人工智能在機器人全身看似隨意的地方打孔。克里格曼假設，孔隙可以減輕重量，增加靈活性，使機器人能夠彎曲腿部行走。

由美國西北大學研究人員領導的一個團隊，開發出了迄今為止第一個能夠從頭開始設計機器人的人工智能（AI）。

為了測試新的人工智能，研究人員給了系統一個簡單的提示：設計一個可以在平面上行走的機器人。大自然花了數十億年才進化出第一個會行走的物種，而新算法卻以閃電般的速度壓縮了進化過程——只用了幾秒鐘就設計出了一個成功行走的機器人。

該人工智能程序不僅速度快，它還能在輕便的個人電腦上運行，并從零開始設計全新的結構。這與其他人工智能系統形成了鮮明對比，后者通常需要高能耗的超級計算機和龐大的數據集。即使在計算了所有數據之后，這些系統仍然受到人類創造力的限制——只能模仿人類過去的作品，而無法產生新的想法。

這項研究于10月3日發表在《美國國家科學院院刊》上。

“我們發現了一種非常快速的人工智能驅動設計算法，它可以繞過進化過程中的‘堵點’，而不會受制于人類設計師的偏見。”領導這項工作的美國西北大學薩姆·克里格曼（Sam Kriegman）說，“我們告訴人工智能，我們想要一個能在陸地上行走的機器人。然后，只需按下一個按鈕，就可以了！它在眨眼之間就生成了一個機器人的藍圖，這個機器人看起來與地球上曾經行走過的任何動物都毫無二致。我把這個過程稱為‘瞬間進化’。”

克里格曼是美國西北大學麥考密克工程與應用科學學院計算機科學、機械工程和化學與生物工程專業的助理教授，也是該學院機器人與生物系統中心的成員。克里格曼實驗室的科學家戴維·馬修斯（David Matthews）是這篇論文的第一作者。克里格曼和馬修斯與共同作者安德魯·斯皮爾伯格（Andrew Spielberg）、丹妮拉·魯斯（Daniela Rus）（麻省理工學院）和喬什·邦加德（Josh Bongard）（佛蒙特大學）密切合作數年，才有了這一突破性發現。

從異種機器人到新生物

2020年初，克雷格曼因開發出異種機器人（第一種完全由生物細胞制成的活體機器人）從而引起了媒體的廣泛關注。現在，克里格曼和他的團隊將他們的新型人工智能視為探索人工生命潛力的下一個進展。機器人本身并不起眼——小巧、柔軟、形狀不規則。目前，它還是由無機材料制成的。但克里格曼說，它代表了人工智能設計工具新時代的第一步，這些工具就像動物一樣，可以直接作用于世界。

“當人們看到這個機器人時，他們可能會認為這是一個無用的小玩意，”克里格曼說，“而我看到的是一個全新有機體的誕生”。

從零到行走只需幾秒鐘

雖然人工智能程序可以從任何提示開始，但克里格曼和他的團隊從一個簡單的要求開始，即設計一個能夠在陸地上行走的物理機器。研究人員的輸入到此結束，人工智能接管了工作。

計算機生成肥皂大小的塊狀結構并開始設計。它可以晃動，但絕對不能行走。人工智能知道自己還沒有達到目標，于是迅速對設計進行了反復修改。每一次迭代，人工智能都會對設計進行評估，找出缺陷，并對模擬塊進行切削打磨，更新其結構。最終，模擬機器人可以在原地彈跳，接著向前跳動，然后變換位置。最后，只經過9次嘗試，它就生成了一個每秒能走半個身長的機器人——大約是人類平均步速的一半。

整個設計過程——從零運動的無形塊到完全行走的機器人——在筆記本電腦上只用了26秒。

克里格曼說：“現在，所有人都可以看到人工智能實時生成越來越好的機器人時的進化過程。以前，機器人的進化需要在超級計算機上進行數周的反復試驗，當然，在任何動物能夠在世界上奔跑、游泳或飛行之前，也需要數十億年的反復試驗。這是因為進化論沒有遠見。它無法預見未來，無法知道特定的突變是有益的還是災難性的。我們找到了揭開這一障眼法的方法，從而將數十億年的進化過程壓縮到一瞬間。”

重新發現雙腿

人工智能竟然自己想出了與大自然相同的行走解決方案：腿。但與自然界絕對對稱的設計不同，人工智能采用了另一種方法。這個機器人有三條腿，背部有鰭，臉是平的，身上布滿了孔。

克里格曼說：“這很有趣，因為我們并沒有告訴人工智能機器人應該有腿。它重新發現了腿是在陸地上移動的好方法。事實上，腿部運動是陸地上最有效的運動方式。”

為了了解模擬機器人能否在現實生活中工作，克里格曼和他的團隊以人工智能設計的機器人為藍本。首先，他們用3D打印出機器人身體周圍負空間的模型。然后，他們在模具中注入液態硅橡膠，并讓其固化幾個小時。當團隊將凝固的硅膠從模具中取出時，它變得柔軟而有彈性。

現在，是時候看看機器人的模擬行為——行走——是否能在物理世界中保留下來了。研究人員在橡膠機器人身體中注入空氣，使其三條腿膨脹。當機器人身體內的空氣癟下去時，三條腿就會收縮。通過不斷向機器人體內注入空氣，它就會反復膨脹然后收縮，從而產生緩慢而穩定的運動。

陌生的設計

雖然腿部的進化是合情合理的，但孔洞的加入卻令人感到奇怪。人工智能在機器人全身看似隨意的地方打孔。克里格曼假設，孔隙可以減輕重量，增加靈活性，使機器人能夠彎曲腿部行走。

他說：“我們并不真正了解這些孔的作用，但我們知道它們很重要。因為當我們把它們拿走時，機器人要么不能再行走，要么就不能走得很好。”

總的來說，克里格曼對機器人的設計感到驚訝和著迷，他指出，大多數人類設計的機器人要么像人、要么像狗，要么像冰球。

“當人類設計機器人時，我們傾向于把它們設計成熟悉的物體的樣子，”克里格曼說，“但人工智能可以創造人類從未考慮過的新的可能性和新的前進道路。它可以幫助我們以不同的方式思考和夢想。這可能會幫助我們解決我們面臨的一些最棘手的問題。”

未來的潛在應用

雖然人工智能的第一個機器人只能做變換位置前進的動作，但克里格曼想象了由相同程序設計的工具的無限可能。有朝一日，類似的機器人也許能在倒塌的建筑物廢墟中穿梭，根據熱和振動信號搜尋被困的人和動物，或者穿越下水道系統診斷問題、疏通管道和修復損壞。人工智能還可能設計出進入人體的納米機器人，通過血液循環疏通動脈、診斷疾病或殺死癌細胞。

克里格曼說：“阻礙我們使用這些新工具和療法的唯一原因，是我們不知道如何設計它們。幸運的是，人工智能有自己的想法。”