Remotely Detectable Keyed Communication through Motion
本文介绍了一种机器人通过其运动中微小且可检测的修改来传输任意消息的方法，这些修改被编码为预训练策略中的噪声，从而在不损害任务性能的情况下，通过远程传感实现稳健且无需硬件的通信。
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机器人不再仅仅局限于工厂车间或实验室台面；它们正走进我们的街道、家庭和公共空间。随着这些机器变得越来越普遍，一个基本问题随之而来：我们如何知道它们在想什么，或者下一步计划做什么？传统上，我们依赖数字信号——无线电波、Wi-Fi 或直接数据链路——来读取机器人的“思想”。但如果这些数字通道被干扰、损坏或干脆无法使用呢？此外，如果一个机器人需要向特定的观察者（如安全审计员）传达其身份或意图，而不向周围的每一台摄像机或旁观者广播这些信息，该怎么办？这就是剑桥大学的研究人员开始着手解决的挑战，他们转向研究机器人本身，而非其无线电发射器。他们探索了这样一个想法：机器人的物理运动——即它行走、转向或伸手的方式——可以携带隐藏的信息。这一概念基于这样一个事实：机器人的控制软件通常包含少量的随机性或“噪声”，以帮助其进行探索和适应。研究人员提出了一个疑问：这种必要的随机性是否可以通过精心设计来编码信息，从而将机器人的运动转变为一个秘密的通信频道？这个频道对任何拥有摄像机的人都是可见的，但只有持有特定密钥的人才能解读。
由本杰明·查恩（Benjamin Chang）及其同事领导的团队开发了一种被称为“通过运动传递信息”（Messaging Through Motion）的方法。他们的目标是创建一个系统，让机器人能够通过微妙地改变其动作来传输一条简短的秘密信息，而不会破坏其执行实际任务的能力。想象一下，一个机器人在房间里穿行以递送包裹。通常，它的路径是由预设程序决定的。研究人员发现了一种方法，可以在机器人执行这项任务期间，在其运动中注入一种秘密模式。对于观察视频的外部观察者来说，机器人看起来只是在正常移动，或许带着一点微小的、不易察觉的晃动。然而，对于持有共享秘密代码的人或计算机系统来说，那些微小的晃动绝非随机，而是一条结构化的信息。该系统的运作方式是：采用标准的机器人控制器，并在它决定如何移动的那一刻，加入一种特定的、预先确定的噪声模式。这种模式是根据机器人想要发送的字母或数字来选择的。由于机器人已经在复杂的物理世界中移动，这些微小的调整会天衣无缝地融入到运动之中，使得信息对于不知道要寻找何种特定模式的人来说是不可见的。
为了测试这是否可行，研究人员在几种不同的模拟世界以及真实的物理机器人上进行了实验。他们使用的环境范围很广，从一个简单的机器人手臂抓取目标，到一支机器人足球队对抗另一支球队。在每种情况下，他们都成功地将信息编码到了机器人的动作中。例如，在一个机器人必须降落在八个可能的目标垫片之一的模拟实验中，研究人员将目标垫片的身份编码进了机器人的运动中。远程观察者通过观看视频，就能解码出信息，并准确知道机器人正瞄准哪一个垫片，甚至在机器人实际到达之前就能得知。该系统表现出了足够的鲁棒性，即使在机器人处于困难、多噪的环境中也能正常工作，例如火箭在风力作用下搏斗，或者带有相互干扰运动关节的机器人手臂。研究人员发现，通过使用多个机器人或单个机器人的多个部分来发送相同的消息，他们可以使信号更强、更容易读取，就像合唱团的声音比单声细语更容易被听到一样。
最显著的测试是在真实硬件上进行的，使用的是由四台名为 RoboMasters的小型轮式机器人组成的团队。这些机器人在一个物理竞技场内移动，速度为每秒50次。研究人员的任务是让它们在导航至特定目标的同时，同步发送关于其目的地的秘密信息。通过使用运动捕捉系统来追踪机器人的位置，团队展示了观察者如何在四台机器人协作下，在短短12秒内恢复出一个八位比特的消息（相当于一段短代码）。这相当于大约每秒0.67比特的传输速度。虽然与 Wi-Fi 连接相比这很慢，但它足以实时传达关键信息，例如机器人的当前意图或识别码。至关重要的是，机器人携带隐藏信息时的导航任务表现得与不带信息时一样出色，证明了这种通信并没有以牺牲其主要功能为代价。
研究人员还探索了这种方法的极限，以了解其能力边界。他们确认，在没有秘密密钥的情况下，观察者看到的只是随机噪声；消息内容保持完全隐藏，看起来与随机情况无异。然而，他们也谨慎地指出，消息本身的存在并不会被隐藏。没有密钥的观察者可能不知道机器人在说什么，但他们可能会察觉到机器人正在尝试进行某种交流。该系统旨在用于身份验证和意图传达，而非隐藏“正在进行通信”这一事实。此外，该方法最适用于短促、离散的消息（例如从列表中选择一个选项），而非发送连续的复杂数据流。团队还展示了，如果对手试图用巨大的随机噪声来淹没这条消息，机器人将不得不移动得极其紊乱，从而导致任务失败，因此这种攻击并不切实际。
这项工作表明，这是一种完全独立于我们通常依赖的数字基础设施的机器人通信新方式。它开启了一种可能性：即使在所有无线网络都中断的情况下，机器人也可以仅通过其运动方式向安全摄像头或人类审计员发出身份信号。它还提供了一种方法，让机器人能够证明其正在运行特定的、经过授权的软件程序，从而将其物理行为与其数字身份绑定。虽然目前的系统在处理短消息方面存在局限性，且需要共享密钥才能读取，但它证明了物理世界充满了未被开发的通信渠道。通过将运动不仅视为从A点到B点的手段，而是将其视为一种信息媒介，研究人员展示了机器人可以拥有一种“可见于众、却仅为少数人所理解”的语言。在自主机器人在我们共享空间中开放运行的未来，这种能力可能成为确保安全与信任的重要工具。
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