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當腦科學“遭遇”未來機器人

點擊：  作者：趙地    來源：機器人圈、機器人產業雜志  發布時間:2016-05-26 11:22:52

 

近年來，發達國家紛紛發布各自的“腦計劃”，而我國也早已對該研究進行布局，并發布了中國版“腦計劃”。到底各國對于人腦的研究進展幾何？腦科學研究又對于機器人技術的發展起到了何種關鍵作用？本文帶你篤學一番。

 

現在，信息通信技術與生物學的融合已經到達了一定高度，所以讓研究者們夢寐以求的、能夠掌握人類大腦的愿景，有望成為現實。

 

方興未艾的“腦計劃”

 

2013年6月，美國白宮公布了“推進創新神經技術腦研究計劃”；而在同年初，歐盟委員會也宣布“人腦工程”為歐盟未來10年的“新興旗艦技術項目”；緊接著，2014年9月，日本科學省亦宣布了大腦研究計劃的首席科學家和組織模式。

 

美國側重于繪制腦圖并試圖弄清人腦結構，歐洲則側重于使用計算機模擬人腦……發達國家紛紛投入巨資，并將各自的“腦計劃”提升至戰略高度，可見這項工作的意義非常重大。

 

美國“腦計劃”

 

美國的“腦計劃”名為“推進創新神經技術腦研究計劃”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，簡稱“BRAIN”），其進程有可能持續10年之久，以加速研發和應用新技術，使研究者看到腦的動態圖景，顯示各個腦細胞和復雜的神經回路如何以“思維的速度”相互作用。

 

“BRAIN”的腦模擬包含以下的研究內容：統計大腦細胞類型，建立大腦結構圖，開發大規模神經網絡記錄技術，開發操作神經回路的工具，了解神經細胞與個體行為之間的聯系，整合神經科學實驗與理論、模型、統計學等，描述人類大腦成像技術的機制，為科學研究建立收集人類數據的機制，知識傳播與培訓等。

 

在歐洲的“人類腦計劃”（Human Brain Project）和美國“腦計劃”（BRAIN）中，大腦模擬是其重要的內容之一。

 

美國國家衛生研究院宣布，美國腦計劃（BRAIN）將重點資助9個大腦研究領域（見圖1）。這是美國相關政府科研機構首次公布“腦計劃”的具體研究和實施細節。

美國腦計劃9大重點資助領域

 

歐盟人腦計劃

 

歐盟人腦計劃（Human Brain Project，簡稱“HBP”）于2013年入選了歐盟的未來旗艦技術項目，獲得了10億歐元的資金支持，共有26個國家的135個合作機構，數百名研究人員參與此計劃，它也成為了全球范圍內最重要的人類大腦研究項目之一。HBP主要任務是對人類大腦進行模擬，即是通過超級計算機的計算來整體模擬人類大腦。

 

在該項腦模擬計劃中，研究者們打算繼續開發人類大腦如何全面運作計算機模型。為實現該模型，研究者需要的是近1000PB的計算機，其能力超過當今超級計算機百倍甚至千倍。另外，它也將極大地加速人類對人腦結構和功能的全面理解，有助于人類更好地研究大腦疾病并發現更加優化的治療方案，也會對現在開發基于人腦機理的信息通信技術起到極大的推動性意義。

 

“歐盟人腦計劃”中對神經機器人的研究便是其中的典型代表，在計劃開展的前30個月，該計劃建設涉及神經信息學、大腦模擬、高性能計算、醫學信息學、神經形態計算和神經機器人等6座大型試驗與科研基礎設施。可見，神經機器人研究的重要性。

 

“歐盟人腦計劃”的重點領域如下：

 

第一，人腦計劃的核心是信息和計算技術。這一計劃將研發神經信息學、腦仿真和超級計算的ICT平臺；

第二，全新的醫學信息學平臺將把全世界的臨床數據都匯集起來，使醫學研究人員得以提取有價值的臨床信息，并結合進有關疾病的計算機模型中；

第三，仿神經計算平臺和神經機器人學(neurorobotics)平臺根據腦的構筑和回路研發新型的計算系統和機器人。

 

在信息和計算技術方面，通過應用云計算和分布數據庫技術，再配合互聯網和現代密碼學，便有可能分析來自世界各處的科學研究與臨床數據；通過各種數據挖掘技術和高性能計算，便有可能對大量數據進行分析，并在多個尺度上仿真腦模型，找出缺失之處，并設計新的實驗以填補空白。通過仿神經計算技術則有可能造出更密集、能耗更低的計算裝置，并促進神經機器人的研究。

 

日本腦計劃

 

日本也加入了腦模擬的行列。2013年，由日本和德國的研究人員合作，進行了一次較大規模的人腦神經模擬計算，在該計算中使用了超級計算機K Computer（中文名為“京”）。當時全球超級計算機世界排名第四的“京”，得出的結果是相當令人振奮的。當時模擬的是1秒內17.3億神經細胞的活動情況，共計調用了K Computer的82944個處理器，并且使用了1PB內存進行計算，為數十年后的腦模擬帶來了希望。

 

中國版“腦計劃”

 

“中國腦計劃”的名稱為“腦科學與類腦科學研究”（Brain Science and Brain-Like Intelligence Technology），人們簡稱為“中國腦計劃”。該計劃主要有兩個研究方向：以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究，以及以建立和發展人工智能技術為導向的類腦研究。該計劃將作為我國六個長期科學項目工程中的一個重要項目，被國家政府長期資助，資助時間達到15年之久（2016-2030年）。

 

作為”中國腦計劃“要解決的問題，以下三個層面的認知問題是重點：

 

包括大腦對外界環境的感官認知，即探究人類對外界環境的感知，如人的注意力、學習、記憶以及決策制定等；對人類以及非人靈長類自我意識的認知，通過動物模型研究人類以及非人靈長類的自我意識、同情心以及意識的形成；對語言的認知，探究語法以及廣泛的句式結構，用以研究人工智能技術。

 

”中國腦計劃“要重點解決三個層面的認知問題

 

2015年9月1日，“腦科學研究”的專項計劃在北京市科委正式啟動。會上饒毅、王擁軍、王曉民等20余位腦科學研究專家參與。

 

會上發布了《北京市科學技術委員會“腦科學研究”專項實施方案》。該計劃提出未來兩個五年發展目標：到2020年，北京市科委將推動腦科學重大共性技術研究中心建設，形成跨部門、跨學科的“腦認知與腦醫學”研究支撐平臺，建成支撐“腦認知與類腦計算”基礎研究和技術研發的公共平臺。著力突破腦疾病領域關鍵技術，盡快實現成果轉化惠及于民，提升人民腦健康水平。

 

同時，會上提出了北京腦計劃的重點任務：

 

建立四大類腦計算研究平臺，營造類腦計算的基礎研究環境；研制兩類類腦計算核心芯片，掌握類腦計算技術主動權；實現三類典型類腦智能應用，在大規模智能應用中發揮關鍵作用。

 

為保障腦科學研究專項的順利實施，北京市科委給予了大力支持，建立以專家團隊為核心的組織模式，成立以國內外專家組成的專家指導組，包括專項總體組和專家指導組。充分發揮人才作用，形成一批基礎性、戰略性研究成果，并將建立多方協同創新的工作機制，不僅鼓勵北京大學、清華大學、中國科學院、首都醫科大學等核心科研機構內部整合力量，更支持在北京地區用新體制、新機制整體構建跨地區、跨部門的“腦科學協同創新研究中心”。

 

上海也緊隨其后，開展了相應的腦計劃研究。上海腦計劃主要關注人腦科學研究領域的以下幾個內容：

 

一是以腦神經研究、神經外科治療等為切入點，配套協助國家腦科學卓越創新中心的相關工作；二是爭取建設成為亞洲最大的精神疾病治療中心；三是將腦科學研究與智能機器人研究有效結合；四是提升研究機構和人員的數量和水平。

 

由復旦大學、上海交通大學、華東師范大學、上海紐約大學四所大學牽頭，聯合一批高校和科研院所以及企業開展。該計劃將對接“中國腦計劃”，并培養一批優秀的年輕科學家。上海市政府已將腦科學與人工智能列為本市重大科技項目，作為建設科技創新中心的重要舉措。復旦大學牽頭成立了“腦科學協同創新中心”，推進腦科學研究和轉化應用，積極推進和參與“上海腦計劃”的實施。“上海腦計劃”未來主要目標在如下幾個方面：解析復雜數據、模擬腦工作，探究記憶、學習、決策等原理，模擬智能交互，進行大數據挖掘，開展智能醫療診斷等方面。

 

近年來，腦科學與類腦智慧已經成為世界各國研究和角逐的熱點。美國、歐盟相繼啟動相關研究計劃，中國政府也高度重視。在國家大力推動創新驅動的背景下，“中國大腦”計劃獲得了政策大力扶持。腦計劃對我國基礎腦科學技術研究平臺有很大的提升，這些技術體現在神經標記和神經環路示蹤技術、大腦成像技術、神經調節技術、神經信息處理平臺等方面。此外，該項目有望建立一個腦圖像國家平臺，一個有關大腦功能失調的血液生物庫和大腦生物庫以及大腦健康訓練和教育中心，對于基礎腦科學研究來說，由此帶來的效應非常明顯。

 

中國執行腦計劃擁有諸多方面的優勢，例如中國靈長類動物種類和數量十分豐富，在非人靈長類腦疾病模型上也處于世界領先地位等。除了能夠促進基礎腦科學外，“中國腦計劃”還有益于我們對大腦疾病的探索。該計劃一旦落實，未來通過分子、影像以及相關標記物，我們即可在大腦疾病的早期診斷和干預上發揮重要作用，通過大腦疾病的遺傳、表觀遺傳以及病理性功能失調等方面的研究，掌握大腦疾病的發生機制。

 

腦科學研究與未來機器人緊密關聯

 

腦計劃的開展是未來機器人發展的動力。腦計劃的開展對機器人相關技術的發展也起到了促進作用。隨著歐、美、日相繼啟動各種人腦計劃，中國也將全面啟動自己的腦科學計劃。類腦計算和人工智能研究是“中國腦計劃”的重要組成部分，而機器人是其一個重要的研究方向。設計類腦芯片和類腦機器人，研發類腦人工智能硬件系統，從各種智能可穿戴設備到工業和服務機器人?？梢娔X計劃推動了硬件方面機器人的發展。

 

機器人的視覺系統技術就是典型案例之一。機器視覺系統是指用計算機來實現人的視覺功能，換句話說就是用計算機來實現對客觀的三維世界的識別。人類視覺系統的感受部分是視網膜，而視網膜就是一個三維采樣系統。三維物體的可見部分首先是投影到視網膜上，之后人們才按照投影到視網膜上的二維的像來對該物體進行三維理解。三維理解包括對被觀察對象的形狀、尺寸、離開觀察點的距離、質地和運動特征等的理解。機器人視覺系統主要是利用顏色、形狀等信息來識別環境目標。

 

以機器人對顏色的識別為例：當攝像頭獲得彩色圖像以后，機器人上的嵌入計算機系統將模擬視頻信號數字化，將像素根據顏色分成兩部分，即感興趣的像素(搜索的目標顏色)和不感興趣的像素(背景顏色)。然后，對這些感興趣的像素進行RGB 顏色分量的匹配。為了減少環境光強度的影響，可把RGB顏色域空間轉化到HIS等顏色空間。

 

機器人視覺系統主要由三部分組成

 

機器人視覺系統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內在特征轉換成能被計算機處理的一系列數據，它主要由三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機輸出信號。視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。

 

除了視覺，聽覺也是人類大腦的重要組成之一，而聽覺傳感器便是機器人的“耳朵”。若僅要求其對聲音作出反應，那么我們只需一個開關量輸出形式的聽覺傳感器，利用一個“聲—電”轉換器就能辦到。但是，如果讓家用機器人能夠聽懂主人的語言指令，根據指令去打掃房間，開關房門，倒垃圾等，就已經很困難了；而若進一步要求機器人能與主人對話，區別主人和其他人的聲音，從而只執行主人的命令，那就是“困難重重”了。

 

目前，現在的研究水平只是通過語音處理及辨識技術識別講話人，還可以正確理解一些極簡單的語句。由于人類的語言非常復雜、詞匯量相當豐富，即使是同一個人，其發音也會隨環境及身體狀況變化而變化。因此，要使機器人的聽覺系統具有接近人耳的功能，除了擴大計算機容量和提高其運算速度外，還需人們在其他方面做大量、艱苦的研究、探索工作。

 

當然，我們也可以通過軟件來輔助實現機器人的語音識別。ROAR（機器人操作系統的開源音頻識別器）軟件工具就能夠實現該功能。該軟件能幫助機器人專家訓練機器對更寬泛意義的聲音作出反應。這個工具主要需要一個麥克風；訓練開始時，機器人的麥克風首先捕捉周圍的聲音，ROAR對這些聲音進行打磨；接下來，操作者通過反復重復某個動作教ROAR識別主要聲音，在機器人聽這些聲音的同時標記這些獨特的語音信號；最后，根據那套訓練片斷，程序會生成一套通用模式，包含各個動作對應的不同的聲音。雖然這些技術還處在研發階段，但是未來發展前景是巨大的。

 

近年來,具有自學習能力的機器人成為了一個新的研究熱點。這個研究方向的一個關鍵問題是用學習技術增強機器人的智能。在機器人研究領域的多種學習方法中，最為廣泛使用的方法就是“強化學習方法”。強化學習(reinforcement learning，又稱再勵學習、評價學習)是一種重要的機器學習方法，在智能控制機器人及分析預測等領域有許多應用。常見的算法包括“Q-Learning”及“時間差學習”。

 

以日本發那科公司的一款工業機器人為例，給定機器人某一任務，比如從某盒子拾取小工具并放入另一個容器，該機器人能夠用整個晚上想出如何完成該任務。上圖為日本發那科公司的這款機器人。

 

發那科的機器人使用了一種名為“深度強化學習”的技術，以完成自我訓練，可隨時學習新的任務。它在嘗試拾起物品的同時，還能夠抓取這個過程的錄像。不管每次成功與否，它都會記住物品的樣子，進而通過學習到的知識，改進控制其行動的深度學習模型或大型神經網絡。短短大約八個小時后，該機器人便達到了90%甚至更高的準確度，仿佛是一位程序專家一般。

 

腦科學研究已經得到了國家的高度重視，“中國腦計劃”已經獲得國務院批示，并列為“事關我國未來發展的重大科技項目”之一，將從認識腦、保護腦和模擬腦三個方向全面啟動。具有中國特色的“中國腦計劃”也在機器人方面得到了體現，比如復旦科學家研究的一種能夠“望、聞、問、切”的中醫機器人，機器人圍棋專業四、五段水平的“百度大腦”項目在研究中，以及國防科技大學研發出腦控機器人，他們通過將人腦電波轉換成指揮機器人的計算機指令，實現用人腦直接控制機器人運動?？梢?，機器人的發展得益于腦科學的研究以及腦計劃的開展。

 

總而言之，我們不得不承認，以計算機目前的能力仍然沒有人類大腦那么“強悍”。從某種意義上而言，也正由于此，種種技術難題限制了機器人的研發。雖然目前人們還沒有開發出滿意的算法，使其能夠真實地模擬人腦進行運行的機制，但人類對智能化要求的提高促使機器人產業實現更快的發展。在這樣的大背景下，機器人技術必將飛速發展。機器人將越來越像“人腦”一樣去感受這個世界，實現更高級的視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺的感知。“由機器人到有‘人類感官’的機器人”，這也許就是人腦計劃中人工智能的未來發展趨勢。經過科學家以及相關研究者的共同努力，這一天離我們真的并不遙遠。

 

（趙地 中國科學院計算機網絡信息中心“百人計劃”副研究員、計算機與應用數學專業博士學位）

 

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未來智能科學：

機器與大腦的互惠

 

　　純粹依靠邏輯計算的機器是不可能超越人類智慧的，其所能涉及應用領域也會局限于理智計算所勝任的范圍。因此，未來智能機器如要進一步發展，就必須突破目前單單基于經典邏輯機器的局限性。從這個意義上講，未來的人工智能發展，一定會朝著超越目前單純依靠機器的路線，而充分利用腦科學研究的成就，采用大腦與機器相結合的嶄新路線。

　　實際上，人類進入21世紀，隨著腦科學研究突飛猛進的長足進步，腦機互惠研究也已經成為機器智能研究的全新方向。這里，腦機互惠是指腦科學與機器人學之間的一個學科交叉研究領域，涉及通過生物技術來人造或重塑大腦、通過理解人腦來開發認知型機器人，以及通過雙向腦機接口技術來開發腦機混合智能系統等三個方面。

　　首先，隨著人體器官組織的人工培育生物技術的不斷成熟，最近形成了合成生物學的分支學科，完全可以按照各種需要來人工培育人類和動物的大腦皮層組織，并直接與數字芯片相銜接用于控制機器行為。目前人工皮層，如人工海馬、人工小腦等，盡管還停留在動物身體實驗階段，但其原理是一樣的，遲早會應用到人類之上，人工大腦也會為期不遠。

　　其次，還可以利用基因工程直接提升大腦的心智能力，比如可以通過基因工程培育更加智慧的老鼠等;或者通過智能藥片(某種合適的蛋白質注入)來提升動物的智能;或者通過顱磁刺激大腦適當的部位來提升認知處理的速度和敏捷，從而提升動物潛在的智力。一旦上述培育的大腦能夠成功實現心智能力，就可以通過大腦皮層的自然機制與機器人技術相結合來真正提高機器心智的水平。

　　另外，可以利用“可編程”的微型芯片來隨意組合智能機器。這里每個微塵芯片都可以無線控制，通過編程改變其表面電荷來隨意聚合重組形成物體，如智能手機或智能機器人，并控制其活動。這樣就與合成生物學原理一樣，說不定也可以通過某種受控自組織途徑，來構建具有高級心智能力的物體。

　　最重要的，隨著近年來腦科學研究的突飛猛進發展，我們探測人腦的手段不斷發展，腦電圖、腦磁圖、腦成像、近紅外光譜儀、深部腦刺激術以及光遺傳學手段等等，使得開展人類大腦逆向工程成為可能。因此通過這樣的人類大腦工程研究，如果能夠模擬人類大腦，就可以利用全部大腦連接信息來備份人腦，從而開展人腦掃描備份研究工程，使得我們的心靈像軟件一樣不再依賴于硬件的軀體而得到永生。

　　盡管真切實現這樣的大腦掃描備份技術還比較遙遠，但腦科學最新研究的進展還是為我們結合動物神經機制的智能機器研制帶來了全新的可能。比如讀取人腦中流動的思想、植入芯片幫助殘疾人自主生活、建造腦聯網進行直接心靈交流、開展大腦逆向工程，只要遵循或不違背物理定律，一切都有可能。這就為開展未來人工智能研究帶來了廣闊的天地。

　　最后，最為現實的一種腦機互惠技術途徑，就是構建新型的腦機融合計算系統。所謂腦機融合，就是將生物智能(腦)與機器智能(機)相互融合一體，來共同完成原本任何一方都不能單獨很好完成的任務，實現生物智能和機器智能均望塵莫及的更為強大智能表現——混合智能。

　　腦機融合計算系統的構建，主要是基于腦機接口技術，來形成一種綜合利用生物智能和機器智能的新型智能系統。但不同于從腦到機或從機到腦單向性信息利用，腦機融合則是要建立腦機之間的雙向信息交流，從而實現腦機之間的相互協作，共同完成復雜的任務。

　　目前，建立腦機融合這樣的雙向信息交流技術，主要是雙向腦機接口技術。雙向腦機接口技術包括兩種不同類型的研究工作：一是實時采集大規模的腦活動信息，通過解讀腦活動信息來控制機器行為;二是用人工產生的電信號刺激腦組織，將特定的感知信息直接傳入腦組織，以便控制協調腦活動。

　　從目前的初步研究結果來看，通過腦機融合技術開發的新型智能系統，在醫療康復、生活娛樂和軍事偵察等方面具有廣泛的應用潛力。因為通過腦機接口人們可以直接用腦而無須通過語言或操作動作來控制機器或設備，所以腦機接口一個重要應用領域就是幫助病人康復訓練的機器人方面或者幫助有肢體殘缺的人們完成正常人一樣的工作。

　　另外，腦機接口對于某些肢體動作受限的職業，如飛行員、宇航員、潛水員等，利用意念來操控設備有著重要的應用前景，也為動漫游戲、智能機器人控制等提供了一種全新的用戶交互界面。

　　特別是在軍事偵察方面，通過將腦機融合技術運用到某些特殊動物，如蒼蠅、壁虎、老鼠等腦中，利用這些動物行為靈巧性，比如蒼蠅飛行中穩定停頓、壁虎善于爬行光滑墻體，以及老鼠的無孔不入，在這些小型動物身上安裝必要的裝備，并與腦機融合系統相銜接，就可以通過空投和無線控制，去完成各種敵方不易察覺的偵察或破壞任務。

　　更進一步，如果采用雙向接口方式的腦機融合，還可以形成“腦-機-腦”接口技術，從而使得腦腦相聯成為可能。這樣，腦機融合也就變成腦腦相聯的“心靈融合”，將兩個人腦間的思維融合起來，甚至可以讓腦聯網成為可能，實現人腦到人腦的直接互動。

　　目前“互聯網+”已經成為網絡社會發展的全新模式，如果“+”的是雙向腦機接口技術，那就是腦聯網。到那時，人們就可以在腦聯網上通過“心靈感應”來直接實時地進行情感、思想和體驗的交流，甚至群腦共同進行感知、規劃、創造等心智活動。應該看到，從腦機接口到腦腦接口，從腦機融合到心靈融合，未來的腦機融合研究未可限量。

　　總之，展望智能科學這一當代科學新領域，前景十分誘人。我們相信，未來智能科學技術，或者確切地說是基于人腦與機器互惠的智能科學技術研究，一定會有比以往做出更加豐富的成就。

（來源：學習時報，作者：周昌樂 ）