身体的智能：5.3从移动到认知：一个案例研究

让我们回顾一下那个四足机器狗Puppy，除了别的功能外，还可以奔跑。一个引人注目的观察结果是所有四足动物都有不多的几种――通常是6种（Mc Mahan，1984：171）――不同的可以清楚辨别的步态，如步行、小跑、长步小跑（也叫做侧对步或者缓跑）、慢跑和飞奔及其变种（两种），当它们运动的时候通常会采用其中一种步态。因为这些步态对应于该动物独特的身体系统的一些吸引子状态，相对于身体来说运动就很自然，而且只需要最小的能量和极少的控制。也就是说，肌肉和神经系统只需做较少的工作。为了理解得更准确，我们可以将某个智能体的步态作为对应于它身体和神经复合系统的吸引子状态（attractor state）来思考，而不只是单纯的身体系统，因为神经系统有其内在的动力学机制，即它的运行速度，而且神经系统必须和身体系统协调。动物的身体越复杂，就越有多种的运动方式，因此身体就会有更多可能的吸引子状态。这对神经系统和身体–脑复合系统也一样成立。很重

要的是，必须认识到具体的吸引子状态都是由和环境的交互而来的。如果地很滑、上坡或者下坡，或者不平，相应的步态及其吸引子也会不同：上坡和下坡相比，会导致较小的步幅。当我们讨论身体–神经系统的吸引子时，就意味着智能体一直在和某个特定的环境交互。当把步态作为吸引子时，有几点有趣的地方要加以注意。

第一，因为当步态被看成是一个动态系统时和吸引子状态相对应，即使动物本身还是一个连续的动态系统，他们的步态可以被清楚地识别成离散状态。不同的步态之间有明显的区别；一个动物可以走路或者小跑，但是不能同时出现两种步态。

当改变速度时，一般动物会从一种步态迁移到另一种，然后保持这种步态一段时间。

第二，动物在运动周期中所处的特定位相，决定了它是否可以改变它的行为。

在腾空相（所有的脚都离地的状态）系统和环境很紧密地耦合，形象地说，系统完全依存于物理动力学机制。就像被扔往空中的石头的轨迹，动物身体的轨道也是不能轻易被改变的，这时也很难（或者不可能）施加控制。最好就是让系统遵从自己的动力学机制，也可以说让重力用它的方式把系统带回到地面。而相反的是，在支撑相（有至少一只脚在地面上的状态），对系统控制就较容易了。

第三，因为在智能体的奔跑行为中支撑相是一种控制点，它为行为分割提供了一个好的基础，这个想法我们要感谢Yasuo Kuniyoshi。当我们观察、分析和针对智能体的行为进行交流时，我们一直进行着某种类型的分割，而且经常是无意识的。

我们说智能体在地面上奔跑、步行、进食、抓握一个瓶子、进行谈话、从杯子里喝水、看电视、吃花生、看报纸等。很明显因为是基于观察者的，所以分割中有许多主观的地方。相反，如果分割的标准是建立在控制点上，而不是依靠观察者的（主观的）观察，就会更加客观。不过，在这种情况下，因为支撑相很容易辨认，基于观察者的分割和基于智能体运动的分割是相吻合的。

假设你正要走出一个房间，但你和门之间有一群人，所以你不得不改变你的路线才能到达门那里。你将“离开这个房间”，“走到门那里”还是“改变路线”？你选择哪个都无关紧要，但是请注意选择哪一个的解释是完全主观的，并且取决于你的个人观点或你的行为而不是行为本身。但是，至少有一种自然的方式可以用来分割行为，也就是说用单独的步子来描述。这样，有时候就有可能在某种水平上产生一种自然分割方式，而另一种水平上的分割就可能是主观的。把连续的行为分割成离散的、可辨别的、非任意的片段，是形成诸如跳跃或者步行等的符号化行为类别的一个重要的步骤。更重要的是，我们可以看到符号的操作――或者符号的组合―可能接踵而来。举个例子来说，通过延长观察时间，我们可以把数个步子集合成一个新概念，“步行”，也就是一系列的步子。

第四，神经系统和身体的动力学机制必须协调。在动物身上我们可以大胆地说

这绝对正确因为神经和形态结构是一起进化的，物竞天择导致最适合的个体生存下来，这种选择是作用于整个机体上的，而不只是其中的一部分。让我们来看一个例子。

瑞典斯德哥尔摩Karolinska研究所的著名神经行为学家Sten Grillner 发现七鳃鳗（和鲜鱼相似，无颚，吸食其他鱼的血的一种鱼）的运动是受所谓的中央模式发生器（central pattern generators）控制的，也就是说神经结构以特定的频率周期性地刺激七鳃鳗的肌肉来产生有节奏的运动（详细和更清楚的说明，请参见Grillner，1996）。

七鳃鳗的身体可以分成100节，其中每节都有一束神经细胞（中央模式发生器）、一段脊椎骨、肌肉、传感器，还有其他组织（见图5.2）。这些节逐个地按着顺序被神经系统激活，就好像波浪在身体中传播一样。每节之间的刺激延迟叫做相位差。当通过外科手术取出脊髓并放入营养液时，它的相位差和神经信号的频率都改变了，这点是可以通过神经生理记录的方法被检测出来的（Guan等，2001）。不过可能和我们想象的不一样，振动频率在活体中更高一些。这说明了身体不是简单地让系统变慢；而是通过肌肉运动和与环境产生的交互作用产生了传感反馈，反过来影响了七鳃鳗的神经行为。这证明了我们不能孤立地研究大脑或者身体，来理解动物的自然行为。于是再一次我们有了一个例子来说明正如大脑塑造身体的运动一样，身从从2

（a）

（b）

（c）

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图5.2运动中的神经和身体系统的相互耦合。七鳃鳗（lamprey）

（a）七鳃鳗在水中游泳；（b）游泳时的振动运动；（c）游冰时中央模式发生器CPGs（central
pattern generators）的记录；（d）从七鳃鳗分离出的脊椎；（e）从CPGs（存在于分离出的脊椎中）得到的记录

体亦塑造大脑的活动，不只是大脑控制身体，而是身体和大脑相互作用。大脑–身体的相互作用改变了动物的优先振动频率，这说明当识别吸引子状态（attractor state）

时，我们应该总是观察神经–身体的复合系统。

很重要的一点在于优先频率存在并且它们对应于可以让动物有效率地运动的吸引子状态，这在游泳，步行或者奔跑中可以见到。类似地，机器狗Puppy的伺服电动机的独立控制信号频率和它站在地上及奔跑时腿部运动的实际频率不同。在下一节我们将会以Puppy为例说明我们是怎么用Puppy的步态来产生一个类似于体象的事物的。