智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | 健恩
編輯 | 心緣
自2016年首次亮相以來，波士頓動力雙足機器人Atlas已經紅了整整五年半。
這個站在機器人研究金字塔尖的神奇「物種」一路飛速前進演化，剛出場時其形象還人不人鬼不鬼，在捲動履帶上甩著兩條扭曲的大長腿，隨後不僅外觀越來越炫酷，而且新技能不斷重新整理人類認知。
從踩碎石爬雪地到撐桿跳後空翻，從蹣跚學步到高難度體操跑酷，每當波士頓動力放出Atlas新影片，評論區總能聽取「哇」聲一片。這些神乎其神宛如CG特效的炫技背後，是波士頓動力Atlas四個團隊協同作戰修煉的苦功。
六年之間，波士頓動力在雙足機器人平衡控制、行動規劃等技術方向如何叠代前進演化？哪些硬核科技成就了靈敏度和爆發力越來越強的Atlas？
答案，或許就藏在波士頓動力從2016年至今釋出的8條Atlas影片裏。
一、從蹣跚學步到學會跑酷，Atlas的受虐之路
最早讓波士頓動力走紅的，應該是他們在2010年釋出的這段「虐狗」影片。
▲波士頓動力「虐狗」影片
早期的波士頓動力與美國軍方有著密切的合作，研究資金也大多來自美軍資助。上面這只受到「虐待」的機器人就是波士頓動力為美軍開發的用於運輸貨物的四足仿生機器人BigDog，它以「踹不倒」的能力走紅網絡，直到現在這段「虐狗」影片還會被網友拿來調侃。
Atlas有著和Bigdog一樣的遭遇，它成長的路上也伴隨著各種「虐待」。對於Atlas來說，被工程師從背後一把推倒摔個「狗吃屎」是再常見不過的事情。
Atlas的前身是為美軍測試防護服效能的雙足機器人Petman，早在2009年的時候原型機就已經亮相，這時的Petman只有兩條腿，需要拖著電纜在履帶上晃晃悠悠地行走，它的受虐之路也正是由此開始。
▲行走在履帶上的Petman原型機受到推搡
2013年，初具人類外形的Atlas原型機亮相，這時的Atlas已經能夠在碎石堆上行走，受到的「虐待」也變得更殘酷，它不僅要「金雞獨立」，還要承受大擺球的撞擊。
▲Atlas原型機
這段影片釋出兩個月後，波士頓動力被谷歌收購。當時谷歌表示不希望波士頓動力繼續參與國防工作，隨後終止了波士頓動力的軍事合約。同時這次收購也使谷歌開始涉足機器人產品領域。
時間到了2016年，也就是波士頓動力被谷歌收購後的第三年，我們所熟悉的那個Atlas終於正式亮相。它的外觀已與現在會跑酷、會跳舞的Atlas無異。但這時的Atlas仍是個「嬰兒」，尚在蹣跚學步階段，走路踉踉蹌蹌，動作也不連貫。網友調侃說它像極了一個半夜裏走在回家路上的醉漢。
▲在雪地中步履蹣跚的Atlas
盡管如此，Atlas受到的「虐待」絲毫沒有減少，反而還變本加厲了起來。比如，當Atlas費勁半天力氣搬起箱子時，工作人員一棍子將箱子打掉，還「粗暴地」推上它一把，讓它險些摔倒。
▲Atlas手中的貨物被打掉
再或者，工作人員直接從Atlas背後推上一把，讓它的面部和地面來一個親密接觸，趴在地上久久不能動彈。
▲Atlas被從背後推倒
盡管機器人並沒有情感和痛覺，對於這樣的「欺淩」不會感到傷心或難過，但這樣的畫面仍然引起了一部份網友的同情，紛紛留言道：「不要再欺負那個可憐的家夥了！」「我真的為機器人感到難過。」
▲網友留言
時間接著往後推移，到了2017年中旬，被谷歌收購僅僅3年半的波士頓動力再次易主，來到了軟銀門下。對於這次易主人們有很多猜測，受到較多認可的一種說法是谷歌母公司Alphabet認為談論人形機器人為時尚早，距離商業化還有不少距離。
不過這次易主並未影響到Atlas的快速成長，距離Atlas上次露面僅僅過去一年多時間，它的動作變得更加流暢，學會了在台階之間跳躍，甚至還可以來個後空翻。
▲Atlas跳上台階並完成後空翻
當然，這代Atlas離「完美」還有很大的距離，它的動作仍不連貫， 跳起來落地後依舊會踉蹌甚至摔倒。不知道波士頓動力是不是聽到了網友的呼聲，他們沒有再放出「虐待」Atlas的鏡頭。
▲Atlas後空翻落地站不穩摔倒
時間又過了一年，Atlas學會了跑步，能夠邊跑邊越過原木、躍上台階。
▲Atlas跑步越過原木並躍上台階
到了2019年，Atlas掌握了「體操」技巧，能夠連續的跳躍、翻滾、倒立。
▲Atlas展示體操技巧
被軟銀收購後，波士頓動力一直希望能夠開啟商業化之路。2020年中旬，波士頓動力首款商用機器狗Spot正式開售，售價折合人民幣將近50萬元。顯然這個售價很難給波士頓動力帶來太多銷量。據彭博社報道，截至2020年底，Spot僅被賣出了大約400台。
與波士頓動力漫長的商業化之路相對應的是，開發機器人需要大量的投入。或許正是因為這個原因，讓軟銀最終選擇將波士頓動力出售。2020年底，現代汽車集團宣布將收購波士頓動力。今年6月份，現代正式宣布從軟銀手中購得了波士頓動力80%的股份，獲得波士頓動力的控股權。
不過，Atlas的成長依舊未受到易主的影響，在2020年即將結束之際，波士頓動力釋出了一條Atlas跳舞的影片。在這條影片裏，兩個Atlas機器人隨著音樂翩翩起舞，因動作過於流暢自然，以至於不少網友認為這是CG特效。
▲Atlas跳舞
兩周前，波士頓動力展示了Atlas的最新成就——跑酷。這段影片裏，它連續地越過台階，跑過斜坡，走過平衡木，甚至還單手支撐身體越過橫桿，一系列動作下來靈巧度不輸人類。
波士頓動力的工程師還透露，這一代的Atlas並非像以前一樣透過事先編程完成整條路線，而是靠它自身的傳感器感知環境，從而自主行動。
▲Atlas跑酷
盡管Atlas已經能夠如此流暢地跑酷，但摔角對它來說依舊是一件不可避免的事情。跑酷過程中Atlas仍會失去平衡而摔倒，甚至有時為它提供動力的液壓管會突然爆裂，讓它瞬間「癱瘓」在地。
Atlas正是在不斷地摔角中逐漸從蹣跚學步成長到可以流暢跑酷。在波士頓動力內部，「建造它、摔壞它、修好它（Build it, Break it, Fix it）成為了一句廣為流傳的口號。
對於波士頓動力的工程師而言，Atlas不斷地摔角和與障礙物之間的碰撞都是研究團隊學習過程的一部份，這讓Atlas身上需要改進的地方得以暴露，為他們提供了改進機器人的機會。
二、五年時間，環境感知和適應力得到提升
對Atlas來說，能夠適應各種環境，保持身體平衡從而避免在行走、跑步、跳躍過程中摔角是頭等大事。為了做到這一點，從它對環境的感知能力到對環境的適應能力在這五年間經歷了多次叠代。與此同時，它自主行動的能力也得到了增強。
1、從「醉漢」到「跑酷者」，Atlas身體協調性得到提高
最初的Atlas走路踉踉蹌蹌，行走過程中身體仍較為僵硬，在快要摔倒的時候無法調動全身，只會透過改變步伐來重新尋找平衡。它的雙臂更是像「焊死」了一樣，一動不動，因此網友評價它說像極了一個醉漢。
▲走路踉踉蹌蹌的Atlas
在接下來的幾年內，Atlas逐漸學會了揮動雙臂來保持身體平衡，對全身的調動也變得越來越靈活，甚至學會了倒立、跳馬、跳舞和跑酷，其動作越來越接近人類。
然而，這並非單純的對人類的模仿。機器人身體結構和人類有很大差別，比如它沒有脊椎和肩胛骨，同時手臂也相對較為脆弱。因此團隊必須不斷地在它的尺寸和復雜性之間對它的重量、強度、活動能力等各種要素進行權衡，並對控制演算法進行最佳化，來更好的協調它的各種動作。
盡管跑酷是一項小眾運動，但是它作為一項需要調動全身的活動，要求Atlas做到在各種條件下保持身體平衡，並做到在各種動作之間的無縫切換，這為Atlas團隊提供了一個完美的測試條件。
波士頓動力在IEEE Spectrum的一次采訪中提到，Atlas開發團隊正在利用跑酷來推動Atlas處理更多復雜的動態行為，目前仍只是一個開端，在接下來的幾年內它將學會利用手臂拓展更多活動能力。
2、從提前預設行動到自主規劃路徑
如果你看完了Atlas這五年內的8條影片，可能會感覺Atlas在最近幾年的進步沒那麽明顯。比如，在2017年的時候Atlas就能夠在台階之間跳躍，還能進行後空翻。一年後，它又學會了一邊跑步一邊躍上幾層台階。在這樣的成長軌跡下，Atlas學會「跑酷」似乎也是理所應當的。然而，Atlas實作這一系列動作背後的基本過程已經發生了巨大的改變。
最初的Atlas由人進行遙控，控制它的行走方向。如果想要它完成某項挑戰（比如跑酷或跳舞等），需要提前對各種動作進行動態捕捉，然後將捕捉到的動作連成可執行的程式。這時的Atlas只是機械的完成相應的任務，而並沒有與環境產生互動。
在Atlas最近的這次跑酷中，研究團隊已不需要提前對它的行動進行規劃。在跑酷之前，研究團隊為Atlas提供了一張高級地圖，其中大致描述了它的行動路線和相應位置應該做出的動作。跑酷過程中Atlas利用這些資訊來為自己導航，並且它可以對環境進行感知，根據即時感知到的數據自主規劃整個行動以完成挑戰。
Atlas執行的每個動作都源自其行為庫中的動作樣版，它可以根據目標情況自主從庫中選擇相應的動作執行。跑酷過程中，Atlas的模型預測控制器（MPC）會調整其發力、姿勢、動作發生時機等細節，來應對環境、腳滑等各種可能即時出現的因素。這意味著研究人員不必為Atlas的行動逐個調整細節，它的控制器就可以做到。
並且，MPC還允許Atlas跨行為邊界預測下一步的行動，比如它知道了這次跳躍後是一個後空翻後，就可以自動地建立從一個行為到下一個行為的過渡，使每一步動作都自然的連貫起來。
▲Atlas第一視角的路徑規劃
3、TOF深度傳感器構建「3D地圖」
Atlas能夠根據環境自主規劃行動，得益於其環境感知能力的提升。
最初版本的Atlas頭部裝有激光雷達和立體傳感器，這能夠幫助它躲避障礙物、辨識地形變化、輔助導航等。在2018年的叠代中，Atlas可以利用電腦視覺來標記和定位自己，以幫助其在跑步和跳躍過程中準確定位落腳點。
但是這還遠不能支撐Atlas自主行動，它需要將傳感器數據轉換為對決策和規劃身體動作有用的資訊，以辨識障礙物和自主導航。
現在，Atlas可以利用頭部的RGB網絡攝影機和TOF深度傳感器獲取更加全面的環境資訊。TOF深度傳感器以每秒15幀的速度生成環境的點雲（point clouds）。點雲是大量測距結果的集合，Atlas獲取到環境的點雲後，它的感知軟件會利用一種稱作多平面分割（multi-plane segmentation）的演算法從中提取平面，並輸入到一個對映系統中，構建出Atlas看到的不同物件的模型。
這就相當於為Atlas構建了一張3D地圖，Atlas跑酷過程中正是基於它構建的這個模型來規劃路徑，計算每一步的落腳點。
▲Atlas搭載的TOF深度相機生成的點雲圖
三、幕後團隊罕見露面，講述跑酷背後故事
Atlas團隊負責人Scott Kuindersma稱Atlas是波士頓動力在液壓驅動的人形機器人領域十多年來工作的結晶，為該團隊提供了一個研究平台。而Atlas團隊的工作便是讓這個平台不斷地突破極限，來做他們能想象的到的最瘋狂、最激動人心的事情。
▲Atlas團隊負責人Scott Kuindersma
與其他的任何專案或試驗一樣，Atlas從步履蹣跚的走路，到學會跑酷都是團隊合作的成果。目前，Atlas團隊共有4個小團隊，分別是軟件團隊、硬件團隊、技術團隊和營運團隊。
軟件團隊負責建立機器人所有的行為控制軟件，讓它可以可靠地完成各種動作。硬件團隊負責對機器人進行戰略升級，以讓它實作更多的功能，如跳舞、跑酷等。技術團隊負責偵錯和修復各種問題，從機械部件損壞到液壓泄露再到電氣故障都由他們負責。而營運團隊負責搭建和維護整個測試環境，並幫助整個團隊完成對機器人的各項測試。
▲Atlas團隊部份成員
對於波士頓動力的各個團隊而言，其釋出的每條影片都是他們在過去幾個月或一年所做的工作的總結，代表著他們過去這段時間內的工作到達了一個新的頂點。因此，每當有影片要拍攝的時候都是全員參與。
影片的拍攝過程中機器人經常會發生崩潰，影片很難一次性拍攝完成。「我們都處於待命狀態，當機器人出現問題時必須盡快介入並修復它們。」電氣工程技術員Crystal Kemp說。
為了讓影片效果更好，他們準備了四台Atlas機器人，其中兩個作為「演示機器人」，外觀要盡量保持幹凈整潔，另外兩個作為「試驗機器人」，用於開發和測試新行為，承擔了大部份的跌落，以至於全身傷痕累累。
▲Atlas腹部的傷痕
控制工程師Sean Mason說道：「對於這個團隊來說，看著機器人失敗是最奇妙的部份之一。每一次失敗都有機會讓機器人變得更好、更強大。」
在一次又一次的摔倒、修復與偵錯之後，Atlas終於完成了一次近乎完美的跑酷。「這便是機器人的樂趣所在，我們正處於創造未來的早期階段。」Scott Kuindersma說道。
結語：下個六年，Atlas會怎樣成長？
波士頓動力能夠開發出這樣會跑酷、會跳舞的機器人Atlas並非一日之功。
已經成立近30年的波士頓動力一直專註於機器人的研發，尤其是近些年來，波士頓動力幾次易主，都未改變其機器人研發的行程。相反，這一次又一次地轉手仿佛讓它更加具有活力，成長為了一家「網紅」公司，賺足了全球的目光。
Atlas並非商業產品，而是一個研究平台，因此它也能代表波士頓動力最先進的技術，每次露面都會帶來新的驚喜。
從走路踉踉蹌蹌到可以流暢地跑酷，Atlas只用了6年時間。隨著Atlas逐漸成熟，它越來越接近人們在科幻電影中勾勒的「機械戰警」形象。下個六年，Atlas會讓「機械戰警」變為現實嗎？
