不断超越的人工智能

姚丁扬

今年3月16日，全球瞩目的围棋“人机大战”在韩国首尔收官，谷歌公司旗下的人工智能软件“阿尔法围棋”以4∶1的比分战胜了围棋世界冠军李世石。这次人机大战的结果不仅激发出人们对人工智能的无限热情，更是让人类开始重新思考人工智能在围棋以外的更多可能性。

人工智能的起源和发展

顾名思义，人工智能就是人造的智能，它是一门通过计算过程力图理解和模仿智能行为的学科。其基本目标就是使机器表现出类似人类的判断、推理、证明、识别、感知、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动，使机器具有类似人类的智能行为，使机器思维能拥有人类的思考方式。

人工智能的思想最早可以追溯到法国哲学家笛卡尔的“有灵魂的机器”。到了20世纪30年代，英国数学家图灵提出了“自动化理论”，把研究会思维的机器和开发计算机的工作大大向前推进了一步，他也因此被称为“人工智能之父”。但是，“人工智能”这个概念真正诞生的标志是1956年夏季在美国达特玛斯大学召开的以“人工智能”为名的学术讨论会。随后的几十年中，人们从问题求解、逻辑推理、定理证明、自然语言理解、博弈、自动程序设计、专家系统、学习以及机器人学等多个角度展开了研究，并建立了一些具有不同程度人工智能的计算机系统。当然，人工智能的发展也不是一帆风顺的，曾一度因为计算机计算能力的限制无法模仿人脑的思考以及与实际需求的差距过大而走入低谷。但是随着计算机硬件和软件的发展，计算机的运算能力以指数级增长，加之网络技术的蓬勃兴起使得目前的计算机已经具备了足够的条件来运行一些要求较高的人工智能软件。当然，人工智能的快速发展并不意味着它已经能达到人脑的水平，但人工智能的发展潜力还是巨大的。根据人工智能研究的主要目标，以下4个方面引领了人工智能的发展方向：第一，与生物技术、电子技术结合，研究生物电子体；第二，与脑科学、信息处理技术结合，研究人工大脑；第三，与网络技术、软件技术结合，研究智能软件；第四，与通讯技术、控制技术结合，研究家庭机器人。

有血有肉的生物电子体

在我们的印象中，人工智能通常是一个计算机软件，其实它也可能拥有一副有血有肉的身躯在现世界行走、奔跑甚至飞翔。生物电子体技术就是让人工智能拥有活动能力的一种全新技术。

生物电子体是生物细胞与电脑微芯片有效协作的共存体，可以实现部分或全部生物的智能。研制电子生物体主要有“植入法”和“提取法”两种方式：“植入法”就是把模拟生物体的电脑微芯片植入生物体，并与生物体形成协作共存体；“提取法”就是从生物体中提取出细胞组织与模拟生物体的微芯片结合为协作共存体。

研究生物电子体的目的，就是希望制备出一种协作共存体，从而对生物体进行有效控制，使其为人类服务。譬如当年美国“9·11”恐怖袭击后，美国政府紧急安排了10种机器人进行城市搜索和救援工作，但其中有6种机器人由于体积太大而不能运送到现场开展工作。试想一下，我们如果利用生物电子体有效控制爬行动物的行为，使其为人类服务，这可能比研究救援机器人花费的时间和资源更少一些。

在生物电子体领域，各国已相继开展了诸多研究。利用相对简单的“植入法”，日本东京大学率先研究了一种蟑螂控制技术，他们把蟑螂头上的触须和翅膀切除，插入电极、微处理器和红外传感器，通过遥控信号产生电刺激，使蟑螂能够沿着特定方向行进。美国纽约州立大学通过向老鼠体内植入微控制器，也成功实现了对老鼠的转弯、前进、爬树和跳跃等动作的人工制导。我国在电子生物体的研究上也有突破性进展，南京航空航天大学就研究了一种壁虎的人工控制技术，即把微电极植入壁虎体内，通过电刺激模拟神经控制其运动。而通过“提取法”制得的生物电子体就更复杂些，比较有代表性的是英国科学家推出的一个由老鼠的脑组织控制的机器人，名为“戈登”。在该项研究中，科研人员先从老鼠身上分离出神经细胞，放置在酶溶液中，让这些神经细胞彼此分离，然后再将这些神经细胞置于营养丰富的培养基中。该培养基与一个拥有60个电极的电子矩阵相连接，这个电子矩阵就是活体脑组织和机器部件的接合面。通过电子矩阵，“戈登”大脑发出电子脉冲，驱动机器人轮子，同时也能接受传感器基于外部环境刺激发出的脉冲。由于“戈登”的大脑是活的组织，因此必须装在温度特定的器具中。除了自身大脑外，“戈登”不受任何人为和电脑的控制。“戈登”具有一定的学习能力，比如撞到墙时，它就会从传感器得到电子刺激，再次遇到类似情况时，它就会记住。但是，如果没有外界刺激，“戈登”便会在数月内因大脑萎缩而死亡。尽管如此，“戈登”仍是实现提取活体脑组织和电子部件结合的研究新突破，也是电子生物体的重大突破。

擅长自学的人工大脑

开发人工大脑就是从信息处理切入，结合脑科学研究大脑对信息流的获取、存储、联想（提取）、回忆（反馈）等处理逻辑，以及脑神经细胞的工作原理来为大脑建模的过程。我们都知道，大脑不是计算机，不会亦步亦趋、按部就班地根据输入产生输出，大脑是个极其庞大的记忆系统，真正了解人类大脑，构建出大脑的记忆-预测系统模型才能制造真正的智能。人工大脑其实早在20世纪末就出现了，日本京都先进电讯研究所率先研制了一只机器猫，该机器猫的脑部主要采用了人工神经网络技术，包含约3770万个人造神经细胞，尽管数量与人脑的1000亿个脑细胞相比差之甚远，但其智能超过了昆虫，实现了人工大脑开发的第一步。紧接着，比利时便研制出了能让机器人拥有数百个行为能力的人工大脑。然而，这些人工大脑都是基于传统的计算机设计和制造思路开发的，与人脑的工作模式有着本质的区别，因此，改变传统的设计思路，是未来研究人工大脑的必经之路。

目前，走在研究人工大脑技术前沿的是几大信息技术巨头，其中IBM和谷歌的研究成果尤为突出。IBM的研究人员研制出了第一代神经突触计算机芯片，这种芯片可以模拟大脑的认知活动，完全不同于计算机设计与制造的传统理念。研究人员通过先进算法和硅电路，再现了发生于大脑中神经细胞和突触之间的现象。未来，IBM将进一步开发认知运算芯片，并将以混合信号、类比数位以及异步、平行、分布式、可重组的特制容错算法，来复制大脑的运算单元、神经元与突触之间的活动。

近年来，谷歌将大量资金、人力投入人工大脑研究中，并成功开发出了模拟人脑并具备自我学习功能的“谷歌虚拟大脑”。“谷歌虚拟大脑”是模拟人脑细胞之间的相互交流、影响而设计的，通过模拟人脑中相互连接、相互沟通、相互影响的“神经元”，由1000台计算机、16000个处理器、10亿个内部节点相连接，形成一个“神经网络”。当有数据被送达这个神经网络的时候，不同神经元之间的关系就会发生改变，这种关系的变化使得该系统对某些特定数据形成反应机制，从而让系统具备学习能力，并且能够在新输入的数据中找出与学到的概念相对应的部分，以达到识别的效果。这个有着自学功能的虚拟大脑系统在人工智能领域有着划时代意义，研究人员无需预先输入某一概念，它就可以自己决定关注数据的哪部分特征，注意哪些模式，从而自动从输入的大量数据中“领悟”这一概念，这与人脑的学习过程十分相似。

智能软件不止于围棋

所谓智能软件，是指能够产生人类智能行为的计算机软件。智能软件与传统软件最重要的区别就是：智能软件具有现场感应和环境适应的能力，还有表示、获取、存取和处理知识的能力，同时还能够采用人工智能的问题求解模式来获得结果。自从计算机诞生后，软件的设计开发便一直落后于硬件生产水平的发展，智能软件更是无从谈起。直到20世纪末，作为现实世界高水平的抽象——Agent软件系统的诞生，才大大加快了智能软件的开发。很快，基于Agent的实时道路交通导航系统模型、面向Agent的巡航导弹武器控制系统和多Agent敏捷调度系统相继被开发出来。目前，基于Agent的软件设计与开发已经成为人工智能学科的重要内容之一，而如何在软件设计与开发中更好地体现Agent的自治性、交互性、协作性以及可通信性等，又使智能软件的设计与开发成为了人工智能学科的新挑战。

如今，对于智能软件的开发正处于如火如荼的阶段。比如，击败李世石的“阿尔法围棋”便是一款智能软件，这款智能软件最重要的特征就是“深度学习”。深度学习的主要原理就是用一层神经网络把大量矩阵数字作为输入，通过非线性激活方法取权重，再产生另一个数据集合作为输出。这就意味着“阿尔法围棋”会在与围棋高手的较量中不断提高自己的棋力。“阿尔法围棋”的另一个重要特征就是它具有两个不同的神经网络大脑：一个是“监督学习的策略网络”，负责观察棋盘布局试图找到最佳的下一步，相当于“落子选择器”；另一个是“价值网络”，负责评估棋局的整体局面并预测双方胜负，从而辅助落子选择器，这个叫“棋局评估器”。在“两个大脑”的配合下，“阿尔法围棋”击败了围棋界顶级高手，这绝对是人工智能的大突破。此外，智能软件还在环保、商务和医疗等领域崭露头角。我们知道，现在空气污染备受关注，西门子中央研究院便开发了基于神经网络的空气污染预测软件。该软件利用了伦敦市遍布中心城区的约150 座监测站收集的包括湿度、太阳辐射、云层覆盖和温度等天气数据和一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等气体的排放测量数据，并将这些数据相关联。同时还将诸如工作日、周末、假期、展会和体育赛事等影响交通和污染物排放的活动编程到预测模型中，最终这款智能软件能够每小时预报伦敦市内150 个地点未来 3 天的空气污染程度，误差率不超过 10%，并且还可以推断出导致所预测空气污染的主要原因。另外，现在还出现了许多商务智能软件，主要就是通过分析销售额、客流量、库存、人员配置等所有和企业运营相关的数据来显示和预测市场波动、经济趋势等，并为决策者提供未来的规划和方案。例如，美国的某公司开发了一款餐厅绩效管理智能软件，这款软件可以计算出每个轮班期间的最佳人员编制。总之，智能软件的开发已经并将继续影响整个社会的方方面面。

家庭机器人走入百姓家

人工智能的最后一个研究方向就是研发家庭机器人。所谓机器人，就是指装有传感器和微处理器，并且拥有潜在的人工智能，能够在无人操作的情况下完成一些重复动作的设备。在过去的几十年中，机器人已经被广泛应用在工业生产和危险环境中，如今，机器人市场已经开始转向家庭。那种可以和人成为朋友，陪人聊天，也可以帮助人们看家、清洁地板、照顾孩子等做一系列家务活儿的家庭机器人引领了新的时尚。

日本一直走在家庭机器人研究的最前沿。21世纪初，日本泰姆泽库公司便研发了一款恐龙机器人“番龙”，该机器人体型和大型警犬差不多。如果家中出现异常情况，它就会呼叫主人手机，通知主人家中有异常现象，同时主人还可以根据传感器的反应，远距离操纵“番龙”寻找所出现的异常现象。紧接着，日本的NEC公司发布了一款名为PaPeRo的具有强化通讯功能的家庭型机器人，这个机器人可以在噪声环境下分辨声音，而且对手写笔记、文字和动画有识别能力，有与人自然沟通的能力，可与儿童对话并实现部分儿童监护功能。后来，日本的富士房屋（Fuji Housing）公司又开发了一款外观形似泰迪熊的新型家务机器人，这只“泰迪熊”带有声音识别系统，可以听懂一万多种命令并能够准确执行这些命令。除日本外，其他国家也积极开发家庭机器人。加拿大的一位电脑奇才根据自己的择偶标准，打造了一个完美机器人妻子Aiko。该女性机器人一头秀发，五官精致，能从事简单的清洁和家务工作，精于数学，可以认人，还能够大声读报纸，给人指方向等。更有意思的是，如果有陌生男士对Aiko举止不雅，她就会扇他们耳光。再说中国，最近上市的一款家庭智能机器人名叫塔米，它身高只有45厘米，能跟孩子一起玩，具有唱歌、跳舞、背唐诗、说英语等能力，同时它还有自动充电、安全防盗等多种功能，并可以语音播报天气预报和简要新闻等。当然，现阶段的家庭机器人仍然受到技术的限制，普遍使用激光技术计算距离，使用雷达技术保持平衡，使用红外线摄像技术探测热能以识别人的存在。然而在生活中，无论人、动物还是灯都是一处处热源，这使得机器人难以准确分辨。因此，开发出能与环境交互产生自主行为，并发育出心智的家庭机器人，是未来家庭机器人的研究热点，这也是实现机器人真正人工智能化的关键。

人工智能学科的出现与发展绝不是孤立的，它是与整个科学体系的演化和发展进程密切相关的。21世纪各学科蓬勃发展，高科技层出不穷，人工智能也必将在时代要求下实现与多学科的交叉研究，在与多学科的交叉研究与发展中，必将掀起一场智能技术革命，从而开辟人机协同思考的新纪元。

【责任编辑】张小萌