想象一下，你有一个 10,000 片的拼图，但包装盒上没有图片。事实上，你甚至没有包装盒——它在近 2000 年前就被摧毁了。这些拼图碎片是古罗马城市庞贝的壁画碎片，公元 79 年维苏威火山爆发将其夷为平地或掩埋。维苏威火山爆发将其夷为平地或掩埋。有些碎片丢失了，有些碎片破损了。而且，它们不是设计成整齐互锁的精确切割形状，而是损坏的、不规则的碎片。你将如何解决这个难题？
意大利理工学院 (IIT) 的科学家们有一个计划：派遣机器人。他们的项目——被称为 RePAIR（重建过去：人工智能和机器人技术与文化遗产的结合）——融合了机器人技术、人工智能和考古学，试图重建庞贝的建筑特征，否则这些特征将仍然不完整，因为它们要么太复杂，要么需要不可能的人力和时间投入。
在接下来的几个月中，IIT 的研究人员及其在少数国际大学的合作者将建造、训练、测试和部署一个机器人，以拼接两栋建筑物中被毁坏的墙壁壁画。在第一栋建筑物中，他们知道壁画应该是什么样子，因为它们直到最近才完好无损。调查人员不知道第二栋建筑物中的壁画描绘了什么。它的碎片已经在储藏室里存放了几十年，等待有人——或某物——将它们重新拼合在一起。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
RePAIR 项目是实验性的，可能会失败，位于威尼斯的 IIT 文化遗产与技术中心主任兼该项目的主要研究员阿里安娜·特拉维利亚承认。它由欧盟委员会的一个基金资助，该基金提供 350 万欧元的拨款，支持旨在实现“彻底的未来新技术”的风险项目。项目协调员马尔切洛·佩利洛表示，如果项目成功，该技术可用于重建各种破碎的文化文物，这些文物的修复工作一直“超出人类能力范围”。马尔切洛·佩利洛是威尼斯大学计算机科学和人工智能教授。
“让我们希望我们能够成功，因为这以前从未有人尝试过，”特拉维利亚笑着说。“这真的是最高级别的疯狂之举。”
大脑
RePAIR 尚未命名的机器人必须具备大脑、力量和灵敏的触觉的结合。大脑将来自高科技计算机视觉的组合，以扫描壁画拼图碎片，机器学习算法来解决难题，以及人类专业知识来指导人工智能。
“我们认为仅使用基于人工智能的系统是不够的，”佩利洛说，他的团队正在与内盖夫本古里安大学的一个团队合作开发拼图求解人工智能。这就是为什么他们将获得考古学家和艺术史学家关于庞贝发现的不同风格壁画的指导。
在庞贝，研究人员正在手动数字化两个测试地点的每一块壁画碎片，以为 RePAIR 机器人创建一个数字数据库。佩利洛说，一旦整个系统完全运行，“我们将让机器人自己完成扫描过程”。
当机器人可以处理例行数字化工作时，人类就可以自由处理更复杂的任务。研究生不可能在不吃饭、不喝水或不睡觉的情况下 24/7 扫描——但机器人可以。“我们的想法是努力尽可能多地自动化这种非常耗时且枯燥的文化遗产数字化活动，”特拉维利亚说。
研究人员正在训练软体机器人手，以小心地操作在庞贝发现的古代壁画碎片。图片来源：IT-意大利理工学院。
这款人形机器人由尼古拉斯·察加拉基斯及其在热那亚 IIT 人形与以人为中心的机电实验室的同事开发的躯干和手臂组成。这款机器人的手臂长 80 至 100 厘米，重 25 至 30 公斤，其尺寸与普通人的上半身大小相仿。它的设计部分基于察加拉基斯实验室早期开发的用于灾难现场的“柔顺人形”机器人，包括 WALK-MAN，该机器人在 2016 年探索了意大利阿马特里切村庄的一栋受损建筑物，那里的一次地震造成近 300 人丧生。
手将通过手腕处的插座连接到手臂上。它们由热那亚 IIT 的高级科学家兼比萨大学机器人学主席安东尼奥·比奇的实验室设计，他为工业和假肢开发了机器人手。在庞贝，软体机器人手需要极其小心地抓取、移动和定向不同尺寸和重量的碎片——并在过程中收集有关它们的信息。这些手就像柔软而智能的手套，嵌入了触觉、运动觉和位置传感器。比奇说，理想情况下，人们有一天能够将它们戴在自己的手上，以收集人类的手无法自行获得的额外数据。
研究人员仍在研究机器人的最终设计（另一种设计放弃了躯干，只是将手臂悬挂在金属框架上），但它可能会安装在工作台上的滑块上，以便它可以轻松地从工作区的一端移动到另一端。安装完成后，软手将抓住碎片，对其进行 3D 扫描，并将数据发送给拼图求解人工智能，后者将尝试找到虚拟匹配项。一旦它有了解决方案，人工智能就会将数据发送给手，手会将碎片组装起来。
拼图地点
RePAIR 科学家将尝试用新机器人解决的第一个壁画难题是军械士学校的一部分，军械士学校是位于庞贝主要街道阿布丰丹扎大街上的一个军事风格协会的总部，成员们在那里策划军事活动和角斗士战斗。它于 1915 年出土，其大厅装饰着战利品和武器的图案，并排列着可能陈列盔甲和战利品的木制橱柜。它在火山爆发和 1943 年盟军炸弹的直接袭击中幸存下来，但在 2010 年庞贝遭受暴雨袭击后，部分建筑倒塌，包括研究人员将尝试重建的墙壁壁画。因为他们知道壁画最初的样子，所以这是一个测试机器人能力的好地方。
如果机器人成功完成了军械士学校的壁画，该团队接下来将尝试解决在工作画家之家的两个倒塌房间中发现的壁画难题。这座建筑之所以得名，是因为当维苏威火山爆发时，工匠们正在那里绘制壁画；考古学家出土了他们的水桶和刷子，以及等待着色彩、阴影和细节的壁画的模糊轮廓，但这些细节从未到来。建筑物的部分区域当时被毁坏，并在第二次世界大战的轰炸中也遭到严重破坏。
由于每面坍塌的墙壁都代表一个壁画难题，并且没有可供参考的图像，因此这个地点提出了更大的挑战。“想象一下，你有五个不同的拼图——一个有埃菲尔铁塔，另一个有罗马斗兽场等等，”佩利洛说。“你打开盒子，然后你只是把所有的碎片混合在一起。然后你被要求解决这五个难题。这实际上就是我们将要做的。”
他们 RePAIR 科学家计划在 2022 年春季或夏季在庞贝安装机器人（确切位置仍在确定中）。他们有一些时间进行实验；他们的拨款支持该项目到 2025 年。
研究人员看到了机器人未来世界的可能性。全球各地的博物馆和大学都在其收藏中保存着破碎的遗骸，其中许多遗骸已被忽视数十年。“我们希望，如果我们在这个项目中取得成功，我们将能够提供一种技术，使世界各地的许多博物馆能够重建大型破碎的壁画或类似的文物，”佩利洛说。“我们主要关注壁画，但这只是个案研究。如果我们成功，我们认为我们可以将这项技术推广到其他文物，甚至例如纸莎草纸。”