身体的智能:4.5智能体设计原理3:廉价设计

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身体的智能:4.5智能体设计原理3:廉价设计


廉价设计原理阐明当通过利用生态位的性质及与环境间相互作用的特征建立智能体时,智能体的设计及构造将变得更简单或廉价


请回想一下我们关于智能的直觉印象的讨论。我们提出智能的概念与多样性及顺应性有关。直观地认为能顺应与并利用所处的生态位以产生多样行为的智能体更有智能。我们必须顺应已有的环境,我们不可能忽略地球上存在重力的事实或更不如说忽略重力一般来说对生物不会有益。如我走出屋顶阳台,不管喜欢与否,我会摔下去。但这并不总是负面因素,物理法则也能以聪明的方式进行利用。这里,有必要对生态位利用的两个紧密联系的因素加以区别――即包括了物理法则、重力、


摩擦、电磁力的生态位性质和与环境交互的性质,如智能体移动时产生的感觉刺激。


廉价设计的原理告诉我们,当利用这类性质建立智能体时,它们的设计及构造将更简单。因此,廉价设计是关于利用生态位性质的原理。这里的廉价不能太拘泥于字面的意思来加以解释。但是如果正确应用这个原理的话,智能体就如字面意思一样价格低廉,因为如果它们结构简单的话,那么它们的设计、制造、维护就不会价格昂贵。相关的生态平衡设计原理(在下文中解释)帮助我们发现这种利用怎样实行。


而廉价设计仅仅阐明了这种利用越多,利用的质量越高,智能体就越简单。


接下来我们将举例阐述这些要点。例子包括我们已经介绍过的瑞士机器人、被动动态行走者(一个无脑的,没有任何电动机装备,却能无需控制走下斜坡的机器――Passive
Dynamic Walker
)和它的后续者“Denise”(仅有极小的脑部及部分驱动装置)。最后我们还将考察昆虫是怎样在行走时进行多腿协调的。在昆虫的脑中并没有一个管理动作同期的中枢。虽然我们是在廉价设计原理的范畴内介绍这些例子,但必须记住的是,所有的设计原理都或多或少适用于所有智能体。


瑞士机器人


请回忆一下我们在第3章介绍的关于瑞士机器人的案例研究。任务是设计能清理场地的机器人。场地上堆着到处散乱的泡沫方块(无法否认的是,这并不是个令人瞩目的任务,但这和我们从一开始需要机器人的原因绝对有关!)。直觉上,我们会想到必须采取以下步骤。首先,机器人必须发现立方块,一旦它发现了一个立方块后,它必须找到最近的堆积地或群集。接着机器人还得通过移动将立方块放到那儿。重复这个过程直到所有的立方块都被收集并堆成群集。可以这么说,这些步骤都需要成熟的视觉处理和规划,因此计算量极大(视觉知觉对人类来说是自然的且不需特别的努力,但这并不意味着这是个简单的过程)。


瑞士机器人采取了另一个方法:它们通过利用它们自身的形态和生态位的性质来把握工作,而它们完成任务仅仅依靠的是用以回避障碍物的简单反射机能程序。为了保证群集的出现,需要对生态位的以下几个方面进行利用:立方块的尺寸(如果它们的尺寸太大或太小,不可能成功),它们的重量(如果立方块推起来太重,亦不可能成功),所处的环境是被墙包围着的(不然的话,机器人可能会驶离现场,而不是做清洁工作),地面是平坦的,而且和机器人的轮胎产生合适的摩擦(如果地面被抹上肥皂的话,也不会成功)。只要其中某个制约条件不成立的话,瑞士机器人就根本不可能完成它们的任务。但是当那些条件都满足的话,所采用的对策就会起到作用,而且还很廉价,瑞士机器人以聪明的方式利用了它们生态位的性质、物理法则及它们自身的形态,所以不需要计算量极大的视觉系统。瑞士机器人不需要知道它们正在做什么,它们只是对感觉刺激做出反应。


被动动态行走者和“Denise”


如图4.3b)所示,被动动态行走者是最先由McGeer1990)提出的一类机器人(或更确切地说机械装置,因为它没有任何传感器、电动机及控制程序)。它不需任何感觉机能、驱动器及控制装置就能走下斜坡,换句话说,你可以说被动动态行走者是无脑的。从这个意义上说,它其实不是智能体。为了实现这个任务必须利用机器人的动态机理,即重力、摩擦及摆动腿和手臂而产生的力是怎样作用于机器人的。


这种利用的结果是能量效率极高且看上去极其自然的步行行为。


然而,它的生态位,即机器人能正常发挥机能的环境,却是很有限的。它的生态位只包括一定角度的斜坡。和瑞士机器人的例子相同,如果你改变生态位中的任何要素,比如倾斜的角度,表面的性质(如铺上一层柔软的地毯),那么装置就不再正常发挥功能。如果改变了智能体生态位的某些方面(特别是智能体需利用的某些方面),智能体将停止发挥机能。这是廉价设计原理所面临的一个不可避免的折中。


之所以能达成高能量效率,是因为腿的移动是完全被动的,仅由重力以一种和钟摆


相似的方式加以驱动。为了实现被动步行,研究者在形态和材料方面下了很多功夫。


比如,机器人宽大且具有某种特殊形状的脚部,弹性的脚后跟,反向摆臂都有利于它的这种步行方式(Collins等,2001)。


苏黎世城守护圣徒


添都三


a



4.3被动动态行走者


a)瑞士苏黎世城的守护圣徒:FelixRegulaExuperantius。他们在3世纪因为他们的宗教信仰被斩首。传说中他们用手臂夹着他们头来到了后来成为Grossminster教堂(瑞士的象征)的地点。传说?不,被动动态行走者!(bSteve Collins传统被动动态行走者从一个下倾的斜面走下,不需任何驱动(左),Martjin Wisse3D双足机器人


“Denise”(右)。Denise是一个混合型被动动态行走者:它的踝关节和膝关节被动地摆动,有一个电动机驱动髋关节以引导平地上的步行不太严格地讲,我们也可以说通常步行控制所需的神经处理是由适当的形态和合适的材料来接管的,因此也是形态学计算的另一个实例。实际上,被动动态步行者的神经控制为零。但是,如倾斜角度的变化等任何变化都会引起机器人的机能停止,这也可以说是廉价设计的代价。


因为完全被动动态行走者对生态位的很多性质进行了利用,它完全依赖它的生态位。如果我们增强智能体的能力,生态位还可以被拓展,通过给一台被动动态行走者添加电动机,增加控制并修改形态,它在平地上也能行走自如。这是由Martijn Wise领导的团队成功做到的。Martijn Wisse是荷兰Delft大学的一个极富创造力的青年工程师,他也参加了Cornell大学的被动动态行走者的开发工作。最近他创造出了“Denise”(图4.3b)。这和被动动态行走者几乎完全一样,只是增强了以前模型的驱动部分,即增加了两个电动机来移动腿部。它的步行行为(或者更应该说她的步行行为?)实在是很自然,极可能是因为它利用了被动向前摆腿动作。


你可能会说廉价设计只适用于很简单的系统,无可否认的是,目前为止我们所给出的例子确实都很简单。让我们看一下人的步行动作。当我们步行时,就像


“Denise”一样,向前摆腿几乎是被动的,也就是说,肌肉是被动的,腿就如钟摆一样的摆动,这样就利用了重力的影响。我们的腿确实是复杂的,由骨骼、关节、腱、韧带、肌肉、神经细胞和皮肤构成。但是,复杂性并不排斥利用。在这个意义上,我们可以说即使我们人自身的复杂程度不可思议,但我们是廉价设计的。


Wisse的机器人步行的方法是否能被利用到更复杂的系统,特别是复杂的拟人机器人?这样的考察会很有意思。


虽然被动动态行走者是人工系统(并且是很简单的人工系统),它让人感觉到很自然。自然这个术语不仅可以适用于生物系统,也可以适用于人工系统。可能这种自然的感觉来自对动态机理(如被动摆腿动作)的利用(PfeiferGlatzeder


2004)。


昆虫步行的多腿协调


最初的两个例子是从机器人学引用的,作为补偿,这次我们从生物学的角度进行考察,即昆虫步行的多腿协调。昆虫腿的移动是由高度独立的多个控制器控制的。


这很久以来已经被熟知(von Holst1943)。换句话说,在脑中并不存在一个负责步行中的多腿协调的中枢。但是,如果没有这样一个协调中枢的话,那么昆虫是怎样步行的,而且腿的协调是怎样做到的?多腿间确实需要协调,要不然不可能步行。


多年从事昆虫研究并引导潮流的德国生物学家、激进思想家Holk Cruse 于几年前解开了这个谜。结果是,这些昆虫所用的窍门是利用它们和环境的交互(Cruse1990)。假设昆虫站立在地面上,为了向前移动,用它的脚向后推。于是所有站立在地面上腿的关节角就会立刻变化。身体被向前推,于是其余的腿也被拖向前方,关节同时将弯曲或伸展。这是作为具身性智能体不可避免的反应之一,昆虫也不能例外。Cruse令人激动的发现就是有效利用这个事实能对动物产生有益的效果。而需要的只是关节内的角度传感器来测定角度的变化,这样的传感器确实存在且多腿之间存在整体性的交流!但是,这些交流是通过与环境的交互,而不是通过


神经的连接进行的。


所以,腿的局部神经控制只需利用这种整体性的交流。这还有另外一个好处,就是昆虫向前移动时,除了处于自由状态(不需做任何计算的状态)的腿之外,其余的角度都朝着某一个方向变化。这个信息极为有用,能直接用于控制每个腿的运动。


这个细节十分重要,Cruse和他的同事们开发出了一个神经网络结构来实现这个过程(Dirr等,2003)。这个被称为WalkNet的结构,还能被用来控制六足机器人。


这是廉价设计的另一个极好例子。如果昆虫做任何事情都不得不通过计算的话,不但代价高昂,而且更慢。这也是形态计算的一个实例,本来必须由脑来完成的部分任务(多腿间的通讯及所有关节角的计算)是通过和真实世界的交互实现的。


廉价设计原理非常具有一般性,因为它只是阐明生态位能被利用从而简化智能体。但这个原理并没有告诉我们应该怎样去利用,或什么动态机理是需要被利用的。


别的设计原理如生态平衡,冗余性及感觉运动协调更为具体,更强调怎样去做。但是廉价设计能适用于更特殊的事例,如视觉系统的设计,这产生了一个正被认知为廉价视觉的领域。在这个领域的科学文献中,有许多例子可以说明生态位及和环境的特殊交互怎样被开发利用。我们将在本章的后面讨论一个有趣的具有启发意义的例子――“Eyebot”机器人。


作为廉价设计部分的总结,让我们简单地介绍几个不符合这个设计原则的例子从而进一步阐明这个原理。就如前面解释的那样,一台膝上计算机并不以任何能令人关注的方式利用环境,拟人机器人也不利用环境,因为步行所需要的动作大都编制成程序输进了机器人。有名的拟人机器人,如AsimoOrioHRP(来自日本拟人机器人计划),主要采用预先编程的形式,(尚)没有充分利用系统环境交互。







 




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