（來源：MIT News）

擴(kuò)散模型（如 OpenAI 的 DALL-E）正日益成為設(shè)計(jì)構(gòu)思的得力助手。人類只需輸入指令，這些系統(tǒng)就能生成圖像、制作視頻或優(yōu)化設(shè)計(jì)圖紙，帶來意想不到的創(chuàng)新方案。

但你是否知道，生成式人工智能（GenAI）在機(jī)器人制造領(lǐng)域也取得了突破性進(jìn)展？最新基于擴(kuò)散模型的技術(shù)已能從頭構(gòu)建機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)。無論是否接收用戶指令，這些模型都能自主生成新設(shè)計(jì)，并在仿真環(huán)境中完成評(píng)估后投入制造。

近日，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）發(fā)布了兩個(gè)新機(jī)器人項(xiàng)目成果，這兩個(gè)項(xiàng)目利用人工智能來改進(jìn)和加速機(jī)器人設(shè)計(jì)。成果已在 2025 年國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)上發(fā)表。

用戶只需提供機(jī)器人 3D 模型草稿并標(biāo)注需要改進(jìn)的部件尺寸，GenAI 便會(huì)自動(dòng)生成這些部位的最優(yōu)形態(tài)，并通過仿真測(cè)試方案。當(dāng)系統(tǒng)確定最佳設(shè)計(jì)后，可直接保存文件并用 3D 打印機(jī)一次成型制造出功能完備的機(jī)器人，無需后期調(diào)整。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這項(xiàng)研究可以幫助大幅減少工程師在機(jī)器人開發(fā)中面臨的典型反復(fù)試驗(yàn)過程，使設(shè)計(jì)更快地進(jìn)入原型階段。

優(yōu)化機(jī)器人彈跳及足部設(shè)計(jì)

這項(xiàng)技術(shù)最引人注目的應(yīng)用案例是微型彈跳機(jī)器人的研發(fā)。麻省理工學(xué)院的研究人員對(duì)比了兩個(gè)版本：完全由人工設(shè)計(jì)的原型機(jī)與經(jīng)擴(kuò)散模型優(yōu)化的改進(jìn)版。盡管兩者采用相同塑料材質(zhì)（PLA）和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過 AI 優(yōu)化的版本彈跳高度提升了 41%——達(dá)到約 2 英尺（約 61 厘米）。

性能提升的奧秘在于：AI 建議將原本筆直的塊狀關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改為曲線設(shè)計(jì)。這種精妙的形態(tài)調(diào)整使機(jī)器人能更高效地儲(chǔ)存和釋放能量，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

研發(fā)過程中，AI 以初始設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，經(jīng)過 5 輪迭代生成 500 種形態(tài)變體，最終確定了一個(gè)外形奇特但彈跳效率顯著提升的優(yōu)化方案。該設(shè)計(jì)經(jīng)等比縮放后通過 3D 打印制成實(shí)體進(jìn)行實(shí)測(cè)。實(shí)物測(cè)試證實(shí)，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)確實(shí)顯著提升了機(jī)器人的彈跳性能。

項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人、CSAIL 博士后 Byungchul Kim 指出，擴(kuò)散模型的優(yōu)勢(shì)在于能發(fā)現(xiàn)突破常規(guī)的優(yōu)化方案：“我們?cè)?jì)劃通過極致減薄連接部件來減輕重量以提升彈跳高度。但傳統(tǒng) 3D 打印材料的力學(xué)特性會(huì)導(dǎo)致過薄結(jié)構(gòu)易損。擴(kuò)散模型卻提出了創(chuàng)新方案——通過特殊形態(tài)設(shè)計(jì)使機(jī)器人在起跳前儲(chǔ)存更多能量，同時(shí)避免連接件過度纖薄。這種創(chuàng)造性方案讓我們對(duì)機(jī)器物理原理有了新認(rèn)知。”

彈跳僅是基礎(chǔ)能力，安全著陸同樣關(guān)鍵。研究團(tuán)隊(duì)再次啟用生成式 AI 設(shè)計(jì)機(jī)器人足部，經(jīng)過多輪模擬測(cè)試后選定最優(yōu)方案。結(jié)果顯示：改進(jìn)版機(jī)器人跌落概率比標(biāo)準(zhǔn)版降低 84%。這種在垂直彈跳與平衡性上的雙重提升，印證了生成式 AI 可同步優(yōu)化機(jī)器人性能與可靠性。

該突破不僅適用于彈跳機(jī)器人，對(duì)所有需要敏捷性與精確性的機(jī)器人系統(tǒng)都具有重要價(jià)值。例如制造業(yè)或家用機(jī)器人公司可采用類似技術(shù)優(yōu)化原型設(shè)計(jì)，大幅節(jié)省工程師傳統(tǒng)迭代修改所需的時(shí)間成本

彈跳背后的平衡藝術(shù)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高彈跳與穩(wěn)著陸雙重目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地在兩項(xiàng)性能指標(biāo)間建立了精妙平衡。他們將跳躍高度與著陸成功率量化為數(shù)值參數(shù)，通過系統(tǒng)訓(xùn)練找到兩個(gè)嵌入向量之間的最佳平衡點(diǎn)，從而構(gòu)建出最優(yōu)三維結(jié)構(gòu)。

研究人員指出，雖然當(dāng)前 AI 設(shè)計(jì)的機(jī)器人已超越人工版本，但其性能仍有巨大提升空間。本次迭代受限于 3D 打印材料的特性，若采用更輕量化材料，未來版本將實(shí)現(xiàn)更高彈跳高度。

項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)人、MIT CSAIL 博士生 Johnson Wang 表示：“這項(xiàng)研究是生成式 AI 輔助機(jī)器人設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。我們計(jì)劃拓展更靈活的設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如直接用自然語言指令讓擴(kuò)散模型生成能抓取咖啡杯或操作電鉆的機(jī)器人。”

Kim 補(bǔ)充道，擴(kuò)散模型還能優(yōu)化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)并創(chuàng)新連接方式，有望進(jìn)一步提升彈跳性能。團(tuán)隊(duì)正在探索增加電機(jī)數(shù)量以控制彈跳方向，從而增強(qiáng)著陸穩(wěn)定性。

水下滑翔機(jī)器人研發(fā)中，研究團(tuán)隊(duì)與威斯康星大學(xué)麥迪遜分校展開合作，通過測(cè)試多種流體力學(xué)外形，最終開發(fā)出用于環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集的機(jī)器人。

團(tuán)隊(duì)向 AI 模型輸入了 20 余種“海洋探索形態(tài)”——包括潛艇、鯨類、蝠鲼和鯊魚等生物外形。該系統(tǒng)最終生成兩種滑翔器設(shè)計(jì)方案：雙翼式（類似飛機(jī)造型）與四翼式（仿照四鰭平尾魚的流體結(jié)構(gòu)）。這種方法創(chuàng)造出了非常規(guī)但更高效的滑翔模型。

當(dāng)前采用標(biāo)準(zhǔn) 3D 打印塑料材料，研究人員相信，未來使用更輕更強(qiáng)的材料可進(jìn)一步提升性能。通過生成式 AI 與仿真技術(shù)的融合，機(jī)器人不僅更智能，更使整個(gè)建造過程變得更快速、更直觀、更高效。從工廠車間到未來家居，這項(xiàng)突破或?qū)⒊蔀闄C(jī)器人設(shè)計(jì)與制造的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

https://news.mit.edu/2025/using-generative-ai-help-robots-jump-higher-land-safely-0627