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NeurIPS 2026 Spotlight|机器人探索未知世界,为什么不能只认一条路?天大团队提出FAME

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该论文第一作者为李阳,天津大学人工智能学院2026级博士生,师从韩亚洪教授,主要研究方向为具身智能,相关研究成果发表于 CVPR、NeurIPS、TPAMI 等国际顶级会议及期刊。本研究由天津大学与合肥工业大学团队合作完成。实验室主页:https://tjumm.github.io/

想象一下,一台机器人正在探索一栋从未进入过的建筑。

它已经走过一段走廊,眼前出现几个不同方向的通道。但由于视野有限,机器人并不知道哪条路通向更大的空间,哪条路可能是死胡同,也不知道尚未探索的区域究竟是什么结构。

这时,它该往哪里走?

目前,许多学习型主动三维建图方法,往往只预测一个长期探索目标,再据此规划路径。

问题在于:当机器人对未知环境了解得还不够多时,为什么一定要提前押注一个方向?

针对这一问题,天津大学与合肥工业大学研究团队提出了FAME(Flow-driven Anchor-based Multimodal Exploration)。与传统方法只预测一个目标不同,FAME 利用 Conditional Flow Matching 同时生成多个可能的探索目标,再结合路径规划、探索模式聚类和分层选择,帮助机器人在未知环境中找到更合适的探索路线。

目前,该研究成果已被NeurIPS 2026 接收,并进一步入选 Spotlight(亮点论文)。本届会议共录用 7,900 篇论文,其中292 篇入选 Spotlight,约占录用论文的3.7%



  • 论文标题: All Roads Lead to Rome: Flow-driven Multi-Anchor Exploration for Open-Environment Active 3D Mapping
  • 项目主页:https://vollichor.github.io/FAME/
  • 论文链接: https://arxiv.org/abs/2609.36889

从「只选一条路」,到保留多种探索可能

主动三维建图(Active 3D Mapping)不仅要求机器人根据观测恢复环境的三维结构,还需要主动决定下一步去哪里采集信息,争取用更少的运动和观测代价,重建尽可能完整的场景。

然而,机器人能够观察到的始终只是环境的一部分。即使两个场景的局部结构看起来相似,尚未探索的区域也可能完全不同。如果模型只根据过去学到的经验预测一个长期目标,遇到陌生环境时就容易选错方向,遗漏其他有价值的区域。

研究团队指出,在部分可观测条件下,长期探索目标往往具有多模态特征。也就是说,对于同一个当前状态,可能同时存在多个合理的未来探索方向。

从理论上看,当多个合理的探索目标分布在不同方向时,采用平方误差训练的单目标预测模型,容易给出这些目标的平均位置。但这个位置未必是合适的探索目标,甚至可能落在障碍物区域。

因此,与其让模型只预测一个目标,不如让它同时考虑多个可能的探索方向。



图1:单目标预测与多模态探索的动机对比图

用 Flow Matching 生成多种探索假设

为了让机器人同时生成多个可能的探索目标,研究团队引入了Conditional Flow Matching(CFM)

具体来说,模型根据机器人当前已经构建的地图,从随机噪声出发,逐步生成多个不同位置和朝向的探索目标,也就是Anchor(锚点)。每个 Anchor 都代表一个可能的长期探索方向。

例如,有的锚点可能引导机器人进入左侧房间,有的可能对应继续深入走廊,还有的可能指向尚未覆盖的局部区域。

与直接生成完整的探索路线不同,FAME只需要预测目标的位置和方向。简单来说,模型负责提出几个可能去的地方,路径规划器再根据障碍物地图,计算每个目标应该怎么走。

这样既能保留多个探索方向,也不用让模型直接生成整条路线。



图2:Conditional Flow Matching 多模态目标生成示意图

不只是多生成几条路线,还要学会怎样选择

前面提到,CFM 可以帮助机器人生成多个探索目标。但有了这些目标还不够,机器人还需要判断哪些路线走得通,以及最终应该选择哪一条

为此,FAME 使用基于 A* 的路径规划器,根据当前的障碍物地图,为每个 Anchor 生成一条候选路径。

随后,系统根据路径终点、几何形状、前段执行行为以及绕障拓扑等信息,对相似路径进行聚类。

这样,即便多个 Anchor 最终对应相近的路线,它们也可以被组织到同一个探索模式中,减少重复候选对后续决策的干扰。

最后是分层选择。

FAME 并不直接对所有路径进行一次性排序,而是先在探索模式层面作出选择,再在选中的模式内部筛选具体路线

第一层重点考虑潜在探索收益、风险、不确定性、代价和多样性;第二层进一步比较具体路径的收益、执行风险、成本以及与既有规划的连续性。

这种先选探索策略、再选执行路线的设计,使机器人不必在大量相似候选之间反复切换。



图3:FAME 整体架构图

定量结果:未知环境中的泛化表现如何?

为检验方法有效性,研究团队在 AiMDoom 与 Matterport3D(MP3D)两个基准上进行了系统实验,并重点考察跨场景分布的泛化能力。

在 AiMDoom 数据集上,FAME 在 Simple、Normal、Hard 和 Insane 四个难度级别中,最终覆盖率和 AUC 均优于其他对比方法。其中,在最困难的 Insane 设置下,最终覆盖率从 NBP 的 47.2% 提升至53.4%,提高了 6.2 个百分点。



表1:AiMDoom 数据集评估结果,四个难度级别下 FAME 的最终覆盖率与 AUC 均领先于对比方法

在基于真实室内扫描数据构建的 Matterport3D 基准上,FAME 的重建完成率达到82.67%,同样优于其他对比方法。更值得关注的是跨数据集泛化能力。研究团队将模型在 AiMDoom 上训练后,直接迁移到 MP3D 测试,不进行任何微调。在这一更具挑战性的设置下,FAME 的重建完成率仍达到68.45%,相比 NBP 的 61.81% 提高了 6.64 个百分点。



表2、表3:MP3D 重建完成率与重建误差对比(左);AiMDoom→MP3D 跨数据集迁移结果(右),FAME 均取得最优

定性展示:机器人如何在未知环境里「多留几条路」

下面的动图展示了 NBP(左)和 FAME(右)在相同场景、相同起点下的探索过程。

可以看到,NBP 更容易沿着一个方向持续探索,而忽略其他尚未探索的区域。即使旁边还有房间或通道,机器人也可能继续沿着当前路线前进,导致部分区域没有得到充分重建。

相比之下,FAME 不会只考虑一个探索目标,而是同时生成多个可能的探索方向,再从中选择更合适的路线。这样,机器人就有机会探索到更多原本容易被忽略的区域,让最终重建的地图更加完整。



图4:NBP(左)与 FAME(右)在同一场景的探索覆盖对比

未来展望

FAME 的研究不仅是让机器人找到更合适的探索路线,更重要的是,让机器人能够基于有限的观测,对未来的多种可能性进行建模和想象,并以此指导当前的决策。这一思路也与世界模型所强调的「理解环境、想象未来、指导行动」相契合。

未来,研究团队将沿着这一方向继续深入探索,从对未来探索方向的预测,逐步拓展到对未知场景和行动结果的想象与推理,让机器人不仅能够感知眼前的世界,还能对尚未看到的世界作出合理预测,进一步提升其自主探索与决策能力。

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