百科：不斷超越的人工智能

今年3月16日，全球矚目的圍棋“人機大戰(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。這次人機大戰(zhàn)的結果不僅激發(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科。其基本目標就是使機器表現(xiàn)出類似人類的判斷、推理、證明、識別、感知、理解、通信、設計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動，使機器具有類似人類的智能行為，使機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家笛卡爾的“有靈魂的機器”。到了20世紀30年代，英國數(shù)學家圖靈提出了“自動化理論”，把研究會思維的機器和開發(fā)計算機的工作大大向前推進了一步，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志是1956年夏季在美國達特瑪斯大學召開的以“人工智能”為名的學術討論會。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、自動程序設計、專家系統(tǒng)、學習以及機器人學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系統(tǒng)。當然，人工智能的發(fā)展也不是一帆風順的，曾一度因為計算機計算能力的限制無法模仿人腦的思考以及與實際需求的差距過大而走入低谷。但是隨著計算機硬件和軟件的發(fā)展，計算機的運算能力以指數(shù)級增長，加之網(wǎng)絡技術的蓬勃興起使得目前的計算機已經(jīng)具備了足夠的條件來運行一些要求較高的人工智能軟件。當然，人工智能的快速發(fā)展并不意味著它已經(jīng)能達到人腦的水平，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，以下4個方面引領了人工智能的發(fā)展方向：第一，與生物技術、電子技術結合，研究生物電子體；第二，與腦科學、信息處理技術結合，研究人工大腦；第三，與網(wǎng)絡技術、軟件技術結合，研究智能軟件；第四，與通訊技術、控制技術結合，研究家庭機器人。
　　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軟件，其實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。生物電子體技術就是讓人工智能擁有活動能力的一種全新技術。
　　生物電子體是生物細胞與電腦微芯片有效協(xié)作的共存體，可以實現(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胞組織與模擬生物體的微芯片結合為協(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，從而對生物體進行有效控制，使其為人類服務。譬如當年美國“9·11”恐怖襲擊后，美國政府緊急安排了10種機器人進行城市搜索和救援工作，但其中有6種機器人由于體積太大而不能運送到現(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，這可能比研究救援機器人花費的時間和資源更少一些。
　　在生物電子體領域，各國已相繼開展了諸多研究。利用相對簡單的“植入法”，日本東京大學率先研究了一種蟑螂控制技術，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。美國紐約州立大學通過向老鼠體內(nèi)植入微控制器，也成功實現(xiàn)了對老鼠的轉彎、前進、爬樹和跳躍等動作的人工制導。我國在電子生物體的研究上也有突破性進展，南京航空航天大學就研究了一種壁虎的人工控制技術，即把微電極植入壁虎體內(nèi)，通過電刺激模擬神經(jīng)控制其運動。而通過“提取法”制得的生物電子體就更復雜些，比較有代表性的是英國科學家推出的一個由老鼠的腦組織控制的機器人，名為“戈登”。在該項研究中，科研人員先從老鼠身上分離出神經(jīng)細胞，放置在酶溶液中，讓這些神經(jīng)細胞彼此分離，然后再將這些神經(jīng)細胞置于營養(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，驅動機器人輪子，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”具有一定的學習能力，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”仍是實現(xiàn)提取活體腦組織和電子部件結合的研究新突破，也是電子生物體的重大突破。
　　擅長自學的人工大腦
　　開發(fā)人工大腦就是從信息處理切入，結合腦科學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，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，構建出大腦的記憶-預測系統(tǒng)模型才能制造真正的智能。人工大腦其實早在20世紀末就出現(xiàn)了，日本京都先進電訊研究所率先研制了一只機器貓，該機器貓的腦部主要采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術，包含約3770萬個人造神經(jīng)細胞，盡管數(shù)量與人腦的1000億個腦細胞相比差之甚遠，但其智能超過了昆蟲，實現(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)的計算機設計和制造思路開發(fā)的，與人腦的工作模式有著本質的區(qū)別，因此，改變傳統(tǒng)的設計思路，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前沿的是幾大信息技術巨頭，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)突觸計算機芯片，這種芯片可以模擬大腦的認知活動，完全不同于計算機設計與制造的傳統(tǒng)理念。研究人員通過先進算法和硅電路，再現(xiàn)了發(fā)生于大腦中神經(jīng)細胞和突觸之間的現(xiàn)象。未來，IBM將進一步開發(fā)認知運算芯片，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，來復制大腦的運算單元、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習功能的“谷歌虛擬大腦”。“谷歌虛擬大腦”是模擬人腦細胞之間的相互交流、影響而設計的，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、16000個處理器、10億個內(nèi)部節(jié)點相連接，形成一個“神經(jīng)網(wǎng)絡”。當有數(shù)據(jù)被送達這個神經(jīng)網(wǎng)絡的時候，不同神經(jīng)元之間的關系就會發(fā)生改變，這種關系的變化使得該系統(tǒng)對某些特定數(shù)據(jù)形成反應機制，從而讓系統(tǒng)具備學習能力，并且能夠在新輸入的數(shù)據(jù)中找出與學到的概念相對應的部分，以達到識別的效果。這個有著自學功能的虛擬大腦系統(tǒng)在人工智能領域有著劃時代意義，研究人員無需預先輸入某一概念，它就可以自己決定關注數(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“領悟”這一概念，這與人腦的學習過程十分相似。
　　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)場感應和環(huán)境適應的能力，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果。自從計算機誕生后，軟件的設計開發(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世紀末，作為現(xiàn)實世界高水平的抽象——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的實時道路交通導航系統(tǒng)模型、面向Agent的巡航導彈武器控制系統(tǒng)和多Agent敏捷調度系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來。目前，基于Agent的軟件設計與開發(fā)已經(jīng)成為人工智能學科的重要內(nèi)容之一，而如何在軟件設計與開發(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，又使智能軟件的設計與開發(fā)成為了人工智能學科的新挑戰(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“深度學習”。深度學習的主要原理就是用一層神經(jīng)網(wǎng)絡把大量矩陣數(shù)字作為輸入，通過非線性激活方法取權重，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。“阿爾法圍棋”的另一個重要特征就是它具有兩個不同的神經(jīng)網(wǎng)絡大腦：一個是“監(jiān)督學習的策略網(wǎng)絡”，負責觀察棋盤布局試圖找到最佳的下一步，相當于“落子選擇器”；另一個是“價值網(wǎng)絡”，負責評估棋局的整體局面并預測雙方勝負，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、商務和醫(yī)療等領域嶄露頭角。我們知道，現(xiàn)在空氣污染備受關注，西門子中央研究院便開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的空氣污染預測軟件。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測模型中，最終這款智能軟件能夠每小時預報倫敦市內(nèi)150 個地點未來 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致所預測空氣污染的主要原因。另外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了許多商務智能軟件，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)運營相關的數(shù)據(jù)來顯示和預測市場波動、經(jīng)濟趨勢等，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。總之，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)家庭機器人。所謂機器人，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動作的設備。在過去的幾十年中，機器人已經(jīng)被廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)和危險環(huán)境中，如今，機器人市場已經(jīng)開始轉向家庭。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活兒的家庭機器人引領了新的時尚。
　　日本一直走在家庭機器人研究的最前沿。21世紀初，日本泰姆澤庫公司便研發(fā)了一款恐龍機器人“番龍”，該機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，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，遠距離操縱“番龍”尋找所出現(xiàn)的異常現(xiàn)象。緊接著，日本的NEC公司發(fā)布了一款名為PaPeRo的具有強化通訊功能的家庭型機器人，這個機器人可以在噪聲環(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，可與兒童對話并實現(xiàn)部分兒童監(jiān)護功能。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機器人，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)家庭機器人。加拿大的一位電腦奇才根據(jù)自己的擇偶標準，打造了一個完美機器人妻子Aiko。該女性機器人一頭秀發(fā)，五官精致，能從事簡單的清潔和家務工作，精于數(shù)學，可以認人，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報和簡要新聞等。當然，現(xiàn)階段的家庭機器人仍然受到技術的限制，普遍使用激光技術計算距離，使用雷達技術保持平衡，使用紅外線攝像技術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，這使得機器人難以準確分辨。因此，開發(fā)出能與環(huán)境交互產(chǎn)生自主行為，并發(fā)育出心智的家庭機器人，是未來家庭機器人的研究熱點，這也是實現(xiàn)機器人真正人工智能化的關鍵。
　　人工智能學科的出現(xiàn)與發(fā)展絕不是孤立的，它是與整個科學體系的演化和發(fā)展進程密切相關的。21世紀各學科蓬勃發(fā)展，高科技層出不窮，人工智能也必將在時代要求下實現(xiàn)與多學科的交叉研究，在與多學科的交叉研究與發(fā)展中，必將掀起一場智能技術革命，從而開辟人機協(xié)同思考的新紀元。
　　【責任編輯】張小萌