英伟达 Jim Fan：具身智能的难点不是硬件，而是「Foundation Agent」

2024-06-04 05:06

基础智能体将实现具身性、现实交互和技能掌握的「三位一体」。

作者丨赖文昕马蕊蕾

编辑丨陈彩娴

大模型浪潮一起，被视为是大模型最佳载体的机器人，热度也随之飙升，「具身智能」这个在1950年由艾伦·图灵提出的概念，时隔75年再次成为了 AI 界的宠儿。

2024年才过去不到半年，AI 圈就迎来了 Sora、Claude 3、Devin、GPT-4o 等数颗重磅炸弹，文生视频、AI Agent（智能体）、多模态等多个方向都有了显著的进展。但显然，与屡爆惊喜的模型、应用不同，更「硬」的「具身智能」在产业界掀起商业化与资本狂潮的同时，也面临着需要冷静的现实：大模型并未在行业中得到广泛应用。

那么，代表「大脑」的大模型如何能让机器人真的拥有「智能」？通往 AGI 的路何时能从数字世界逐步扩展到物理世界？

在 5 月 29 日于旧金山召开的一场 GenAI 峰会上，英伟达高级研究科学家、具身智能负责人 Jim Fan 对这些问题展开了深刻的思考。

Jim Fan 在斯坦福大学视觉实验室获得了博士学位，师从李飞飞教授。他的研究领域十分广泛，包括了多模态基础模型、强化学习以及计算机视觉，曾实习于谷歌云AI、OpenAI、百度硅谷人工智能实验室等知名组织。

作为本次 GenAI 峰会主论坛第一位主题分享嘉宾，Jim Fan 分享了对具身智能的见解与对其未来趋势的看法，内容涉及英伟达的最新进展，包括 Mine Dojo、Voyager、MetaMorph 和 Eureka。

以下是 Jim Fan 本次主题演讲的内容，AI科技评论做了不改变原意的编辑：

从Minecraft到AI Agent

Minecraft 游戏及其社区具有丰富的数据，这使其成为一个真正的开放式 AI 游乐场。在这个平台上，我们见证了许多令人印象深刻的成果。例如，Minecraft 拥有4000万活跃玩家，这为 AI 研究提供了庞大的数据基础。

我们的研究系统由三个主要部分组成：一个模拟器、一个数据库和一个智能体（Agent）。为了充分挖掘 Minecraft 在 AI 研究方面的潜力，我们设计了一个模拟器 API。

我们认为最好的学习方法是通过数据来学习，这样可以帮助智能体捕捉到像建造房屋这样的抽象概念。此外，我们收集了一个横跨 Minecraft 三个部分的互联网技能知识库。难以想象，有人在维基上逐页列出了 Minecraft 中所有事物成千上万种的配方。

利用这些资源，我们基于对比学习的理念训练了一个编码器模型，称为 Mine-CLIP 模型。简单来说，Mine-CLIP 模型可以学习视频和描述视频中动作的文本之间的关联。

在 Minecraft 中，智能体在探索过程中会生成视频片段，然后将其编码并发送给 Mine-CLIP 模型来计算分数。关联度越高，分数就越高，这实际上就是一个强化学习算法的奖励函数。

我们的智能体经过学习后，能够在各种任务中展示出色的行为。然而，目前的局限性在于，智能体无法自主发现新事物，我们必须手动决定一个任务提示，然后每次针对不同的提示运行训练。

在 Minecraft 中，我们训练出一个名为 Voyager 的通用型智能体，它可以在没有任何人工干预的情况下连续玩几个小时的游戏。Voyager 能够探索地形，使用各种材料与怪物战斗，制作数百种配方，并解锁不断扩展的技能树。

Voyager 的自我反思机制有三个来源：JavaScript 执行引擎、智能体状态和世界状态。

一旦一项技能成熟，Voyager 就会将程序存储到技能库中。你可以将技能库看作是一个代码库，完全由 Voyager 通过试验和错误编写而成。将来当 Voyager 面临类似情况时，它只需从代码库中检索技能并执行它。

Voyager 有一个高级指令，那就是寻找尽可能多的独特物品。

Voyager 本身会执行一个指令，即不断寻找并解决难度逐渐增加的新奇挑战。

从 Minecraft 地图的鸟瞰图来看，最大的橙色圆圈代表了 Voyager 与许多基线方法相比所走的距离。

因为 Voyager 非常喜欢旅行，所以我们给它起名叫"旅行者"。与基线方法相比，Voyager 能够掌握更多的技能，但它仍然只能学会如何控制一个身体。

机器人是用「词汇」

写成的「句子」

那么，我们能否有一个可以在不同载体上运行的算法呢？

我们创建了一个基础模型 Metamorph，该模型不仅能控制一个机器人，而且能控制数千个具有不同手臂和腿部配置的机器人。

Metamorph 可以丝滑地适应这些机器人的物理结构，所以我们能很直观地用一个「词汇」来描述机器人的身体部位，这样每个机器人本质上就是用这些「词汇」写成的「一句话」。

简单来说，就是把它们转换为 tokens，序列本身作为一个「句子」来描述机器人的形态和运动学特性，就能拥有具有不同数量关节和配置的机器人。

我们用一个巨大的 Transformer 模型来控制这些机器人，它就叫「Metamorph」。但与 ChatGPT 不同，MetaMorph 写出的不是文本，而是「身体」里每个关节上的运动控制。

我们想实现跨形态的通用策略，便把所有「句子」组合在一起，训练一个大型的多任务网络。为了加强训练这些能力，我们教机器人在或平坦或复杂的地形中行走。

在我们的实验中可以看到， Metamorph 可以控制数千种不同的机器人。更有趣的是，如果我们用更复杂的配置来扩展机器人，那么它能够推广到训练期间从未见过的机器人形态。

我设想有一天，Metamorph2.0 将能够泛化到机器手、人形机器人、狗、无人机甚至更多领域。与 Voyager 相比，Metamorph在多体控制方面迈出了一大步。

然后让我们将一切再提升一个层次，即在不同的环境之间转移技能和载体。

Isaac Sim 的最大优势是以比实时快一千倍甚至更快的速度运行物理仿真，让角色在短短的3天内就经历了10年高强度训练，学会令人印象深刻的武术。

光线追踪技术则通过硬件加速，帮助模拟技术跨越了“恐怖谷”效应，实现了更高级别的逼真度，这对于渲染复杂世界和训练计算机视觉模型至关重要。

现在，我们可以通过硬件加速光线追踪技术来渲染非常复杂的世界，照片真实感可以帮助训练计算机视觉模型，而这些模型将成为每个 AI Agent 的眼睛。

像这个五指机器人，Eureka 的第一步是将环境代码和任务描述作为上下文传递给 GPT-4，这里的任务是写自然语言，使笔旋转到目标位置。Eureka 对奖励函数进行采样，通常这是由非常熟悉物理模拟的专家来设计的。

现在，Eureka能够自动执行这一过程。一旦确定了奖励函数，便采用强化学习方法，通过大量的试错迭代来最大化该函数。一次完整的训练运行大约需要20分钟。

完成后，GPT-4 会生成多个奖励函数组件，Eureka 会传递自动反馈，并要求语言模型对结果进行自我反思，这样它就可以提出更好的奖励函数来更好地解决问题，继而循环并重复。

我们发现，Eureka 实际上甚至可以胜过一些有经验的工程师。

从Foundation Agent到具身智能

接下来，我们面临一个关键问题：如何将虚拟世界中的成果转移到现实世界呢？

这就要提到一个名为「域随机化」（domain randomization）的概念。其基本思想在于，如果一个模型在一万个不同的模拟环境中接受训练，并且这些环境中的重力、摩擦力、物体重量和大小都有所不同，那么该模型便很有可能能够适应并泛化到我们的现实世界中。

比如我们模拟一只机器狗在向前奔跑，能够将模拟环境中的这一行为零样本地转移到现实世界中，让一个真实的机器狗，也在进行向前奔跑的动作。同样，模拟中的手旋转立方体的动作也可以直接在现实世界中呈现。

然而，硬件的限制使我们未能在现实世界中复制笔旋转的动作。尽管如此，我们还是成功地实现了机器狗在瑜伽球上行走的场景，这是无法完全模拟的，因为瑜伽球的弹性和可变形特性难以复制。我们通过不断的随机化尝试，最终找到了一个有效的解决方案。

值得注意的是，Eureka 是一个通用的方法，它成功地在高级推理和低级运动控制之间架起了桥梁。

Eureka 采用了一种混合梯度架构的范式，其中一个大型语言模型（LLM）负责编写奖励函数，这代表了高级推理的过程。然后，这个奖励函数通过强化学习来指导另一个较小的神经网络，这就是所谓的双循环设计。

Eureka 通过简单地改变奖励函数，就能将模拟环境的配置应用到真实世界中，实现了从模拟到现实的无缝过渡。

我设想着这样一个未来：Eureka ++ 能够为我设计任务程序，甚至构建起整个模拟环境。想象一下，当我在度假放松时，Eureka ++ 正勤勤恳恳地完成所有的开发工作，自动化整个机器人训练流程。而我度假归来，惊喜地发现机器人已经被训练得得心应手。

这个设想的核心是一种通用算法，它能够进行简单的编码。随着我们在技术上的不断探索，我们终将实现一个能够泛化到所有三个维度上的单一模型，我将这个模型称为「Foundation Agent」（基础智能体）。

我相信，训练这样的基础智能体将与训练 ChatGPT 非常相似，所有的语言任务都可以通过语言来表达，比如输入和输出，ChatGPT 只需在大量的文本数据上进行扩展训练。

基础智能体的工作方式也与之类似。它接受一个体现规范和语言指令，然后输出相应的动作。我们只需在广泛的现实场景中进行大规模扩展。

世界上所有的工具、设备、建筑，包括房屋和餐馆，都是为了适应人类而设计的。原则上，只要有足够先进的仿人硬件，它就能完成任何未经训练的人类能够做到的事情。因此，我们的目标是开发出最通用的硬件。现在正是追求这一目标的最佳时机，因为我们观察到，随着时间的推移，仿人机器人的制造成本正在指数级下降。

就在两周前，宇树公司（Unitree）宣布他们的 G1 机器人的售价仅为3万美元（9.9万人民币）。而傅利叶智能（Fourier Intelligence）公司的 GR-1 机器人能够通过原始视频模仿人类跳舞，并且保持平衡。当然，在英伟达转型为 AI 公司之前，它是一家图形公司，所以模拟技术实际上是我们的强项。

在 Isaac Lab 中，我们进行大规模的并行模拟，三天的时间相当于十年的训练。我们希望在模拟中获得的技能能够转移到现实世界的应用中。

是什么让一只猫成为猫？这是一个深刻的问题。目前，我们还没有机器人能在敏捷性上与猫相媲美。猫作为具身智能体，拥有卓越的感官运动循环，反应迅速，甚至超过了人类。

我们能否有一天制造出像猫一样灵活，甚至更胜一筹的机器人？这是一个值得深思的问题。

随着成本的降低和技术的进步，我相信这一天终将到来。仿人机器人的成本肯定会下降，将趋向于原材料的成本。因此，硬件并不会成为限制因素。硬件目前还不够完善，但它会迅速改进，并且改进的速度正在加快。