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在北京市腦科學(xué)研究專項(xiàng)引領(lǐng)下，中科院自動化所類腦智能研究中心在類腦人工智能的研究方面，已取得初步進(jìn)展。

一個小小的機(jī)器人，從它的視角望出去的正前方，擺放著一個搖鈴。機(jī)器人問：“這是什么？”一個聲音告訴它：“這是搖鈴。”機(jī)器人先進(jìn)行了緩慢地觀察，之后伸手握起搖鈴晃動，然后放回。當(dāng)再次向機(jī)器人展示搖鈴時，機(jī)器人便能識別出搖鈴，并回憶起搖鈴發(fā)出的聲音。

這是筆者在中國科學(xué)院自動化研究所類腦智能研究中心看到的一幕。

“讓機(jī)器人真正在與環(huán)境的交互過程當(dāng)中去學(xué)習(xí)新的概念，以促使機(jī)器人對客觀世界產(chǎn)生深度理解。”中科院自動化所類腦智能研究中心研究人員表示，在北京市科委腦科學(xué)研究專項(xiàng)的支持下，該中心在類腦人工智能研究方面已取得初步進(jìn)展。

類腦智能閃現(xiàn)“曙光”

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個分支，它的目標(biāo)是了解智能的本質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以與人類智能相似的方式解決問題的智能機(jī)器。人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。

然而，發(fā)軔于1956年的人工智能至今仍未成功賦予計(jì)算機(jī)更多的類人智能，更談不上具有自主學(xué)習(xí)、想象創(chuàng)造等人類智能的高級特征。讓機(jī)器人產(chǎn)生類人智能的道路依然漫長，但這條蜿蜒曲折了幾十年的長路前方似乎已依稀讓人瞥見一縷曙光。

中科院自動化研究所類腦智能研究中心副主任曾毅研究員介紹說：“與原來的機(jī)器人非常不一樣的是，類腦智能不是給機(jī)器人灌輸大量的概念和海量的相關(guān)圖片，而是讓機(jī)器人真正在與環(huán)境的交互過程中去學(xué)習(xí)新的概念，從而促使機(jī)器人掌握更多的現(xiàn)實(shí)世界知識，并運(yùn)用這些知識解決問題。”

同時，它的學(xué)習(xí)方式是通過視覺、聽覺、觸覺等多感知通路來采集相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)真正的多模態(tài)概念學(xué)習(xí)。“通過多模態(tài)的感知，采用自主學(xué)習(xí)的方式探索式地學(xué)習(xí)客觀事物和對象，其背后的機(jī)制正如人的學(xué)習(xí)模式一樣，多腦區(qū)協(xié)同，甚至是幾十個腦區(qū)協(xié)同起來完成這樣一個認(rèn)知功能。”曾毅解釋道。

機(jī)器人通過與環(huán)境交互和多感知通路融合學(xué)習(xí)客觀事物，是中科院自動化所在北京腦科學(xué)研究專項(xiàng)規(guī)劃中承擔(dān)的研究課題“基于多腦區(qū)協(xié)同的認(rèn)知計(jì)算研究與驗(yàn)證”的部分研究內(nèi)容和取得的最新進(jìn)展，而同時開展的研究還有中科院自動化所與北京大學(xué)、中國傳媒大學(xué)一起承擔(dān)的“大腦初級視覺系統(tǒng)解析仿真平臺研究與應(yīng)用驗(yàn)證”課題。曾毅介紹，在該課題中，自動化所主要研究模仿大腦視覺相關(guān)腦區(qū)如何協(xié)同工作，并在無人機(jī)上進(jìn)行最終驗(yàn)證應(yīng)用。

“現(xiàn)在的無人機(jī)避障技術(shù)往往只是簡單的規(guī)則設(shè)定，而我們的研究是將通過感知—決策環(huán)路建模，使無人機(jī)可以進(jìn)行自主決策、自主選擇路線躲避障礙。”曾毅說。

受人腦啟發(fā)的“機(jī)器大腦”

許多人會產(chǎn)生疑問，大腦奧秘尚未揭示，我們還不了解智能背后的基本原理，怎么能制造出具有“大腦智能”的類腦系統(tǒng)？

北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系主任黃鐵軍介紹，人腦雖然是迄今已知的最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，但仍然是一個復(fù)雜度有限的物理結(jié)構(gòu)：擁有約一千億個神經(jīng)元，每個神經(jīng)元通過數(shù)千甚至上萬個神經(jīng)突觸和其他神經(jīng)元相連接。采用神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，從分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)層次解析大腦神經(jīng)元和突觸的物理化學(xué)特性，理解神經(jīng)元、突觸的信號加工和信息處理特性，并無突破不了的技術(shù)障礙。

隨著探測手段的不斷改進(jìn)，大腦解析日益精細(xì)，而神經(jīng)元和突觸作為信息處理單元為解析精度設(shè)定了下界，因此“大腦解析長遠(yuǎn)來看是一個能夠?qū)崿F(xiàn)的工程技術(shù)問題”。

中科院自動化所在大腦的解析建模上也做了大量的前期工作。曾毅介紹，人的絕大多數(shù)高級認(rèn)知功能都與大腦皮層密切相關(guān)，從類腦智能計(jì)算建模的角度講，可以粗略地認(rèn)為我們的初步工作是把人的智能信息處理模型進(jìn)行抽象，表示成一個可以用計(jì)算表達(dá)的類皮質(zhì)柱模型，讓它作為機(jī)器進(jìn)行智能信息處理的基本組件，基于它來實(shí)現(xiàn)腦皮層相關(guān)的不同的類腦認(rèn)知功能。

“當(dāng)然，不光是腦皮層，很多分布于腦皮層之下的腦區(qū)在認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)過程中也發(fā)揮著重要作用，例如基底神經(jīng)節(jié)和丘腦。”曾毅解釋道，“因此我們的建模工作立足全腦多腦區(qū)的協(xié)同和不同認(rèn)知功能的協(xié)同。”

在認(rèn)知腦計(jì)算模型的構(gòu)建方面，類腦智能研究中心展開了不同尺度的腦認(rèn)知計(jì)算建模的工作。曾毅介紹，在微觀尺度，構(gòu)建了超過30類不同類型神經(jīng)元的放電與突觸計(jì)算模型；在介觀尺度，實(shí)現(xiàn)了由不同類型神經(jīng)元構(gòu)成的，完成不同基本單元級別認(rèn)知任務(wù)（如方向選擇）的微環(huán)路和皮質(zhì)柱計(jì)算模型。在宏觀尺度，已構(gòu)建了由213個腦區(qū)、約7100萬神經(jīng)元組成的哺乳動物多腦區(qū)協(xié)同計(jì)算模擬系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的類腦計(jì)算模型已經(jīng)具備初步的多模態(tài)感知、自主學(xué)習(xí)、記憶、歸納推理、決策、動作模仿等認(rèn)知能力，并初步應(yīng)用于無人機(jī)和機(jī)器人平臺。

“以前是在行為尺度觀測人如何處理信息，然后構(gòu)造人工智能系統(tǒng)，現(xiàn)在通過大科學(xué)儀器的幫助，我們可以初步地、部分地觀察腦如何工作，如觀察單個神經(jīng)元的活動，再如在大腦進(jìn)行學(xué)習(xí)活動時可觀察有哪些腦區(qū)參與該認(rèn)知過程，由此分析腦區(qū)之間的協(xié)同機(jī)制，然后在這個基礎(chǔ)上構(gòu)建更接近人腦工作原理的智能系統(tǒng)。”曾毅說，受這些腦研究的啟發(fā)，通過計(jì)算建模構(gòu)造出一個機(jī)器大腦，而這個機(jī)器大腦則有望廣泛應(yīng)用于未來的智能機(jī)器人。

深度協(xié)同進(jìn)行類腦研究

如何把大腦不同的認(rèn)知功能協(xié)同起來，是智能科學(xué)要回答的問題。而要構(gòu)建受人腦啟發(fā)的“機(jī)器大腦”，完成類腦認(rèn)知功能的計(jì)算建模，這需要各個科研團(tuán)隊(duì)間明確和協(xié)同的分工配合。

“在北京市科委的類腦計(jì)算專項(xiàng)合作方面，我們推動了中科院自動化所、北京大學(xué)、中國傳媒大學(xué)等相關(guān)單位協(xié)同合作，相關(guān)各方通過定期召開項(xiàng)目討論會等形式，落實(shí)具體科研項(xiàng)目的協(xié)作。”北京市科委主任閆傲霜介紹。

中國科學(xué)院自動化研究所從2009年開始規(guī)劃類腦研究和前期探索，到2014年整體性啟動類腦智能研究，2015年4月正式成立類腦智能研究中心。目前類腦智能已成為該研究所的重大戰(zhàn)略，研究所協(xié)同所內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢力量，包括模式識別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家專用集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)中心、智能感知與計(jì)算研究中心，全面啟動類腦研究。

不久前，中國科學(xué)院揭牌成立“腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心”。中科院神經(jīng)所、中科院自動化所等20余個腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、人工智能、計(jì)算科學(xué)相關(guān)的研究單位將協(xié)同開展深度交叉融合研究。

據(jù)了解，來自不同研究所的腦神經(jīng)科研人員和類腦智能科研人員將采取定期互訪、共同指導(dǎo)青年科研人員及學(xué)生、共同開設(shè)腦科學(xué)與智能技術(shù)系列課程等方式促進(jìn)深度交流和深度融合。

摘自 中國科技網(wǎng)