不斷超越的人工智能

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、識別、感知、理解、通信、設(shè)計、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動，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“自動化理論”，把研究會思維的機(jī)器和開發(fā)計算機(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。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、自動程序設(shè)計、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)以及機(jī)器人學(xué)等多個角度展開了研究，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)橛嬎銠C(jī)計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。但是隨著計算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，計算機(jī)的運(yùn)算能力以指數(shù)級增長，加之網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃興起使得目前的計算機(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計算機(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)了對老鼠的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、爬樹和跳躍等動作的人工制導(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。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)基與一個擁有60個電極的電子矩陣相連接，這個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)動機(jī)器人輪子，同時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。“戈登”具有一定的學(xué)習(xí)能力，比如撞到墻時，它就會從傳感器得到電子刺激，再次遇到類似情況時，它就會記住。但是，如果沒有外界刺激，“戈登”便會在數(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)研究大腦對信息流的獲取、存儲、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，大腦不是計算機(jī)，不會亦步亦趨、按部就班地根據(jù)輸入產(chǎn)生輸出，大腦是個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3770萬個人造神經(jīng)細(xì)胞，盡管數(shù)量與人腦的1000億個腦細(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，比利時便研制出了能讓機(jī)器人擁有數(shù)百個行為能力的人工大腦。然而，這些人工大腦都是基于傳統(tǒng)的計算機(jī)設(shè)計和制造思路開發(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)突觸計算機(jī)芯片，這種芯片可以模擬大腦的認(rèn)知活動，完全不同于計算機(jī)設(shè)計與制造的傳統(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、類比數(shù)位以及異步、平行、分布式、可重組的特制容錯算法，來復(fù)制大腦的運(yùn)算單元、神經(jīng)元與突觸之間的活動。

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”。“谷歌虛擬大腦”是模擬人腦細(xì)胞之間的相互交流、影響而設(shè)計的，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臺計算機(jī)、16000個處理器、10億個內(nèi)部節(jié)點(diǎn)相連接，形成一個“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。當(dāng)有數(shù)據(jù)被送達(dá)這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時候，不同神經(jīng)元之間的關(guān)系就會發(fā)生改變，這種關(guān)系的變化使得該系統(tǒng)對某些特定數(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)到的概念相對應(yīng)的部分，以達(dá)到識別的效果。這個有著自學(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、存取和處理知識的能力，同時還能夠采用人工智能的問題求解模式來獲得結(jié)果。自從計算機(jī)誕生后，軟件的設(shè)計開發(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)計與開發(fā)成為了人工智能學(xué)科的新挑戰(zhàn)。

如今，對于智能軟件的開發(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)生另一個數(shù)據(jù)集合作為輸出。這就意味著“阿爾法圍棋”會在與圍棋高手的較量中不斷提高自己的棋力?！鞍柗▏濉钡牧硪粋€重要特征就是它具有兩個不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大腦：一個是“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”；另一個是“價值網(wǎng)絡(luò)”，負(fù)責(zé)評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，這個叫“棋局評估器”。在“兩個大腦”的配合下，“阿爾法圍棋”擊敗了圍棋界頂級高手，這絕對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)。同時還將諸如工作日、周末、假期、展會和體育賽事等影響交通和污染物排放的活動編程到預(yù)測模型中，最終這款智能軟件能夠每小時預(yù)報倫敦市內(nèi)150 個地點(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、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，這款軟件可以計算出每個輪班期間的最佳人員編制?？傊?，智能軟件的開發(fā)已經(jīng)并將繼續(xù)影響整個社會的方方面面。

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，它就會呼叫主人手機(jī)，通知主人家中有異常現(xiàn)象，同時主人還可以根據(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，這個機(jī)器人可以在噪聲環(huán)境下分辨聲音，而且對手寫筆記、文字和動畫有識別能力，有與人自然溝通的能力，可與兒童對話并實(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，還能夠大聲讀報紙，給人指方向等。更有意思的是，如果有陌生男士對Aiko舉止不雅，她就會扇他們耳光。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，同時它還有自動充電、安全防盜等多種功能，并可以語音播報天氣預(yù)報和簡要新聞等。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)探測熱能以識別人的存在。然而在生活中，無論人、動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