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2013年07月24日 星期三
中青在线

科学现场

机器人圆中国足球世界杯夺冠梦

本报记者 黄昉苨 《 中国青年报 》( 2013年07月24日   11 版)

    机器人世界杯中型组比赛场面

    决赛后,“水队”学生队员与机器人在球场合影

    中国足球终于圆了世界杯夺冠的梦。

    只不过,球员是机器人。

    在中国国家足球队1∶5负于泰国队半个月之后,这条新闻可谓激动人心:6月30日,在2013年机器人世界杯足球锦标赛(Robocup)的中型组比赛中,由北京信息科技大学一群大学生组建的“水队”以3∶2击败东道主、卫冕冠军荷兰埃因霍温理工大学队,夺回冠军。

    之所以说“夺回”,是因为这支由5个身高只有80公分的机器人组成的球队,已经是第三次夺得该项比赛的冠军了。

    “教练”之一的田野本以为这次夺冠会和前两回一样,影响仅限于圈内。但是啥也挡不住球迷们今年的热情。赢得冠军的第二天,这帮学生们目瞪口呆地发现夺冠的消息上了《新闻联播》,女主持人字正腔圆地形容他们小组“在人工智能领域率先圆了中国足球的冠军梦”;看上去,有了国足在前映衬,一群“技术宅”在人工智能领域的胜利,也骤然变得鼓舞人心了起来。

    8个半人高、呈粽子形状黑色机器在18米长、12米宽的绿色场地上快速移动,争抢一个黄澄澄的足球

    眼下,这支世界冠军队伍正淡定地待在北京信息科技大学清河校区的实验室里,身旁的陈列柜里摆满了各色各样的奖杯。

    虽然名为“机器人”,它们的模样更像一座座黑黝黝的小山:“山顶”是摄像头与全景镜,通过它们机器人能看见整个场地,“山脚”部分的轮子让机器人灵敏地朝着前后左右移动,速度最快达到每秒钟6米;每个机器人的正面下方,都有一个大窟窿,两组吸球转轮负责运球,而转轮中间的击球杆能将一个标准足球击出10米开外。

    它们四肢发达,头脑也不简单。在它们的“眼睛”与“腿脚”中间,放着一台电脑,相当于它们的“大脑”。摄像头把全场情况传输到这台电脑上,5个“大脑”再把信息汇总到一台教练机,根据队员们编写的程序与预先设置的策略,教练机把任务分配给5个角色,指挥着这群机器人在场上运动。

    机器人足球比赛和人们印象中的足球比赛差不多。在一个月前那场再次“刷新中国足球历史纪录”的决赛中,8个半人高的黑色机器在200多平方米的绿色场地上快速移动,争抢一个黄澄澄的足球。

    受技术与形状所限,这些球员还没法像人类那样来个“倒挂金钩”。但总有某一刻,足球被倏然挑起来,越过眼前防守的一坨小黑机器,在空中划出一道优美的弧线,再越过一个扛着黑色栅栏的粽子型机器(守门员),一头撞进球门内……

    不过,这一幕电视机前的观众只能看个大概。由于场地狭小、球员矮小,人们只能根据颜色来分辨具体球队,至于刚刚那脚球是谁踢进去的,另一个球又是哪个球员丢的,根本看不清。

    恐怕只有学生们能分得清楚:1号“杰鸣”是个大个子,它是守门员,机身比队友要宽上大约10公分;3号“野”是最常被拿来调试的机器,所以最勇猛,在场上进球最多;5号“棣”就像阿根廷队的神经刀球员德米凯利斯,时不时会掉链子;还有两个机器人队员分别叫“斌斌”和“宗义”。

    这些都是依据机器人兴趣组主要成员名字所取。事实上,两年前田野、周杰鸣这些人刚跨入北京信息科技大学校园的时候,这几台机器人已经在世界杯上夺回第二个冠军了。  

    机器人世界杯足球锦标赛是在1996年被一群科学家们撺掇起来的比赛。刊登在第二年《人工智能》杂志上的一篇文章解释,要让一群机器人踢出一场有板有眼的足球比赛来,需要整合诸多已知的技术手段,还需要更多的崭新的科技突破。

    时至今日,这场机器人足坛规模最大、水平最高的赛事,影响力主要还是在人工智能界。即便在世界冠军所在的北京信息科技大学也是如此。并没有太多人知道这支机器人球队,但这挡不住在高中里已经对编程或是机械产生兴趣的“技术宅”们。田野和朱棣早就发现了学校有这么个“特别有趣”的兴趣小组,李斌斌则在参加新生活动时听老师不经意地提到了一句:“咱们学校的机器人小组挺厉害,拿了两回世界冠军”。

    随后的大学生活中,他们有“大约一半”的时间消磨在这个实验室中,在球场边的课桌下,不光杂七杂八地堆着队员们的笔记本电脑,还摞着一堆诸如“大学物理”之类的教科书,以及一本英文小说,是美国作家卡森·麦卡勒斯的《心是孤独的猎手》。

    如今,在队伍里主要跟机器人打交道的,就是这批大二学生:田野负责编写策略,李斌斌、周杰鸣和张宗义专门调试机器,试图尽可能精确地找出距离球门不同距离时踢球需要的力道,朱棣则包下了后勤事务。

    在过去这一年里,机器人的吸球转轮被改了方向,前面大窟窿的边也被挖成了圆形,经这届队员之手改造的机器人,运球、控球都比原先更为纯熟。

    但他们还是没想到,决赛的哨声吹响后还不到30秒,“水队”就一球打进了对方的大门。

    对方都是机器人领域的专职研究人员,有博士,有硕士,而“水队”都是大二学生

    埃因霍温理工大学是“水队”的老对手了。决赛前,田野他们在小组赛中遇到过这支卫冕冠军,被对方结结实实地灌了三个球,自己却一球未进。

    这支世界劲旅拥有的都是大牌球星。尤其是守门员,它有着更多的摄像头、独特的菱形长轮,非常方便左右移动,关键时刻还能左右伸出20公分、或是朝上伸出10公分的“铁臂”,像个真正的守门员那样去“扑”迎面而来的金色足球——这是规则所允许的,却只有这一支参赛队伍能做出这样的机器人来。

    “水队”的前任队长黄斌特意去查过这个老对头的资料,被吓了一跳:“那是欧洲排名第三的理工类大学啊!”不仅如此,这支球队的幕后团队都是机器人领域的专职研究人员,有博士,有硕士,而“水队”都是大二学生,资深成员一到大三就开始复习考研,“一考上研究生就被导师带走了”。

    说到底,这是一场学术领域的竞赛。观众看到的只是几个黑色小家伙在4居室大小的场地中跑来跑去,但这一场面背后关系到机器人学、机电一体化技术、视觉与传感器技术、智能控制与决策等多个领域的前沿技术。科学家一度畅想,研制出一支机器人足球队,能够打败人类的足球赛世界杯冠军。

    这项划时代的目标,“当然得花上数十年才能实现,如果不是几个世纪的话”,科学家们淡定地在文献中写道。更现实的目标是,先发展出一支机器人球队,能踢出个人样子来。

    这个目标也不容易。北京信息科技大学机器人兴趣小组参加的“中型组”比赛,是唯一一组机器人还能与人类踢着玩的组别。类人组的人形机器人,才刚刚学会“走路”。

    和人类的足球竞技不同,除非出了机械故障,机器人球员没有时间喊暂停,以便教练员及时调整方案,也不可能因伤换人,按照预设的程序,机器人在绿茵场上作出自己的决定,开展着属于人工智能界的拼杀。

    “其实不需要对足球有多少理解。足球比赛只是一个载体,主要是根据比赛规则编制相关程序、策略,关键在策略和程序的实现上,”两次带领“水队”夺冠的前任队长黄斌告诉中国青年报记者。

    但这场机器人足球界的体育盛宴,竞争激烈丝毫不亚于人类的那场大赛。荷兰埃因霍温理工大学队是去年的冠军,实力非凡;而当年的亚军伊朗队,队员们都来自该国的国家重点实验室,硬件上甚至比荷兰队更先进。许多外国的强队都有不菲的商业赞助,有的球队尝试新的、能360度绕一圈观察周围景物的摄像头;日本队则一直在研发斜向射门的新功能。

    对足球的喜欢,和对这机器人足球的喜欢,那完全是不搭边的两……回……事!

    相比之下,“水队”寒酸得多。4年来,球员一直是这5个球员,它们身上的零部件都开始老化了。赛前连田野他们都没预料到,这样一支貌不惊人的队伍这么顺利成为全世界首支三次夺冠的球队。

    这归功于强大的“教练团队”。根据带队老师王雪雁的说法,“水队”会观察着对手来编写程序,抑制他们的长处。

    比如,荷兰队的传接球非常好,每当它们的队员带球后,“水队”就会有两个队员去防守,黏住对方,阻断它们传球的球路。荷兰队还擅长二次传接球,这回的决赛中,每每对方传球后,“水队”一准有一个机器人站到对面球员面前,拦截它回传的球。

    就这样,强大的卫冕冠军被这帮中国的大二学生与他们的机器人们“压得死死的”;决赛上半场,荷兰队以1∶1追平,下半场结束时则是2∶2,最后进入加时赛,还是“水队”率先进了球。

    很难想象,当初北京信息科技大学刚刚冒出“参加机器人世界杯”比赛这念头的时候,目标定得比国足第一次出征世界杯时还要低:所有比赛能踢进一个球就成!

    那是2007年。现在在实验室里球场边默不作声的这一个个小机器人,每个的造价都相当于一台中等的小轿车。“水队”第一代机器人就在一种经济极度困窘的情况下诞生:它们的全景镜,是用东风卡车的车灯做的;电机则来自南三环的一个二手市场。它们的身前没有吸球装置,只有“两根推着球往前走的棍子”。

    “那时候咱们的机器只能笔直地往前走,稍微有些偏差,球很有可能就跑了。”王雪雁回忆说。

    在世界杯的赛场上,“水队”的成绩起初并不引人瞩目。黄斌还记得,2009年,这支队伍的名次是第7名,那年参赛的总共也不过十三四支球队。但第二年,黄斌带着第一批改进后的新机器抵达新加坡,在当年的Robocup比赛中一举夺冠。

    “我们好像是跟别的球队不一样,比赛过程中,我们一直都在不断不断地改善策略。”

    黄斌至今记忆犹新,埃因霍温理工大学队那时是第三次屈居亚军,比赛过后,一些队员甚至都哭了;而一不当心夺冠了的中国队员,团团转地满场寻找一面颁奖时用的中国国旗。

    在今年6月30日的决赛前夜,“教练员”给队员们进行了一番特殊的训练:把机器人的最大电流从15安改到了20安,这意味着它们有了更敏捷的反应和更迅猛的速度,但也有了更大的风险。

    “反正我们是豁出去,跟他们拼了。”田野说。

    为了应对那位霸气的守门员,“水队”的进球角度被设计得分外刁钻:往球门框的两个角上射门。这样,守门员再伸展,也很难拦住球。凭借这种策略,它们往从未失球的荷兰队球门中灌进了三个球。

    只不过,战胜了欧洲极客的中国“技术宅”们,还不太适应外界因为足球而冒出来的热情。

    在这次夺冠凯旋之前,兴趣小组的成员还从没被人问过那么多回“你们喜不喜欢足球”。被大家选出来“也许是对足球最感兴趣”的朱棣,一听到这个话题就急:“对足球的喜欢,和对这机器人足球的喜欢,那完全是不搭边的两……回……事!”

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