迪士尼如何将大情感融入小机器人中

在2023年IEEE / RSJ智能机器人和系统国际会议（IROS）上，迪士尼研究团队在晚上的主题演讲中展示了一个全新的机器人角色。这个可爱的机器人孩子大小的身躯里蕴含了丰富的表情，从高度富有表现力的头部和两个摇摆的触角到短小可爱的腿。但与其他小型两足机器人不同的是它的行走方式——它充满了个性，在移动时表现出情感，让人觉得它栩栩如生。

早在1971年，迪士尼就开始在迪士尼世界使用电子动画技术制作总统历史展示馆。然而，随着机器人的进步和移动性的提高，机器人设计师和动画师在开发富有表现力的行为时遇到了挑战，这些行为既要利用又要兼容现实世界中的机器人硬件。迪士尼研究部门在过去的一年中开发了一个新系统，该系统利用强化学习将动画师的视觉转化为几乎任何地方都适用的、具有丰富表现力的动作，无论是IROS的舞台、迪士尼主题公园还是瑞士的森林。

这款机器人是由苏黎世迪士尼研究中心的Moritz Bächer领导的团队开发的。该机器人主要是通过3D打印技术制造而成，采用模块化硬件和致动器，因此设计起来既快速又便捷，从概念到上述视频中所呈现的状态在不到一年的时间内就完成了。它拥有一个具有四个自由度的头部（可以上下、左右、倾斜移动），以及具有五个自由度的腿，其髋关节允许它在动态平衡的同时行走。

​​​“大多数机器人专家都专注于让他们的双足机器人可靠地行走，”迪士尼研究科学家摩根波普说，他帮助在舞台上展示了​​该机器人。“在迪士尼，这可能还不够——我们的机器人可能必须昂首阔步、腾跃、潜行、小跑或蜿蜒来传达我们需要它们的情感。” 迪士尼拥有擅长让角色通过动作传达所有这些情感（以及更多）的动画师，以及擅长构建机械系统的机器人专家。“我们试图为这类机器人带来的东西源于我们的角色动画历史，”迈克尔·霍普金斯解释道迪士尼首席研发工程师。“我们的团队中有一名动画师，我们能够共同利用他们的知识和我们的技术专长，创造出我们能做到的最佳表现。”

要创建一个有效的机器人角色需要动画制作人员和机器人专家结合他们的才能，这个过程可能很耗时，并且需要大量的试验和错误以确保机器人能够传达动画制作人员的艺术意图而不会摔倒。“一般来说，动画工具并没有内置物理学，”Bächer解释说，“这使得艺术家很难设计出在现实世界中可行的动画。””

“这不仅仅是走路的问题，”Pope补充道，“走路是强化学习系统的输入之一，但另一个重要的输入是它走路的方式。”

为了弥补这一差距，迪士尼研究院开发了一条基于强化学习的流水线，该流水线依靠仿真环境将动画制作人员的视觉与机器人的稳健运动相结合和平衡。对于动画制作人员来说，该流水线在本质上就考虑到了实现物理世界的约束条件，让动画制作人员在依靠系统实现逼真动画的同时，开发出高度富有表现力的动作。迪士尼的流水线可以在单个PC上训练机器人新的行为，实现相当于数年训练的效果，而时间却只需要几个小时。据Bächer介绍，这使得迪士尼开发一个新机器人角色的时间从数年缩短到仅需几个月。

在这种情况下，强化学习的一个巨大优势是产生的动作可以非常稳健。迪士尼的系统能够在不断进行微调的同时训练动作，微调内容包括电机性能、质量分布以及机器人与地面之间的摩擦等。该系统确保了机器人无论在现实世界中遇到什么，不仅知道如何自我处理，而且知道如何在保持自身特点的同时进行情感表达，这对于机器人保持其特点至关重要。迪士尼研究公司的一名副研究科学家Ruben Grandia表示：“这对传统技术来说是一个挑战。通常，你必须手动设置这个转换点。但是如果你把所有东西都放在一个模拟环境中，在它试图移动和动画化时对其进行扰动，它可以自己确定这个点。这导致了我们从这个机器人身上看到的恢复策略，我们不知道如何编程实现这一点。”

社交机器人已经存在了几十年，即使是并非专门为社交互动设计的机器人，如果它们可能会和人类打交道，通常也会具备一些人机交互功能。但有时候，对于主要以功能为主设计的机器人来说，人机交互可能并不是它们的首要考虑。迪士尼的机器人已经展示了机器人在不牺牲功能性的情况下能够传达多少情感和意图，而这对于更广泛的机器人领域来说也是非常有用的。

迪士尼高级研发幻想家Georg Wiedebach解释说：“在人类和机器人密切接触的情况下，传达情感和意图可以是一个重要的特征。因此，我认为这对于其他机器人与人类一起工作的应用场景来说，也非常有价值。”

虽然这个特定的机器人很容易引起人们的关注（看它多可爱啊！），但研究人员强调，这里重要的不是机器人，而是整个流程。“这个想法的关键在于这是一个硬件无关的平台，”Bächer说，“因此，如果我们想要添加更多的腿、手臂，或者创造一个完全不同形态的新角色，我们可以快速地教授它新的行为。现成的致动器、3D打印组件、我们适应性的强化学习框架——这些都可以应用于在外观和动作上存在很大差异的机器人。这个机器人是这一旅程充满希望的初步尝试。”

迪士尼接下来的目标包括利用这项技术开发更多物理机器人角色，并推动极限，实现更快速、更动态的动作。“我们想看看当我们达到极限时会发生什么，”迪士尼研究科学家Espen Knoop说，“并学习在极限情况下我们能做什么。”

至于这款机器人，该角色还没有正式名称，迪士尼也不准备透露我们会在哪里看到它。但根据它的外观和声音，我们可以做出一些猜测。这个小机器人只是个开始——现在，它们的创建已经变得如此简单，我们希望看到更多这样富有表情的迪士尼机器人角色。

文章来源：IEEE Spectrum