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通用机器人的梦想,大模型能否一臂之力?



大数据文摘授权转载自机器人大讲堂


通用智能机器人一直是人类的永恒梦想,它体现了我们对于一种能够在任何环境中灵活工作、协助人类的"终极智能体"的向往。无论是科幻小说抑或是科技展望,通用机器人的形象无不折射出人类内心深处对于这种"全能助手"的渴望。




在过去几十年里,科学家们为实现这一梦想付出了艰辛的努力。然而即便取得一些重大进展,离真正实现通用智能仍有着遥不可及的距离。直到近年,以GPT-3/4为代表的大模型技术的出现,似乎为通用智能机器人注入了新的曙光。



一时间,学术界和工业界对于能否借助大模型技术实现机器人通用智能展开了热烈讨论。乐观者认为,只要在海量机器人交互数据上训练规模足够大的深度学习模型,就一定能获得通用的感知、推理和决策能力。但也有怀疑者质疑,机器人系统所面临的挑战与其他领域存在本质差异,单纯大模型方法难以奏效。



那么,究竟大模型之路是通往通用机器人的捷径,还是智能机器人的"围城"?本文将以产业分析的视角,客观评估这一备受争议的技术路径在机器人领域的发展前景和潜在挑战,供业内外人士参考。

机器人大模型发展现状


1.1大模型技术在机器人领域的初步尝试




近年来,一些头部科技公司和顶尖实验室开始积极尝试将在NLP和CV领域获得巨大成功的大模型技术引入机器人领域。



其中最具代表性的便是DeepMind开发的Robot Reasoning Transformer(RT)系列模型。RT-1模型在完全没有预训练的情况下,仅依靠视觉感知便能执行一系列复杂的机器操作任务。







接着推出的RT-2进一步结合了自然语言指令,在未知环境下依然能基于语义理解完成目标任务。



与DeepMind同期,,加州大学伯克利的机器人学习实验室(RAIL)和斯坦福等机构也分别在视觉导航、物体操控等任务上训练出具备一定通用能力的大模型。这些成果为将大模型技术应用于机器人系统带来了新的思路。



这些团队通过大规模模拟或真实机器人环境数据,结合迁移学习等技术,最终训练出一个端到端的神经网络模型。输入是多模态的视觉、语音、力觉等感知数据,输出则是最终的控制序列。这种类似于GPT-3范式的模型有望掌握机器人行为的潜在规律,发挥出通用的控制和推理能力。



与此同时,一些机器人公司也开始实践基于大模型的产品思路。如Boston Dynamics便采用了一种"仿真+强化学习+验证部署"的工作流,先利用模拟环境训练通用的大模型,再通过实际部署试验验证其可靠性,最终部署到产品中。



1.2学界和业界对大模型的讨论与分歧


机器人大模型技术的兴起在业内引发了热烈的讨论和分歧。支持者认为,类似于GPT那样的范式完全可以推广到机器人领域。通过海量数据训练,必将最终训练出通用的智能机器人大模型,从而获得类似于人类的感知、推理和决策能力。



而持怀疑态度的人则指出,机器人系统所面临的挑战与NLP等领域存在本质差异。单凭数据驱动的大模型方式很难解决诸如可靠性、安全性、环境复杂性等一系列问题。他们认为传统的机器人规划、控制和建模方法理应与机器学习相结合,而非完全用大模型取代。



目前,学界和工业界存在着剧烈的分歧和论战,彼此之间从技术路线到商业化进程都存在差距。但无疑,这场讨论将引导行业思考机器人发展的未来方向,对于整个产业发展趋势有着深远的影响。



器人大模型发展前景分析


2.1 机器人大模型发展的驱动因素



1)大模型在 AI 领域的成功引发机器人行业效仿热潮



无疑,DALL-E、GPT-3等大模型技术在自然语言处理、计算机视觉等领域的出众表现给行业带来了极大的冲击和影响。它们展现出了惊人的泛化能力和通用性能,从某种程度上开启了通用人工智能的大门。



这一成功让业界对于大模型方法充满了期待,纷纷开始在自身领域进行大模型探索。对于机器人行业而言,如果能够在大模型的道路上获得突破,意味着有望最终实现行业的终极目标——通用机器人。这无疑是一个巨大的诱惑。








2)前沿科技公司和投资者的重视与推动



作为人工智能领域最活跃的公司和实验室,DeepMind、OpenAI、谷歌大脑等无一例外都在机器人大模型领域开展了大量探索。他们投入巨资和人力进行研发和应用尝试,也为整个行业的大模型发展注入了强大的推动力。



此外,一些科技巨头的投资者也密切关注着这一领域的动向。对于他们而言,如果大模型技术真的能在机器人领域获得突破,其商业前景将是无可限量的,这种预期也在一定程度上推动了资金和人才持续投入。



3)算力和数据资源的持续进步为大模型发展奠定基础



训练大规模的机器人模型对于算力和数据规模都有着极高的要求。从20世纪90年代到现在,算力和存储能力都以指数级提升,为前所未有的大模型提供了有力基础。同时,云计算、分布式系统等技术的发展,进一步放大了算力资源。大规模的机器人数据也随着物联网、视频等新兴技术的普及而不断积累。



4)模拟技术的进步为机器人大模型提供替代数据来源



对于机器人系统而言,直接通过真实环境采集大量高质量数据是一项艰巨的挑战。而模拟仿真技术的不断进步,为训练机器人大模型提供了较为可行的替代路径。



利用计算机图形学等技术,可以构建出高度逼真的虚拟机器人环境。在这些仿真环境中生成的交互数据,虽然与真实数据存在一定距离,但通过迁移学习等技术,已经可以较好地泛化到真实场景中。



谷歌、波士顿动力等公司均在生产实践中广泛应用了模拟数据辅助训练。未来随着仿真技术的进一步成熟,或将进一步推动机器人大模型发展。



2.2 行业规模和发展前景广阔



尽管机器人大模型仍处于初期探索阶段,但若真的能最终获得突破,其对机器人行业发展将产生革命性的推动作用,这也是众多公司和研究者持续投入的原因。



根据BCG的预测,到2030年,智能机器人系统或将给全球经济带来约4-6万亿美元的年增长价值。这一庞大的增量市场为机器人行业的未来发展带来了广阔的前景。而作为智能机器人系统的关键技术路线,机器人大模型产业自然也将获得巨大的发展机遇。



目前多数业内人士都预计未来5-10年机器人大模型领域将处于加速爆发期。届时将会有更多优秀的模型和产品问世,也将出现部分头部企业获得商业化突破,并主导产业格局。这正是资本和人才进一步涌入的窗口期。



中长期而言,如果真的能最终实现通用的智能机器人大模型,其影响将彻底改变制造业、物流业和服务业等众多行业的格局,带来革命性的提升。届时机器人大模型作为基础技术无疑将占据产业链的制高点,也将诞生出一批新的科技巨头企业。



因此,无论从短期还是中长期发展前景来看,机器人大模型都将是一个极具投资价值和发展潜力的新兴产业。只要技术路线最终获得突破,其带来的效益将是巨大且深远的。



器人大模型所面临的主要挑战及潜在解决路径


3.1 规模化高质量机器人数据获取困难



数据采集成本高昂



对于机器人系统而言,要获取规模化的高质量交互数据是一个艰巨的挑战。机器人与物理世界的交互数据需要通过大量的人工部署、动作捕捉等方式采集,涉及大量的人力和物力成本。


而且这些数据还必须满足多模态(视觉、语音、力觉等)、标注完备且无噪声等高质量要求。如此苛刻的标准令数据采集的成本进一步升高,这种庞大的数据成本对于绝大多数企业而言都是巨大的负担。



现实环境复杂多变,模拟数据有泛化鸿沟



为克服高昂的数据采集成本,企业普遍选择利用模拟仿真数据代替真实环境下的数据。但这种方式也存在一个严峻的问题,即模拟环境与真实环境之间存在一定的鸿沟和差异,模型在模拟场景上学习到的知识很难直接泛化到真实世界。



虽然可以通过领域自适应、细微调等技术缓解这一鸿沟,但彻底消除差异目前依然是一个巨大的挑战。如何生成足够逼真、多样化的仿真数据,仍然是制约模拟数据在机器人领域应用的关键瓶颈。



各企业数据环境不统一,缺乏大规模协作



现阶段,机器人应用领域和场景各不相同,每家公司的数据集往往只能针对自身的特定环境或场景,缺乏一个统一的大规模数据集和评估标准。



这种数据集的割裂和分散无疑加大了机器人大模型在整个行业落地推广的难度,同时也影响了行业内的协作和互通有无。因此,未来机器人数据生态的统一规范或将成为行业亟待解决的重点。








3.2 多模态融合和模型设计存在挑战



模态融合存在技术瓶颈



机器人系统需要处理的是包括视觉、语音、力觉、惯性等多种异构模态的输入信息,而将这些模态高效融合是一个巨大的技术挑战。如何在神经网络中建模多模态之间的内在关联,并充分利用各种模态数据以提高泛化性能,目前仍是一个行业难题。



现有的大多数多模态融合方法存在模态偏置等问题。要想获得真正优异的多模态融合性能,还需要持续大量的基础研究支撑。



通用模型架构设计困难重重



想要建立一个强大的机器人大模型,就需要设计出一个高度优化的端到端神经网络架构。这个架构不仅需要能够承载多种模态输入,还必须有足够的表示能力来学习复杂的机器人任务,且需要保证高效的计算和部署。



目前大多数模型设计都是针对特定任务进行了定制化优化,通用化能力并不理想。如何在保证高性能的同时,兼顾通用性和可扩展性,无疑是一个棘手的系统设计难题,需要行业内持续努力探索。



3.3 模型泛化能力和部署可靠性面临巨大挑战



物理环境复杂多变且不确定



与其他领域相比,机器人系统所面临的物理世界具有异常复杂、多变和不确定性的特点。这给想要在任意环境中都能可靠运行的通用机器人大模型带来了极大的挑战和风险。



现实环境中存在着各种模型难以预料和建模的干扰因素,如光线变化、物体形变、动态障碍等。模型需要具备足够强大的泛化能力,才能在如此多变的情况下依然正常运转。



安全性与鲁棒性要求苛刻



与其他很多AI系统不同,机器人直接与现实物理世界交互,任何决策失误都可能导致严重的财产损失或人员伤害。因此对机器人大模型的安全性和鲁棒性要求是非常苛刻的。



模型需要能够在任何意外异常情况下都能保证安全可靠的运行,避免出现不可控的行为。但现有的大模型系统在这方面往往存在较大的缺陷,容易受到对抗样本攻击或者出现异常模式。如何从根本上提升系统的鲁棒性和安全性,将是大模型在机器人领域落地应用的严峻挑战。



部署和在线更新面临效率瓶颈



机器人系统通常需要部署在边缘端或嵌入式设备上,对于大规模的大模型而言,其巨大的计算和存储需求给实际部署带来了极大的困难。如何在资源受限的环境中高效部署和运行大规模模型,降低其计算代价,是模型工程界亟待突破的重点。



此外,机器人大模型在线持续学习和更新也面临着传输和效率的瓶颈。如何高效安全地传输大规模的神经网络参数并进行更新,也是一个尚未完全解决的难题。



3.4 缺乏高质量评估体系及公开数据集



缺乏统一的评估标准和测试平台



目前机器人大模型尚未建立起一个行业公认的统一评估体系。每个团队和企业基本上根据自身场景进行不同的评估,标准也较为主观和分散。这无疑加大了模型性能对比和选择的难度,也影响了该领域的快速发展。



由于缺乏权威的公开测评系统,模型的优劣很难一目了然,也不利于行业内的良性竞争。未来如果能够建立诸如ImageNet那样的基准测试,将极大推动领域的进展和发展。








缺乏规模化的公开数据集



机器学习任务的本质是从数据中学习,高质量数据资源一直是该领域的立身之本。但在机器人大模型领域,由于数据采集的困难,目前还缺乏一个广为业界接受并公开获取的规模化数据集。



每个团队和企业基本上只能依赖自己采集或构建的少量私有数据集,严重制约了该领域的快速发展。因此在早期阶段,如果能够建立一个类似于ImageNet或者CommonCrawl那样的公共数据集,并促进各方面的开放合作,将极大推动该领域快速突破。



机器人大模型的潜在发展路径分析


4.1 从补充优化传统架构做起



虽然机器人大模型仍存在诸多挑战,但在短期内肯定是一条值得持续探索和钻研的路径。目前业界已经开始探索将大模型与传统的机器人系统架构相结合,利用其强大的泛化能力对现有系统进行优化和补充。



一种比较直观的做法是,先利用大模型学习各类感知和决策策略,形成一个"智能头脑",再将其作为上层指挥系统与传统的运动规划和控制器相结合。大模型在此担任高层决策和规划的角色,而底层的反馈控制等则由传统的模块化系统处理。



这种分层式的架构有望发挥机器学习大模型的优势,同时也能充分利用现有的可靠组件。在安全性、鲁棒性等方面也更有保证。因此,将大模型作为现有架构的补充或许是一个比较保守但可行的发展路径。



4.2 推动建立开放的数据和算力资源



正如我们之前所分析,规模化高质量数据的缺失是目前制约机器人大模型发展的关键瓶颈之一。因此,如何建立开放且持续增长的大规模数据集和算力资源池,将是突破这一瓶颈的关键一招。



我们可以借鉴ImageNet、HuggingFace等成功案例,推动构建一个开放的机器人数据库和模型库。让企业、研究机构、个人等多方面参与者都能够贡献和分享自身获得的数据、模型和算力资源,形成一个良性发展的生态系统。



在这样一个开放平台的基础上,通过技术和资源的不断积累和涌流,必将加速推动整个机器人大模型产业加快发展步伐。同时也能够促进研究者们的深度协作,聚集智慧解决行业发展的难题。这或许正是通往通用机器人之路的最大机遇所在。



4.3 推进多模态机器人大模型架构创新



多模态信息融合无疑将是机器人大模型发展的重中之重。现有的多模态模型无论在表示能力还是训练效率上都存在诸多不足,亟需突破性的模型架构创新。



例如结合注意力机制、因式分解等技术,去探索更高效、更强大的多模态融合模型。或者借鉴生物大脑的层次化感知加工思路,构建新颖的端到端架构,进一步挖掘多模态信息的内在关联,提高模型的泛化能力。



此外,借助更加灵活强大的模型范式,如例如使用广义变分推理等方法,或许也能为多模态机器人大模型提供崭新的发展路径。这些均是值得机器学习界、机器人界携手并进,共同努力和突破的重点创新方向。



4.4 加强与决策理论、控制论等学科融合



机器人系统不仅面临环境不确定和决策复杂等挑战,而且性能要求极高,如安全性、鲁棒性、实时性等等,这些都是仅依靠机器学习大模型难以完全解决的痛点。



因此,要真正实现通用智能机器人,大模型技术必须与其他学科理论相结合,吸收优秀的决策理论、控制理论、运动规划等研究成果。只有让机器学习与这些能更好地处理不确定性、提供更出色的鲁棒性和实时性的学理相融合,才能最终构建出卓越的机器人智能系统。



未来,机器人大模型的发展应当朝着跨学科融合的方向努力。一方面吸收经典理论的优秀思想和方法,另一方面也将机器学习的数据驱动思维注入到这些领域,相互促进,取长补短。通过理论与数据方法的有机结合,才能够真正突破目前机器人系统所面临的瓶颈,最终开创通用智能的新纪元。



总结



通过对机器人大模型发展现状、前景挑战和潜在路径的全面分析,我们可以得出如下几点核心观点:



机器人大模型作为实现通用智能机器人的一条可能路径,正在受到业界的高度关注和追捧,其发展前景十分广阔。但同时也面临着规模化数据获取、多模态建模、部署环境复杂性等一系列严峻挑战。



要真正突破这些挑战,单纯依靠大模型自身还是难以完全奏效的。未来的发展应当注重与决策理论、控制论等学科的深度融合,发挥机器学习与理论方法的互补优势。



构建开放的数据和算力资源池,推动模型架构创新,将是行业突破现有瓶颈的关键一招。这需要全行业的通力合作和持续投入。



总的来说,机器人大模型的发展之路仍然任重道远,但只要坚持不懈地努力突破重重难关,实现通用智能机器人的梦想仍是完全有希望的。这场"围城"之役将是一个漫长但有利可图的过程。



人类终将在未来的某一天,迎来机器人学大模型时代的到来,见证属于这个领域的新纪元。让我们共同期待,为之砥砺前行!









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大神点评3

__末世 2024-5-6 07:05:07 来自手机 显示全部楼层
加油!不要理那些键盘侠!
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水木小圣 2024-5-6 17:02:12 来自手机 显示全部楼层
秀起来~
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文成波 2024-5-7 08:45:08 来自手机 显示全部楼层
看起来不错
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