聲音里包含了豐富的信息，例如，聽(tīng)到“吱呀”的聲音就知道門(mén)開(kāi)了，聽(tīng)到“沙沙”的樹(shù)葉聲就知道起風(fēng)了。依靠聽(tīng)覺(jué)，人類可以更好地感知世界。但對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，目前它們只能基于視覺(jué)和少量的觸覺(jué)進(jìn)行操作。為了讓機(jī)器人未來(lái)具備更好的感知力，科學(xué)家們正在研究如何賦予機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)。
近日，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）機(jī)器人研究所的研究人員對(duì)聲音和機(jī)器人動(dòng)作之間的相互作用進(jìn)行了大規(guī)模的研究，發(fā)現(xiàn)聲音可以幫助機(jī)器人區(qū)分物體，識(shí)別率能達(dá)到79.2%，還能識(shí)別使物體發(fā)出聲音的動(dòng)作，以及預(yù)測(cè)物體的物理屬性。相關(guān)研究發(fā)表在《機(jī)器人技術(shù)：科學(xué)與系統(tǒng)》雜志上。
在此之前，沒(méi)有任何算法，也沒(méi)有數(shù)據(jù)集可以幫助機(jī)器人建立對(duì)物體的理解，形成機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)。主要原因在于聲音的產(chǎn)生受到許多因素的相互影響。例如，機(jī)器人撞擊物體時(shí)發(fā)出的聲音取決于撞擊的力度、物體的結(jié)構(gòu)、麥克風(fēng)的位置等等。這使得從聲音中提取對(duì)機(jī)器人有用的信息變得十分困難。
項(xiàng)目的研究人員之一萊雷爾·平托（Lerrel Pinto）說(shuō)：“在其他領(lǐng)域的許多初步工作表明，聲音可能有用，但尚不清楚它在機(jī)器人技術(shù)中有多有用。”
為了回答這一問(wèn)題，研究人員首先創(chuàng)建了一個(gè)“傾斜機(jī)器人”（Tilt-Bot）。這個(gè)“傾斜機(jī)器人”由一個(gè)方形托盤(pán)、一個(gè)機(jī)械臂和固定裝置組成。托盤(pán)的四周有擋板，擋板上貼著聲波捕捉裝置，托盤(pán)上方安裝有一個(gè)攝像頭。
研究人員將60種常見(jiàn)物體（例如蘋(píng)果、鞋子和網(wǎng)球）分別放置在托盤(pán)上，隨著機(jī)械臂向隨機(jī)方向傾斜，物體會(huì)撞擊擋板并發(fā)出聲音。通過(guò)“傾斜機(jī)器人”，研究人員收集了60種物體的15000組交互記錄，每組交互記錄都包含聲音、動(dòng)作和視覺(jué)數(shù)據(jù)。
用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)集的Tilt-Bot（中），可用于收集視覺(jué)（左）、聲音（右下）和動(dòng)作（右上）數(shù)據(jù)利用Tilt-Bot收集的數(shù)據(jù)，研究人員得出了關(guān)于聲音和機(jī)器人動(dòng)作之間相互作用的三個(gè)發(fā)現(xiàn)。
首先，聲音可以幫助機(jī)器人區(qū)分物體。通過(guò)建立學(xué)習(xí)模型，機(jī)器人可以通過(guò)聲音區(qū)分60種不同的物體，而且識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到79.2%。
第二，聲音還可以幫助機(jī)器人用于識(shí)別使物體發(fā)出聲音的動(dòng)作類型。通過(guò)建立模型，機(jī)器人只要一聽(tīng)到某一物體的聲音，就能預(yù)測(cè)出使這個(gè)物體發(fā)出聲音的動(dòng)作，而且產(chǎn)生的誤差比只用視覺(jué)信息進(jìn)行識(shí)別的機(jī)器人低42%。
第三，僅通過(guò)一個(gè)物體發(fā)出的聲音，機(jī)器人就能判斷出這個(gè)物體的物理屬性，而且產(chǎn)生的誤差比僅用視覺(jué)進(jìn)行判斷產(chǎn)生的誤差低了24%。也就是說(shuō)，聽(tīng)覺(jué)比視覺(jué)更能捕捉物體的物理性質(zhì)。
平托認(rèn)為，機(jī)器人能利用聲音提取信息并不奇怪，他說(shuō)：“真正令人興奮的是，我們預(yù)期它會(huì)失敗時(shí)，它真的就失敗了?！崩?，機(jī)器人無(wú)法通過(guò)聲音分辨紅色和綠色之間的差異?！暗?，如果是不同的物體，例如一個(gè)磚塊和一個(gè)杯子，它可能會(huì)弄清楚。”
研究人員聲稱，這是關(guān)于聲音和動(dòng)作之間相互作用的首次大規(guī)模研究。他們將把Tilt-Bot數(shù)據(jù)集公開(kāi)，為將來(lái)在機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)領(lǐng)域的研究提供幫助，擴(kuò)展聲音在機(jī)器人中的使用范圍。
平托補(bǔ)充說(shuō)，我們的研究結(jié)果是如此令人鼓舞，以至于未來(lái)機(jī)器人將可能配備一根帶工具的拐杖，只要用拐杖輕輕敲擊，機(jī)器人就能識(shí)別出想要識(shí)別的物體。
