波士顿动力机器人如何“成精”？深扒跑酷王Atlas六年进化
最早让波士顿动力走红的，应该是他们在2010年发布的这段“虐狗”视频。
▲波士顿动力“虐狗”视频
早期的波士顿动力与美国军方有着密切的合作，研究资金也大多来自美军资助。上面这只受到“虐待”的机器人就是波士顿动力为美军开发的用于运输货物的四足仿生机器人BigDog，它以“踹不倒”的能力走红网络，直到现在这段“虐狗”视频还会被网友拿来调侃。
Atlas有着和Bigdog一样的遭遇，它成长的路上也伴随着各种“虐待”。对于Atlas来说，被工程师从背后一把推倒摔个“狗吃屎”是再常见不过的事情。
Atlas的前身是为美军测试防护服性能的双足机器人Petman，早在2009年的时候原型机就已经亮相，这时的Petman只有两条腿，需要拖着电缆在履带上晃晃悠悠地行走，它的受虐之路也正是由此开始。
▲行走在履带上的Petman原型机受到推搡
2013年，初具人类外形的Atlas原型机亮相，这时的Atlas已经能够在碎石堆上行走，受到的“虐待”也变得更残酷，它不仅要“金鸡独立”，还要承受大摆球的撞击。
▲Atlas原型机
这段视频发布两个月后，波士顿动力被谷歌收购。当时谷歌表示不希望波士顿动力继续参与国防工作，随后终止了波士顿动力的军事合同。同时这次收购也使谷歌开始涉足机器人产品领域。
时间到了2016年，也就是波士顿动力被谷歌收购后的第三年，我们所熟悉的那个Atlas终于正式亮相。它的外观已与现在会跑酷、会跳舞的Atlas无异。但这时的Atlas仍是个“婴儿”，尚在蹒跚学步阶段，走路踉踉跄跄，动作也不连贯。网友调侃说它像极了一个半夜里走在回家路上的醉汉。
▲在雪地中步履蹒跚的Atlas
尽管如此，Atlas受到的“虐待”丝毫没有减少，反而还变本加厉了起来。比如，当Atlas费劲半天力气搬起箱子时，工作人员一棍子将箱子打掉，还“粗暴地”推上它一把，让它险些摔倒。
▲Atlas手中的货物被打掉
再或者，工作人员直接从Atlas背后推上一把，让它的面部和地面来一个亲密接触，趴在地上久久不能动弹。
▲Atlas被从背后推倒
尽管机器人并没有情感和痛觉，对于这样的“欺凌”不会感到伤心或难过，但这样的画面仍然引起了一部分网友的同情，纷纷留言道：“不要再欺负那个可怜的家伙了！”“我真的为机器人感到难过。”
▲网友留言
时间接着往后推移，到了2017年中旬，被谷歌收购仅仅3年半的波士顿动力再次易主，来到了软银门下。对于这次易主人们有很多猜测，受到较多认可的一种说法是谷歌母公司Alphabet认为谈论人形机器人为时尚早，距离商业化还有不少距离。
不过这次易主并未影响到Atlas的快速成长，距离Atlas上次露面仅仅过去一年多时间，它的动作变得更加流畅，学会了在台阶之间跳跃，甚至还可以来个后空翻。
▲Atlas跳上台阶并完成后空翻
当然，这代Atlas离“完美”还有很大的距离，它的动作仍不连贯， 跳起来落地后依旧会踉跄甚至摔倒。不知道波士顿动力是不是听到了网友的呼声，他们没有再放出“虐待”Atlas的镜头。
▲Atlas后空翻落地站不稳摔倒
时间又过了一年，Atlas学会了跑步，能够边跑边越过原木、跃上台阶。
▲Atlas跑步越过原木并跃上台阶
到了2019年，Atlas掌握了“体操”技巧，能够连续的跳跃、翻滚、倒立。
▲Atlas展示体操技巧
被软银收购后，波士顿动力一直希望能够开启商业化之路。2020年中旬，波士顿动力首款商用机器狗Spot正式开售，售价折合人民币将近50万元。显然这个售价很难给波士顿动力带来太多销量。据彭博社报道，截至2020年底，Spot仅被卖出了大约400台。
与波士顿动力漫长的商业化之路相对应的是，开发机器人需要大量的投入。或许正是因为这个原因，让软银最终选择将波士顿动力出售。2020年底，现代汽车集团宣布将收购波士顿动力。今年6月份，现代正式宣布从软银手中购得了波士顿动力80%的股份，获得波士顿动力的控股权。
不过，Atlas的成长依旧未受到易主的影响，在2020年即将结束之际，波士顿动力发布了一条Atlas跳舞的视频。在这条视频里，两个Atlas机器人随着音乐翩翩起舞，因动作过于流畅自然，以至于不少网友认为这是CG特效。
▲Atlas跳舞
两周前，波士顿动力展示了Atlas的最新成就——跑酷。这段视频里，它连续地越过台阶，跑过斜坡，走过平衡木，甚至还单手支撑身体越过横杆，一系列动作下来灵巧度不输人类。
波士顿动力的工程师还透露，这一代的Atlas并非像以前一样通过事先编程完成整条路线，而是靠它自身的传感器感知环境，从而自主行动。
▲Atlas跑酷
尽管Atlas已经能够如此流畅地跑酷，但摔跤对它来说依旧是一件不可避免的事情。跑酷过程中Atlas仍会失去平衡而摔倒，甚至有时为它提供动力的液压管会突然爆裂，让它瞬间“瘫痪”在地。
▲Atlas腿部液压管爆裂摔倒
Atlas正是在不断地摔跤中逐渐从蹒跚学步成长到可以流畅跑酷。在波士顿动力内部，“建造它、摔坏它、修好它（Build it, Break it, Fix it）成为了一句广为流传的口号。
对于波士顿动力的工程师而言，Atlas不断地摔跤和与障碍物之间的碰撞都是研究团队学习过程的一部分，这让Atlas身上需要改进的地方得以暴露，为他们提供了改进机器人的机会。
最初的Atlas走路踉踉跄跄，行走过程中身体仍较为僵硬，在快要摔倒的时候无法调动全身，只会通过改变步伐来重新寻找平衡。它的双臂更是像“焊死”了一样，一动不动，因此网友评价它说像极了一个醉汉。
▲走路踉踉跄跄的Atlas
在接下来的几年内，Atlas逐渐学会了挥动双臂来保持身体平衡，对全身的调动也变得越来越灵活，甚至学会了倒立、跳马、跳舞和跑酷，其动作越来越接近人类。
然而，这并非单纯的对人类的模仿。机器人身体结构和人类有很大差别，比如它没有脊椎和肩胛骨，同时手臂也相对较为脆弱。因此团队必须不断地在它的尺寸和复杂性之间对它的重量、强度、活动能力等各种要素进行权衡，并对控制算法进行优化，来更好的协调它的各种动作。
尽管跑酷是一项小众运动，但是它作为一项需要调动全身的活动，要求Atlas做到在各种条件下保持身体平衡，并做到在各种动作之间的无缝切换，这为Atlas团队提供了一个完美的测试条件。
波士顿动力在IEEE Spectrum的一次采访中提到，Atlas开发团队正在利用跑酷来推动Atlas处理更多复杂的动态行为，目前仍只是一个开端，在接下来的几年内它将学会利用手臂拓展更多活动能力。
2、从提前预设行动到自主规划路径
如果你看完了Atlas这五年内的8条视频，可能会感觉Atlas在最近几年的进步没那么明显。比如，在2017年的时候Atlas就能够在台阶之间跳跃，还能进行后空翻。一年后，它又学会了一边跑步一边跃上几层台阶。在这样的成长轨迹下，Atlas学会“跑酷”似乎也是理所应当的。然而，Atlas实现这一系列动作背后的基本过程已经发生了巨大的改变。
最初的Atlas由人进行遥控，控制它的行走方向。如果想要它完成某项挑战（比如跑酷或跳舞等），需要提前对各种动作进行动态捕捉，然后将捕捉到的动作连成可执行的程序。这时的Atlas只是机械的完成相应的任务，而并没有与环境产生互动。
在Atlas最近的这次跑酷中，研究团队已不需要提前对它的行动进行规划。在跑酷之前，研究团队为Atlas提供了一张高级地图，其中大致描述了它的行动路线和相应位置应该做出的动作。跑酷过程中Atlas利用这些信息来为自己导航，并且它可以对环境进行感知，根据实时感知到的数据自主规划整个行动以完成挑战。
Atlas执行的每个动作都源自其行为库中的动作模板，它可以根据目标情况自主从库中选择相应的动作执行。跑酷过程中，Atlas的模型预测控制器（MPC）会调整其发力、姿势、动作发生时机等细节，来应对环境、脚滑等各种可能实时出现的因素。这意味着研究人员不必为Atlas的行动逐个调整细节，它的控制器就可以做到。
并且，MPC还允许Atlas跨行为边界预测下一步的行动，比如它知道了这次跳跃后是一个后空翻后，就可以自动地创建从一个行为到下一个行为的过渡，使每一步动作都自然的连贯起来。
▲Atlas第一视角的路径规划
3、TOF深度传感器构建“3D地图”
Atlas能够根据环境自主规划行动，得益于其环境感知能力的提升。
最初版本的Atlas头部装有激光雷达和立体传感器，这能够帮助它躲避障碍物、识别地形变化、辅助导航等。在2018年的迭代中，Atlas可以利用计算机视觉来标记和定位自己，以帮助其在跑步和跳跃过程中准确定位落脚点。
但是这还远不能支撑Atlas自主行动，它需要将传感器数据转换为对决策和规划身体动作有用的信息，以识别障碍物和自主导航。
现在，Atlas可以利用头部的RGB摄像头和TOF深度传感器获取更加全面的环境信息。TOF深度传感器以每秒15帧的速度生成环境的点云（point clouds）。点云是大量测距结果的集合，Atlas获取到环境的点云后，它的感知软件会利用一种称作多平面分割（multi-plane segmentation）的算法从中提取平面，并输入到一个映射系统中，构建出Atlas看到的不同对象的模型。
这就相当于为Atlas构建了一张3D地图，Atlas跑酷过程中正是基于它构建的这个模型来规划路径，计算每一步的落脚点。
▲Atlas搭载的TOF深度相机生成的点云图
Atlas团队负责人Scott Kuindersma称Atlas是波士顿动力在液压驱动的人形机器人领域十多年来工作的结晶，为该团队提供了一个研究平台。而Atlas团队的工作便是让这个平台不断地突破极限，来做他们能想象的到的最疯狂、最激动人心的事情。
▲Atlas团队负责人Scott Kuindersma
与其他的任何项目或试验一样，Atlas从步履蹒跚的走路，到学会跑酷都是团队合作的成果。目前，Atlas团队共有4个小团队，分别是软件团队、硬件团队、技术团队和运营团队。
软件团队负责创建机器人所有的行为控制软件，让它可以可靠地完成各种动作。硬件团队负责对机器人进行战略升级，以让它实现更多的功能，如跳舞、跑酷等。技术团队负责调试和修复各种问题，从机械部件损坏到液压泄露再到电气故障都由他们负责。而运营团队负责搭建和维护整个测试环境，并帮助整个团队完成对机器人的各项测试。
▲Atlas团队部分成员
对于波士顿动力的各个团队而言，其发布的每条视频都是他们在过去几个月或一年所做的工作的总结，代表着他们过去这段时间内的工作到达了一个新的顶点。因此，每当有视频要拍摄的时候都是全员参与。
视频的拍摄过程中机器人经常会发生崩溃，视频很难一次性拍摄完成。“我们都处于待命状态，当机器人出现问题时必须尽快介入并修复它们。”电气工程技术员Crystal Kemp说。
为了让视频效果更好，他们准备了四台Atlas机器人，其中两个作为“演示机器人”，外观要尽量保持干净整洁，另外两个作为“试验机器人”，用于开发和测试新行为，承担了大部分的跌落，以至于全身伤痕累累。
▲Atlas腹部的伤痕
控制工程师Sean Mason说道：“对于这个团队来说，看着机器人失败是最奇妙的部分之一。每一次失败都有机会让机器人变得更好、更强大。”
在一次又一次的摔倒、修复与调试之后，Atlas终于完成了一次近乎完美的跑酷。“这便是机器人的乐趣所在，我们正处于创造未来的早期阶段。”Scott Kuindersma说道。
波士顿动力能够开发出这样会跑酷、会跳舞的机器人Atlas并非一日之功。
已经成立近30年的波士顿动力一直专注于机器人的研发，尤其是近些年来，波士顿动力几次易主，都未改变其机器人研发的进程。相反，这一次又一次地转手仿佛让它更加具有活力，成长为了一家“网红”公司，赚足了全球的目光。
Atlas并非商业产品，而是一个研究平台，因此它也能代表波士顿动力最先进的技术，每次露面都会带来新的惊喜。
从走路踉踉跄跄到可以流畅地跑酷，Atlas只用了6年时间。随着Atlas逐渐成熟，它越来越接近人们在科幻电影中勾勒的“机械战警”形象。下个六年，Atlas会让“机械战警”变为现实吗？