身体的智能：4.6智能体设计原理4：冗余性

冗余性原理阐明智能化主体必须以以下方式进行设计：（1）各个不同的子系统基于不同的物理过程发挥功能；（2）不同子系统之间存在部分功能重合。

冗余性原理是以设计鲁棒系统为目的的。鲁棒系统是指那些即使环境发生重大变化还能继续发挥功能的系统。鲁棒这个术语有很长的历史，有许多不同的用法。

所以与其提出一个定义，还不如让我们用几个例子来直观地介绍一下这个术语。

人的视觉和触觉系统

在科学文献中，通道这个术语经常被用来指不同的感觉系统，我们将论及视觉、

触觉或听觉通道。视觉系统或视觉通道给我们提供了精确的空间信息，如我们能看清往哪儿走，障碍物及想要的物品在哪儿，这些信息使我们能在各处快速地移动。因为视觉信息有很大价值，许多物种都通过进化获得了形式各异的视觉系统。遗憾

的是，视觉只在有光时才是有效的。当突然变黑时，会发生什么呢？即使这样我们也能求助于其他感觉通道，我们仍能听到，能感觉到。尽管我们能从听觉系统获得一些空间信息，因为我们大致能听出声音是从何处来的，但是和从视觉系统获取的空间信息相比，这种系统的信息实在是太不够精确了。但是，从我们触摸的感觉，也被称为触觉，我们能获得极为精确的空间信息。我们能用我们的手和手指去感觉，这样识别物体将会相对容易。此外，我们经常认为，触摸比用眼观察更可靠―有时我们会不由自主地触摸物体，因为我们并不完全信任我们所看到的。本书著者之一（Josh）就有一个惨痛的教训：在晚会上，作为一个客人，当穿过室内走向后院时，比较明智的是伸出手来以免自己的头撞上一扇极难看清的透明屏蔽门才是。人们一般不希望以这种形式成为晚会的中心。

触摸在短距离时效果不错，但距离较长时却不是太有效。在步行时，触摸只有在我们走得很慢时才有用，和视觉系统不同的是，触摸需要实际的接触。当然，这些都是常识。但是，这里的关键在于即使我们不得不放慢脚步，但我们还能继续活动，因为我们可以依靠另一组适合于新情况的传感器。这种方式能行之有效的原因是，两个系统是基于不同的物理过程的，视觉是基于电磁波的刺激，触觉是基于机械压力。况且，两种通道产生部分重合的信息，从一个通道抽出的信息能用来（至少部分地）预测从另一个通道抽出的信息。如果你看见桌上放着的一杯啤酒，杯子外表挂着冷凝水珠，你已经能多少推测出当你触摸到杯子时的感受。同时包含在两个感觉通道的信息在技术上被归于互信息。这种信息在构筑概念时能发挥重要作用，如一杯啤酒的概念，不仅包括了从视觉系统抽出的信息，也包含了从触觉和味觉系统来的信息。

冗余性的含义

因为从一个感觉系统抽出的信息包含了某些也能从别的感觉系统中抽出的信息，所以这种现象被称为冗余性。冗余性这个术语其实很难把握，因为它依我们采用的视角而定，且有许多不同的解释。有时冗余性被用来表示组分间的重复或部分即使被删除也不会引起本质性的信息损失的消息。

自然语言是关于这个词后一种解释的一个很好的例子。即使环境中有许多噪音，但实际上我们只能听到一部分消息，又比如，当一些句子有语法错误或漏了一些词时，我们仍能理解其意思。如果我们问某人，今天还好吗，他答道“我感到好一点了，谢谢！”或只是咕哝“好点了”，但传达了同样的消息。当觉得听众没有理解我们的意思时，为了确保能传递我们的信息，我们常常重复我们所说的，但是更常见的是我们倾向于以不同的方式说明同样的事情，或用一组例子来证实我们的想法。实际上，本书从头到尾充满了同一个信息的不同版本―智能需要身体。一般来说，生物系统是极其冗余的，因为，冗余性能使它们更有适应性。当一

部分或一个过程失败时，另一个相似的部分或过程能马上接管。脑也包括了许多冗余部分，所以即使有些部分被破坏了，他们还是能继续发挥功能。这个事实能让我们中的许多人，就是那些明知酒精可能破坏脑组织的人得到安慰。听起来冗余性是一个很好的性质。然而值得注意是，冗余性也是需要付出代价的。附加的部分必须在遗传基因中以某种形式加以表现，它们消耗能量，有重量，在生物体上占据空间等。简言之，适应性是有代价的，没有免费午餐。

在工程学中，冗余性常常意味着复制部件。在一架飞机里，有两个导航系统，而不是一个。但是复制本身并不是太有意义的事情。如当突然变黑时，你有两只眼睛而不是只有一个，或即使你有一千只眼睛，在黑暗中都不会对你有什么帮助。但如果你有不依赖于光的感觉系统，如触觉系统及听觉系统，你还是能正常发挥功能。

在航空工程中，也可以发现冗余性的有趣例子。制动器系统包含了两三个部件：轮子，喷射器，有时在高速飞行器上还有降落伞。如果跑道结冰，轮子制动就不是太有效，此时就可以使用喷射器，因为它们的功能并不依存于跑道的条件。如果飞机的电子系统停止动作，那么完全机械化的降落伞还能起到作用。轮子不仅仅用于制动，一般来说还用于地面上的调动操作，而喷射器事实上大多数用于推进，而降落伞一般只用于制动时的紧急情况。从重量及加工成本的角度讲，降落伞的代价并不大，而且便于使用。

从这些例子中我们能学到的是，为了设计能在不同条件下均可靠地发挥机能的智能体，我们应该赋予它们在功能上部分重合的冗余性。如果完全重复了，那么两个系统将具有相同的功能。这不是很经济，而且一般来说从适应性的角度来看也不是太有意义。另一个考察部分功能重合的方式是，同一个任务能以不同的方式来完成―

制动能用轮子或喷射器来达成；辨认物体能通过注意看或触摸物体来完成。

机器人触须系统：人工老鼠

让我们来看一下另一个机器人学的例子―苏黎世大学人工智能研究室开发的人工鼠。开发者是工程师Hiroshi Yokoi、神经科学家Miriam Fend 及理论物理学家Simon Bovet（Fend et al.，2002）。大老鼠（rats）和小老鼠（mouse）有复杂的触须系统，通过触须系统，它们能获得关于外界的所有信息。触须能用来检测到一个物体的距离（如果这个物体处于触须检测的范围内的话），表面质地及振动。丛林里的水塘一般都很浑浊以致不可能看清，但猫能解决这个难题并从水塘里捕到鱼。猫通过把自己的触须伸入水中来感知由鱼运动所产生的振动，并以不可思议的精度发现鱼的位置并捕获它们。大小老鼠可以主动动须，即当经过某个物体时，它们不仅被动地用触须去感觉环境，还利用肌肉前后移动它们的触须。这种能力在人工鼠上也实现了。

①当然，在某些情况下，仅仅复制也是有用的，拥有200根羽毛会比100根羽毛更容易让动物保暖，但这和鲁棒性无关。

如果将一根从真老鼠身上取下的触须装到一个麦克风上，这个麦克风又被接到一个放大器上，然后将这根触须在不同的表面如塑料、玻璃、木材、织物或砂纸上移动，即使只听发出的声音，也能毫不费力地区分出不同的质地。人工鼠项目的目标是研究触须系统的用途，特别是来自两个形态上截然不同的传感器模块，如视觉和触须的信息是怎样被动物或机器人用来解决难题的。例如，在一个由不同的质地的墙所构成的迷宫中发现一条通路。如果从两个传感器系统中抽出的信息存在部分重合，那么一开始从触须系统获得的信息有可能，至少是部分地能从视觉获得。这样比起必须首先用触须作所有的测试后才能动作的情况来，大老鼠或小老鼠极有可能移动得更快。至少对人工鼠来说，确实如此。这个名为跨通道学习的想法将在感知–运动协调原理及第5章发展的背景下作进一步考察。

乍看上去，冗余性和廉价设计原理相矛盾，因为前者要求额外的子系统，而后者要求更简洁。然而，这两个原理是相辅相成的，即一个像人类一样高度冗余的系统也能利用被动动态机理。这和以下的事实也有紧密联系，即通过某种类型的交互（感知–运动协调），一个感知通道能对构造别的通道的刺激有帮助。这个想法也包括在感知–运动协调原理中。