想象一下，你有一個 10,000 片的拼圖，但包裝盒上沒有圖片。事實上，你甚至沒有包裝盒——它在近 2000 年前就被摧毀了。這些拼圖碎片是古羅馬城市龐貝的壁畫碎片，公元 79 年維蘇威火山爆發將其夷為平地或掩埋。維蘇威火山爆發將其夷為平地或掩埋。有些碎片丟失了，有些碎片破損了。而且，它們不是設計成整齊互鎖的精確切割形狀，而是損壞的、不規則的碎片。你將如何解決這個難題？
義大利理工學院 (IIT) 的科學家們有一個計劃：派遣機器人。他們的專案——被稱為 RePAIR（重建過去：人工智慧和機器人技術與文化遺產的結合）——融合了機器人技術、人工智慧和考古學，試圖重建龐貝的建築特徵，否則這些特徵將仍然不完整，因為它們要麼太複雜，要麼需要不可能的人力和時間投入。
在接下來的幾個月中，IIT 的研究人員及其在少數國際大學的合作者將建造、訓練、測試和部署一個機器人，以拼接兩棟建築物中被毀壞的牆壁壁畫。在第一棟建築物中，他們知道壁畫應該是什麼樣子，因為它們直到最近才完好無損。調查人員不知道第二棟建築物中的壁畫描繪了什麼。它的碎片已經在儲藏室裡存放了幾十年，等待有人——或某物——將它們重新拼合在一起。
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RePAIR 專案是實驗性的，可能會失敗，位於威尼斯的 IIT 文化遺產與技術中心主任兼該專案的主要研究員阿里安娜·特拉維利亞承認。它由歐盟委員會的一個基金資助，該基金提供 350 萬歐元的撥款，支援旨在實現“徹底的未來新技術”的風險專案。專案協調員馬爾切洛·佩利洛表示，如果專案成功，該技術可用於重建各種破碎的文化文物，這些文物的修復工作一直“超出人類能力範圍”。馬爾切洛·佩利洛是威尼斯大學計算機科學和人工智慧教授。
“讓我們希望我們能夠成功，因為這以前從未有人嘗試過，”特拉維利亞笑著說。“這真的是最高級別的瘋狂之舉。”
大腦
RePAIR 尚未命名的機器人必須具備大腦、力量和靈敏的觸覺的結合。大腦將來自高科技計算機視覺的組合，以掃描壁畫拼圖碎片，機器學習演算法來解決難題，以及人類專業知識來指導人工智慧。
“我們認為僅使用基於人工智慧的系統是不夠的，”佩利洛說，他的團隊正在與內蓋夫本古裡安大學的一個團隊合作開發拼圖求解人工智慧。這就是為什麼他們將獲得考古學家和藝術史學家關於龐貝發現的不同風格壁畫的指導。
在龐貝，研究人員正在手動數字化兩個測試地點的每一塊壁畫碎片，以為 RePAIR 機器人建立一個數字資料庫。佩利洛說，一旦整個系統完全執行，“我們將讓機器人自己完成掃描過程”。
當機器人可以處理例行數字化工作時，人類就可以自由處理更復雜的任務。研究生不可能在不吃飯、不喝水或不睡覺的情況下 24/7 掃描——但機器人可以。“我們的想法是努力盡可能多地自動化這種非常耗時且枯燥的文化遺產數字化活動，”特拉維利亞說。
研究人員正在訓練軟體機器人手，以小心地操作在龐貝發現的古代壁畫碎片。圖片來源：IT-義大利理工學院。
這款人形機器人由尼古拉斯·察加拉基斯及其在熱那亞 IIT 人形與以人為中心的機電實驗室的同事開發的軀幹和手臂組成。這款機器人的手臂長 80 至 100 釐米，重 25 至 30 公斤，其尺寸與普通人的上半身大小相仿。它的設計部分基於察加拉基斯實驗室早期開發的用於災難現場的“柔順人形”機器人，包括 WALK-MAN，該機器人在 2016 年探索了義大利阿馬特里切村莊的一棟受損建築物，那裡的一次地震造成近 300 人喪生。
手將透過手腕處的插座連線到手臂上。它們由熱那亞 IIT 的高階科學家兼比薩大學機器人學主席安東尼奧·比奇的實驗室設計，他為工業和假肢開發了機器人手。在龐貝，軟體機器人手需要極其小心地抓取、移動和定向不同尺寸和重量的碎片——並在過程中收集有關它們的資訊。這些手就像柔軟而智慧的手套，嵌入了觸覺、運動覺和位置感測器。比奇說，理想情況下，人們有一天能夠將它們戴在自己的手上，以收集人類的手無法自行獲得的額外資料。
研究人員仍在研究機器人的最終設計（另一種設計放棄了軀幹，只是將手臂懸掛在金屬框架上），但它可能會安裝在工作臺上的滑塊上，以便它可以輕鬆地從工作區的一端移動到另一端。安裝完成後，軟手將抓住碎片，對其進行 3D 掃描，並將資料傳送給拼圖求解人工智慧，後者將嘗試找到虛擬匹配項。一旦它有了解決方案，人工智慧就會將資料傳送給手，手會將碎片組裝起來。
拼圖地點
RePAIR 科學家將嘗試用新機器人解決的第一個壁畫難題是軍械士學校的一部分，軍械士學校是位於龐貝主要街道阿布豐丹扎大街上的一個軍事風格協會的總部，成員們在那裡策劃軍事活動和角鬥士戰鬥。它於 1915 年出土，其大廳裝飾著戰利品和武器的圖案，並排列著可能陳列盔甲和戰利品的木製櫥櫃。它在火山爆發和 1943 年盟軍炸彈的直接襲擊中倖存下來，但在 2010 年龐貝遭受暴雨襲擊後，部分建築倒塌，包括研究人員將嘗試重建的牆壁壁畫。因為他們知道壁畫最初的樣子，所以這是一個測試機器人能力的好地方。
如果機器人成功完成了軍械士學校的壁畫，該團隊接下來將嘗試解決在工作畫家之家的兩個倒塌房間中發現的壁畫難題。這座建築之所以得名，是因為當維蘇威火山爆發時，工匠們正在那裡繪製壁畫；考古學家出土了他們的水桶和刷子，以及等待著色彩、陰影和細節的壁畫的模糊輪廓，但這些細節從未到來。建築物的部分割槽域當時被毀壞，並在第二次世界大戰的轟炸中也遭到嚴重破壞。
由於每面坍塌的牆壁都代表一個壁畫難題，並且沒有可供參考的影像，因此這個地點提出了更大的挑戰。“想象一下，你有五個不同的拼圖——一個有埃菲爾鐵塔，另一個有羅馬鬥獸場等等，”佩利洛說。“你開啟盒子，然後你只是把所有的碎片混合在一起。然後你被要求解決這五個難題。這實際上就是我們將要做的。”
他們 RePAIR 科學家計劃在 2022 年春季或夏季在龐貝安裝機器人（確切位置仍在確定中）。他們有一些時間進行實驗；他們的撥款支援該專案到 2025 年。
研究人員看到了機器人未來世界的可能性。全球各地的博物館和大學都在其收藏中儲存著破碎的遺骸，其中許多遺骸已被忽視數十年。“我們希望，如果我們在這個專案中取得成功，我們將能夠提供一種技術，使世界各地的許多博物館能夠重建大型破碎的壁畫或類似的文物，”佩利洛說。“我們主要關注壁畫，但這只是個案研究。如果我們成功，我們認為我們可以將這項技術推廣到其他文物，甚至例如紙莎草紙。”