迪士尼機器人摔跤也內(nèi)卷：摔得輕，摔得帥！AI新研究把Bug成絕活

機器人摔倒是個大難題，尤其是“頭重腳輕”的機器人，一不小心就可能造成昂貴的損傷。過去，為了防止摔倒，工程師們要么限制其性能，讓它畏首畏尾；要么任其“硬著陸”。這些方法都治標不治本。

但是，如果換個思路呢？

與其想盡辦法避免摔倒，不如把“摔倒”本身，變成一門可以學習和控制的藝術。

就在最近，來自迪士尼研究院（Disney Research）的一項最新研究，徹底顛覆了我們對機器人摔倒的認知。他們提出了一種名為“機器人速成班：學習柔軟且風格化的摔倒”（Robot Crash Course: Learning Soft and Stylized Falling）的全新方法。

這項研究的核心思想是：讓機器人不僅能摔得“軟”，最大限度減少沖擊和損傷，還能摔得“帥”，在倒地后擺出一個用戶指定的、充滿藝術感的姿勢。

想象一下，一個機器人在舞臺上出現(xiàn)失誤，它沒有僵硬地倒下，而是順勢一個翻滾，最后以一個帥氣的臥倒姿勢結(jié)束，不僅沒出糗，反而秀了一波操作。這簡直是把Bug玩成了絕活！

這項研究成果，不僅能讓機器人在娛樂、影視等行業(yè)大放異彩，更能為機器人的安全和快速恢復提供全新的解決方案。一個能控制自己摔倒姿勢的機器人，可以選擇一個最容易站起來的姿勢倒下，大大縮短了“宕機”時間。

那么，迪士尼的科學家們究竟是如何教會機器人這項“摔跤神功”的呢？

▍“摔跤”的藝術：如何讓機器人摔得又軟又帥？

這項技術的靈魂，在于一個精心設計的強化學習（Reinforcement Learning）框架。簡單來說，就是讓AI在模擬環(huán)境中不斷地“摔跤”，并通過一個復雜的“獎勵函數(shù)”來引導它學習。

這個獎勵函數(shù)就像一位嚴厲又貼心的教練，它同時關注兩個核心目標：沖擊最小化姿態(tài)跟蹤

首先，是“軟著陸”的目標。為了讓機器人摔得輕，研究人員在獎勵函數(shù)中設置了懲罰項。機器人身體的任何部分與地面發(fā)生碰撞，只要產(chǎn)生的接觸力過大，AI就會被扣分。不僅如此，為了保護那些“嬌貴”的核心部件，研究人員還引入了“身體部位敏感度權重”。

比如，他們可以設定頭部的敏感度權重是4.0，肩膀是3.0，而相對皮實的腿部是1.0。這樣一來，AI在訓練中就會學到一個至關重要的原則：“摔哪都行，就是別摔到頭！”它會下意識地用手臂、身體等其他部位來緩沖，保護好最關鍵的部分。

其次，是“風格化”的目標。這部分的目標是讓機器人最終能停在用戶指定的姿勢上。在訓練中，AI會得到一個目標結(jié)束姿勢（end pose），它的任務就是在摔倒的最后，讓自己的身體姿態(tài)盡可能地接近這個目標。無論是躺著、趴著，還是側(cè)臥著，只要你敢想，AI就敢學。

當然，這兩個目標有時是相互沖突的。又要摔得輕，又要姿勢帥，怎么平衡？

迪士尼的研究人員設計了一個巧妙的時間調(diào)制機制。在摔倒的初始階段，獎勵函數(shù)會優(yōu)先考慮沖擊最小化，讓機器人集中精力“保命”。隨著機器人逐漸穩(wěn)定下來，姿態(tài)跟蹤的權重會慢慢增加，引導機器人平滑地過渡到最終的造型。整個過程一氣呵成，既安全又優(yōu)雅。

這個過程就像武術中的“受身”或柔道中的“UKEMI”技術，不是被動地摔倒，而是主動地利用滾動和身體姿態(tài)來化解沖擊力。只不過，機器人學會這一切，完全是通過AI自我探索和學習完成的。

▍海量姿勢從哪來？物理引擎“摔”出大數(shù)據(jù)

要訓練一個能適應各種摔倒情況和目標姿勢的通用模型，一個巨大的、多樣化的數(shù)據(jù)集是必不可少的。如果讓藝術家或工程師手動設計成千上萬個摔倒姿勢，那簡直是天方夜譚。

于是，研究團隊想出了一個絕妙的辦法：讓物理引擎自己“摔”出大數(shù)據(jù)！

他們利用了NVIDIA的Isaac Sim物理仿真平臺，這個平臺可以利用GPU進行大規(guī)模并行仿真，效率極高。具體步驟是這樣的：

1.隨機生成姿態(tài)：在機器人的關節(jié)限制范圍內(nèi)，隨機生成大量的身體姿態(tài)，并剔除那些會自我碰撞的無效姿態(tài)。

2.模擬“自由落體”：將這些隨機姿態(tài)的機器人從一個很低的高度（比如4厘米）釋放，并鎖定其關節(jié)（即給予高增益的PD控制）。

3.記錄穩(wěn)定姿態(tài)：讓機器人在仿真環(huán)境中自由翻滾、碰撞，直到它最終靜止下來。這個最終的、物理上穩(wěn)定的姿態(tài)，就被記錄下來，作為一個合格的“目標結(jié)束姿勢”。

通過這種方式，他們可以高效地生成數(shù)以萬計的、符合物理規(guī)律的、靜態(tài)穩(wěn)定的摔倒姿勢。為了確保數(shù)據(jù)集的多樣性，他們還設計了一種機制來避免某些姿勢（比如仰面朝天）被過度采樣，從而保證了訓練數(shù)據(jù)的全面性。

這個基于物理仿真的采樣策略，是整個研究能夠成功的關鍵之一。它不僅解決了數(shù)據(jù)來源的難題，更保證了AI學習到的目標姿勢在現(xiàn)實世界中是“可行”“穩(wěn)定”的。有了這個龐大的姿勢庫，AI就能學會從任何初始摔倒狀態(tài)，過渡到任何一個它見過的、或沒見過的目標姿勢，展現(xiàn)出驚人的泛化能力

實驗數(shù)據(jù)也證明了這一點。當研究人員只用10個藝術家設計的姿勢來訓練模型時，模型雖然能很好地復現(xiàn)這10個姿勢，但對于新的、未見過的姿勢就表現(xiàn)很差。而使用了大規(guī)模生成數(shù)據(jù)集訓練的模型，則無論是在已見還是未見的姿勢上，都表現(xiàn)出了強大的泛化性能和魯棒性。

▍從仿真到現(xiàn)實：真機實測效果炸裂

在仿真環(huán)境中表現(xiàn)出色，只是成功的一半。真正的考驗在于，這個在虛擬世界里練就“摔跤神功”的AI，能否在現(xiàn)實世界的真實機器人上復現(xiàn)出來？這就是所謂的Sim-to-Real挑戰(zhàn)。

研究團隊在一個定制的、高0.84米、重16.2公斤的雙足機器人上進行了實地測試。他們從藝術家設計的10個極具表現(xiàn)力的姿勢中選擇目標，然后用棍子等工具從不同方向推搡機器人，模擬各種突發(fā)的、不可預料的摔倒情況。

結(jié)果令人驚嘆！

與傳統(tǒng)的“零力矩”（癱軟）、“低增益”（阻尼）或“高增益”（僵硬）摔倒方式相比，搭載了新算法的機器人表現(xiàn)出了無與倫比的控制力。從上圖的仿真對比數(shù)據(jù)可以看出，新方法產(chǎn)生的最大沖擊力和平均沖擊力，相比其他方法都實現(xiàn)了斷崖式的下降，并且方差極小，意味著每次摔倒都非常穩(wěn)定可控。

在真實世界的實驗中，機器人面對外部推力，不再是直挺挺地倒下。它會迅速判斷情況，調(diào)整四肢，用一種流暢、可控的方式接觸地面，并在倒地后穩(wěn)穩(wěn)地停在預設的藝術造型上。

整個過程，機器人仿佛一個專業(yè)的特技演員，將一次潛在的“事故”變成了一場精彩的“表演”。更重要的是，在全部的真實世界實驗中，機器人毫發(fā)無傷，所有功能完好如初。這充分證明了該方法的有效性和實用性。

這項研究雖然目前還存在一些待完善之處，比如需要一個獨立的機制來判斷“何時應該啟動摔倒策略”，或者如何與摔倒后的“恢復站立”策略無縫銜接。但它無疑為機器人領域開辟了一個全新的方向。

未來，這項技術不僅可以用于娛樂行業(yè)的特技機器人，讓它們上演各種高難度、夸張的動作；也可以用于工業(yè)、救援等領域的機器人，讓它們在崎嶇地形中即使不慎摔倒，也能最大程度地自我保護，并快速恢復工作。

或許在不久的將來，當機器人再次摔倒在我們面前時，我們看到的將不再是笨拙和狼狽，而是一場充滿力量與美的“可控表演”。