[科普]机器人世界杯之梦

机器人世界杯冠军赛激励了一代又一代机器人专家。

2019年到2022年，作者有幸担任了机器人世界杯联合会主席。机器人世界杯是一项每年举办一次的国际竞技赛事，它将利用人工智能和机器人技术改变世界的远见思维与实用机器人设计结合了起来。参与者会历时数月解决各类技术问题，让机器人能够自主地踢足球、做家务或搜寻灾民。这些工作反过来又推动了机器学习、多智能系统和人机交互等一系列领域的根本性进步。

正如创始主席北野宏明所定义的那样，机器人世界杯的最初目标是，在2050年前让一支完全自主的类人机器人团队在真实的户外赛场上击败世界上最优秀的人类足球队。自1997年首届机器人世界杯比赛（以小型轮式机器人、中型轮式机器人和模拟赛三大联赛为特色）以来，这项赛事已经扩大到包括人形机器人足球联赛以及其他致力于具有更直接实用性的机器人联赛。最新一届机器人世界杯于2023年7月在法国波尔多举行，有来自45个国家和地区的2500人（和2000台机器人）参加比赛。

缘起，1997年，日本名古屋举行国际人工智能联合会议 (IJCAI)期间，作者wt以学生身份参加了在一个小展览厅举行的首届机器人世界杯。以今天的标准来看，当时的竞赛水平并不是很高。但重要的是，当时许多“机器人专家”并未使用真正的机器人。机器人世界杯在早期阶段是不同寻常的，因为它迫使了人们建立完整、集成且可感知、决策和行动的工作系统。

小型联赛多年来，机器人世界杯在竞赛水平上取得了巨大的进步，通常遵循的规律是:一支球队有了新发现，在比赛中占据主导地位一两年，之后被另一支球队取代。例如，21世纪初，在机器人使用高尔夫球和外部感知与计算的小型联赛中，来自柏林自由大学的FU-Fihters团队引入了部分创新。该团队开始使用一种装置来控制球，使球向后旋转，从而让机器人“运球”。再用另一个装置将球快速向前推以射门。作为提出该策略的首支队伍，FU-Fighters拥有很大的优势，但很快其他队伍也纷纷效仿。

标准平台联赛虽然机器人世界杯联赛大多包含硬件设计部分但有些球队更加重视软件。在标准平台联赛中提供给每个团队的机器人是相同的，因此只有算法和软件工程的最佳组合才能获胜。机器人世界杯的首个标准平台是由索尼制造的小型机器狗(上图和中图)爱宝。然而，机器人世界杯的最终目标是令双足机器人的表现达到人类水平，因此标准平台联赛现使用了由软银制造、名为Nao的小型人形机器人。Nao(下图)结实能干，摔倒后能迅速爬起，对踢足球的人类和机器人而言，这是一项关键的技能。

中型联赛使用了全尺寸足球，由齐腰高的轮式机器人进行感知。多年来，联赛已展示了巨大的进步，日益向人类速度和人类规模的足球比赛靠拢。在最近的比赛中，机器人在广阔的场地上快速移动、自主制定进攻防守策略、协调传球和射门。典型的中型机器人拥有的技能相当于能干的小学生，而且在该联赛中，机器人不必担心腿的问题。在某些方面，中等大小的机器人比人类球员更有优势，机器人拥有全向感应和无线通信功能，且由于有机械球发射系统，它们始终能够非常准确地击球。

人形机器人联赛2002年启动的机器人世界杯人形机器人联赛对于实现我们在2050年前组建一支高技能人形机器人队伍的目标至关重要。双足机器人是一项持续的挑战，尤其是机器人必须与全尺寸足球互动，一条腿保持平衡，另一条腿踢球。人形机器人必须具有与人类相似的比例和类似人类感知的传感器配置，这意味着它们不能拥有全方位的感知能力。

机器人对战人类2011年，机器人世界杯联合会的受托人与中型联赛的获胜球队在机器人世界杯赛事结束后进行了一场友谊赛，从那之后，这一活动就成为了一项传统。近年来，这些中型大小的机器人表现出了惊人的竞争力，它们能够控球、带球跑动，并在球场上连续传球。虽然机器人也许还没准备好与世界冠军较量，但其进展令人印象深刻2022年，埃因霍温理工大学团队与葡萄牙职业女队Vit6ria SC踢了场友谊赛，机器人成功进了几个球(在女队放松之后)。

模拟联赛即使在标准平台联赛中，硬件问题也可能令人挫败，因此机器人世界杯模拟联赛允许球队完全在软件中比赛。这样一来，运用尖端技术就能更快地取得进展。在2014年的模拟联赛中作者自己的团队UT Austin Villa开始使用分层机器学习来开发走路和踢球等技能，这让我们在比赛中占据了主导地位。但2022年，葡萄牙FC团队和奥芬堡Magma团队凭借深度强化学习方法超越了我们。

其他联赛·虽然机器人世界杯以足球为终极目标，而且也激发了对机器人视觉、机动性等基础课题的研究，但在一场比赛中很难看到相关的实用性。因此，机器人世界杯其他联赛注重的是更为直接的应用。RoboCup@Home(上图)展示了用于家居环境的机器人，RoboCupRescue(左下图)关注的是用于灾难响应的搜索和救援机器人，RoboCup@Work ( 右下图)则关注开发用于工业和物流任务的机器人

机器人世界杯的宝贵财富

与25年前相比，现在有更多的机器人比赛可供选择，人工智能和机器人技术的应用也更为广泛。尽管启发了许多其他比赛，机器人世界杯仍然是此类赛事中规模最大的。我们的社区决心继续努力，精益求精。该活动吸引了来自机械工程、医疗机器人、人机交互、演示学习和许多其他领域的研究实验室团队，没有比鼓励学生沉浸在机器人世界杯中更好的新生训练方法了。

机器人世界杯的重要性也不局限在赛事本身。最引人注目的成功之一源于比赛的早期阶段，从小型联赛中分离出来的技术形成了Kiva Systems的基础。Kiva机器人的硬件是由拉菲罗•丹德烈亚（Rraffaello D’Andrea）领导的康奈尔大学机器人世界杯团队设计的。在其球队于1999年、2000年、2002年和2003年赢得了小型联赛的胜利后，丹德烈亚继续与他人共同创立了Kiva Systems公司。该公司开发了移动货架的仓库机器人，2012年被亚马逊以7.75亿美元的价格收购。

机器人世界杯的未来

此时，你可能想知道，实现机器人世界杯的创立目标（即到2050年，一支自主人形机器人团队能够在真实的室外球场上击败世界上最好的人类球队）能有什么前景。足球的发展是否会像国际象棋、跳棋、扑克、游戏《GT赛车》、综艺《危险边缘》以及人类的其他赛事那样，被人工智能征服？对现实世界的感知能力和人类速度与敏捷性的要求是否会让机器人无法接触足球？这个问题仍然是机器人世界杯社区不确定性和争论的来源。虽然就技术发展而言，27年很长，但物理自动化往往比纯粹面向软件的任务要难得多，耗时也长得多。

最终，社区若要实现其目标，我们将需要解决两大挑战：制造能够像人类一样快速、轻松移动的硬件，同时打造能够实时超越最优秀人类玩家的软件。有专家指出，现有的最先进的人形机器人证明，我们已经有了足够强大的硬件。尽管它们令人印象深刻，但作者认为这些机器人还不能与最娴熟的人类运动员相提并论。即使是如今最好的人形机器人，作者也尚未看到任何证据表明它们能像职业足球运动员那样带球，并在高速下灵活地改变方向，尤其是考虑到要让职业球员同意与机器人一起上场，需要机器人不太重，也不能过于强大，它们需要既熟练又非常安全。

作者认为，无论结果如何，机器人世界杯无疑都是对人工智能和机器人技术的持久、巨大的挑战，也是下一代机器人专家的大型训练基地。机器人世界杯社区正在蓬勃发展，不断涌现新的想法、新的工程师和新的科学家。作者很自豪能领导机器人世界杯组织，也期待着看到它今后的发展方向。

作者：Peter Stone