仿真人：無限接近人類

邱林

在形形色色的人工智能設(shè)備中，也許最為引人關(guān)注的就是仿真人——其外觀和能力均呈現(xiàn)出“無限接近人類”的趨勢。

隨著人工智能的發(fā)展，機器人的功能日漸強大，從送貨無人機、外賣機器人到機器人護士，它們已經(jīng)進入了我們生活的方方面面。在形形色色的機器人中，仿真人是最亮眼的，它們不僅外觀與人類一般無二，而且在新技術(shù)的加持下，正變得越來越智能化，擁有了與人相似的皮膚、脂肪、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)乃至語言邏輯系統(tǒng)。

密集靈敏的傳感器——皮膚

近日，日本昭和大學(xué)與機器人生產(chǎn)商Tmsuk合作研發(fā)出一款新型機器人，它與傳統(tǒng)的機器人有所不同，完全仿照真人進行設(shè)計，其身高和體重都與真人相當(dāng)。

據(jù)日本《大人之科學(xué)》雜志報道，參照真人設(shè)計制造的仿真人不算新鮮事物。昭和大學(xué)這款仿真人的特別之處在于，其皮膚由一種特殊的材料制成，并植入了先進的微型傳感器，不僅與人類的皮膚非常相似，而且使仿真人具備了最基本的觸覺——痛覺。它還可以用與人類一樣的聲音和表情，來表達自己對于痛感的反應(yīng)，看上去有些不可思議。

目前在仿真人的設(shè)計研發(fā)領(lǐng)域，視覺和聽覺都可以通過傳感器很好地加以實現(xiàn)，具備嗅覺的仿真人也已經(jīng)通過加裝氣體分子感應(yīng)器而開發(fā)成功。但是對于人工智能的感知系統(tǒng)來說，觸覺的實現(xiàn)仍是一大難題。

對于人類來說，觸覺在感知和改變世界方面起著至關(guān)重要的作用。觸覺與視覺相結(jié)合，才能做出有效的動作。對于仿真人，靈敏的觸覺可以消除它們處理柔軟、易碎和可變形物體時的誤差。

在人工智能領(lǐng)域，仿真人實現(xiàn)觸覺不僅需要精度極高的傳感器來感知外力，還需要準確判定外力作用的位置、角度，并預(yù)判機器人與外力施加者之間的相互作用。據(jù)估算，機器人要實現(xiàn)與人類相近的觸覺，需要在1平方厘米的智能皮膚上配置數(shù)百個甚至上千個觸覺傳感器。開發(fā)這樣的智能皮膚是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

全球人工智能領(lǐng)域的研究機構(gòu)和企業(yè)都有科研人員致力于開發(fā)智能皮膚。美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員取得了重要成果，他們將超過550個微型傳感器均勻分布在1平方厘米的智能皮膚上，可以識別觸碰到的物體的硬度、溫度等特征。這種微型傳感器由微小的電極、電路和壓阻膜構(gòu)成，能夠記錄并識別其所接觸的物體的各方面特征。

麻省理工和哈佛大學(xué)的這項技術(shù)成果可用于假肢和仿真人的開發(fā)設(shè)計。日本昭和大學(xué)成為該技術(shù)的第一批實踐者，借助它令仿真人有了痛覺。有趣的是，昭和大學(xué)開發(fā)這款仿真人的主要用途是供牙科專業(yè)的實習(xí)生練習(xí)牙科手術(shù)技巧——實習(xí)生通過仿真人逼真的反應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)并改進自己工作中的不足，從而避免在面對真人患者的時候動作生硬、精神緊張。

昭和大學(xué)的研究團隊表示，他們將不斷強化仿真人的觸覺系統(tǒng)，以實現(xiàn)對更大范圍的力度、溫度乃至濕度的感知，從而“無限接近真人的觸覺”。

分布式能量系統(tǒng)——脂肪

據(jù)美國《科學(xué)機器人》雜志報道，在機器人的工業(yè)設(shè)計中，如何容納電池是需要考慮的一個重要方面。電池一般會占據(jù)機器人可用機載空間的20%左右，也占據(jù)其整體重量的20%。對于仿真人來說，由于其外觀與人類相同，如何在其體內(nèi)布置電池成為一大難題。

美國密歇根大學(xué)的工程師開發(fā)出一種新型電池，其設(shè)計靈感來自于人體內(nèi)的脂肪——形狀不規(guī)則，可以分布在體內(nèi)的任何一個地方，從而大大提高了仿真人內(nèi)部空間的利用率。

工程師們利用鋅電池為仿真人提供動力。這種電池的化學(xué)反應(yīng)劑被包在由水基聚合物凝膠和芳綸納米纖維制成的薄膜中，形狀可以改變，反應(yīng)劑不會泄漏。其供電原理是：在鋅電極和空氣分子之間傳遞氫氧化物離子，形成電流。

工程師們首先將這種新型鋅電池作為小型機器人的動力系統(tǒng)。電池被連接到機器人的馬達上，結(jié)果證實它可以替代機器人普遍使用的鋰電池，而且具備一定的優(yōu)勢。這種新型電池既可以作為仿真人的動力源，又可以將精密部件包裹起來，起到一定的保護作用。特殊的結(jié)構(gòu)使它成為仿真人的首選能源。

就能量密度而言，鋅電池很難與先進鋰電池媲美。為此，研究人員不斷改進鋅電池的成分和結(jié)構(gòu)，將其能量密度提高了100倍。但這還不是極限，研究人員指出，將現(xiàn)有的鋅電池的能量密度再提高7倍，就可以取代鋰電池，而它能任意改變形狀的特性是鋰電池望塵莫及的。

《科學(xué)機器人》指出，技術(shù)人員還需進行更多的實驗來開發(fā)分布式能量系統(tǒng)——它就像人類體內(nèi)儲存的脂肪，在需要的時候可以分解釋放能量，這是仿真人能量系統(tǒng)的發(fā)展方向。未來科學(xué)家也許能找到比鋅電池更好的供電系統(tǒng)。

動作操控系統(tǒng)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

以仿真人的標(biāo)準來衡量，目前的工業(yè)機器人是“笨拙”的。雖然它們可以在工業(yè)裝配線上不厭其煩地重復(fù)同一個動作，還能保持超高的精度，但只要目標(biāo)零件被移動一點點，或者將其換成不同的零件，那么工業(yè)機器人就會“崩潰”。一些仿真人雖與人類一般無二，但無法做出和人類一樣的細巧動作，即使它們反復(fù)練習(xí)，仍會給人以機械、僵硬的感覺。

美國舊金山的OpenAI公司近日推出一種新型仿真人動作操控系統(tǒng)，成功操控仿真人用一只手靈活地翻轉(zhuǎn)簡易魔方。該系統(tǒng)利用新型軟件，通過“深度機器學(xué)習(xí)”讓仿真人在虛擬狀態(tài)下學(xué)習(xí)抓取并轉(zhuǎn)動魔方，然后再讓它進行實際操作。操控系統(tǒng)指引仿真人進行隨機嘗試，并在不斷達到一個個目標(biāo)的過程中逐漸強化“深度機器學(xué)習(xí)”能力。

據(jù)美國《大眾科學(xué)》雜志報道，雖然讓仿真人做出像人類那樣的靈活動作非常困難，但如果研究人員能很好地利用OpenAI公司的動作操控系統(tǒng)，那么仿真人就有望學(xué)會組裝電子產(chǎn)品、將餐具放進洗碗機，以及將臥床的人扶起來。

OpenAI公司能夠成功開發(fā)仿真人動作操控系統(tǒng)，主要得益于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)的發(fā)展。此前該技術(shù)發(fā)展的最大障礙是開發(fā)平臺不統(tǒng)一。全世界的開發(fā)人員和科學(xué)家建立了多種開發(fā)平臺，然后各自在特定的框架中升級并評估機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。雖然他們都取得了一定的成果，但應(yīng)用人員發(fā)現(xiàn)，很難將這些模型的優(yōu)勢集中到一個模型中，各個操控系統(tǒng)的工具包之間缺乏兼容性和互操作性。

為消除障礙，“臉書”（Facebook）與微軟建立了一個開放式機器人操控系統(tǒng)開發(fā)平臺，允許將各個平臺的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型技術(shù)集成在一起使用。從2019年到2020年，該平臺成為行業(yè)先進技術(shù)的集結(jié)地，OpenAI公司的操控系統(tǒng)正是在這個平臺上開發(fā)的。隨著更多基于該平臺的仿真人操控技術(shù)問世，仿真人的行動能力有望“無限接近人類”。

詞匯關(guān)聯(lián)軟件——語言邏輯系統(tǒng)

也許很多人已經(jīng)習(xí)慣了應(yīng)用人工智能語音助手——手機上的語音輔助系統(tǒng)、智能音箱的語音助手等，但它們都沒有真正做到“智能化”。

亞馬遜和谷歌的研發(fā)團隊正在加速推進這方面的工作，其目標(biāo)是讓仿真人能夠與人類連續(xù)對話，“就像兩個人在聊天一樣”。仿真人詞匯關(guān)聯(lián)軟件的改進，加上更好的語音合成系統(tǒng)，可以讓人們從簡單地向人工智能助手下達指令，升級到與仿真人交談。仿真人的詞匯關(guān)聯(lián)軟件用于捕捉詞語之間的語義關(guān)系，它相當(dāng)于人類的語言邏輯系統(tǒng)，可以使仿真人更好地理解人類的語言，而不僅僅是服從簡單的命令。在此基礎(chǔ)上，仿真人可以執(zhí)行基于對話的任務(wù)，包括處理大量煩瑣的事務(wù)，例如做會議記錄、預(yù)訂餐廳、協(xié)調(diào)行李托運、查找信息以及在網(wǎng)絡(luò)上購物等等。

《大眾科學(xué)》指出，在仿真人的詞匯關(guān)聯(lián)軟件中，數(shù)據(jù)量是呈幾何數(shù)量級增長的，在這個過程中，“深度機器學(xué)習(xí)”顯得尤為重要。它是自動駕駛技術(shù)、圖像識別技術(shù)、動作操控技術(shù)以及詞匯關(guān)聯(lián)技術(shù)等幾乎所有人工智能技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。簡單地說，“深度機器學(xué)習(xí)”是人工智能進行自主學(xué)習(xí)的能力，也是仿真人“無限接近人類”的基石。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com