美国国防部高级研究计划局地下挑战内部

在海底深处肯塔基州路易斯维尔市。动物园里有一个由石灰岩雕刻而成的巨大洞穴网络。洞穴是黑暗的。他们在尘土飞扬。他们是潮湿的。在2021年9月的一周内，他们都是世界上最复杂的机器人。这些机器人(以及他们的人类队友)在那里解决由美国国防高级研究计划局(DARPA)设计的一个大型地下赛道，作为其为期三年的地下挑战赛的高潮。

SubT于2018年初首次公布。DARPA设计了这场比赛，以在极端条件下推进实用机器人技术，基于三个不同的地下环境:人造隧道、城市地下和自然洞穴。为了做得好，机器人必须团队合作，穿越和绘制跨越数公里的完全未知区域，搜索各种文物，并在严格的时间限制下精确地确定它们的位置。为了更接近地模拟急救人员可能使用自主机器人的场景，机器人经历了黑暗、灰尘和烟雾，甚至darpa控制的落石偶尔会阻碍它们的前进。

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通过直接资助和高达数百万美元的奖金，DARPA鼓励顶级学术机构和行业之间的国际合作。一系列的三个初级巡回赛将让车队对每种环境都有经验。

2019年8月，在美国国家职业安全与健康研究所位于匹兹堡郊区的实验煤矿举行的隧道巡回赛期间，许多团队在隧道出现第一个弯道后就与机器人失去了联系。六个月后，在华盛顿州萨特索普一座未完工的核电站举行的城市巡回活动上。在美国，各团队用各种方式加强了通信，从简单的系绳以太网电缆到电池供电的网状网络节点，机器人在前进过程中会像面包屑一样掉落，理想情况下是在它们超出通信范围之前。原定于2020年秋季举行的洞穴巡回赛因新冠肺炎疫情而取消。

当车队到达路易斯维尔超级洞穴的SubT决赛时，他们的重点是自治而不是通信。与预赛一样，人类不被允许进入球场，每支队伍中只有一人被允许与队伍中的机器人进行远程互动，因此直接远程控制是不切实际的。很明显，能够自行决定去哪里以及如何到达那里的机器人团队将是快速穿越赛道的唯一可行方法。

DARPA在最后的比赛中超越了自己，在现有的洞穴中建造了一个巨大的长达一公里的球场。集装箱端到端的连接形成了复杂的网络，其中许多集装箱被精心雕刻和装饰，以模仿采矿隧道和自然洞穴。办公室、储藏室，甚至一个地铁站，都是从零开始建造的，构成了课程的城市部分。团队有一个小时的时间尽可能多地找到40件文物。为了获得一分，机器人必须向球场入口处的基站报告神器的位置，这在球场的偏远地区是一个挑战，因为直接通信是不可能的。

八支队伍参加了SubT决赛，大多数都带来了精心策划的机器人组合，旨在协同工作。轮式车辆提供了最可靠的机动性，但四足机器人的能力令人惊讶，尤其是在复杂的地形上。无人机可以对一些较大的洞穴进行全面探索。

到决赛结束时，两支队伍各发现了23件文物:赛伯乐队(cerberus)——内华达大学里诺分校的合作团队;苏黎世联邦理工学院;挪威科技大学;加州大学伯克利分校;牛津机器人研究所;飞船飞行;内华达山脉公司和CSIRO Data61团队(由CSIRO的Data61组成);Emesent;平分的分数触发了一个抢七规则:哪支队伍最快拿到最后的神器?第一名是Cerberus，它只比CSIRO快46秒。

尽管获得了第二名，CSIRO团队的机器人还是取得了惊人的成就，他们创建的路线地图与DARPA的地面真相地图相差不到1%，有效地匹配了一个专家团队花了许多天时间创建的地图。负责这项挑战的DARPA项目经理蒂姆·钟(Tim Chung)表示，这正是SubT想要激发的那种有形的、根本性的进步。

Chung说:“地下发生的事情太多了，我们通常不会考虑太多，但如果你看看我们在地下建造的基础设施的数量，就会发现它非常庞大。亚博真人yabo.at．“在地下环境中感知、理解和导航有很多机会，其中有工程集成挑战，也有基础设计挑战和理论问题，我们还没有回答。这些是DARPA最感兴趣的问题，因为这将在5年、10年或15年内改变机器人技术的面貌，如果不是更早的话。”

亚博真人yabo.at在路易斯维尔报道地下决赛，我们最近与Chung以及CSIRO Data61团队负责人Navinda Kottege和Cerberus团队负责人Kostas Alexis进行了交谈，讨论了他们的SubT经验以及该事件对机器人未来的影响。

美国国防部高级研究计划局已数以百计的程序但其中大多数都不包括奖金达数百万美元的多年国际比赛。地下挑战有什么特别之处?

Tim chung |DARPA项目经理MCKIBILLO

蒂姆·钟:时不时地，DARPA的某个概念就证明了寻求创新的不同模式。它指的是你知道自己在某个领域即将取得突破，但你不知道这种突破将如何发生，也不知道传统的DARPA项目模式，即广泛宣布之后再选择方案，可能会限制创新。DARPA将SubT挑战赛视为吸引机器人社区解决我们预期具有影响力的问题的一种方式，如弹性、自主性和严峻环境中的传感。有一个地方你可以发现这些技术挑战在一起，那就是地下。

这些团队自主绘制环境地图的技能令人印象深刻。你能谈谈吗?

t.c.:我们请来了一支拥有专业测量设备的专家团队，他们花了许多天的时间，制作了一份精确校准的SubT课程地面真相地图。然后在比赛中，我们看到这些机器人在一个小时内几乎完全覆盖了球场——我不敢相信那些点云是多么美丽!我认为这真的是一种催化剂。当你可以信任你的地图时，你就有了更多的可操作的态势感知。这不是一个已解决的问题，但当你能达到我们在SubT中看到的保真度水平时，这是一项有潜力开启未来各种创新的网关技术。

自主是SubT的必要组成部分，但在循环中有一个人也是至关重要的。你认为人类会继续成为高效机器人团队的必要组成部分吗?还是未来会完全自主?

t.c.:在比赛早期，我们看到了很多手把手的场景，人类给机器人下达低级命令。但是团队很快意识到他们需要一种更自主的方法。然而，完全自主是很难的，我认为人类将继续扮演一个相当重要的角色，只是这个角色需要进化并转变为专注于人类最擅长的事情。

我认为，从人类操作员到人类监督者的进步将增强人类-机器人团队能够执行的任务类型。在最后一个活动中，我们看到机器人在课程中探索和寻找文物，而人类主管则专注于其他事情，甚至没有注意到机器人。太酷了。机器人在做他们需要做的事情，让人类自由地做出高层决策。这是一个很大的变化:从基本的远程遥控到“你们机器人去做你们的事，我做我的事。”机器人有责任变得更有能力，这样才能实现(人类)从操作员到监管者的转变。

一头来自刻耳柏洛斯队的四足动物进入赛道(上图)。在比赛期间，只有机器人和DARPA工作人员被允许越过这一门槛。球场入口周围的视觉标记为机器人绘制地图提供了精确的起点。这允许DARPA测量团队报告的工件位置的准确性以得分。Cerberus的ANYmal走出了以地铁站为原型的城市路段，并进入了以废弃矿井为原型的隧道路段。埃文·阿克曼

机器人在地下环境中还面临哪些挑战?

t.c.:环境的可遍历性分析和推理仍然是一个问题。机器人将能够在这些环境中以更快的速度移动，如果它们能更多地了解它们在哪里行走，或者它们在飞行。因此，尽管在绘制地图方面，它们比人类快了一到两个数量级，但机器人仍然相对较慢。再削减一个数量级将真正有助于改变游戏规则。速度将是最终的推动者，并对第一反应场景产生巨大影响，在这种情况下，每一分钟都很重要。

你认为SubT已经或将会对机器人技术产生什么影响?

t.c.:在我看来，SubT挑战赛中使用的许多技术现在正在产品化和商业化，这意味着机器人进入急救人员手中的时间已经大大缩短了。这已经发生了，正在发生，甚至在比赛期间，这真的是一个巨大的影响。

在地下操作机器人的困难和重要之处在哪里?

NAVINDA KOTTEGE CSIRO | Data61团队领导MCKIBILLO

Navinda Kottege:事实上，我们身处地下环境是挑战的一个方面，也是非常重要的方面，但如果你把它分解一下，SubT挑战意味着我们身处一个没有gps的环境，在那里你不能依靠通信，有非常困难的移动挑战。还有许多其他的场景，你可能会遇到这样的事情——例如，福岛核灾难不是在地下发生的，但对于他们试图派去的机器人来说，通信是一个巨大的问题。亚马逊雨林是另一个例子，在那里你会遇到类似的沟通和移动困难。因此，我们看到了我们必须开发和成熟的这些组件技术将如何应用于地下以外的许多其他领域。

在人机团队中，人的位置在哪里?

N.K。有两个极端。一种是你按下一个按钮，机器人就会去做他们的事情。另一种是我们所说的“人在循环中”，本质上是通过高级命令进行远程控制。但如果人类被排除在循环之外，循环就会断裂，系统就会停止，我们经历的是脆弱的交流。中间立场是“人在循环中”的概念，你有一个人类主管来设定任务级别的目标，但如果这个人离开了循环，循环仍然可以运行。人类增加了价值，因为他们对整个场景中发生的事情有更好的概述，这是人类非常非常擅长的事情。

地铁站台(上)为机器人带来了许多挑战。轮式和履带式机器人在轨道上尤其困难。DARPA将文物藏在地铁站的天花板(只有无人机才能到达)，以及站台地板的格栅下。除了在路易斯维尔巨型洞穴内建造许多定制的隧道和结构外，DARPA还将洞穴本身纳入到课程中。这个巨大的房间(底部)奖励那些设法探索它的机器人一些额外的文物。埃文·阿克曼

SubT如何推动机器人领域的发展?

N.K。野外机器人要想取得成功，需要多方面的配合。我认为这是SubT挑战的复杂性所迫使我们做的。对我来说，能够在现实场景中可靠地部署机器人的整个概念是最关键的。回顾我们的团队，三年前我们有一些很酷的技术，但我们没有机器人系统，可以可靠地工作一个小时或更长时间，而不需要人类去修理一些东西。这是我们取得的最大进步之一，因为现在，当我们继续这项工作时，我们甚至不需要三思，就可以部署我们的机器人，如果我们让它们独处10分钟，它们是否会自我毁灭。我们已经达到了成熟的水平，这要归功于我们在SubT成功地设计到我们的系统中的健壮性和可靠性，现在我们可以开始关注下一步:当你有一个可以依赖的自主机器人舰队时，你能做什么?

你的机器人团队绘制的赛道地图与DARPA的官方地图匹配，准确率超过1%。这是惊人的。

N.K。最后一场比赛结束后，DARPA请来的公司马上联系了我，他们负责SubT课程的实地测绘。他们花了100个人小时使用非常昂贵的设备来制作地图，他们想知道我们是如何用一堆机器人在一小时内完成地图的。这是个好问题!但事实是，我们一个小时的绘图花了15年的时间才达到这个阶段。

理论上可行的方法和现实世界中可行的方法是有区别的。在它的早期阶段，我们的软件是有效的，因为它达到了它应该达到的所有理论里程碑。但后来我们开始把它带到现实世界中，在非常困难的环境中进行测试，这就是我们开始发现它崩溃的所有边缘情况的地方。基本上，在过去的十多年里，我们一直在尝试尽可能地破坏我们的映射系统，并将其转变为一个非常精心设计的解决方案。老实说，无论何时我们看到我们的映射系统的结果，它仍然让我们感到惊讶!

是什么让你决定参加SubT挑战赛的?

KOSTAS ALEXIS |赛伯乐斯小队领导MCKIBILLO

考斯塔斯亚历克西斯:激励每个人的是对自主机器人的理解，这个挑战是极其困难和相关的。我们知道，机器人系统可以在这些环境中运行，如果人类陪伴它们或远程操作它们，但我们也知道，我们离实现自主还很远。我们明白了将机器人而不是人类送入危险的价值所在。正是这种社会影响和技术挑战的结合吸引了我们，尤其是在这样一个竞赛的背景下，你不能只是在实验室里工作，写一篇论文，然后就结束了——你必须开发出一些可以一直工作到决赛的东西。

狭窄的洞穴部分(顶部)需要地面机器人仔细导航。钟乳石和石笋对飞行中的无人机来说尤其危险。在图片的右侧，部分被一根柱子隐藏的是一圈蓝色的绳子，这是文物之一。一个Cerberus ANYmal团队(下)走过一个装饰性的(但不是不准确的)警告标志，旁边是一个钻头神器。埃文·阿克曼

对你们团队来说，SubT最具挑战性的部分是什么?

K.A。我们正处于可以在正常的类似办公室的环境中操作机器人的阶段，但SubT面临着许多挑战。首先，依靠与机器人的交流是不可能的。其次，地形并不平坦。通常情况下，即使是对机器人来说很难的地形对人类来说也很容易，但自然洞穴地形是我唯一一次觉得地形对人类来说也是一个挑战。第三，是千米大小的环境。机器人必须在自主性和功能性方面表现出一定程度的健壮性和足智多谋，这是目前最先进的机器人技术所无法展示的。SubT挑战赛的伟大之处在于DARPA发起了它知道机器人技术没有这样的能力，但要求我们在未来三年内提供一个有竞争力的机器人团队。我认为这种方法对所有团队来说都很好。这是一个巨大的推动，加速了研究。

随着机器人越来越自主，人类将如何适应?

K.A。事实上，现在我们可以从机器人那里得到非常好的地图，而且我们有了物体探测，等等。然而，我们没有办法将环境中的所有对象及其可能的相互作用联系起来。所以，尽管我们可以创建令人敬畏的、美丽的、准确的地图，但我们并不擅长推理。

这真的是时候了。如果我们正在执行一项任务，我们想要保证在没有时间限制的情况下对一个地方进行全面探索和覆盖，我们可能不需要人工参与，我们可以完全自动化。但当时间是一个因素，你想要尽可能多地探索，那么人类通过数据推理的能力就非常有价值了。即使我们能让机器人有时表现得和人类一样好，也不一定能应用到新环境中。

另一个方面是社会方面。我们制造机器人来为我们服务，在所有这些关键的操作中，作为一名机器人专家，我希望知道有一个人在做最后的决定。

虽然大部分课程都被设计得尽可能接近真实的地下环境，但DARPA也包括了一些对机器人构成特殊挑战的部分。如果机器人不能识别出独特的特征来区分走廊的一部分和另一部分，它们就有可能在这个空白的白色走廊(课程的城市部分)中迷失方向。埃文·阿克曼

你认为SubT能够解决机器人领域的重大挑战吗?

K.A。我为我的团队感到非常自豪的一件事是，SubT建立了腿机器人系统可以在最任意的条件下部署。Cerberus团队在决赛中使用了四个来自瑞士机器人公司ANYbotics的ANYmal C四足机器人。在SubT之前，我们就知道有腿的机器人在研究领域非常出色，但现在我们也知道，如果你必须处理地面或地下的复杂环境，你可以把有腿的机器人与无人机结合起来，你应该会很好。

我们什么时候能看到SubT所做的一些发展的实际应用?

K.A。我认为通过SubT实现商业化会比我们通常期望的研究活动快得多。我的观点是，时间尺度是以月为单位计算的——可能是一年左右，但不是几年的问题，通常在这方面我是保守的。

在灾难应对方面，我们现在谈论的是责任。我们谈论的是几乎100%可靠的系统。这要复杂得多，因为您需要能够演示、证明并保证您的系统能够跨这么多不同的用例工作。关键问题是:你能相信它吗?这要花很多时间。通过SubT, DARPA创造了一个广阔的视野。我相信我们会找到实现这一愿景的方法，但在应对灾难之前，我们将首先在工业中看到这些机器人。

本文以“机器人征服地下”为题发表在2022年5月的出版物上．”