章 琪/編譯

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算給機(jī)器人帶來(lái)“意識(shí)”

章 琪/編譯

● 新型神經(jīng)芯片和軟件能夠賦予機(jī)器人無(wú)與倫比的感知能力。

用3D打印技術(shù)制造的機(jī)器人，像一個(gè)擁有眼睛的微型感應(yīng)車一樣。它被放在Brain Corporation的一個(gè)房間里，經(jīng)過(guò)幾分鐘的游蕩之后，就學(xué)會(huì)了如何避免自己撞到墻上。當(dāng)eyeRover走開之后，機(jī)器人軟件公司助理科學(xué)家彼得·奧康納（Peter O’Connor）亦步亦趨地跟在他的后面。他使用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，輕松地控制幾英尺高的機(jī)器人并引導(dǎo)它圍繞著他的腳轉(zhuǎn)，就像父母會(huì)幫助孩子學(xué)會(huì)避免碰到咖啡桌一樣。在下一圈時(shí)，eyeRover就學(xué)會(huì)了自己躲開周圍所有的障礙。

模擬大腦的結(jié)構(gòu)

eyeRover看起來(lái)像一個(gè)玩具，但是它包含了一些目前科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出的最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，其中包括一個(gè)能夠模擬人類大腦的計(jì)算平臺(tái)的原型。不同于按照線性序列執(zhí)行任務(wù)的計(jì)算機(jī)芯片和軟件的傳統(tǒng)方法，這種被稱為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的新方法能夠幾乎同時(shí)進(jìn)行處理和記憶任務(wù)，就像我們的大腦面對(duì)復(fù)雜的世界仍然能平衡通過(guò)視和聽得到的信息一樣，一切都在有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

許多研究者認(rèn)為，神經(jīng)計(jì)算賦予了機(jī)器人從未有過(guò)的感知技能，使他們擁有前所未有的自主權(quán)。波士頓大學(xué)的機(jī)器人視覺專家米歇爾·魯奇（Michele Rucci）說(shuō),這種技術(shù)有潛力成為一場(chǎng)真正的機(jī)器人領(lǐng)域的革命。同時(shí)，機(jī)器人可以完美地展示神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的力量，從而成為勸服計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域和環(huán)境數(shù)據(jù)分析方法領(lǐng)域的專家與公司進(jìn)行合作的有力說(shuō)客。Brain Corporation的戰(zhàn)略高級(jí)副總裁托德·希爾頓（Todd Hylton）說(shuō)：“我們認(rèn)為擁有這種能力的機(jī)器人是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的殺手級(jí)應(yīng)用。”

不過(guò)，如果你還是不信任“我們正步入機(jī)器人技術(shù)黃金時(shí)代”的聲明的話，也是情有可原的。開發(fā)獨(dú)立自主機(jī)器人的夢(mèng)想是一道超越計(jì)算技術(shù)的曙光，但是要想讓這個(gè)夢(mèng)想成真，我們必須編寫出能讓機(jī)器人學(xué)習(xí)和適應(yīng)的程序，而這一步驟因?yàn)檫^(guò)于困難，至今還沒有實(shí)現(xiàn)。在人工智能、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和貝葉斯統(tǒng)計(jì) （一種考慮事件不同結(jié)果展開的可能性的技術(shù)）等領(lǐng)域幾十年的研究之后，我們還是沒能制造出可以處理日常生活環(huán)境中的普通事務(wù)的機(jī)器人。

“制造一個(gè)可以理解周圍環(huán)境的機(jī)器人，”希爾頓說(shuō)，“是一個(gè)特別困難的計(jì)算問(wèn)題?！贝蠖鄶?shù)人對(duì)周圍環(huán)境的分析主要是通過(guò)視覺，而魯奇承認(rèn)：“機(jī)器人能夠達(dá)到的視覺水平目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我們?cè)诙昵八岢龅念A(yù)期?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)提出了各種不同的程序路徑，使機(jī)器人能夠?qū)λ鼈兯吹降男畔⑦M(jìn)行處理和反應(yīng)。在其中一種設(shè)想中，魯奇給所有的機(jī)器人提供了由人類執(zhí)行控制的微型無(wú)意識(shí)眼球，通過(guò)供給大腦不斷變化的圖像，這些眼睛可以幫助它們判斷距離和跟蹤對(duì)象。不過(guò),即使是魯奇最好的flitting-eye機(jī)器人，它仍受到處理信息比我們慢十倍的電子大腦的拖累，沒法像人類一樣正常地處理事務(wù)。

在某種程度上人類的眼睛很好使，是因?yàn)轭^骨中復(fù)雜的大腦。Brain Corporation的CEO尤金·?？扇鹌妫‥ugene Izhikevich）解釋說(shuō)，我們的大腦中含有約1000億個(gè)神經(jīng)元突觸，這些突觸連接著1000億個(gè)神經(jīng)元，它們可以把不同的感知任務(wù)分配給不同的神經(jīng)元和大腦的不同區(qū)域。例如，在視覺區(qū),神經(jīng)元分成不同的組，分別響應(yīng)垂直方向和水平方向的信息,通過(guò)這些信息連接到其他神經(jīng)元，從而將信號(hào)整合。

Brain Corporation開發(fā)的，被稱為BrainOS的神經(jīng)形態(tài)軟件就是模擬這種方法。像我們的大腦一樣，操作系統(tǒng)將把視覺功能分給不同的網(wǎng)絡(luò)，這些部分分別類似于視網(wǎng)膜、大腦外側(cè)膝狀體核（視覺信號(hào)中繼站）和視覺的皮質(zhì)層。機(jī)器人在視覺系統(tǒng)中整合這些網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，從而能夠自動(dòng)捕捉與背景顏色不同的突出特征，比如，他們能夠識(shí)別色彩鮮艷的球在一個(gè)灰色的地毯上滾過(guò)或者一個(gè)人穿著鞋子從眼前走過(guò)的區(qū)別。

濃縮在一塊芯片上

BrainOS的另一個(gè)創(chuàng)新之處在于，它不需要一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行。以前由IBM公司在2012年開發(fā)的神經(jīng)形態(tài)軟件程序必須在一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上才能運(yùn)行，用來(lái)模擬擁有 5000億個(gè)神經(jīng)元和1000億個(gè)神經(jīng)元突觸的動(dòng)物大腦的放電模式。但即使使用由150萬(wàn)個(gè)電腦芯片構(gòu)成的陣列，該程序仍然無(wú)法實(shí)時(shí)產(chǎn)生接近動(dòng)物大腦模式的電流。

另一方面，BrainOS被集成到一個(gè)杯墊大小的叫做BSTEM（“brainstem（腦干）”的簡(jiǎn)稱）的計(jì)算機(jī)電路板上，它需要由美國(guó)高通公司提供的Snapdragon移動(dòng)處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)。不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)芯片，手機(jī)芯片可以減少需要分配電量的冗雜任務(wù)，比如內(nèi)存、圖形處理、通信、從而將大部分能量都專供給子處理器。這種“分布式”結(jié)構(gòu)與人腦中神經(jīng)形態(tài)的能量供給方式相吻合。

一個(gè)能把內(nèi)存和處理單元分布在整個(gè)芯片上的真正的神經(jīng)架構(gòu)，可能會(huì)很快產(chǎn)生。BrainCorporation的上級(jí)——高通公司的研究人員已經(jīng)研發(fā)了一個(gè)被稱為零處理器神經(jīng)形態(tài)芯片，它以科幻作家阿西莫夫的“機(jī)器人三原則”來(lái)命名，在那部小說(shuō)里機(jī)器人被規(guī)則約束不得傷害人類。高通公司神經(jīng)形態(tài)計(jì)算項(xiàng)目負(fù)責(zé)人安東尼·劉易斯（Anthony Lewis）表示，公司的處理器已經(jīng)開發(fā)到接近能夠商品化的水準(zhǔn)，他們計(jì)劃把它們整合到移動(dòng)芯片上，以此來(lái)提高掌上音頻設(shè)備和視覺處理器的工作能力。

高通公司有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。HRL Laboratories LLC的研究人員正在馬利布的5號(hào)州際公路進(jìn)一步調(diào)試他們最近展示過(guò)的神經(jīng)形態(tài)芯片，它可以以足夠快的速度處理可視化數(shù)據(jù)，能夠在辦公室里操控一個(gè)手掌大小的直升飛機(jī)，甚至能夠辨別和探索一個(gè)它從來(lái)沒有見過(guò)的房間。在位于San Jose的IBM阿爾馬登研究中心的研究員的引導(dǎo)下，研究小組公布了一個(gè)叫TrueNorth的十分龐大的神經(jīng)形態(tài)晶片，它由540億個(gè)晶體管連接而成，就像由 2.56億個(gè)神經(jīng)元突觸連接100萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元一樣。

這些神經(jīng)形態(tài)晶片的靈感不僅來(lái)源于大腦的結(jié)構(gòu)，還來(lái)自于大腦的能源利用效率。大腦在處理許多任務(wù)時(shí)遠(yuǎn)勝于超級(jí)電腦，而且只使用約為20瓦的功率。而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)電路即使在不發(fā)送任何信號(hào)時(shí)，也在不斷地耗電，相對(duì)的，神經(jīng)形態(tài)電路只有在工作時(shí)才用電。通過(guò)在整個(gè)芯片上分配內(nèi)存和處理模塊，它得以最大限度地減少來(lái)回發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所需的功率。例如，TrueNorth只使用1/1000的傳統(tǒng)的芯片的能量就完成了等量的視覺感知任務(wù)。

現(xiàn)實(shí)世界中哪種神經(jīng)形態(tài)的機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)品會(huì)首先出現(xiàn)？去年秋天，高通公司的工程師制造了一個(gè)一公尺高，被稱為龍的神經(jīng)形態(tài)的機(jī)器人，它可以熟練地清理散落的玩具，把積木整理到一個(gè)箱子里，動(dòng)物玩具放在另一個(gè)箱子里。?？扇鹌嬲J(rèn)為神經(jīng)形態(tài)硬件和軟件最終將賦予機(jī)器人足夠的感知能力，使它們成為有價(jià)值的家庭伴侶：它們將能夠帶走垃圾，打掃房子，并從花園里摘菜。芯片感知能力的提升也增加了IBM神經(jīng)形態(tài)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人莫德哈（Dharmendra modha）得到的投資，為開展“能在危險(xiǎn)的環(huán)境中工作的機(jī)器人”研究提供資金，比如，在一個(gè)受損的核反應(yīng)堆中，機(jī)器人在無(wú)人操控的狀況下，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)回輻射數(shù)據(jù)等情況。

劉易斯說(shuō)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的能源使用效率提升有助于開辟新的功能。高效的芯片可以運(yùn)行復(fù)雜的算法，使機(jī)器人具有學(xué)習(xí)能力，這通常是高功耗的。但從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，互聯(lián)網(wǎng)將允許遠(yuǎn)程操控機(jī)器人分享這些經(jīng)驗(yàn)和技能。例如，機(jī)器人學(xué)會(huì)了如何拿起草莓而不弄壞它，那么它可以把這個(gè)技能傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，造福全球。這意味著神經(jīng)形態(tài)計(jì)算可以提供的東西遠(yuǎn)比提高機(jī)器人感知能力更加有價(jià)值。當(dāng)生命的真諦在人類社會(huì)之中被共同傳遞，我們所稱的“文化”就誕生了。

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：粒 灰]