針灸？）的植入式EMG感測技術。這裡用植入式的好處是可以追蹤到特定的肌肉塊上，信號非常精確。不過我認為在這件貼身服上用非植入的sEMG就夠了。原因是，駕駛員的運動捕捉其實並不是靠EMG信號，這個EMG是用來提供impedance control的信息的，幫助決定機器人各關節實時的阻抗[1]。而捕捉駕駛員各關節的位置和速度用各種motion capture系統就可以了，這些感測器可以縫在circuitry suit層，也可以裝在外層裝甲上，而信號採集系統則安裝在駕駛艙上。EMG感測器和電路都縫製在面料上。如果用sEMG的話，其sensor也可以直接由金屬線圈縫製出來，可以增加穿戴舒適度和耐用性，這種技術叫做Embroidered sensing（如下圖所示），我們實驗室也在做[2]。

可穿戴的Embroidered sEMG. (a) 縫在衣袖上的sEMG, (b) 縫製成的Embroidered electrodes, (c) Pfaff Creative 3.0數字自動縫紉機.

環太平洋2戰鬥服設定圖

到了環太平樣2，外層戰鬥裝甲上添加或修改了一些設定，更強調加強CQC （近身格鬥）能力。在影片中我們注意到手臂上安裝了全息投影來顯示可操作的武器，並且駕駛艙可以投射3D影像顯示周圍的物體，比如接近中的敵方導彈。比較大的改動是1代中靴子和駕駛艙是固定在一起的，而2代改為磁懸浮的設定。同時，在1代中駕駛員需要在手上戴上一個hand controller（如下圖），2代同樣取消了這個設定也改為磁懸浮系統。這個磁懸浮的改動有一定合理性，其目的主要是為了駕駛員的下肢動作更流暢無阻，從而使出更多的包含下肢動作的近身格鬥技。

1代的Hand controller

不管是磁懸浮系統還是前代的固定式戰靴+hand controller，它們的一個重要功能是提供力反饋。設定中提到的是觸覺反饋，不過我認為更準確的來說還是力反饋。觸覺反饋通常是針對手術機器人這種場景來說的，對於精確操作機械手需要反饋觸覺到操作者上。而駕駛Jaegers就需要對全身各個關節進行力反饋來實現對整個機器人的精確操控了。單就上肢而言，除了手指還有手腕、肘關節和肩關節。所以，設定中只有手腳的反饋這只是一種簡化。以目前的技術來看，直接將人工外骨骼用於實現這種反饋是一種可行的做法，比如這個現實版的hand controller，cyber grasp系統[3]，它能夠對每根手指提供最大12N的力反饋。如今還有幾家其他startup在做類似的產品。

Cybergrasp

GIF

Dexta Robotics

人工外骨骼本身也可以作為捕捉動作信號的操作介面，如下圖所示。它可以和嵌入在駕駛服上的感測器結合起來提高系統冗餘度和可靠性。

GIF

MIT開發的用於遠程遙控機器人的人工外骨骼

更進一步，人工外骨骼和環太平洋2提出的磁懸浮系統可以結合使用。外骨骼提供關節上的力矩反饋，而磁懸浮系統可以對身體各部位提供力反饋，從而可以完美實現將機器人接受到的外力精確反饋給駕駛員。前面提到的產品(Cybergrasp)只是實現了手部的力反饋，目前還沒有看到全身力反饋的產品。這個不一定要用來駕駛人形機器人，也可以用作VR遊戲的終極操作終端嘛。

關於力反饋的重要性以及impedance control，有時間我想單獨再整理一下談一談。

[1]: Matthew Howard, David J. Braun and Sethu Vijayakumar,Transferring Human Impedance Behaviour to Heterogeneous Variable Impedance Actuators.

[2]: Ali Shafti, Roger B. Ribas Manero, Amanda M. Borg, Kaspar Althoefer and Matthew J. Howard,Embroidered Electromyography: A Systematic Design Guide.

[3]: Cyber grasp,CyberGrasp.

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