伯克利团队开发机器人"变形金刚"：不同任务自动切换专家模式的视觉AI系统

这项由加州大学伯克利分校、卡内基梅隆大学、香港大学、北京大学、石溪大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合开展的研究，于2024年10月发表在arXiv预印本平台上（论文编号：arXiv:2510.05213v1）。研究团队由加州大学伯克利分校的王一潇和卡内基梅隆大学的霍明霄等多位研究者组成，他们成功开发出了一个名为VER（Vision Expert transformer for Robot learning）的革命性视觉AI系统。

当我们谈论机器人视觉时，就像给机器人配上一双眼睛。但现有的机器人眼睛存在一个根本问题：就像一个人试图用同一副眼镜看书、开车、做手术一样，一个固定的视觉系统很难在所有任务中都表现出色。每种任务需要关注的视觉细节不同——阅读时需要看清文字，开车时需要注意路况，做手术时需要精确识别器官。机器人也面临同样的挑战。

现有的解决方案就像把多副眼镜的镜片粗暴地叠加在一起，结果是什么都看不清楚。而且一旦需要适应新的任务环境，就需要重新制作整副眼镜，成本高昂且效率低下。研究团队想到了一个巧妙的解决方案：为什么不给机器人配备一个智能的眼镜架，可以根据当前任务自动切换到最合适的镜片组合呢？

这就是VER系统的核心创新所在。它就像一个拥有多个专业技能的变形金刚，面对不同任务时能够自动激活最相关的专家模块。当机器人需要识别物体时，视觉专家A会被激活；当需要理解空间关系时，专家B开始工作；当需要精细操作时，专家C发挥作用。整个过程完全自动化，就像人类大脑在不同情况下调用不同的认知能力一样自然。

**一、机器人视觉的"近视眼"难题**

要理解VER系统的重要性，我们需要先了解当前机器人视觉面临的核心挑战。现在的机器人就像戴着一副万能眼镜的人，试图用同一套视觉系统处理所有任务。这种"一刀切"的方法就像让一个人用看书的老花镜去开车，或者用墨镜去做精密手术一样不合适。

当前最先进的视觉基础模型，比如DINOv2、CLIP和ViT，就像三位各有专长的专家：DINOv2擅长理解物体的形状和结构，CLIP精通文字和图像的关联理解，ViT在图像识别方面表现出色。每个模型在特定领域都很强大，但没有一个能在所有机器人任务中都表现完美。

传统的解决方案试图将这些专家的知识融合成一个统一的系统，就像把三位专家的大脑记忆移植到一个人身上。结果往往是这样的：融合后的系统虽然包含了所有专家的知识，但在具体任务中却无法灵活调用最相关的专业技能。更糟糕的是，当需要适应新的机器人任务时，整个系统都需要重新训练，就像要重新进行大脑手术一样复杂和昂贵。

这种方法还面临另一个问题：不同专家的知识特征往往不兼容，强行融合会导致信息相互干扰。就像三位专家同时在你耳边说话，声音混杂在一起，你反而听不清楚任何一个人在说什么。结果是，融合后的系统往往比单个专家系统的性能还要差。

**二、VER系统的"智能眼镜架"设计理念**

VER系统的设计灵感来自于一个简单而巧妙的想法：与其强行融合所有专家的知识，为什么不建立一个智能调度系统，根据当前任务自动选择最合适的专家组合呢？这就像给机器人配备了一个智能眼镜架，可以根据不同场景自动切换到最合适的镜片。

整个VER系统包含两个核心组件：基础视觉变换器和视觉专家库。基础视觉变换器就像眼镜的基本框架，负责处理输入图像并生成基础的统一表示。视觉专家库则包含多个专业化的专家模块，每个专家都擅长处理特定类型的视觉信息。

系统的工作流程分为两个阶段。在预训练阶段，VER系统像一个勤奋的学生，同时向DINOv2、ViT和CLIP三位老师学习。但与传统方法不同，VER不是简单地记录所有老师说的话，而是培养了多个专门的学生（专家），每个学生专门负责学习某位老师的特定技能。同时，系统还训练了几个"班长"（教师专用路由器），负责在学习过程中决定哪个学生应该向哪位老师学习。

在实际应用阶段，VER系统展现出其真正的智能：所有之前训练好的专家都被"冻结"，不再改变，而系统只训练一个轻量级的"任务调度员"（机器人路由器）。这个调度员只占整个系统参数的不到0.4%，但却能根据当前的机器人任务智能地选择最相关的专家组合。这就像一个经验丰富的图书管理员，能够迅速找到读者需要的特定书籍，而不需要重新整理整个图书馆。

**三、创新的"课程表安排"学习策略**

VER系统最有趣的创新之一是其"逐步专业化"的学习策略，研究团队称之为"课程TopK退火"。这个过程就像安排一个学生的学习课程表：刚开始时让学生接触所有可能的专业课程，随着学习的深入，逐渐专注于最相关和最重要的几门课程。

在训练初期，系统激活所有可用的专家，就像让学生同时试听所有课程，广泛探索各种可能性。这个阶段的目的是避免过早地局限在某个特定的专家组合上，确保系统能够充分探索不同专家之间的协作可能性。

随着训练的进行，系统逐渐减少活跃专家的数量，从最初的全部激活逐渐收缩到只保留最关键的2-3个专家。这个过程就像学生在广泛试听后，逐渐确定自己的专业方向和选修课程。这种渐进式的专业化既保证了充分的探索，又最终实现了高效的专注。

这种策略的巧妙之处在于平衡了两个看似矛盾的需求：充分的探索和高效的执行。过早的专业化可能会错过更优的专家组合，而过度的探索又会导致系统无法在关键任务上达到足够的精度。课程TopK退火就像一个经验丰富的导师，既鼓励学生在初期广泛尝试，又在适当时机引导学生专注于最有前途的方向。

**四、补丁级别的精细化专家路由**

VER系统的另一个重要创新是其"补丁级别专家路由"机制。要理解这个概念，我们可以把图像想象成一幅由许多小拼图块组成的画面。传统的视觉系统就像用一个放大镜看整幅画，而VER系统则像配备了多个专业放大镜，可以为每个小拼图块选择最合适的观察工具。

当机器人看到一个场景时，VER系统会将图像分解成许多小的区域块（补丁）。对于每个补丁，系统都会独立决定应该调用哪些视觉专家来处理。这就像一个博物馆的专业导览员，在面对一幅复杂的画作时，会针对画面的不同部分调用不同领域的专家进行解读：艺术史专家解读背景和构图，色彩专家分析颜色运用，人物专家解读表情和姿态。

这种细粒度的专家选择机制使得VER系统能够更精确地处理复杂场景。在机器人执行抓取任务时，系统可能会为目标物体区域调用物体识别专家，为手部操作区域调用精细动作专家，为背景区域调用场景理解专家。每个区域都得到最专业的处理，整体性能自然得到显著提升。

研究团队的实验结果显示，这种补丁级别的路由机制能够有效抑制任务无关区域的干扰信息。就像一个专注的摄影师会自动过滤掉取景器中的干扰元素，只关注核心拍摄对象一样，VER系统学会了忽略背景噪音，将注意力集中在任务关键区域。

**五、轻量级设计的工程智慧**

VER系统在工程设计上的另一个亮点是其极致的轻量化策略。整个系统的可训练参数仅占总参数的不到0.4%，这就像在一栋摩天大楼中只需要更换电梯调度系统，就能让整栋建筑适应不同的使用需求。

这种设计的巧妙之处在于将"知识存储"和"知识调用"完全分离。所有的专业知识都存储在预训练好的专家模块中，这些模块一旦训练完成就不再改变，就像图书馆中的藏书。而任务特定的智能调度器则负责根据具体需求快速定位和调用相关知识，就像一个高效的检索系统。

这种架构带来了多重好处：新任务适应速度极快，因为只需要训练轻量级的调度器；系统扩展性强，可以轻松添加新的专家模块而不影响现有功能；计算资源利用高效，在简单任务中可以只激活少数专家，在复杂任务中再调用更多专家。

研究团队还设计了一个有趣的"混合专家"策略，允许系统同时使用从基础模型中蒸馏出的专家和针对特定机器人任务从零训练的专家。这就像让一个团队既有经验丰富的老员工，也有充满活力的新人，老员工提供稳定的基础能力，新人带来针对性的创新解决方案。

**六、多样化任务中的卓越表现**

VER系统在17个不同的机器人任务中都展现出了优异的性能，这些任务涵盖了从精密操作到复杂推理的各个方面。研究团队选择了三个主要的评估环境：Franka Kitchen（厨房环境）、Meta-World（虚拟操作环境）和Adroit（灵巧操作环境），就像让机器人在不同的"考试科目"中证明自己的能力。

在厨房环境中，机器人需要完成开灯、开门、推拉抽屉、转动旋钮、操作微波炉等日常任务。VER系统在这些任务中的平均成功率达到了74.7%，显著超过了之前的最佳方法。特别值得注意的是，VER系统在需要精细操作的任务中表现尤为出色，比如在笔类操作任务中成功率达到80%，在物体重定位任务中成功率达到64%。

更令人印象深刻的是，VER系统展现出了强大的跨策略头适应能力。研究团队测试了多种不同的决策机制，包括扩散策略、流匹配策略和ViLT策略，VER系统在所有这些不同的"思考方式"下都能保持优异表现。这就像一个优秀的翻译员，无论是口译还是笔译，无论是正式场合还是日常对话，都能准确传达意思。

在真实世界的实验中，VER系统完成了一个具有挑战性的倒茶任务：机器人需要抓取茶壶并将茶水倒入烹饪锅中。即使在有人为干扰的情况下，VER系统仍然能够成功完成任务，展现了强大的鲁棒性和适应能力。

**七、视觉注意力的智能分配机制**

通过详细的分析，研究团队发现VER系统学会了一种类似人类视觉注意力的智能分配机制。在执行不同任务时，系统会自动调整其"注意力焦点"，就像人类在开车时主要关注道路和交通标志，而在阅读时主要关注文字内容。

以笔类操作任务为例，传统的视觉系统往往会被背景中的各种物体分散注意力，产生大量无关的视觉响应。而VER系统则学会了重点关注笔的位置、目标位置以及手部动作，有效抑制了背景区域的干扰信息。系统生成的特征图显示，任务相关区域保持了丰富的信息内容，而任务无关的背景区域则被大幅度抑制。

这种智能的注意力分配不仅提高了任务执行的准确性，还大大提升了计算效率。系统不需要处理整个场景的每一个细节，而是将宝贵的计算资源集中在最重要的区域。研究团队的分析表明，采用课程TopK退火策略的VER系统在特征紧凑性和判别性方面都有显著提升。

更有趣的是，系统的专家利用模式在不同任务中呈现出明显的差异。在需要精密操作的任务中，系统倾向于激活更多专注于局部细节的专家；在需要场景理解的任务中，系统则会调用更多关注全局信息的专家。这种自适应的专家选择模式证明了VER系统确实学会了根据任务需求智能调配视觉资源。

**八、技术架构的深度剖析**

VER系统的技术架构展现了研究团队深厚的工程智慧。整个系统基于改进的视觉变换器架构，但巧妙地将传统变换器的最后几层替换成了混合专家模块。这种设计就像在传统的流水线末端安装了多个专业化的处理单元，前期的通用处理保证了效率，后期的专业化处理保证了精度。

在预训练阶段，系统采用了一种称为"教师专用路由器"的机制。每个基础视觉模型都配备了专门的路由器，负责决定在模仿该模型时应该激活哪些专家。这种设计避免了简单的专家预分配，而是让系统自主学习最优的专家利用策略。研究结果显示，不同的基础模型确实展现出了不同的专家利用模式：ViT模型相对容易模仿，需要的专家较少；而DINOv2和CLIP模型则需要更多专家协作才能达到满意的模仿效果。

为了确保专家利用的平衡性，系统引入了基于互信息的正则化机制。这个机制就像一个公平的工作分配系统，确保不会出现某些专家过度劳累而其他专家闲置的情况。通过最大化教师模型和专家之间的互信息，系统能够学习到更加多样化和平衡的专家利用策略。

在机器人任务适应阶段，VER系统提供了两种路由模式：教师路由和补丁路由。教师路由模式允许系统在已有的基础模型专家中进行选择，就像在几位经验丰富的导师中选择最合适的指导者。补丁路由模式则提供了更细粒度的控制，允许系统为图像的每个区域独立选择专家组合。

**九、扩展性与实用性的完美结合**

VER系统的设计充分考虑了实际应用中的扩展需求。系统支持动态调整激活专家的数量，这就像可以根据任务复杂度调节团队规模一样灵活。在处理简单任务时，系统可以只激活少数几个专家，节省计算资源；在面对复杂挑战时，系统可以调用更多专家协同工作，确保任务质量。

研究团队的实验表明，随着激活专家数量的增加，系统性能呈现稳步提升的趋势，但计算成本也相应增加。这种可控的性能-效率权衡为实际部署提供了极大的灵活性。用户可以根据具体的应用场景和资源限制，选择最合适的配置参数。

更令人兴奋的是，VER系统支持新专家的无缝添加。当面对全新的机器人任务时，系统可以在保持现有专家不变的情况下，增加专门针对新任务训练的专家模块。这种设计就像在一个专业团队中增加新的专家成员，既保持了团队的稳定性，又增强了解决新问题的能力。

在实际的机器人系统中，这种扩展性体现为优异的适应能力。研究团队展示了系统如何在保持原有任务性能的同时，快速适应新的操作需求。整个适应过程只需要训练轻量级的路由器，而不需要重新训练整个视觉系统，大大降低了部署成本和时间。

**十、未来影响与应用前景**

VER系统的成功为机器人视觉领域开辟了全新的发展方向。这种基于专家混合的动态路由机制不仅解决了当前视觉系统的核心局限，还为未来的智能机器人系统提供了可扩展的技术框架。

从技术发展的角度来看，VER系统展示了一种全新的知识组织和利用模式。传统的"一体化"视觉系统就像一本百科全书，虽然包含了大量信息，但在特定问题上往往不够深入。而VER系统则像一个专业图书馆，既有丰富的专业藏书，又有智能的检索系统，能够快速定位和组合最相关的知识资源。

在实际应用方面，VER系统的轻量级适应能力使得机器人系统能够更快速地部署到新的工作环境中。无论是工业生产线、服务机器人还是医疗辅助设备，都可能从这种灵活的视觉架构中受益。特别是在需要处理多样化任务的场景中，VER系统的优势将更加明显。

研究团队在论文中也指出了一些未来的发展方向。当前的系统主要关注视觉专家的组织和调用，未来可能会扩展到多模态专家系统，将视觉、听觉、触觉等不同感知模态的专家统一管理。另外，专家的自动发现和生成也是一个有趣的研究方向，系统可能学会根据新任务的需求自动创建和训练新的专家模块。

从更宏观的角度来看，VER系统体现了人工智能发展的一个重要趋势：从单一模型向专家系统的转变，从静态架构向动态适应的演进。这种发展方向不仅技术上更加高效，也更符合人类认知系统的工作原理，为构建更加智能和灵活的机器人系统指明了方向。

说到底，VER系统最大的价值在于它证明了一个简单但深刻的理念：智能不在于掌握所有知识，而在于知道在什么时候调用什么知识。就像一个优秀的团队领导者，不需要精通每个专业领域，但需要知道如何组织和协调不同专家的智慧来解决复杂问题。这种思路不仅推动了机器人技术的进步，也为我们重新思考智能系统的设计提供了全新的视角。对于普通人来说，VER系统的成功意味着未来的家用机器人将更加智能和实用，能够在不同的家务任务中表现得像专业助手一样得心应手。对于研究者来说，这项工作开启了视觉AI发展的新篇章，指向了一个更加灵活和高效的智能系统未来。

Q&A

Q1：VER系统和传统机器人视觉系统有什么区别？

A：传统机器人视觉系统就像戴着一副万能眼镜处理所有任务，而VER系统像拥有智能眼镜架，能根据不同任务自动切换最合适的专家模块。VER可以为识别物体、理解空间、精细操作等不同需求激活相应的视觉专家，而不是用同一套系统强行处理所有情况。

Q2：VER系统的"课程TopK退火"是什么意思？

A：这就像安排学生的学习课程表。开始时让系统激活所有可用的视觉专家，广泛探索各种可能性，随着训练深入逐渐减少活跃专家数量，最终专注于最关键的2-3个专家。这种渐进式专业化既保证了充分探索，又实现了高效执行，避免过早局限在某个专家组合上。

Q3：普通人能从VER系统中获得什么好处？

A：VER系统的成功意味着未来家用机器人会更智能实用。机器人能像人类一样根据不同任务调用相应的"专业技能"：做饭时关注食材和火候，打扫时注意角落和污渍，整理时识别物品分类。这种灵活性让机器人在各种家务中都能表现得像专业助手一样得心应手。