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不斷超越的人工智能

2016-05-14 19:03姚丁揚(yáng)
百科知識(shí) 2016年9期
關(guān)鍵詞:大腦人工智能機(jī)器人

姚丁揚(yáng)

今年3月16日,全球矚目的圍棋“人機(jī)大戰(zhàn)”在韓國首爾收官,谷歌公司旗下的人工智能軟件“阿爾法圍棋”以4∶1的比分戰(zhàn)勝了圍棋世界冠軍李世石。這次人機(jī)大戰(zhàn)的結(jié)果不僅激發(fā)出人們對(duì)人工智能的無限熱情,更是讓人類開始重新思考人工智能在圍棋以外的更多可能性。

人工智能的起源和發(fā)展

顧名思義,人工智能就是人造的智能,它是一門通過計(jì)算過程力圖理解和模仿智能行為的學(xué)科。其基本目標(biāo)就是使機(jī)器表現(xiàn)出類似人類的判斷、推理、證明、識(shí)別、感知、理解、通信、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動(dòng),使機(jī)器具有類似人類的智能行為,使機(jī)器思維能擁有人類的思考方式。

人工智能的思想最早可以追溯到法國哲學(xué)家笛卡爾的“有靈魂的機(jī)器”。到了20世紀(jì)30年代,英國數(shù)學(xué)家圖靈提出了“自動(dòng)化理論”,把研究會(huì)思維的機(jī)器和開發(fā)計(jì)算機(jī)的工作大大向前推進(jìn)了一步,他也因此被稱為“人工智能之父”。但是,“人工智能”這個(gè)概念真正誕生的標(biāo)志是1956年夏季在美國達(dá)特瑪斯大學(xué)召開的以“人工智能”為名的學(xué)術(shù)討論會(huì)。隨后的幾十年中,人們從問題求解、邏輯推理、定理證明、自然語言理解、博弈、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)以及機(jī)器人學(xué)等多個(gè)角度展開了研究,并建立了一些具有不同程度人工智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)然,人工智能的發(fā)展也不是一帆風(fēng)順的,曾一度因?yàn)橛?jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制無法模仿人腦的思考以及與實(shí)際需求的差距過大而走入低谷。但是隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力以指數(shù)級(jí)增長,加之網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃興起使得目前的計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了足夠的條件來運(yùn)行一些要求較高的人工智能軟件。當(dāng)然,人工智能的快速發(fā)展并不意味著它已經(jīng)能達(dá)到人腦的水平,但人工智能的發(fā)展?jié)摿€是巨大的。根據(jù)人工智能研究的主要目標(biāo),以下4個(gè)方面引領(lǐng)了人工智能的發(fā)展方向:第一,與生物技術(shù)、電子技術(shù)結(jié)合,研究生物電子體;第二,與腦科學(xué)、信息處理技術(shù)結(jié)合,研究人工大腦;第三,與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)結(jié)合,研究智能軟件;第四,與通訊技術(shù)、控制技術(shù)結(jié)合,研究家庭機(jī)器人。

有血有肉的生物電子體

在我們的印象中,人工智能通常是一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件,其實(shí)它也可能擁有一副有血有肉的身軀在現(xiàn)世界行走、奔跑甚至飛翔。生物電子體技術(shù)就是讓人工智能擁有活動(dòng)能力的一種全新技術(shù)。

生物電子體是生物細(xì)胞與電腦微芯片有效協(xié)作的共存體,可以實(shí)現(xiàn)部分或全部生物的智能。研制電子生物體主要有“植入法”和“提取法”兩種方式:“植入法”就是把模擬生物體的電腦微芯片植入生物體,并與生物體形成協(xié)作共存體;“提取法”就是從生物體中提取出細(xì)胞組織與模擬生物體的微芯片結(jié)合為協(xié)作共存體。

研究生物電子體的目的,就是希望制備出一種協(xié)作共存體,從而對(duì)生物體進(jìn)行有效控制,使其為人類服務(wù)。譬如當(dāng)年美國“9·11”恐怖襲擊后,美國政府緊急安排了10種機(jī)器人進(jìn)行城市搜索和救援工作,但其中有6種機(jī)器人由于體積太大而不能運(yùn)送到現(xiàn)場開展工作。試想一下,我們?nèi)绻蒙镫娮芋w有效控制爬行動(dòng)物的行為,使其為人類服務(wù),這可能比研究救援機(jī)器人花費(fèi)的時(shí)間和資源更少一些。

在生物電子體領(lǐng)域,各國已相繼開展了諸多研究。利用相對(duì)簡單的“植入法”,日本東京大學(xué)率先研究了一種蟑螂控制技術(shù),他們把蟑螂頭上的觸須和翅膀切除,插入電極、微處理器和紅外傳感器,通過遙控信號(hào)產(chǎn)生電刺激,使蟑螂能夠沿著特定方向行進(jìn)。美國紐約州立大學(xué)通過向老鼠體內(nèi)植入微控制器,也成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)老鼠的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、爬樹和跳躍等動(dòng)作的人工制導(dǎo)。我國在電子生物體的研究上也有突破性進(jìn)展,南京航空航天大學(xué)就研究了一種壁虎的人工控制技術(shù),即把微電極植入壁虎體內(nèi),通過電刺激模擬神經(jīng)控制其運(yùn)動(dòng)。而通過“提取法”制得的生物電子體就更復(fù)雜些,比較有代表性的是英國科學(xué)家推出的一個(gè)由老鼠的腦組織控制的機(jī)器人,名為“戈登”。在該項(xiàng)研究中,科研人員先從老鼠身上分離出神經(jīng)細(xì)胞,放置在酶溶液中,讓這些神經(jīng)細(xì)胞彼此分離,然后再將這些神經(jīng)細(xì)胞置于營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中。該培養(yǎng)基與一個(gè)擁有60個(gè)電極的電子矩陣相連接,這個(gè)電子矩陣就是活體腦組織和機(jī)器部件的接合面。通過電子矩陣,“戈登”大腦發(fā)出電子脈沖,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人輪子,同時(shí)也能接受傳感器基于外部環(huán)境刺激發(fā)出的脈沖。由于“戈登”的大腦是活的組織,因此必須裝在溫度特定的器具中。除了自身大腦外,“戈登”不受任何人為和電腦的控制?!案甑恰本哂幸欢ǖ膶W(xué)習(xí)能力,比如撞到墻時(shí),它就會(huì)從傳感器得到電子刺激,再次遇到類似情況時(shí),它就會(huì)記住。但是,如果沒有外界刺激,“戈登”便會(huì)在數(shù)月內(nèi)因大腦萎縮而死亡。盡管如此,“戈登”仍是實(shí)現(xiàn)提取活體腦組織和電子部件結(jié)合的研究新突破,也是電子生物體的重大突破。

擅長自學(xué)的人工大腦

開發(fā)人工大腦就是從信息處理切入,結(jié)合腦科學(xué)研究大腦對(duì)信息流的獲取、存儲(chǔ)、聯(lián)想(提取)、回憶(反饋)等處理邏輯,以及腦神經(jīng)細(xì)胞的工作原理來為大腦建模的過程。我們都知道,大腦不是計(jì)算機(jī),不會(huì)亦步亦趨、按部就班地根據(jù)輸入產(chǎn)生輸出,大腦是個(gè)極其龐大的記憶系統(tǒng),真正了解人類大腦,構(gòu)建出大腦的記憶-預(yù)測系統(tǒng)模型才能制造真正的智能。人工大腦其實(shí)早在20世紀(jì)末就出現(xiàn)了,日本京都先進(jìn)電訊研究所率先研制了一只機(jī)器貓,該機(jī)器貓的腦部主要采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包含約3770萬個(gè)人造神經(jīng)細(xì)胞,盡管數(shù)量與人腦的1000億個(gè)腦細(xì)胞相比差之甚遠(yuǎn),但其智能超過了昆蟲,實(shí)現(xiàn)了人工大腦開發(fā)的第一步。緊接著,比利時(shí)便研制出了能讓機(jī)器人擁有數(shù)百個(gè)行為能力的人工大腦。然而,這些人工大腦都是基于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和制造思路開發(fā)的,與人腦的工作模式有著本質(zhì)的區(qū)別,因此,改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,是未來研究人工大腦的必經(jīng)之路。

目前,走在研究人工大腦技術(shù)前沿的是幾大信息技術(shù)巨頭,其中IBM和谷歌的研究成果尤為突出。IBM的研究人員研制出了第一代神經(jīng)突觸計(jì)算機(jī)芯片,這種芯片可以模擬大腦的認(rèn)知活動(dòng),完全不同于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與制造的傳統(tǒng)理念。研究人員通過先進(jìn)算法和硅電路,再現(xiàn)了發(fā)生于大腦中神經(jīng)細(xì)胞和突觸之間的現(xiàn)象。未來,IBM將進(jìn)一步開發(fā)認(rèn)知運(yùn)算芯片,并將以混合信號(hào)、類比數(shù)位以及異步、平行、分布式、可重組的特制容錯(cuò)算法,來復(fù)制大腦的運(yùn)算單元、神經(jīng)元與突觸之間的活動(dòng)。

近年來,谷歌將大量資金、人力投入人工大腦研究中,并成功開發(fā)出了模擬人腦并具備自我學(xué)習(xí)功能的“谷歌虛擬大腦”?!肮雀杼摂M大腦”是模擬人腦細(xì)胞之間的相互交流、影響而設(shè)計(jì)的,通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的“神經(jīng)元”,由1000臺(tái)計(jì)算機(jī)、16000個(gè)處理器、10億個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相連接,形成一個(gè)“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。當(dāng)有數(shù)據(jù)被送達(dá)這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候,不同神經(jīng)元之間的關(guān)系就會(huì)發(fā)生改變,這種關(guān)系的變化使得該系統(tǒng)對(duì)某些特定數(shù)據(jù)形成反應(yīng)機(jī)制,從而讓系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)能力,并且能夠在新輸入的數(shù)據(jù)中找出與學(xué)到的概念相對(duì)應(yīng)的部分,以達(dá)到識(shí)別的效果。這個(gè)有著自學(xué)功能的虛擬大腦系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域有著劃時(shí)代意義,研究人員無需預(yù)先輸入某一概念,它就可以自己決定關(guān)注數(shù)據(jù)的哪部分特征,注意哪些模式,從而自動(dòng)從輸入的大量數(shù)據(jù)中“領(lǐng)悟”這一概念,這與人腦的學(xué)習(xí)過程十分相似。

智能軟件不止于圍棋

所謂智能軟件,是指能夠產(chǎn)生人類智能行為的計(jì)算機(jī)軟件。智能軟件與傳統(tǒng)軟件最重要的區(qū)別就是:智能軟件具有現(xiàn)場感應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)的能力,還有表示、獲取、存取和處理知識(shí)的能力,同時(shí)還能夠采用人工智能的問題求解模式來獲得結(jié)果。自從計(jì)算機(jī)誕生后,軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)便一直落后于硬件生產(chǎn)水平的發(fā)展,智能軟件更是無從談起。直到20世紀(jì)末,作為現(xiàn)實(shí)世界高水平的抽象——Agent軟件系統(tǒng)的誕生,才大大加快了智能軟件的開發(fā)。很快,基于Agent的實(shí)時(shí)道路交通導(dǎo)航系統(tǒng)模型、面向Agent的巡航導(dǎo)彈武器控制系統(tǒng)和多Agent敏捷調(diào)度系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來。目前,基于Agent的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)已經(jīng)成為人工智能學(xué)科的重要內(nèi)容之一,而如何在軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)中更好地體現(xiàn)Agent的自治性、交互性、協(xié)作性以及可通信性等,又使智能軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)成為了人工智能學(xué)科的新挑戰(zhàn)。

如今,對(duì)于智能軟件的開發(fā)正處于如火如荼的階段。比如,擊敗李世石的“阿爾法圍棋”便是一款智能軟件,這款智能軟件最重要的特征就是“深度學(xué)習(xí)”。深度學(xué)習(xí)的主要原理就是用一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把大量矩陣數(shù)字作為輸入,通過非線性激活方法取權(quán)重,再產(chǎn)生另一個(gè)數(shù)據(jù)集合作為輸出。這就意味著“阿爾法圍棋”會(huì)在與圍棋高手的較量中不斷提高自己的棋力。“阿爾法圍棋”的另一個(gè)重要特征就是它具有兩個(gè)不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大腦:一個(gè)是“監(jiān)督學(xué)習(xí)的策略網(wǎng)絡(luò)”,負(fù)責(zé)觀察棋盤布局試圖找到最佳的下一步,相當(dāng)于“落子選擇器”;另一個(gè)是“價(jià)值網(wǎng)絡(luò)”,負(fù)責(zé)評(píng)估棋局的整體局面并預(yù)測雙方勝負(fù),從而輔助落子選擇器,這個(gè)叫“棋局評(píng)估器”。在“兩個(gè)大腦”的配合下,“阿爾法圍棋”擊敗了圍棋界頂級(jí)高手,這絕對(duì)是人工智能的大突破。此外,智能軟件還在環(huán)保、商務(wù)和醫(yī)療等領(lǐng)域嶄露頭角。我們知道,現(xiàn)在空氣污染備受關(guān)注,西門子中央研究院便開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空氣污染預(yù)測軟件。該軟件利用了倫敦市遍布中心城區(qū)的約150 座監(jiān)測站收集的包括濕度、太陽輻射、云層覆蓋和溫度等天氣數(shù)據(jù)和一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等氣體的排放測量數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。同時(shí)還將諸如工作日、周末、假期、展會(huì)和體育賽事等影響交通和污染物排放的活動(dòng)編程到預(yù)測模型中,最終這款智能軟件能夠每小時(shí)預(yù)報(bào)倫敦市內(nèi)150 個(gè)地點(diǎn)未來 3 天的空氣污染程度,誤差率不超過 10%,并且還可以推斷出導(dǎo)致所預(yù)測空氣污染的主要原因。另外,現(xiàn)在還出現(xiàn)了許多商務(wù)智能軟件,主要就是通過分析銷售額、客流量、庫存、人員配置等所有和企業(yè)運(yùn)營相關(guān)的數(shù)據(jù)來顯示和預(yù)測市場波動(dòng)、經(jīng)濟(jì)趨勢等,并為決策者提供未來的規(guī)劃和方案。例如,美國的某公司開發(fā)了一款餐廳績效管理智能軟件,這款軟件可以計(jì)算出每個(gè)輪班期間的最佳人員編制??傊悄苘浖拈_發(fā)已經(jīng)并將繼續(xù)影響整個(gè)社會(huì)的方方面面。

家庭機(jī)器人走入百姓家

人工智能的最后一個(gè)研究方向就是研發(fā)家庭機(jī)器人。所謂機(jī)器人,就是指裝有傳感器和微處理器,并且擁有潛在的人工智能,能夠在無人操作的情況下完成一些重復(fù)動(dòng)作的設(shè)備。在過去的幾十年中,機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和危險(xiǎn)環(huán)境中,如今,機(jī)器人市場已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向家庭。那種可以和人成為朋友,陪人聊天,也可以幫助人們看家、清潔地板、照顧孩子等做一系列家務(wù)活兒的家庭機(jī)器人引領(lǐng)了新的時(shí)尚。

日本一直走在家庭機(jī)器人研究的最前沿。21世紀(jì)初,日本泰姆澤庫公司便研發(fā)了一款恐龍機(jī)器人“番龍”,該機(jī)器人體型和大型警犬差不多。如果家中出現(xiàn)異常情況,它就會(huì)呼叫主人手機(jī),通知主人家中有異?,F(xiàn)象,同時(shí)主人還可以根據(jù)傳感器的反應(yīng),遠(yuǎn)距離操縱“番龍”尋找所出現(xiàn)的異?,F(xiàn)象。緊接著,日本的NEC公司發(fā)布了一款名為PaPeRo的具有強(qiáng)化通訊功能的家庭型機(jī)器人,這個(gè)機(jī)器人可以在噪聲環(huán)境下分辨聲音,而且對(duì)手寫筆記、文字和動(dòng)畫有識(shí)別能力,有與人自然溝通的能力,可與兒童對(duì)話并實(shí)現(xiàn)部分兒童監(jiān)護(hù)功能。后來,日本的富士房屋(Fuji Housing)公司又開發(fā)了一款外觀形似泰迪熊的新型家務(wù)機(jī)器人,這只“泰迪熊”帶有聲音識(shí)別系統(tǒng),可以聽懂一萬多種命令并能夠準(zhǔn)確執(zhí)行這些命令。除日本外,其他國家也積極開發(fā)家庭機(jī)器人。加拿大的一位電腦奇才根據(jù)自己的擇偶標(biāo)準(zhǔn),打造了一個(gè)完美機(jī)器人妻子Aiko。該女性機(jī)器人一頭秀發(fā),五官精致,能從事簡單的清潔和家務(wù)工作,精于數(shù)學(xué),可以認(rèn)人,還能夠大聲讀報(bào)紙,給人指方向等。更有意思的是,如果有陌生男士對(duì)Aiko舉止不雅,她就會(huì)扇他們耳光。再說中國,最近上市的一款家庭智能機(jī)器人名叫塔米,它身高只有45厘米,能跟孩子一起玩,具有唱歌、跳舞、背唐詩、說英語等能力,同時(shí)它還有自動(dòng)充電、安全防盜等多種功能,并可以語音播報(bào)天氣預(yù)報(bào)和簡要新聞等。當(dāng)然,現(xiàn)階段的家庭機(jī)器人仍然受到技術(shù)的限制,普遍使用激光技術(shù)計(jì)算距離,使用雷達(dá)技術(shù)保持平衡,使用紅外線攝像技術(shù)探測熱能以識(shí)別人的存在。然而在生活中,無論人、動(dòng)物還是燈都是一處處熱源,這使得機(jī)器人難以準(zhǔn)確分辨。因此,開發(fā)出能與環(huán)境交互產(chǎn)生自主行為,并發(fā)育出心智的家庭機(jī)器人,是未來家庭機(jī)器人的研究熱點(diǎn),這也是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真正人工智能化的關(guān)鍵。

人工智能學(xué)科的出現(xiàn)與發(fā)展絕不是孤立的,它是與整個(gè)科學(xué)體系的演化和發(fā)展進(jìn)程密切相關(guān)的。21世紀(jì)各學(xué)科蓬勃發(fā)展,高科技層出不窮,人工智能也必將在時(shí)代要求下實(shí)現(xiàn)與多學(xué)科的交叉研究,在與多學(xué)科的交叉研究與發(fā)展中,必將掀起一場智能技術(shù)革命,從而開辟人機(jī)協(xié)同思考的新紀(jì)元。

【責(zé)任編輯】張小萌

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