關(guān)聯(lián)回顧
(原創(chuàng))全圖說機(jī)器人的發(fā)展歷史
(原創(chuàng))全圖說機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展歷史
(原創(chuàng))全圖說機(jī)器人倫理的發(fā)展歷史
一次完成復(fù)雜任務(wù)的嘗試
一個(gè)月前,就在互聯(lián)網(wǎng)都在熱炒ChatGPT的時(shí)候,波士頓動(dòng)力(Boston Dynamics)在官方油管頻道上發(fā)布了一個(gè)他們的招牌人形機(jī)器人(Humanoid)Atlas的實(shí)驗(yàn)視頻。和之前展示的Atlas跑步、跳舞、翻跟頭的單純運(yùn)動(dòng)視頻不同,在這個(gè)視頻里,Atlas在一個(gè)更為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中,接到了一個(gè)輔助人類工作的任務(wù),然后Atlas利用身邊的簡單工具,巧妙地將任務(wù)完成。
Atlas大致將這個(gè)把工具包遞給高架上的工人的任務(wù)分解為以下幾個(gè)子任務(wù)來分別實(shí)現(xiàn):
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找到工具包,并拿起工具包,以及測算嘗試,根據(jù)自身的能力,做出判斷采用什么方式送給高架頂端的工人:是直接扔上高架?還是登陸到架子第二層再扔上去?又或者如何親手遞給架子最高處的工人?(這一步視頻中僅通過Atlas兩次來回的觀看來替代,在真實(shí)場景中,這個(gè)過程可能要復(fù)雜得多),本場景的動(dòng)作應(yīng)該僅僅是機(jī)器人演示編排的示例。
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如果上述判斷選擇在架子第二層扔給工人,Atlas需要思考如何登到架子的第二層,以及通過什么工具實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?(找到木板搭橋,以便能從臺階穿過木板,登陸到架子第二層)
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拿起工具包,走上架子第一層,跳到第二層,轉(zhuǎn)身將工具包扔給工人。
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意識到正前方有一個(gè)障礙物,將障礙物推下架子(這個(gè)應(yīng)該是刻意設(shè)計(jì)的,因?yàn)锳tlas本可以原路返回)。
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通過推下去的箱子,跳到地面上(中間玩了一個(gè)變態(tài)把戲(Sick Trick)的空翻完美著地)。
視頻在十幾個(gè)小時(shí)內(nèi),觀看量達(dá)到了百萬人,很多網(wǎng)友感慨其動(dòng)作的流暢性,很多人甚至說,自己都做不到Atlas這么完美,特別是最后的那個(gè)540度空翻,簡直是絕了。
外行看熱鬧,內(nèi)行看門道,這短短80秒的視頻,到底展示了Atlas怎樣的黑科技呢?
完美表現(xiàn)背后的黑科技波士頓動(dòng)力后來又發(fā)布了一個(gè)拍攝幕后花絮的視頻,透露了背后的一些技術(shù)細(xì)節(jié):
具體實(shí)現(xiàn),按照通常機(jī)器人組成劃分,主要包括感知、自治和執(zhí)行三個(gè)部分。
首先,就是感知能力。所謂的感知,就是環(huán)境預(yù)判和物品預(yù)判。除了檢測到周圍有什么物品之外,還需要去理解物體的屬性,包括它的形狀、重量、材質(zhì)、擺放狀態(tài)等等,這就是感知能力(Perception)。Atlas感知周遭世界的方式,跟人類的眼球類似,但是并不完全相同。
?它的頭部有兩個(gè)攝像頭,一個(gè)是彩色相機(jī),另一個(gè)則是深度相機(jī),用稱為 LIDAR的技術(shù)通過飛行時(shí)間(Time of flight,縮寫TOF)來測量距離。通過發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關(guān)場景的深度信息。借助 Atlas 的飛行時(shí)間深度相機(jī),會以每秒 15 幀的速度從其環(huán)境中生成點(diǎn)云,這是一個(gè)距離測量的大集合。然后感知軟件使用多平面分割算法識別表面。依靠這兩個(gè)攝像頭,Atlas來尋找環(huán)境中的形狀和其他特征,來識別關(guān)鍵物體的信息。
其次,就是根據(jù)感知信息,自主理解意圖以確定該怎么行動(dòng)。理解物品的屬性,還要去思考這個(gè)物體的狀況和自身能力的匹配,以及思考或者預(yù)判按照什么方式去操作這個(gè)物品,以達(dá)到其希望達(dá)到的目的,這就是自主(Automony)。舉個(gè)例子:人們在拿物品的時(shí)候,要掂量一下物品的重量,然后才能決定是用手直接抓起來,還是用雙臂去抬起來,以及如果太沉的物品,還要判斷是要先蹲下去再抬起來,以免傷到了腰椎。人拿物品運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,也需要判斷,這個(gè)物品很輕,就可以拎著跑;如果很沉,就得慢慢托著走,急不得;如果太沉,還得背著,扛著,或者借助其他工具。人做到這個(gè),也是從小在運(yùn)動(dòng)方面不斷訓(xùn)練得到能力,機(jī)器人也是如此。這個(gè)視頻中,我們看到機(jī)器人在拿木板的時(shí)候,是小心翼翼地,動(dòng)作并不劇烈,因?yàn)樗獪?zhǔn)確地把木板搭在梯子和架子之間,而拿工具包后,就跑著走了,而且在拎起工具包,它也有了一個(gè)基本判斷,就是知道這個(gè)物體是可以在架子第二層穩(wěn)穩(wěn)扔到架子頂部的,所有的這些都是模型預(yù)測的魅力。
模型預(yù)測,會通過軌跡優(yōu)化來預(yù)判行為邏輯,需要的是之前訓(xùn)練的技能庫來支撐,每次Atlas學(xué)習(xí)新的技能都會更新技能庫,然后根據(jù)前面感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù),機(jī)器人會快速選擇到底以合適的行為來完成目標(biāo)。復(fù)雜的行為會調(diào)動(dòng)全身四肢的所有部件協(xié)調(diào)完成(比如空翻)。
最后,就是控制執(zhí)行。能讓Atlas健步如飛,靈巧地跑動(dòng)起來以及保證一切動(dòng)作都能行如流水,一氣呵成,甚至能完成那個(gè)堪稱完美的后空翻,這都需要大量的機(jī)械自動(dòng)化的能力,Atlas 高 1.52 m,重 86 kg,三臺車載計(jì)算機(jī)以及用于移動(dòng)的電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。它的四肢全部由液壓驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力,具有 28 個(gè)液壓接頭:每條腿 6 個(gè),每只手臂 6 個(gè),背部關(guān)節(jié) 3 個(gè),頸部間距 1 個(gè)。Atlas 依靠其較低的手臂和腿部的自由度 (DOF) 保持平衡。手腕是多功能的,可以連接不同的手或工具,并增加了手腕旋轉(zhuǎn)的自由度以執(zhí)行任務(wù)。?
前面我們提到了模型預(yù)測庫,其實(shí)是不精準(zhǔn)的模型。一個(gè)簡單的模型會錯(cuò)過關(guān)于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的重要細(xì)節(jié),但一個(gè)復(fù)雜的模型可能需要太多的計(jì)算才能實(shí)時(shí)運(yùn)行。所以必須要在二者之間尋找一個(gè)平衡。機(jī)器人在具體動(dòng)作后,它的控制器(也稱為模型預(yù)測控制MPC)會使用動(dòng)態(tài)模型來預(yù)測運(yùn)動(dòng)在未來將如何發(fā)生細(xì)微的變化,然后利用優(yōu)化算法來計(jì)算最佳移動(dòng)策略和應(yīng)急響應(yīng)。這種應(yīng)急響應(yīng)會非??焖俚卣{(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)、機(jī)械器件的力量以及處理時(shí)間周期等等。比如同樣是從箱子上跳下來,具體箱子是40厘米高,還是50厘米高,MPC都會微調(diào)以應(yīng)對具體的變化。機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人每個(gè)連桿的動(dòng)量,以及機(jī)器人施加在它攜帶或投擲的物體上的力。
540度的非對稱空翻,要比正常的跑酷復(fù)雜困難得多,因?yàn)檫@種扭曲增加了常規(guī)后空翻中不存在的不對稱性。不僅數(shù)學(xué)更復(fù)雜,而且在空翻過程中,Atlas還需要卷起胳膊和腿,并在合適的時(shí)機(jī),再優(yōu)雅地舒展開,并在落地過程中,迅速尋找合適體態(tài)以達(dá)到平衡。MPC在工作時(shí)候,使Atlas就像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員一樣,Atlas開始空翻動(dòng)作時(shí),它需要雙臂張開以存儲角動(dòng)量,在空中翻滾過程中收緊雙臂雙腿盡可能縮成球形以增加旋轉(zhuǎn)角速度,然后在落地時(shí)再次張開雙臂雙腿以減輕落地速度和維系平衡,整個(gè)動(dòng)作只需要不到一秒鐘。Atlas 控制團(tuán)隊(duì)的軟件工程師 Robin Deits 在公司博客文章中說:“我們幾乎在機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)中都使用了所有可用的力量?!?。“這個(gè)技巧恰好是機(jī)器人能做的極限”。
相信這個(gè)視頻會讓很多人意識到,機(jī)器人幫助人類承接復(fù)雜繁重的體力勞動(dòng)的時(shí)代應(yīng)該不會很遙遠(yuǎn)了。
但事實(shí)真的如此嗎?讓我們先理性回顧一下波士頓動(dòng)力的歷史,再做判斷。
波士頓動(dòng)力的前世今生??
相信,在機(jī)器人圈里沒有多少人不知道波士頓動(dòng)力這個(gè)金字招牌,但是可能很少人知道這家公司真正的歷史背景。
如果尋根溯源,還要從馬克·雷伯特(Marc Raibert)說起。這位總是穿著Aloha襯衫的光頭大叔,現(xiàn)在已經(jīng)74歲了。毫不夸張地說,馬克·雷伯特一輩子基本上都在堅(jiān)持不懈地做一件事,就是多足機(jī)器人的研究。
1973年,雷伯特獲得了東北大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位,并于 1977 年獲得麻省理工學(xué)院博士學(xué)位。他的論文題目是“通過狀態(tài)空間模型進(jìn)行電機(jī)控制和學(xué)習(xí)”。畢業(yè)后,在1977 年至 1980 年間,他在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和加州理工學(xué)院從事機(jī)器人傳感和控制方面的工作。1980年轉(zhuǎn)到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系和機(jī)器人研究所任教并成立了腿部實(shí)驗(yàn)室(CMU Leg)。1986年,他來到麻省理工學(xué)院繼續(xù)擔(dān)任電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的教授,也把他的腿部實(shí)驗(yàn)室直接搬了過去。下面的視頻,我們能看到這個(gè)實(shí)驗(yàn)室早期的一些研究。
腿部實(shí)驗(yàn)室?guī)椭⒘烁邉?dòng)態(tài)機(jī)器人的科學(xué)基礎(chǔ)。這些機(jī)器人的靈感來自于動(dòng)物的敏捷、靈巧、感知和平衡感,以及優(yōu)雅的動(dòng)作。馬克·雷伯特在很多場合的演講都喜歡拿攀登陡峭山峰的山羊作為例子來闡述這個(gè)話題。他驚嘆于山羊在崎嶇不平的山崖上健步如飛的那種非凡力量,甚至小山羊都是如此,也在他的內(nèi)心深處產(chǎn)生了一個(gè)夢想:將雙足和四足機(jī)器人技術(shù)推進(jìn)到超自然狀態(tài)(advance bipedal and quadrupedal robotics to a supernatural state.)。而他不管是在腿部實(shí)驗(yàn)室,還是后來成立波士頓動(dòng)力,一直以來都堅(jiān)定地地踐行他對這個(gè)夢想的追求。
超自然(supernatural )這個(gè)詞兒,帶有濃重的宗教色彩,原本是用在神秘主義中的。盡管雷伯特沒有進(jìn)一步解釋這個(gè)詞的含義,但我理解他真正想表達(dá)的應(yīng)該是奇跡,也就是超越多足動(dòng)物原本的自然生理極限,跳得更高,跑得更快,運(yùn)動(dòng)的得更為靈活,以及能在更為嚴(yán)酷的自然環(huán)境中從容生存。
在當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代,腿部實(shí)驗(yàn)室的研究和當(dāng)時(shí)主流機(jī)器人研究路徑完全不同,過于特立獨(dú)行、驚世駭俗。當(dāng)時(shí)市面上大部分的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)都是非常緩慢的、穩(wěn)健的、機(jī)械的、有板有眼的,而且這仿佛也成為工業(yè)化生產(chǎn)的機(jī)器人默認(rèn)的共識。而腿部實(shí)驗(yàn)室這種蹦蹦跳跳,很難站穩(wěn)的單腿或者多腿跳躍機(jī)器人,無故障運(yùn)行時(shí)間(MTTF)短到無法被商業(yè)資本賞識,在當(dāng)時(shí)那個(gè)唯利是圖的時(shí)代,除了娛樂性的雜技表演,這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究成果實(shí)在看不到實(shí)用的、賺錢的應(yīng)用前景,而經(jīng)常被稱為華而不實(shí),甚至嘩眾取寵。
1992年,馬克·雷伯特將腿部實(shí)驗(yàn)室從MIT剝離出來,在國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)的資助下(DARPA在美國是個(gè)神奇的存在,下次有機(jī)會好好聊一聊這個(gè)機(jī)構(gòu)),成立了波士頓動(dòng)力公司。盡管馬克·雷伯特當(dāng)時(shí)在機(jī)器人腿部實(shí)驗(yàn)室的研究已經(jīng)搞了12年,而且得到了DARPA的資助,但他仍然不確定是否會繼續(xù)搞下去,上文也提到了,因?yàn)槔坏缴逃觅澲?,這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的研究仿佛在沙漠中行走,艱難且看不到成功的方向。
波士頓動(dòng)力公司第一個(gè)合同是和美國海軍空戰(zhàn)中心訓(xùn)練系統(tǒng)部(NAWCTSD)簽署的,用 DI-Guy 制作的交互式3D計(jì)算機(jī)模擬代替飛機(jī)發(fā)射操作的海軍訓(xùn)練視頻,用于真實(shí)人體模擬的軟件。項(xiàng)目交付很成功。說白一點(diǎn)兒,如果沿著這個(gè)方向繼續(xù)走下去,波士頓動(dòng)力很可能會成為一家建模和仿真公司,而不是機(jī)器人公司。
根據(jù)馬克·雷伯特的回憶,是索尼幫助他們堅(jiān)定了信仰。波士頓動(dòng)力接下來有一個(gè)契機(jī),默默地給索尼工作了五年,并制作了一個(gè)從未見天日的寵物狗AIBO的原型,后來又幫助索尼研究了小型機(jī)器人QRIO,并幫助其開發(fā)了機(jī)器人編舞的工具。這些工作徹底喚醒了馬克·雷伯特對機(jī)器人的熱情,隨后,在DARPA的支持下,波士頓動(dòng)力給BigDog寫了一份提案,并毫無懸念地很快獲得了批準(zhǔn)。
馬克·雷伯特是一個(gè)不善于自我宣傳、甚至是抵制媒體的教授。給軍方做的BigDog項(xiàng)目視頻僅僅上傳到他們自己的網(wǎng)站上,骨子里的清高,讓他覺得過分地宣傳是不體面的一件事。2004年,有心的機(jī)器人愛好者把BigDog上傳到了油管上。在2008年,DARPA的50年周年晚宴上,馬克·雷伯特和DARPA 的負(fù)責(zé)人 托尼·特瑟(Tony Tether )介紹自己的時(shí)候,對方立即興奮地說:“BigDog,油管上三百五十萬瀏覽量!”他才明白,互聯(lián)網(wǎng)宣傳是多么的重要。同年,波士頓動(dòng)力在油管上注冊了官方賬號,很快這個(gè)賬號就成了科技界的網(wǎng)紅。后面的故事,應(yīng)該就是大家熟知的內(nèi)容了。
獨(dú)特的企業(yè)座右銘和很多機(jī)器人公司以確保平均無故障時(shí)間 (MTTF)不同,波士頓動(dòng)力并不把MTTF看的很重要。其他機(jī)器人公司因?yàn)閾?dān)心被高昂費(fèi)用制造出來的機(jī)器人出故障,就會刻意把機(jī)器人的動(dòng)作調(diào)慢,變得穩(wěn)妥,也刻意減少外部干擾,讓機(jī)器人的工作環(huán)境達(dá)到最小變量,仿佛是對待溫室的花朵一般來開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)。波士頓動(dòng)力反其道而行之,不但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中訓(xùn)練機(jī)器人,而且還刻意給機(jī)器人設(shè)計(jì)各種刁難的變量。
我們不僅僅看到這些機(jī)器人在沙漠、森林、河灘、沼澤、沙地、山坡、厚雪和冰面上行走、奔跑和摔跤,通過各式各樣的極端現(xiàn)實(shí)環(huán)境去磨練,更甚者,我們還在視頻中經(jīng)??吹剑瑴y試員人為地給機(jī)器人制造額外的麻煩,比如用手推,用腳踹,用棒子捅,刻意改變物品的位置,故意使絆子。這種下狠手往往讓觀看視頻的網(wǎng)友對“受虐”的機(jī)器人產(chǎn)生同情,甚至覺得波士頓動(dòng)力的測試員都是冷血變態(tài),甚至有懂CGI的網(wǎng)友直接創(chuàng)造了Bosstown Dynamics的偽視頻,來諷刺波士頓動(dòng)力對機(jī)器人的這種行為。這都是徹底誤會了這家公司的本意。之所以波士頓動(dòng)力這么干,不擔(dān)心機(jī)器人出錯(cuò),不擔(dān)心磕磕碰碰,因?yàn)闄C(jī)器人摔壞了,可以再修,再改進(jìn),再測試,不斷調(diào)優(yōu),不斷進(jìn)步,才能保證下次避免類似情況出現(xiàn)時(shí)機(jī)器人能從容應(yīng)對。
波士頓動(dòng)力這個(gè)座右銘是非常厲害的。這就仿佛教育孩子一樣,越嬌慣的孩子越養(yǎng)不好,越磨練的孩子越成事,是一個(gè)道理。如果我們最終的目的,就是讓機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界紛繁復(fù)雜,不可預(yù)測的環(huán)境中從容生存,就應(yīng)該教會他們?nèi)绾螒?yīng)對各種各樣的意外。這種座右銘也和這家公司希望制造的機(jī)器人的初衷是吻合的。
波士頓動(dòng)力的目標(biāo)就是構(gòu)建高機(jī)動(dòng)性的機(jī)器人。他們想制造的機(jī)器人,是只要人能去的地方,這些機(jī)器人就都能去,甚至環(huán)境惡劣到人去不了的,這些機(jī)器人也能輕松應(yīng)對。這就不是整潔有序的工廠和流水線了,而是廣袤無際未知的自然界和人造環(huán)境。這種環(huán)境中里,不可避免地需要靈巧地穿過陡峭的巖石小徑、泥濘的沼澤、光滑的冰面、拐來拐去的樓梯、狹窄雜亂的過道、擁擠的人流車流、五花八門各種類型的門,以及可能遭遇很多外在環(huán)境的突然改變,甚至是意圖不明的冒犯者。他們希望機(jī)器人最終會像人和動(dòng)物一樣移動(dòng)以及反應(yīng),那種在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中保持平衡快速應(yīng)對的特質(zhì),能夠?qū)⒆约旱倪\(yùn)動(dòng)能力發(fā)揮到極致的一種優(yōu)雅和栩栩如生。
酷炫技術(shù)與市場需求之間的巨大鴻溝與資本的無奈毫無疑問,波士頓動(dòng)力這種對待測試機(jī)器人的這種粗暴和野蠻,背后意味著巨大的成本投入,這種燒錢的無底洞多少還是刺激了資本家們的神經(jīng)。為了能持續(xù)在商業(yè)成果不夠顯著的波士頓動(dòng)力上持續(xù)運(yùn)作下去,這家命運(yùn)多舛的公司,接連換過多個(gè)金主爸爸。
BigDog因?yàn)樵胍暨^大無法商用,最終DARPA停止了對波士頓動(dòng)力的資助。2013年12月13日,谷歌以未知價(jià)格收購,從DARPA接棒,不到4年,2017年6月8日,又以1.65 億美元的價(jià)格易手給軟銀,然后短短2年不到,軟銀又以11億美元的價(jià)格賣給了現(xiàn)代汽車集團(tuán)。那么,現(xiàn)代集團(tuán)是否會有足夠的耐心等待,并持續(xù)不斷地為它燒錢呢?如果賺錢問題不得到根本的解決,波士頓動(dòng)力未來還是要免不了面對易主的命運(yùn)。
從波士頓動(dòng)力頻繁易主的現(xiàn)象,我們也能側(cè)面印證多足機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化過程的不易。商業(yè)社會,一切都是以市場需求為導(dǎo)向的。從技術(shù)到市場,需要的不單單是成熟的技術(shù)、可控的產(chǎn)業(yè)鏈,還需要有“癢點(diǎn)”或者“痛點(diǎn)”需求相匹配。技術(shù)和市場之間,這個(gè)“癢點(diǎn)”或者“痛點(diǎn)”需求就是跨越二者鴻溝的橋梁。從這一點(diǎn)上來看,任何一家牛逼的技術(shù)公司,如果僅僅是炫技,是無法強(qiáng)扭市場來買單的。
需求問題解決不了,這個(gè)“癢點(diǎn)”或者“痛點(diǎn)”找不到,人們就會去自然地比較成本。拿Spot為例,目前每只Spot Mini的價(jià)格是74500美金,如果再需要配備一個(gè)酷炫的機(jī)器手臂,還需要再花38950美金。如果一個(gè)產(chǎn)業(yè)工人的價(jià)格,低于Spot的價(jià)格,而且效率還會更高,為什么工程隊(duì)要去買Spot呢?同樣,如果一個(gè)消防犬的成本和響應(yīng)速度,遠(yuǎn)優(yōu)于Spot的時(shí)候,為什么消防隊(duì)要去買Spot呢?
只要那個(gè)多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力上,達(dá)不到真正超越人類和自然生物的奇點(diǎn),所有的相關(guān)研究,會一直被認(rèn)為是一個(gè)燒錢的買賣。博得眼球沒有錯(cuò),但是要是市場需求上不來,規(guī)?;杀臼冀K降不下去,那么必然市場也就打不開,故事講得再動(dòng)聽,視頻拍得再酷炫,冷靜下來,還是要經(jīng)受殘酷無情市場的鞭撻與考驗(yàn)。
原文標(biāo)題:河套IT TALK——TALK47:(原創(chuàng))波士頓動(dòng)力的Atlas最近又亮瞎了雙眼
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原文標(biāo)題:河套IT TALK——TALK47:(原創(chuàng))波士頓動(dòng)力的Atlas最近又亮瞎了雙眼
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