機(jī)器可以理解語(yǔ)音、識(shí)別面部和安全駕駛汽車。這讓人們十分訝異于近期的技術(shù)方面的進(jìn)步。但是,如果人工智能領(lǐng)域想要實(shí)現(xiàn)革命性的跨越,從而建造出類人式的機(jī)器,它首先將要掌握嬰兒的學(xué)習(xí)方式。
「在相對(duì)最近的人工智能中,人們從想直接設(shè)計(jì)一個(gè)可以完成成人做的事情的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成一種認(rèn)識(shí)——即如果想要有一個(gè)靈活和強(qiáng)大的系統(tǒng)來(lái)完成成人做的事情,這個(gè)系統(tǒng)需要能夠?qū)W習(xí)嬰兒和孩子做事情的方式?!辜又荽髮W(xué)伯克利分校的發(fā)展心理學(xué)家Alison Gopnik說(shuō),「如果你將現(xiàn)在計(jì)算機(jī)可以完成的事情與10年前可以完成的事情相比較,它們已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但是如果你將這些事情與一個(gè)4歲兒童可以做的事相比較,仍然有相當(dāng)大的差距。」
嬰兒和孩子使用一種和科學(xué)家用來(lái)構(gòu)建科學(xué)理論的相同的方法來(lái)構(gòu)建關(guān)于他們的周圍的世界的理論。他們以一種系統(tǒng)的和實(shí)驗(yàn)性的努力來(lái)探索和測(cè)試他們周圍的環(huán)境以及環(huán)境中的人,這對(duì)于學(xué)習(xí)至關(guān)重要。
Gopnik最近和一組研究人員一起研究揭示了15個(gè)月大的孩子相比年齡更大的孩子是如何使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)更好地學(xué)習(xí)因果關(guān)系的。嬰幼兒也許是更好的學(xué)習(xí)者,因?yàn)樗麄兊拇竽X更加靈活或者「可塑性」更強(qiáng);他們較少地被背景知識(shí)所影響,這也讓他們有著更加開放的頭腦。大腦并非是不變的,而是隨著每一次學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)而改變。
通過(guò)將發(fā)展心理學(xué)家和計(jì)算學(xué)家的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合,人們可以揭示出世界上最好的學(xué)習(xí)型大腦是如何工作的,并且將其計(jì)算能力轉(zhuǎn)化到機(jī)器的身上。最近,人工智能需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)提取模式和結(jié)論,但那些對(duì)周圍世界有相對(duì)較少數(shù)據(jù)的嬰兒使用的是一種被稱為貝葉斯學(xué)習(xí)(Bayesianlearning)的統(tǒng)計(jì)評(píng)估方法(參閱機(jī)器之心文章《深度|大腦認(rèn)知機(jī)制是貝葉斯式的嗎?》)。也就是說(shuō),這種理解并非是基于一個(gè)結(jié)果的已知頻率(嬰兒所沒(méi)有的信息),而是基于當(dāng)前的知識(shí)推斷出的事情發(fā)生的可能性,其隨著新接收到的信息而連續(xù)調(diào)整。
「令人震驚的是,嬰兒可以只看到一次或聽(tīng)到一個(gè)新單詞的時(shí)候,他們就已經(jīng)對(duì)這個(gè)新詞的可能意思和可能的使用方法等有了一個(gè)很好的認(rèn)識(shí)了;」Gopnik說(shuō)。「所以這些貝葉斯方法很好地解釋了在沒(méi)有充足數(shù)據(jù)的情況下,這些孩子為什么如此擅長(zhǎng)于學(xué)習(xí)?!?/div>
嬰兒們使用概率模型通過(guò)組合概率和可能性(probabilities and possibilities)來(lái)得出結(jié)論,從而創(chuàng)造出各種假設(shè)。隨著大腦的成熟,它變得更加專業(yè)化以便執(zhí)行復(fù)雜的功能,因此也變得不那么靈活,越來(lái)越難以隨著時(shí)間而改變。年長(zhǎng)的學(xué)習(xí)者發(fā)展出了有偏見(jiàn)的觀點(diǎn),因?yàn)樗麄兏嗟亓私馐澜绮⑶壹訌?qiáng)某些神經(jīng)連接,這阻礙了他們基于很少的信息來(lái)形成具有創(chuàng)新性的假設(shè)和抽象理論的能力。這種能力使得5歲以下的嬰兒和兒童茁壯成長(zhǎng)。
「這種權(quán)衡關(guān)系就是,你知道的越多,你就越難以考慮新的可能性,」Gopnik說(shuō)?!改阒赖脑蕉?,你就越依賴于你知道的東西,而對(duì)新的東西則不能保持一個(gè)開放的態(tài)度。從進(jìn)化的角度來(lái)看,嬰兒的整體情況就是他們不知道那么多,所以他們可以更好地學(xué)習(xí)新的東西。」
在嬰兒剛出生的幾年,每一秒都有700個(gè)新神經(jīng)連接生成,這是讓一個(gè)靈活的大腦處理快速積累的來(lái)自環(huán)境和社交的信息所必需的部分。比起在成年時(shí)期重新組合大腦回路,生命早期的可塑性使得從零建立大腦的架構(gòu)更加容易。貝葉斯學(xué)習(xí)已經(jīng)被證明是兒童發(fā)展中的一個(gè)強(qiáng)大工具,計(jì)算機(jī)科學(xué)家正在使用該模型設(shè)計(jì)智能學(xué)習(xí)機(jī)。
麻省理工學(xué)院大腦和認(rèn)知科學(xué)系的教授、計(jì)算認(rèn)識(shí)科學(xué)家Joshua Tenenbaum說(shuō):「貝葉斯算法正在試圖捕捉嬰兒的學(xué)習(xí)模式,」他正在與Gopnik合作進(jìn)一步研究其計(jì)算機(jī)和心理學(xué)的混合領(lǐng)域。「當(dāng)這些孩子進(jìn)入了真實(shí)的世界時(shí),就已經(jīng)有準(zhǔn)備好的基本的構(gòu)建模塊來(lái)讓他們理解一些最復(fù)雜的概念。然后,他們有學(xué)習(xí)機(jī)制——即以這些最初的構(gòu)建模塊來(lái)嘗試從稀疏數(shù)據(jù)推理,并創(chuàng)造因果理論?!?/div>
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人類的大腦,不管處在哪一個(gè)發(fā)展階段,都是被設(shè)計(jì)通過(guò)一系列的感覺(jué)系統(tǒng),包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)、空間取向和平衡從而進(jìn)入物理世界。當(dāng)一個(gè)人只有有限的數(shù)據(jù)時(shí),大腦就會(huì)填補(bǔ)空白,這是一種被稱為「退化(degeneracy)」的神經(jīng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。盡管嬰兒的大腦缺乏一個(gè)或多個(gè)感知,但是他們還是尤其擅長(zhǎng)處理信息。
Tenenbaum說(shuō):「為了理解世界,孩子們會(huì)像科學(xué)家一樣學(xué)習(xí),這包括形成理論、進(jìn)行試驗(yàn)、玩耍并且看看到他們可有所發(fā)現(xiàn)的東西,積極思考什么是正確的方法來(lái)測(cè)試他們的理論或者應(yīng)對(duì)一些他們沒(méi)有想到的東西,并試圖找出什么是錯(cuò),什么是對(duì)。」
采取孩子的措施
Tenenbaum和來(lái)自紐約大學(xué)和多倫多大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)了一種能夠以更有效和更復(fù)雜的方式捕獲新知識(shí)的人工智能軟件。在2015年12月,他們的研究論文《Human-level concept learning through probabilistic programinduction》指出用于創(chuàng)建計(jì)算機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法接近我們所處理信息的方式;該論文已發(fā)表在Science雜志上。
新的人工智能程序可以在看到一個(gè)樣本之后就像人類一樣準(zhǔn)確地識(shí)別手寫字符。使用貝葉斯程式學(xué)習(xí)框架,軟件能夠?yàn)槊總€(gè)至少看到一次的手寫字符生成一個(gè)獨(dú)特的指令。但是,當(dāng)機(jī)器面臨一個(gè)不熟悉的特性的時(shí)候,這種算法的獨(dú)特功能就發(fā)揮了作用。它從數(shù)據(jù)搜索轉(zhuǎn)換到尋找匹配,使用概率程序并通過(guò)組合已經(jīng)見(jiàn)過(guò)的字符的部分和子部分來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的字符以此檢測(cè)其假設(shè)——即當(dāng)嬰兒面對(duì)他們從未見(jiàn)過(guò)的角色和對(duì)象時(shí),他們?nèi)绾螐挠邢薜臄?shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到豐富的概念。
然而,軟件仍然無(wú)法通過(guò)形成原始假設(shè)自主學(xué)習(xí)方式模仿孩子學(xué)習(xí)的方式。當(dāng)研究人員能夠設(shè)計(jì)具有原始假設(shè)和真實(shí)的目標(biāo)的軟件時(shí)(例如產(chǎn)生識(shí)別字符的愿望而非遵循研究者的指令),人工智能系統(tǒng)的潛力將會(huì)有里程碑式的轉(zhuǎn)變。沒(méi)有自我驅(qū)動(dòng)的目標(biāo),人工智能系統(tǒng)就限制了他們自主運(yùn)作的潛力。
Tenenbaum說(shuō):「使用越來(lái)越多的數(shù)據(jù)進(jìn)行的持續(xù)性學(xué)習(xí)是任何人工智能系統(tǒng)都想要做到的,但自主學(xué)習(xí)卻是棘手的,因?yàn)榭倳?huì)有人來(lái)操控整件事情,數(shù)據(jù)的數(shù)量與類型也由他們給出。嬰兒是自主選擇的,但是要讓人工智能系統(tǒng)能夠更自主地構(gòu)建自己學(xué)習(xí)過(guò)程仍舊是一個(gè)眾所周知的挑戰(zhàn)。目前的人工智能系統(tǒng)并沒(méi)有建立任何目標(biāo),應(yīng)此它們也無(wú)法為自己的學(xué)習(xí)負(fù)責(zé)。當(dāng)一個(gè)機(jī)器人按指示拿起一個(gè)盒子時(shí),看著它們做著和人類一樣的事情是非常令人欣喜的,然而它們并不會(huì)擁有像孩子那樣復(fù)雜的思維水平?!?/div>
Tenenbaum和他的同事采用了在神經(jīng)元的虛擬網(wǎng)絡(luò)上建模的深度學(xué)習(xí)算法。它建造了一個(gè)非常初步模仿人腦的工作方式。當(dāng)機(jī)器處理一個(gè)對(duì)象時(shí),它搜索其巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取與機(jī)器匹配的像素以進(jìn)行識(shí)別。而人類依賴于更高形式的認(rèn)知功能來(lái)解釋對(duì)象的內(nèi)容。
「我們正在試圖編寫像大腦的軟件一樣的計(jì)算機(jī)程序,這通常被稱之為思維。思維是程序且運(yùn)行于大腦這個(gè)硬件上,我們就是試圖在對(duì)準(zhǔn)軟件層面。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在人工智能中就像計(jì)算機(jī)程序的軟件層面一樣。」
在2013年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)撥款2500萬(wàn)美元資助了麻省理工學(xué)院一項(xiàng)為期五年的項(xiàng)目,用于建立腦、思維和機(jī)器中心。為了解大腦如何執(zhí)行復(fù)雜計(jì)算,不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師共同合作,希望構(gòu)建更類似于人類智能的智能機(jī)器。
Tenenbaum說(shuō):「近期我們才建立出一個(gè)能夠做到這一點(diǎn)的數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)模型,我們將需要更多的資源、人才、公司、技術(shù)和公司的利益以及更快的計(jì)算機(jī)。我們可能需要等待或依靠其他工程進(jìn)展,然后才能趕上即使是非常幼小孩子的智力?!?/div>
構(gòu)建第一個(gè)嬰兒大腦
新西蘭的奧克蘭大學(xué)生物工程研究所正在試圖通過(guò)一個(gè)動(dòng)畫制作的可互動(dòng)的嬰兒來(lái)彌合大腦和機(jī)器之間的差距。MarkSagar是該研究所動(dòng)畫技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的導(dǎo)演和創(chuàng)始人,其動(dòng)畫作品《阿凡達(dá)》和《金剛》獲多項(xiàng)奧斯卡獎(jiǎng)。他在實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)叫做BabyX的3D電腦屏幕上的金發(fā)碧眼寶寶玩躲貓貓,這個(gè)BabyX是一個(gè)能夠?qū)W習(xí)、思考并可以產(chǎn)生面部表情,能夠自己做出反應(yīng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
通過(guò)在麻省理工學(xué)院建立身體部位的醫(yī)學(xué)模擬,Sagar開始了他的職業(yè)生涯。在那里他致力于實(shí)現(xiàn)數(shù)字面孔,并使用這些技能開發(fā)BabyX。動(dòng)畫人工智能能夠模仿他的面部表情、朗讀簡(jiǎn)單的字、識(shí)別對(duì)象和播放經(jīng)典的視頻游戲Pong,這使它每天都變得更聰明。BabyX不僅是Sagar的「大腦寶寶」,也是在他的女兒Francesca在不同年齡階段的模型。
為了構(gòu)建BabyX,Sagar在他的女兒6個(gè)月、12個(gè)月、18個(gè)月和24個(gè)月時(shí)進(jìn)行了掃描,并將數(shù)據(jù)上傳到了系統(tǒng)中。他選擇通過(guò)動(dòng)畫技術(shù)來(lái)復(fù)制他女兒的行為、面部表情和聲音,作為人工智能初生的隱喻。Sagar親切地將BabyX稱為「她」,并解釋她如何使用光纖電纜:由她的模擬神經(jīng)活動(dòng)所驅(qū)動(dòng),如同脊髓連接到大腦。與之前的系統(tǒng)不同,由于BabyX是一個(gè)具有人工智能的交互式化身,故它具有學(xué)習(xí)和保留信息的能力。
「我們不以大多數(shù)人所想的方式開發(fā)人工智能,」Sagar說(shuō),「在神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中存在許多有爭(zhēng)議的理論,現(xiàn)有知識(shí)可能僅代表冰山一角。而最困難但也最深刻有趣的部分是:生物學(xué)啟發(fā)的方法如何從不同規(guī)模過(guò)程的相互作用中出現(xiàn)更高的認(rèn)知水平?!?/div>

Sagar和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了BabyX與人類的互動(dòng)。BabyX能夠處理人類的情緒、理解他們的行動(dòng)背后的意義、并根據(jù)她過(guò)去與Sagar的互動(dòng)中所學(xué)的東西做出回應(yīng)。BabyX的屏幕之后是一個(gè)大腦的實(shí)時(shí)模擬,使它能夠提示面部模擬眨眼和觀眾報(bào)以微笑。Sagar認(rèn)為臉部是發(fā)展是有效交互式人工智能的關(guān)鍵,因?yàn)樗谴竽X的反映,并揭示了有意識(shí)思維的內(nèi)在運(yùn)作。例如,一個(gè)簡(jiǎn)單的微笑是腦內(nèi)連接的復(fù)雜、交織系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果。
「BabyX通過(guò)使用者的行為和寶寶的行為之間的關(guān)聯(lián)來(lái)學(xué)習(xí),」Sagar說(shuō)道,「在一種學(xué)習(xí)形式中,咿呀聲會(huì)使BabyX探索她的運(yùn)動(dòng)空間、移動(dòng)她的臉或手臂。如果使用者的響應(yīng)類似,則表示BabyX的動(dòng)作神經(jīng)元開始通過(guò)稱之為Hebbian學(xué)習(xí)的過(guò)程與響應(yīng)使用者動(dòng)作的神經(jīng)元相聯(lián)系,共同發(fā)揮作用的神經(jīng)元會(huì)聚在一起。」
在重復(fù)過(guò)程之后,新的神經(jīng)連接開始在BabyX的模擬大腦中創(chuàng)建一個(gè)映射,將其動(dòng)作與使用者的動(dòng)作相匹配,為更高級(jí)的模仿打基礎(chǔ)。人類大腦的工作方式大同小異——即通過(guò)完成一個(gè)動(dòng)作,大腦形成新的連接并通過(guò)重復(fù)這個(gè)動(dòng)作而加強(qiáng)。
最終,這個(gè)模擬的嬰兒通過(guò)她大腦處理的環(huán)境信息來(lái)做出自己的反應(yīng)。本質(zhì)上,BabyX通過(guò)不斷改進(jìn)代碼進(jìn)行學(xué)習(xí)。
BabyX的學(xué)習(xí)能力是基于生物學(xué)似乎可信的學(xué)習(xí)模型中,這種算法模擬和翻譯人類大腦如何處理信息和釋放大腦中的化學(xué)反應(yīng),例如多巴胺或催產(chǎn)素水平。當(dāng)她不明白一個(gè)單詞或動(dòng)作時(shí),BabyX顯示困惑的表情,但當(dāng)她正確地讀一個(gè)單詞時(shí),她會(huì)快樂(lè)地笑起來(lái),并釋放更高水平的「快樂(lè)激素」多巴胺。每個(gè)算法都控制神經(jīng)系統(tǒng)從而令她能夠模仿、建立反饋系統(tǒng)還有通過(guò)互動(dòng)和演示學(xué)習(xí)新的信息。

「我想探索如何將基于生物學(xué)的行為、情緒和認(rèn)知的計(jì)算模型集成到動(dòng)畫中,特別是面部,」Sagar說(shuō)道,「面部表情是人類經(jīng)驗(yàn)許多方面的紐帶。這對(duì)探索學(xué)習(xí)和心理發(fā)展的基礎(chǔ),甚至可能對(duì)我們未來(lái)與更復(fù)雜、自主技術(shù)的相互作用和使用都至關(guān)重要。」
由于面部是溝通的一個(gè)首要手段,Sagar希望他的實(shí)驗(yàn)可以為未來(lái)的健康和教育應(yīng)用奠定基礎(chǔ),例如旨在與自閉癥或其它社交障礙疾病兒童患者進(jìn)行互動(dòng)的方案。一個(gè)可以感受到人的情緒、處理并了解他們的感受的系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)人工智能研究的目標(biāo),這就像我們?nèi)松凶畛醯墓怅幰粯?mdash;—建立一個(gè)可以自己思考的大腦。
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