身体的智能:8.4电子人

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身体的智能:8.4电子人


电子人cyborg)这个词是由有技术头脑的医生Manfred Clynes1960年在美国航空行天局星际探索大会上创造的。他提出不仅要改造环境来满足人类的需求,而且人类本身也要改进以在宇宙中生存。Clynes创造电子人这个词用来描述自律人机系统,这是控制生物组合的缩写。而控制是麻省理工大学教授,20世纪最伟大的数学家之一的Norbert Wiener1947年创造的。在20世纪40年代的许多关于动物和机器的控制和通信的会议上,它们之间的共性特别是反馈环的思想被广泛认同了(Wiener1948)。所以在自然和人工系统之间存在重要共性的想法并不是一个新的想法,它至少可以追溯到Wiener 著作的出版。同时这个想法也是人工智能领域的基本思想。


在他富有思想性的《自然出生的电子人》(Clark2003)一书中,人工智能哲学家Andy Clark指出始于很久以前,当人们开始依赖人造物时,我们就已经成为电子人了。现在有各种不同程度的电子人化cyborgness)。早些时候的工具如小刀、棍子、箭、弓等,它们的共同点是不具有智能体特性。更有趣些的工具有一定的自主性因为它们的部分功能是自动的,如自动磨房、自动显示时间的手表或自己能够维持运转的发动机。虽然在人类的大部分历史中,工具是用来掌握物理环境的,但是随着时间的推移,更有趣的支架可能已经涌现了。其中最显著的一个例子是1436Johannes Gutenberg发明的印刷机。这项发明使我们能够通过环境来交流思想从而增强了我们的认知能力。对于今天的艺术、科学、技术和社会组织,其影响是难以估量的。然而,这些可能性已随着现代电子计算机的出现而被超越。计算机提供给我们许多和环境交互的方式,还有许多目前还没有想到的潜在方式,因特网


此书写于1947年,出版于1948年。


仅仅是个开始。而且,普适计算网络正在形成。正如Andy Clark很贴切地描述的那样,人类很明显在采用各种手段来扩展其自身功能。根据Clark的假设,人类有喜欢接受各种新技术并将它们融入自己日常生活而使技术成为他们一部分的自然趋势,从而建立很强的相互依存。


让我们回来讨论电子人化的程度。一个尺度是自主程度。像锅、鞋子或轮子是没有什么威胁的。如果有一定程度的自主性它们会更有趣,但是可能会更具威胁,因为我们并不是很喜欢依赖于独立的机器。另一方面,和死的工具相比,机器能带给我们更多的提高。像电脑一样有认知能力的机器会更有用,但是也会更有威胁性,因为它们的功能和我们认为仅有人类才拥有的功能更相近。电子人化的另一尺度是技术和我们的紧密程度,从技术上看,潜在交互越紧密越强烈,就更有威胁,且我们对其依赖也就更大。我们非常依赖汽车、手机和笔记本电脑,和它们的交互越紧密、越强烈,我们就越依赖它们。手机、手表和可穿戴式电子设备以及其他任何我们直接穿在身上的东西或者我们总是随身携带的东西确实离我们很近,且有一些东西,近的让人不舒服。但是,由于它们离我们很近,它们可以提供大多数遥测技术不能测量的信号如测量生理数据,我们可以根据这些测量数据而做出及时的反应。我们可以进一步把它们从皮肤表面上转到皮肤下面。对许多人来说,这是标志着真正电子人的一步,例如,植入耳蜗来替代部分听觉系统已经被成功地用在那些失去听觉的病人身上;植入视网膜或脑表皮组织能用来恢复人一定的视力。还有心脏起搏器和其他植入的设备,这些都是植入在人体内的电子人技术的应用。对我们很多人来说,这类的技术是有威胁的。


但这正是真正的电子人,生物神经组织和技术(一般是数字芯片)直接连接。假肢是这种技术的一个明显版本。让我们来看几个这类神经基质直接连接到数字系统的电子人的例子。还记得在第5章提到的那个蠕动的类似鳗的鱼七鳃鳗吗?


神经接口技术的领导者之一,工程师和神经科学家Fernando
Mussa-Ivaldi
,做过一个科幻小说似的实验,他把七鳃鳗的大脑连接到一个Khepera机器人上,那是个我们已经碰到过多次的5cm的圆形机器人(Reger等,2001)。这个连接由神经机器接口协调,它是双向的一从七鳃鳗的大脑或更精确地说是七鳃鳗的网状体到机器人以及从机器人到七鳃鳗的大脑。网状体是脑干的一个区域,它控制许多功能如动物的刺激程度、心脏反射、注意力及和本实验特别相关的功能一运动。网状体把身体几乎所有部分的感觉信号――视觉、触觉和平衡感和肌肉动作命令结合在一起,并利用这个信息来改变脊髓(和肌肉运动控制非常相关)的肌肉运动输出。对于那样的电子人实验,七鳃鳗是一个好的试验体,因为它的脑干易于维护,即可以很容易地存活很长时间,同时在这个区域有非常大的神经元从而使记录相对容易。


Mussa-lvaldi和他的学生们集中于那些通常结合前庭感觉信号和肌肉运动指令以稳定游泳中方位的区域。他们在网状体中插入了4个电极,其中两个用来记录,


两个用来刺激。这个刺激是根据机器人左右的光传感器,通过一个频率脉冲发生器产生,机器人的光线传感器的读数越大,在七鳃鳗脑中电极产生的刺激也就越大。为了决定机器人的控制信号,网状体中相应的运动系统中心的信息被记录了下来。


记录下的信息被神经机器接口转换成电压,然后输出到Khepera机器人的电动机。


这些实验的结果是令人难以置信的。机器人的行为和利用一个简单的神经网络进行控制的Braitenberg车非常相像,都是向特定的刺激移动而远离其他的刺激等。这个神经网络的结构可以通过改变电极在网状体中的放置位置(如互换左右的电极)而改变。根据放置的位置,机器人可靠地靠近或背离某一光源。而且,研究者能够演示神经网络的一些基本适应特性(这里我们略去这些实验的细节)。因为机器人和接口上所发生的事情是完全被掌握的,这个实验方案可以用来研究七鳃鳗大脑的神经回路,它的功能还很不明朗。从这个突破性实验中可以看到生物系统和人造系统可以顺利协作,我们可以用机器人或其他的人造物来更好的了解生物神经系统的功能。


美国佐治亚理工学院的神经科学家、电子人技术的先驱 Steve Potter有过一个非常大胆的想法。他不仅想建造电子人,而且他还进一步想用电子人来创作艺术。不仅如此,他还想在互联网上创作艺术。波特声称的目标是从根本上创造不同类型的人工智能Bakkum等,2004130)。


Mussa-Ivaldi用动物大脑不同,Potter从老鼠大脑中取出成千上万的神经元,并把它们放到一个小器皿中培养。在这个器皿中有一个所谓的多电极阵列,实质上,它是一个有60个电极的计算机芯片,这些神经元可以附着在其上面。接下来他必须决定怎样把这个由部分生体组织和部分电子器件组成的大脑和机器人相互连接(图8.3描述了这个实验的构成)。这60个电极的活动由那些附着在其上面的(培养的)神经元的活动决定,但是这些电极也可以被激励,反过来来刺激所附着的神(a


实时处((%


理器


记录及刺激设备


驱动器指令


传感器信号


8.3电子人,连接机器人和生物大脑。Steve Potter开发的由神经控制的机器人(a)在器皿中培养的神经组织;(b)包括实时处理器的记录和刺激装置;(c)由生物大脑控制的机器人


经元。Potter的目标是让一个机器人来跟随另一个机器人,即它必须要和物体保持给定的距离。Poter和他的同事们按着下面所述的方式把机器人和神经网络连接。


他们从两个不同的电极进行刺激,其间有一定的延时,最后得到神经元上某种特定的整体反应。当两次刺激间延时大的时候,神经反应也大。在延时是150ms时,神经反应最小,但是当延时比150ms更小的时候,存在一个最大的整体反应。


延时由机器人和物体之间的距离决定,它可以粗略地用红外线传感器来测量。


像我们以前看到的那样,如果机器人距离物体很远,信号间的延时会很大,这样会导致很大的整体反应。这个反应被翻译成发给机器人的前进指令。机器人是向左还是向右移动由这两个电极中哪一个先接收到刺激而定,而这又由机器人是接收到左边还是右边的感知刺激决定。如果和物体间的距离刚刚好,那么这会被映射成约150ms的延时,因而导致非常低的活动水平,这对应于给机器人不要移动的指令。和物体很近的距离被映射成一个很短的延时,从而导致最大的反应,反过来,这被映射成给机器人的后退的指令。Potter用了两个机器人,一个由生物网络控制,一个由计算机控制。由神经控制的机器人一定要跟随由计算机控制的那个机器人。这个任务真的实现了!这又是生物神经系统和机器人间能过顺利协作的一个漂亮的案例。甚至还有一些初步的证据表明随时间推移而发生的一些行为变化可以归结为神经可塑性机理。和Musa-Ivaldi的实验系统相比,这个实验系统的好处是行动中神经元的活动更容易测量,因为它们在器皿中。同时,多亏了这个多电极阵列,成百的神经元能够同时被记录下来,这提供了一个全新且独特的方法来研究脑的功能。


但是Poter并没有就此停步,如我们以前所说,他不仅把神经基质连接到移动机器人,而且因为他想创作艺术,他还把器皿中的神经基质通过多电极阵列和因特网连接到机器人的手臂上。这个手臂握着一支笔,可以根据动作指令在放在其下的纸上作画。这个机器人手臂位于澳大利亚的伯茨而控制它的大脑则位于12000mi®


之遥的佐治亚州的亚特兰大,大脑和身体之间的距离跨越了半个地球。一个头顶式摄像机用来观察机器人作画,并通过它来计算给这个阵列中的60个电极的反馈信号。当然,通过机器人手臂移动所创作的艺术品十分依赖于把的摄像机图像反馈给神经网络的方式及手臂下一步运动的生成方式。虽然这项工作还在进行当中,但可以肯定这是一个充满魅力的研究,并且这些画本身并不是简单的随机涂抹,许多人都会很高兴如果他们自己能够画出那样的画来(Bakkum等,2004)。


Mussa-lvaldiPotter都完全支持具身观点,即如果我们真的想知道神经系统的功能,那么它一定是要完全具身的。当然比较在非具身和具身状态下神经元的功能也是很有趣的,我们在讨论七鳃鳗的中心模式生成器及其在具身状态和非具身状


①1mi=l.6km


态下不同功能时也作了同样考察。通过研究在这两种状态下的神经系统,我们可以调查大脑和身体是怎样交互而产生智能行为的。但是除了按这种方式研究大脑的概念性优势外,电子人技术有许多的实际用处。Mussa-IvaldiPotter研究的中心目标之一是更好地了解生体和人工系统怎样连接,特别是面向医疗的应用,如假肢、电动助力设备、辅助服装或任何能够帮助身体或心理受损的人们生活得更轻松的装置。我们将在第11章讨论日常生活中的机器人时,再来思考一下这些问题。







 




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