從模仿到自主，機器人還需跨越三重挑戰｜專訪NTU助理教授王子為

在新加坡南洋理工大學的一間實驗室里，一只機械臂正在嘗試完成一個看似簡單的任務：抓取一個蘋果。這個動作，對于三歲的孩童來說不過是本能，但對于當今最先進的機器人而言，卻是一道難以跨越的鴻溝。

在這個人工智能的“GPT 時刻”，我們見證了 AI 以快速迭代的方式掌握了語言、圖像甚至代碼。大型語言模型已經能在許多信息處理任務中展現出高效表現。然而，從知到行之間，橫亙著一道我們尚未完全理解的鴻溝：一個能在虛擬世界通過美國執業醫師資格考試的 AI，卻無法在物理世界為我們可靠地端來一杯水。

這不僅是一個工程問題，更接近一個哲學命題：如果一個智能體無法與物理世界交互、感知、行動并承受后果，它是否真正理解了這個世界？在中國古典哲學中，“知行合一”被視為智慧的最高境界。而在今天的人工智能研究中，如何讓機器實現從“知”到“行”的跨越，正成為這個領域最前沿、也最艱難的挑戰。

王子為的研究經歷，正是在這一問題背景下展開的。從清華大學的物理系，到 AI 研究，再到具身智能（Embodied AI）——他的每一次轉向，都與技術發展趨勢密切相關。

（來源：受訪者提供）

兩次“轉向”：從物理定律到機器人鐵律

2016 年，當 AlphaGo 與李世石的圍棋對決吸引全球目光時，王子為還是清華大學物理系數理基礎科學專業的一名學生。在當時的學術路徑規劃中，物理系的學生，未來大多走向理論物理、高能物理或是金融工程。但這場人機大戰，徹底改變了這個 20 歲年輕人的人生方向。

“當時覺得這個東西非常神奇，有非常大的潛力。”回憶起那個轉折點，王子為的語氣依然帶著當年的激動。這種激動促使他做出了一個大膽的決定——從物理學轉向人工智能研究。“我們當年有很大一部分同學都轉向了 AI 相關的工作，不管是計算機、電子還是自動化，多多少少都受了 AlphaGo 的影響。”

但真正讓他從 AI 轉向機器人研究的，是 2020 年另一項發表在Nature的里程碑式工作——“Robot Chemist”。來自英國利物浦大學的 Andrew I. Cooper 教授課題組開發了機器人化學家，其可以在實驗室“走來走去”并如同人類化學家一樣操作實驗儀器，完成各種各樣的實驗任務。

這項研究讓他意識到：相比純粹的算法研究，AI 與物理世界的結合可能是一個更具空間的方向。

同年，他開始了 AI 與機器人結合的研究，從純粹的 AI 走向具身 AI。“我記得非常的清楚，”他回憶起2020年第一次調試機器人，“看到我們自己設計的機械臂，能夠完成打包工作，把一個物體像人一樣打包進盒子里面……那一份成就感，哪怕過去這么多年了，也是記憶猶新。”

加速的時代，CMU 的“快”與“慢”

在 AI 這個以月為迭代周期的領域，快是公認的信條。算法在加速，模型在膨脹，論文在增長。然而，王子為在博士畢業后前往卡內基梅隆大學（CMU）進行博士后研究時，學到的最重要的一課，卻是“慢下來”。

“讓研究慢下來，其實不容易。”王子為發現，當AI 與機器人結合，研究的范式就徹底變了。在純AI 領域，一個想法的驗證周期可能很短：設計一個新模型，在已有的數據集上跑一下，幾個小時或幾天后，就能迅速驗證想法是否有效。但在機器人領域，這個周期會被無限拉長。

“要把問題想清楚是需要時間的。”王子為舉例，在機器人上驗證一個新算法，首先要采集數據。這個過程是物理的、實時的、昂貴的。“機器人采數據是需要時間的，是需要成本的。”采集完數據，還要進行漫長的訓練和調試。

更重要的是，物理世界遠比數據集要狡猾。“比如，我們設計的框架對不同的網絡結構、不同的硬件，是不是都有效？增加數據之后，在特定的問題上，它是否會產生像物理學里面那種相變？”就像 GPT 模型在數據量跨越某個閾值后突然涌現出能力一樣。在機器人領域，這個涌現點在哪里？沒有人知道。

“這都是需要時間的。”他反復強調。

他在 CMU 參與的一個項目，是研究如何通過人類的語言或草圖，來生成樂高積木的拼接方案，并指揮機器人完成組裝。這聽起來像個玩具問題，但其背后的技術復雜度是驚人的。這套系統首先需要理解人類模糊的指令（造一個帶兩個窗戶的紅房子），然后生成一個三維的、符合物理拼接邏輯的模型；接著需要規劃機器人的每一步操作（抓取、旋轉、放置），最后才到讓機器人執行高精度的動作的環節，并還要保證全過程的安全。

“這個工作從 2023 年就開始了，一直到今年（2025年）才有一個里程碑式的結果，但最后這篇論文也是拿到了 ICCV 的 Best Paper。”

一個看似簡單的搭樂高任務，耗費了團隊數年的時間。這種“慢”，在如今的加速社會里似乎是不可想象的。但王子為認為，正是這種“慢”，讓他們能夠沉淀下來，去發現一些平常容易忽略的，但是真正重要的一些問題。

與此同時，CMU 的合作氛圍為研究帶來了一種“快”。不同實驗室在硬件、感知、移動平臺等方面能力互補，使項目推進更為高效。這種“快”與“慢”的結合，也影響了他后來在 NTU 開展研究的方式。

蘋果掉在地上：具身智能的“阿喀琉斯之踵”

“我們實驗室的長期目標，是為機器人賦予能夠理解世界、并且能夠自主決策的大腦。”

在 NTU 的實驗室里，王子為正試圖回答這個領域最核心的難題：為什么今天的機器人，本質上仍然是模仿者，而不是決策者？他用一個極其生動的例子，點出了具身智能的“阿喀琉斯之踵”——泛化性（Generalization）。

“以抓蘋果為例。蘋果放在桌子上，很多模型表現都能把它抓起來。這是我們通常在演示視頻里看到的。但是，如果某一次抓的時候沒抓穩，蘋果掉在地上了，那么很多的機器人的模型現在就會直接 fail 掉。因為在訓練的過程中，它可能壓根就沒有見過這種類似的數據。”

這就是當前主流的模仿學習（Imitation Learning）范式的弱點。模型只是在復現它在訓練數據中見過的軌跡，它并沒有真正理解這個任務。“人哪怕看到蘋果掉在地上，我理解到蘋果、桌子、地板之間的規律，以及這個世界的物理運行規律，包括摩擦力、包括重力……它都是能夠解決的。”而機器不能。這就是“分布外”（Out-of-Distribution, OOD）問題。當機器人遇到一個它訓練數據分布之外的、全新的情況時，它就束手無策了。

背后的挑戰可以概括為三類，這也是整個行業共同面臨的“三座大山”：

其一，數據昂貴。機器人數據必須在真實物理環境中采集，每條數據往往要數十秒甚至更久，難以像語言模型那樣依靠大規模互聯網數據訓練；其二，物理精度要求高。幾毫米的誤差都可能導致任務失敗，小偏差的累積會迅速放大；其三，環境物理規律多變。摩擦、質地、光照等因素的微調都會影響動作效果，模型需要實時建模這些隱性變量。

走向“自主”：世界模型、推理鏈與強化學習

為了應對上述難題，王子為團隊正在探索三類方法。

第一條路徑，是嘗試用世界模型（World Model）打破數據詛咒。既然物理世界的數據采集那么昂貴，我們能不能讓機器人在“腦海中”采集數據？這就是世界模型的邏輯。“它根據當前的觀察和即將要采取的一個動作，就會提前預判后續會產生什么樣的后果。”王子為解釋道，“也就是說，我不需要真的去做這個事，我只需要在我腦海里面想一下，我就知道會產生什么樣一個后果。”

通過世界模型，機器人可以在“想象”中源源不斷地產生訓練數據，極大地降低數據成本。當然，前提是這個“想象”要足夠逼真。這是王子為團隊的重點方向之一，即如何生成真正跟真實的數據差距比較小的高質量數據。

第二條路徑，是用推理鏈解決長程任務。當前的機器人模型（如 VLA，Vision-Language-Action 模型）普遍“短視”。它們能做好抓取蘋果這樣的一步動作，但無法完成做一份早餐這樣的長程任務。“做早餐，它可能需要 20 步，甚至 30 步。打開冰箱、拿出食材、洗、切、煮、端到桌子上。”王子為說，“這是一個需要推理能力的長程任務。”而受大語言模型思維鏈（Chain-of-Thought）的啟發，王子為團隊的思路是，把長任務拆解成一步一步的短任務，讓機器人每次只去解決一小步。

但核心問題是：怎么“拆”才是最優的？人類認為的 20 步，不一定是模型認為最高效的 20 步。他近期的工作（如 ThinkBot 和 VLA-Reasoner）就是為了解決這個拆解問題。他們嘗試用蒙特卡洛搜索樹和強化學習的方法，去搜索一個最優的拆解方案。“機器人需要推理物體與物體之間的關系（空間上），也需要推理動作與動作之間的關系（時間上）。”

第三條路徑，用強化學習跳出模仿的范式。這是最激進，也可能最具革命性的一步。它試圖徹底解決那個“蘋果掉在地上”的 OOD 問題。模仿學習的覆蓋面總是有限的，“人是沒有辦法去窮盡所有的分布外的情況的。“那我們能不能，”王子為設想，“不再依賴于人類的數據采集，而是說通過自己主動的去嘗試一些東西？”

這就是強化學習的回歸。讓機器人自己去探索，甚至主動犯錯。“比如說，它自己主動覺得，這個蘋果如果將來掉到地上之后，我可能不確定怎么去拿，那么他就會自己主動去嘗試，把這個蘋果弄到地上，然后去把它抓起來，在這個過程中進行學習。”這是一種根本的范式轉變：從“向人類學習”（Learning from Human）轉向“自主學習”（Self-learning）。

這標志著機器人從一個被動執行的工具，開始向一個主動探索的智能體（Agent）進化。王子為提到，近期已有很多論文顯示，通過這種方式，機器人在某些任務上能達到接近 100% 的成功率——這是純模仿學習無法企及的高度。

從“知”到“行”：熱情是最后一公里

迄今，那只機械臂仍在不知疲倦地重復著訓練動作，身后的科研工作者們還在夜以繼日地調試。它還不夠完美，偶爾會失誤，會在意想不到的情況下“手足無措”。但正是這些失敗，構成了通向理解的必經之路。這也讓我們在采訪的最后，不禁問出了那個問題：在這樣一個瞬息萬變、充滿不確定性的領域，究竟什么樣的人才能走到最后？

“我認為是要有熱情和快速學習的能力。“因為一個頂級的研究者，他肯定是這個世界上對于這個細分小領域最了解的人，至少是之一。所以他每往前邁一小步，其實都是要面臨無限的不確定性和挑戰。這種情況下，研究在很多時候就是一份煎熬。只有真正對這個領域充滿熱情的人，期待能夠看到自己把這個東西做出來、并且覺得有成就感的人，才能夠克服這份煎熬。”

在快速演化的具身智能領域，研究者需要面對復雜系統帶來的不確定性。算法在一個場景中表現良好，換一個位置或環境后可能完全失效；不同批次的數據可能帶來截然不同的訓練結果；許多問題缺乏現成答案，需要從頭推導和驗證。

為了保持學習效率，王子為在實驗室推動“論文快講會”，讓團隊成員每周快速總結新的研究進展，并相互討論。他認為，在一個知識迭代迅速的領域，團隊式學習能更好地保持對前沿的敏感。

在應用層面，他的團隊也在與制造行業合作，包括汽車、飛機維保、物流等場景，希望在真實工業環境中采集到更高質量的數據，為未來的機器人模型打下基礎。

具身智能仍是一個不斷發展的領域，從“知道”到“做到”之間仍有距離。研究者在其中要面對工程復雜度、物理系統的不確定性，以及長期投入的要求。通往可用的通用機器人系統，仍需要時間、耐心和持續不斷的跨學科合作。