大家都知道，踢足球是一項(xiàng)快速運(yùn)動，運(yùn)動員必須能夠在快速移動中控球，并準(zhǔn)確進(jìn)行轉(zhuǎn)球，射門等一系列動作。這些動作對于人類來說并不困難，只要稍加訓(xùn)練，也能掌握基本的技能。然而，機(jī)器人踢足球并不是一個簡單的事情，如果足球機(jī)器人能夠在運(yùn)動中不輕易摔倒，而且能夠準(zhǔn)確地踢到球，而不是踢到自己的隊(duì)友，就已經(jīng)是非常大的進(jìn)步了。

既然這樣，為什么要讓機(jī)器人來踢足球呢？當(dāng)然不是為了觀賞。足球這項(xiàng)運(yùn)動是相當(dāng)復(fù)雜的，研發(fā)機(jī)器人足球運(yùn)動員需要一次性解決幾乎所有的經(jīng)典人工智能問題，這才是科學(xué)家們對此孜孜以求的意義所在。足球運(yùn)動中，機(jī)器人需要在動態(tài)的環(huán)境中找到自己的位置，正確地執(zhí)行程序設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)安排。目前，在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域，開發(fā)者面臨的最大挑戰(zhàn)就是運(yùn)動的靈活性，因此足球比賽就成為了機(jī)器人研發(fā)者的最佳練兵場和交流會。

定位：通過攝像頭和無線電了解世界

每一名教練員都需要確保自己球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)細(xì)節(jié)不被泄露出去。在機(jī)器人足球世界杯中，這一點(diǎn)顯得尤為重要，因?yàn)樗械年?duì)伍都在為爭奪技術(shù)進(jìn)步的桂冠而努力。機(jī)器人世界杯分為不同的比賽組，包括小型機(jī)器人、中型機(jī)器人、遙控機(jī)器人等。其中，在標(biāo)準(zhǔn)平臺組中，參賽隊(duì)伍需要使用統(tǒng)一的機(jī)器人進(jìn)行比賽，大家比拼的是軟件開發(fā)水平。由法國Aldebaran Robotics公司研制的人工智能機(jī)器人NAO已經(jīng)連續(xù)幾年被選為標(biāo)準(zhǔn)平臺組的專用機(jī)器人，NAO機(jī)器人的運(yùn)作完全是程序自動控制的，不能通過遙控控制。但是，這并不意味著標(biāo)準(zhǔn)平臺組的比賽會比較簡單，恰恰相反，最困難的事情就是機(jī)器人之間的團(tuán)隊(duì)合作。只有整個系統(tǒng)都正確運(yùn)行的時候，球隊(duì)才有可能贏得比賽。所以，在機(jī)器人世界杯中，最受歡迎和關(guān)注的永遠(yuǎn)是機(jī)器人“球員”幕后聰明的計(jì)算機(jī)科學(xué)家。

機(jī)器人通過彩色攝像機(jī)掃描周圍的環(huán)境，形成機(jī)器人世界模型（世界模型中保存球場上所有物體的絕對位置、速度等信息）的一部分。但是，基于色彩的分析比較容易出錯，如果突然換為不同色彩的足球（或者當(dāng)球處在不同光線下時），機(jī)器人就“看”不見足球了。相比而言，人類則不會犯這樣的錯誤，因?yàn)槿祟惪偸菚鶕?jù)情境判斷足球及其位置，并不完全通過色彩來判斷。正是因?yàn)檫@樣，人類才能做到通過走路的動作，甚至背影來識別鏡頭中的著名足球運(yùn)動員是誰。

人工智能機(jī)器人NAO通過無線電與隊(duì)友“交流”，使每個機(jī)器人都可以獲得精確的最新畫面，從而獲得最適宜當(dāng)前情境的動作指令。通過這種方式，機(jī)器人就能協(xié)作起來，一個機(jī)器人踢球時，其他機(jī)器人根據(jù)球踢出的方向進(jìn)行反應(yīng)。但是對于應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)球還是將球傳給隊(duì)友的問題，人類大腦會快速分析出當(dāng)前環(huán)境下的最佳選擇，機(jī)器人則必須根據(jù)設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)指令執(zhí)行動作。例如，當(dāng)NAO機(jī)器人在運(yùn)動中被對手阻擋時，它會愣住大約一秒鐘的時間，理解此時的情景。接下來，它會護(hù)住球，然后將球傳出去。這個動作最多需要耗時20s的時間，這在人類運(yùn)動員看來是不可思議的。然而，人工智能機(jī)器人目前還無法做到快速反應(yīng)。這是因?yàn)閳?zhí)行一個戰(zhàn)術(shù)之前，機(jī)器人必須首先掃描其數(shù)據(jù)庫獲取相應(yīng)的動作。另外，正如Mellmann教授所言，計(jì)算機(jī)的性能對于機(jī)器人的反應(yīng)速度也有影響，NAO機(jī)器人配備的攝像頭每秒只能拍攝30幀的畫面，CPU的頻率只有500MHz。

NAO機(jī)器人需要依賴開發(fā)者為其編寫的機(jī)器人世界模型做出動作，而戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)用更是需要依據(jù)實(shí)時情境來判斷，所以對于世界模型的程序編寫要求非常高。在機(jī)器人可以執(zhí)行的動作中，有些是被永久編程的，比如NAO機(jī)器人在踢球的時候應(yīng)該站在球的后面。但是，在另外一些情況下，如遭遇對手?jǐn)r截時，不要繼續(xù)帶球向前，而應(yīng)該將球傳給處在空位上的隊(duì)友，則需要機(jī)器人動態(tài)做出反應(yīng)。在簡單的環(huán)境中，執(zhí)行設(shè)定好的戰(zhàn)術(shù)算不上困難，但是足球比賽是眾所周知的高速運(yùn)動，運(yùn)動員需要在場上快速移動，足球也經(jīng)常從球場的一端快速轉(zhuǎn)移到另一端。所以當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動員剛要做出踢球動作的時候，“踢球”的指令可能已經(jīng)過時了。然而，NAO機(jī)器人反應(yīng)慢并非總是弱勢，既然機(jī)器人的意識是有限的，它就必須更多地依賴慣性。否則，機(jī)器人就會只顧著不斷執(zhí)行新的動作指令（一旦球消失在視野中，就會迅速開始搜索球的位置）而不是去追逐真正的目標(biāo)——將球踢進(jìn)對方球門。

動作反應(yīng)：依照戰(zhàn)術(shù)移動而不摔倒

反應(yīng)速度不是NAO機(jī)器人面臨的唯一問題，另一個重要的問題是它不像人類一樣擁有天生的平衡感。對于人類而言，在快速奔跑時保持平衡，而不摔倒并不是什么大問題。但是對于人形機(jī)器人而言，即使是慢速的步行也是個不小的挑戰(zhàn)。因此，NAO機(jī)器人只能邁小步子來避免摔倒，它每秒鐘最多可以前進(jìn)28cm。另外，NAO機(jī)器人在跑步時無法做出踢球的動作，所以在運(yùn)動中射門也是個難題。NAO機(jī)器人的研發(fā)者已經(jīng)表示“這是我們面臨的下一個重大的挑戰(zhàn)，在伊斯坦布爾的機(jī)器人世界杯上我們將會進(jìn)行新的嘗試”。

為了保持平衡，機(jī)器人必須在一系列傳感器的幫助下，計(jì)算身體重心的位置，然后通過測量關(guān)節(jié)的角度和運(yùn)動的速度來改變身體的動作以維持平衡。其中，零力矩點(diǎn)法（Zero Moment Point，ZMP）是仿真機(jī)器人在運(yùn)動時保持動態(tài)平衡最重要的控制方法。然而，遇到諸如爭搶足球時突然受到阻擋這樣的不可預(yù)見的事件時，NAO機(jī)器人仍然會失去平衡，翻個底朝天。

結(jié)論

機(jī)器人足球世界杯的組織者為該活動設(shè)定的目標(biāo)是“到2050年，建立一支全自主的類人型機(jī)器人足球隊(duì)，戰(zhàn)勝人類的足球世界杯冠軍隊(duì)”。德國人工智能研究中心的Thomas Rofer教授認(rèn)為不排除實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的可能性，“雖然目前機(jī)器人還不能像人類一樣自如地運(yùn)動，但是過去15年間機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了重大的技術(shù)突破。現(xiàn)在距離2050年還有39年的時間，沒有什么不可能！”他甚至開玩笑說，“我無法想象到時候有人會把賭注押到人類身上”。

現(xiàn)在，機(jī)器人還在“進(jìn)化”的最初階段，但是它們已經(jīng)有兩項(xiàng)人類不可比擬的優(yōu)勢：“肌肉”永遠(yuǎn)不會酸痛、易磨損的“身體器官”可以輕松地更換。