用互联网视频教机器人:诱惑与极限
互联网上躺着数十亿小时的人类活动视频。网络视频真正能教给机器人什么,它撞上的那堵墙在哪里,以及仍必须刻意采集的那味成分。
每一分钟,互联网都会新增成千上万小时的视频,而这还只是对其中一小片的估计。此刻,视频堆里的某个角落,有人正拍下自己切洋葱、换轮胎、叠床单,或是拿一块抹布拧开一个卡死的罐盖。数十亿小时的视频早已躺在那里:一份关于人手的连续记录,几乎涵盖了家用机器人将来会被要求做的每一件事。对任何想训练机器人的人来说,这看上去就是头奖,是操作任务从来不曾拥有过的、文本级别的语料库。
对这份语料的向往,本质上是一个与语言的类比。大语言模型之所以变强,是因为人类早已把互联网写好了,而每一个网页,都是某人出于完全别的目的生产出来的免费训练样本。机器人操作从一出生就没有这份遗产:没人会在做饭时给自己的厨房装满仪器。网络视频看上去是任何人所能找到的最接近的替代品。于是逻辑变成:在这一整团翻涌的素材上做预训练,一个策略就仿佛看过了一辈子人类如何摆弄物理世界,然后带着这份底子走进门来。
它一半有效,而这一半很关键。网络视频是机器人领域最丰富的先验之一,如今每一个认真的人形机器人团队都倚重它。但头奖的正中间横着一堵墙,而它不是一堵关于数量的墙。一段手在做任务的视频,恰恰缺了机器人最需要模仿的那一样:手到底做了什么。本文要讲的,是互联网免费给了机器人什么,以及无论怎么抓取都永远装不进去的那味成分。
免费的午餐是真的
先说好消息,因为它分量很足。一个在互联网视频上预训练过的模型,学到的东西是别的途径很难得到的。
视觉与物体先验。看过足够多的画面之后,网络就知道抽屉、瓶盖、拉链、打蛋器长什么样,从各个角度、在各种光线下都认得。在机器人见到这些物体之前,它心里已经有了一幅关于它们的图。
语义与活动先验。互联网把「倒」「叠」「擦」这些动作给模型看过成千上万遍,连同这些步骤的先后次序,以及一件任务做完时是什么样子。这是一张人类活动的地图,靠实验室里几百条示范是画不出来的。
粗粒度的动力学。水会往下落,掉下的球会弹,软袋子会瘫软,硬盒子不会。在海量尺度上被看过之后,这些规律就变成了一种带物理形状的先验,而这正是如今该领域核心的世界模型赖以搭建的原料。NVIDIA 的 GEAR Lab 就依靠人类和互联网视频、外加合成轨迹,在其 Isaac GR00T 体系里给人形机器人技能打底,正是为了在花掉任何一条机器人示范之前,先把这些先验存进银行。
人类可供性。人们实际上如何握住马克杯的把手、如何把箱子抵在胯上、如何用副手稳住砧板。这些习惯在网络视频里密密麻麻,在别处却稀稀落落。
那堵墙:互联网展示的是结果,不是动作
再说欠缺,而它是结构性的,不是多给点小时数就能补上的。网络视频是观测性的。它记录了场景看上去是什么样,却从不记录人命令自己的身体去做了什么。有四样东西缺席,而机器人四样都需要。
动作标签没了。控制器靠向一个目标回归来学习:给定这个观测,输出那个动作。网络视频把观测递给你,却把目标扣下。关节轨迹、手指的合拢、与控制回路绑定的时序,一样都没被记下,因为相机对着的是结果,而没有接在执行者身上。
力与本体感觉没了。那让玻璃杯没滑掉的 3 牛顿握力、灌满水的水壶的重量、接触开始的那一刻、指尖传回的触觉,对一枚镜头来说全都不可见。你无法从像素里推断出像素从未编码进去的量。
手本身也只是一个猜测。你可以从视频里估计手的位姿,但那是估计:有噪声、尺度不定,而且恰恰在最要紧的地方被遮住,也就是手指裹住物体的最后几厘米。
然后是互联网特有的、区别于刻意采集的人类视频的那个问题。视角是错的,而且不稳定。大多数网络素材是第三人称,由旁人或三脚架拍下,再经过剪辑、切镜、变焦和调色,相机的位置和内参你都拿不到,还会因为与任务毫不相干的原因在镜头之间跳来跳去。而机器人是通过装在自己头部和手腕上的相机来感知世界的。互联网几乎从不展示那个视角。于是就连像素也来自错误的位置,按一位剪辑师、而非按那件活儿定下的节奏在动。
互联网记录的是一件任务从房间对面看上去是什么样。机器人要重现的,是双手在这件活儿内部做了什么。这两者不是同一段素材,而它们之间的鸿沟,就是全部的问题所在。
语料给了什么,又扣下了什么
| 网络视频免费提供的先验 | 网络视频无法包含的 | 刻意采集必须补上的 |
|---|---|---|
| 物体与场景的外观 | 引发运动的那个动作 | 落在机器人空间里、逐帧对齐的动作标签 |
| 活动的语义与步骤次序 | 接触的力与力矩 | 指尖的力与力矩 |
| 粗粒度的物体与流体动力学 | 本体感觉与关节状态 | 同步的本体感觉 |
| 人类的握法与可供性 | 稳定且与机器人相关的视角 | 头部与腕部的第一人称视角 |
| 任务与语言的落地 | 真值手部与手指位姿 | 测得的手部与手指位姿 |
把这三列读成一句话:互联网白送左边一列,永远给不出中间一列,而右边一列,是必须有人刻意去付的那张账单。
所有人都收拢到的那套打法
面对这道裂缝,整个领域以惊人的速度落定到一套配方上:先宽泛预训练,再窄域对齐。先把网络视频这片海洋吸收进来,取得视觉、语义与动力学先验,再在一小批精确采集的示范上微调,让它带上视频给不了的动作、力和视角。网络这一半几乎免费,而且每个季度都在变便宜。对齐那一半稀缺、昂贵,且起决定作用。
最强的那些系统跑的都是它的某个版本。GR00T 先在人类视频与合成运动上打底,再用真实机器人数据落地。Physical Intelligence 在一个宽泛的基座上训练跨具身策略,再用有针对性的示范把它对齐到具体硬件。Google DeepMind 把一个用视频训练出的先验叠进 Gemini Robotics,再为控制做微调。网络语料对它们都是同一种大路货;真正拉开差距的,是各自能拿出的那一小批对齐数据的质量。
为什么那一小批才决定一切
这里有反直觉的一点。稀缺的、真正承重的那味成分,不是网络视频。那东西海量、廉价,任何有网络连接的人都共享。稀缺的是对齐用的示范:多模态、第一人称、带动作标签、带力标注、按协议记录下来。这类数据抓取不到,也不会从互联网里自己掉出来,因为几乎没有人是戴着那套装备去做那件事的。
而且拉高天花板的,是对齐这一批,不是网络预训练。再多一万小时环境视频,只把先验往前推一点点。一批更干净、更丰富、真正采到了力和第一人称视角的对齐数据,却能把策略往前推一大截。刻意采集的语料库正因如此而存在,也正因如此而规模不大:Ego4D 汇集了数千小时的第一人称人类活动,佩戴仪器、刻意记录,而即便如此,它主要也是为感知、而非为驱动一只夹爪而建。控制器真正想要的那份记录,比它还要稀罕。
互联网仍将是机器人有过的最便宜的老师,它也会越来越擅长告诉一台机器:世界看上去是什么样,又倾向于如何运动。可它永远做不到的,是告诉机器人它自己的双手本该做什么,因为那从来就不在画面里。那段素材必须被制造出来,刻意地,一个采集到的任务接着一个。头奖从一开始就只是半个头奖,而值钱的那一半,是仍在等着被记录下来的那一半。