从MIDI乐谱到“类人灵魂”：机器人鼓手用90%+精准度复刻人类演奏魅力

迄今为止，具有类似人类身体结构的机器人已经在灵巧性、平衡性等方面取得显著进展，其主要运用在支持人类日常活动中的手动任务，例如搬运物体、在危险环境中采集样本、帮助老年人或担任物理治疗助手等。然而，类人机器人在完成像演奏乐器或参与表演艺术等具有创造性和表现力的脑力任务中的潜力，尚未得到充分探索。

前不久，来自SUPSI、IDSIA和米兰理工大学的研究团队再次对此项难题发起挑战。受一次偶然的咖啡交流中关于机器人能否在音乐领域发挥作用的讨论启发，该研究团队提出了“机器人鼓手”（RobotDrummer）这一创新项目。

该研究团队开发出了一款能够精准且富有表现力地演奏鼓乐的人形机器人，并且其演奏由强化学习算法支持。研究成果表明，该机器人鼓手能够逐渐习得类人行为，包括人类鼓手常见的动作。该研究成果相关论文以“Robot Drummer: Learning Rhythmic Skills for Humanoid Drumming”为题在arXiv网站上发表。

接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！

▍“鼓手机器人”的诞生契机

“机器人鼓手”项目的构思源于论文第一作者AsadAliShahid与合作者LorisRoveda的一次即兴对话。这引发了一个有趣的问题：如果人形机器人能够扮演创造性角色，比如演奏音乐，会发生什么呢？击鼓似乎是一个理想的领域，因为它富有节奏感、肢体动作丰富，并且需要高度协调。

在研究中，团队引进入“机器人鼓手”（RobotDrummer）系统，该系统配备了一个人形机器人，它能够学习演奏各种歌曲。

▍从MIDI音符到精准打击

要让机器人像人类鼓手一样富有表现力，首先要解决的是“理解”音乐的问题。研究团队选择以MIDI（乐器数字接口）作为音乐的“语言”，因为它能精准编码乐器的时间安排。通过提取MIDI文件中专用鼓声道的“音符开启”消息，团队获得了每一次击鼓的音高、力度和时间戳，再将这些信息手动映射到物理鼓组的对应部件——军鼓、嗵鼓、踩镲等，就像给机器人配备了一份“数字化乐谱”。机器人的任务就是根据乐谱的MIDI转录信息进而打出一系列鼓点节奏，再现人类鼓手持有的细腻节奏和表现力。这项任务使得“机器人鼓手”系统面临三个关键挑战：（1）时间精度，确保每次击鼓都能按照节奏要求的时刻进行（2）空间协调，使机器人能够同时或快速连续的敲击多个股鼓（3）动态适应，根据节奏和音乐强度的变化调整动作。

为了解决这些问题，研究人员开发了一套先进的机器学习系统，其核心理念是将每首乐曲表现为一系列精确定时的接触事件，研究团队将其称之为“节奏接触链”（ Rhythmic Contact Chain）。在这个“节奏接触链”中每个事件都明确了，如“何时敲击哪个鼓”以及“用哪只手的鼓棒”。机器人通过这些信息进行强化学习，在模拟环境中反复练习并改进，学习如何精准敲击鼓。其独特之处在于，机器人能够发展出智能行为，例如动态切换鼓槌、交叉双臂击打不同的鼓，并优化动作以适应节奏，这些行为与人类鼓手的演奏方式相似。

面对长达数分钟的乐曲，团队还创新性地采用了“时间分解”策略：将整首曲子的鼓轨拆分为固定长度的片段，通过强化学习让机器人并行训练单一策略，从而高效掌握长时间跨度的表演技能。这种方法就像人类分段练习乐曲，最终实现完整演奏的流畅性。

▍30首金曲验证实力

为了评估他们的系统，研究人员在一个模拟机器人上进行了测试，评估其演奏不同风格（如爵士、摇滚和金属）流行歌曲的能力。测试歌曲涵盖了林肯公园的《IntheEnd》、戴夫・布鲁贝克的《TakeFive》和邦・乔维的《LivingonaPrayer》等30多首作品，能够从时间把控、空间协调和对复杂节奏的处理等方面测验机器人鼓手的能力。歌曲每分钟节拍数不同，能够测验机器人能否根据不同速度精准把控击鼓时机；不同歌曲使用的鼓的数量不同，测验其在多个鼓之间切换和协调动作的能力；复音方面，MIDI鼓序列常编码极其复杂的复音结构，要求在同一时刻敲击三个或更多的鼓，而机器人物理上一次最多只能敲击两个鼓，这测验了机器人在面对复杂复音时的优先选择能力。

在评估中，鼓手机器人的表现通过F1分数（精确率和召回率的调和平均数）来衡量。结果显示，在节奏规律、鼓点较少的曲目中，其F1分数接近完美，即使是包含复杂鼓点填充（不同鼓之间快速连续敲击）和小军鼓滚奏（高速密集击打）的曲目，也能保持较高水准。该机器人能够有效学习复杂的节奏结构，并以高精度演奏歌曲，其节奏精准度通常超过90%。更令人印象深刻的是，机器人表现出了类似人类的演奏策略，例如在演奏《Livin' on a Prayer》时规划即将到来的击打、执行交叉手臂击打，以及动态调整鼓槌，而这些行为策略并未被提前编程，完全是通过优化机器人在训练中获得的节奏奖励而“自主产生”的。

▍展望未来

从长远来看，机器人鼓手的出现可能为机器人表演者在舞台上为现场乐队伴奏铺平道路，同时也为在音乐以外的领域教授精准计时技能提供了一个框架。“我们的的下一步计划是将机器人鼓手所学到的技能转移到实际硬件中，将其带入现实世界。此外，我们还计划教会机器人即兴演奏，并调整其演奏风格，而不是单纯依赖‘固定的鼓谱’。例如，让机器人根据音乐的提示动态调整节奏，使其像人类鼓手一样‘感受’音乐并做出反应。”文章作者AsadAliShahid说到。

参考文章：https://arxiv.org/html/2507.11498v2