智慧的疆界 从图灵机到人工智能

说，我们迅速采取行动并选择了普天之下最为复杂的对象—人类大脑。”

由于对大脑的研究不可能快速获得突破，冯·诺伊曼建议先研究一种更为简单的有机体（比单细胞更为简单的有机体）—“病毒”。病毒算不算是生命体这个问题直至今天还存有争议，但是病毒是连接无机环境与生命有机体的一条灰色的界限的观点在科学界中早已被普遍认同。冯·诺依曼选择病毒作为对象，除了因为其结构相对简单，还因为病毒满足了生命体的其中一个关键特征：能够自我繁殖。

冯·诺依曼虽然最终没有成功说服维纳从神经系统转向研究病毒，但是他自己花费了大约两年时间，拿出了一门理论—自复制自动机理论（Theory ofSelf-Reproducing Automata）^○一，该理论总体上概述了机器应该如何从基本的部件中构造出与自身相同的另一台机器，如图 5-5 所示。他的目的并不是模拟或者理解生物体的自我复制，也并不是简单地制造自我复制的计算机，而是回答一个理论问题：如何用一些不可靠的部件来构造出一个可靠的系统。自复制机恰好就是一个最好的用不可靠部件构造的可靠的系统。这里，“不可靠部件”可以理解为构成生命的大量分子，由于热力学干扰，这些分子很不可靠。但是生命系统之所以可靠，恰是因为它可以完成精确的自我复制。维纳也在 1961 年出版的《控制论》第 2 版里特别增加了两个新章节，其中就有一章专门讲述机器如何实现自学习和自复制能力。

根据冯·诺依曼定义的自复制机架构，任何能够自我复制的系统都应该同时具有两个基本功能：首先，它必须能够构建一个组成元素和结构与自己一致的后代系统；然后，它需要能够把对自身的描述传递给这个后代系统。冯·诺依曼把这两个部分分别称作“通用构造器”和“描述器”，而描述器中又包含了一个通用图灵机和保存在通用图灵机能够读取的介质上的描述信息。这样，只要有合适的原料，通用构造器就可以根据描述器的指示生产出下一台机器，并且把描述信息也传递给这台新机器。随后，新机器启动，再进入下一个复制循环。

第 5 章 行为主义学派

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○一 源自冯·诺依曼在 20 世纪 40 年代于伊利诺伊大学做的一系列讲座，之后由冯·诺依曼的助手、密西根大学的阿瑟·伯克（Arthur Burk）整理成书出版。

冯·诺依曼的这个思路被几年后的一项惊人发现所验证。1953 年，詹姆 斯· 沃 森（James Watson，1928—） 和 弗 朗 西 斯· 克 里 克（Francis Crick，1916—2004）共同发现了 DNA 的双螺旋结构，这种结构完全具备冯·诺依曼所提出的两个功能。现在，我们仍然没有设计出能够真正完全复制的机器硬件^○一，但是遵循冯·诺依曼思路的自我复制软件早已经存在了，电脑病毒就是其中最广为人知的一种。

冯·诺依曼还注意到植物和动物虽然都可以生育后代，但是历经多代的生命繁衍并非简单地复制前代相同的生命，自然繁殖的复制过程中会出现源源不断的复制错误和变异，根据物竞天择的进化原则，与外界环境交互不利的变异将被淘汰，有利的变异则比较容易保留下来，从总体上使得生命体得到了改良。大自然不仅设计了生命体，还在不断地进化并提高现有的设计，使得生命体能产生比自身更为复杂的东西。

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第二部分 学派争鸣

○一 但是距离目标已经相当接近了。2008 年 7 月，在切尔滕纳姆科学节（CheltenhamScience Festival）上，英国巴斯大学的艾德里安·鲍耶（Adrian Bowyer）和新西兰科学家维克·奥利弗（Vik Oliver）公布了一个叫作“ RepRap”的机器人。这台方方正正的机器看起来像一个鞋架，完全看不出我们想象的那种机器人的样子。不过，它可以不完全地实现自我繁殖：RepRap 可以通过计算机的指令来制造实体的零件，然后由操作者手工装配。实际上，它的核心部件就是一个三维打印喷头，使用融化的塑料来制造零件，或者使用融化的低熔点合金来打印电路。

可是如果从机械化的角度看待繁衍的话，将会得到一个相反的结论：有机生命的自我复制是进化的，机械的自我复制则很可能是退化的。一台机器如果能够制造出另外一台机器，那它就应该懂得组成新机器的每个部件的细节、掌握新机器的设计和组装过程中用到的工具，总而言之，母机的复杂度至少不会比子机更低才对，这与生物从简单到复杂的进化方向相悖。此外，在精确度上也存在难以忽视的矛盾，以工业中最常用于制造机器部件的机床为例，母机床的精度必须要比通过母机床制造出来的子机床精度高，才有可能复制出符合精度要求的下一代子机床，而使用子机床再复制出下一代子机床，精度还会进一步下降。在物理世界中要制造比生产工具更复杂、更精密的机器，依赖于人类的外力干预才能成立，但这岂不是变成生物衍化中的神创论，而不再是进化论了？为了解决此矛盾，冯·诺依曼在自复制机理论里要求机器复制不能是一比一的直接复制，而应当引入“随机突变”这一生物进化的关键特征，并且能在机械环境的“物竞天择”的反馈过程中筛选出更优秀的个体。直至今天，冯·诺依曼的这套思想理论在用机械制造机械这种物理世界的现实问题上实践起来依然艰难，在数字世界中却已经有了良好的发展和诸多落地案例，后面第7 章将会提到的三大机器学习基础方法之一的“强化学习”^○一就源于这类理论，现在机器能学会下棋打游戏，汽车能学会穿街过巷自动驾驶，底层原理都可以归结到这种仿造生物进化的解题思路上。

冯·诺依曼在加利福尼亚州帕赛迪纳的海克森研讨班上做了一系列关于自复制机的演讲，尽管自复制机还只是一个无法真正施行的思想实验，但是在20 世纪五六十年代的美国引起了很多关于机器生命的思考。对于科技发展的速度，无论是公众还是学者，都仍然处于二战所带来的技术爆炸的快感之中，对科技，特别是对以信息化、自动化和智能化为代表的第三次工业革命的未来充满了幻想与憧憬。“自复制机理论”是人造机械智能生命思索过程中的一个产物和缩影，它预示着机器人未来将参与到人类的社会与生活之中。随着人们对机器人思考与想象频率的增加，各式各样的机器人也越来越频繁地登上小说和银幕的舞台。不论斯坦利·库布里克（Stanley Kubrik）的电影《2001 太空漫游》中控制“发现号”太空飞船的反派角色 HAL9000，还是乔治·卢卡斯（George Lucas）执导的影片《星球大战》中勇敢机智的 R2-D2 和 C-3PO 机器人（见图 5-6），都成为家喻户晓的银幕经典形象。

第 5 章 行为主义学派

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○一 另外两类基础的机器学习方法是监督学习和无监督学习。

在这个背景下，“机器人学”（Robotics）也逐渐从凭空幻想转变为一门严谨的涵盖了机器人的设计、建造、运作及应用的跨领域的科学技术，开始被科学界严肃对待。机器人学并不属于人工智能或者控制科学的一个分支，而是一门与两者有重叠和紧密合作关系的新学科。

5.7 机器人学

1950 年 5 月，麻省理工学院的戏剧工作室在波士顿上演了一出著名的科幻剧—卡雷尔 · 艾派克（Karel Čapek）的话剧小品《罗萨姆的万能机器人》（Rossum’s Universal Robots），如图 5-7 所示。这是一部很有纪念意义的作品，改编自捷克语的同名小说，该小说写于 1920 年，出版三年之后，被翻译成英语在伦敦演出。这次演出是“ Robot”（机器人）这个单词首次出现在英语当中。

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第二部分 学派争鸣

演出当晚，在话剧演员忙于后台准备时，维纳独自一人先行走到了剧场的舞台中央，此时的维纳已经是一名畅销书作者、麻省理工学院的著名教授，不仅在学术圈中有名气，还因为无数的访谈和报纸杂志竞相宣传成为大众关注的焦点。维纳在舞台上对观众说道：

“艾派克的戏剧并不是科幻小说。《罗萨姆的万能机器人》预测了不远的将来，机器要求被理解，要求我们像理解人类一样理解它们，否则我们将会变成它们的奴隶，而不是它们成为我们的奴隶。”

这段开场白假如由其他人所说，也许会带有一丝夸夸其谈的感觉，但是由控制论之父说出来，便充斥着预言的味道，令人既不安又不得不去思考其发生的可能性。不仅如此，维纳随后还向观众当场展示了他带来的一个机器人—他制造的“帕尔米亚”（Palomilla，见图 5-8）。

当维纳拿起手电筒照向这个带着车轮、大约 18 英寸^○一高的装置时，这台机器就会自动急促地、呼啦呼啦作响地跑到维纳跟前。其实帕尔米亚只是一辆安装了电池、电动机和光感传感器的三轮车，传感器输出的信号经过放大后控制着小车的方向杆，使得它能被灯光所吸引。这在今天看来显然是一台很业余的机器玩具，但放在 20 世纪 50 年代，尤其是放在维纳的预言式的开场白之后，舞台效果无与伦比。

第 5 章 行为主义学派

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○一 1 英寸约等于 2.54 厘米。

其实，维纳并不是最早制造这类机器人的人，早在一年多以前，剑桥大学的神经生理学家威廉·华特（William Walter，1910—1977）就做出了两个与帕尔米亚类似但更加严谨且精致的机器人（或者说是“机器乌龟”，见图 5-9）。华特以路易斯·卡罗（Lewis Carroll，1832—1898）的作品《爱丽丝梦游仙境》（Alice’s Adventures in Wonderland）中某个“乌龟”的角色给他的机器人命名，分别叫作“艾玛”（Elmer）和“埃尔西”（Elsie）。这些机器人都由控制器、传感器（包括光传感器、碰撞传感器）、充电电池、电动机和 3 个车轮构成，使用双真空管的模拟电子电路充当机器人的大脑，用来连接传感器和车轮，使得机器人能够自动寻找光源、调整方向，让头部朝向光亮运动或者远离光线运动，并通过转向或者推动来避免障碍。

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第二部分 学派争鸣

这些机器人的控制逻辑只是一组具有优先级别的“反应规则”的集合。当这些简单的反应规则被正确地排列组合之后，机器人表现出来的行为就如同动物一样了。别看这两个机器乌龟与今天几十块钱就可以买到的儿童玩具相差无几，当时这两个机器乌龟可是被媒体宣传为“ Machina Speculatrix”（拉丁语，意思是“会思考的机器”）或者“ Machina Docilis”（意思是“可以被驯服或者训练的机器”）的^○一。

华特认为通过机器人学和人工智能技术的结合，最终可以制造出智力和动物甚至人类相当的机器。这个理想在当时的技术条件下自然是不可能实现的，但华特的机器乌龟可以被视为机器人学萌芽时期机器人雏形的代表，经过几十年的发展，今天在很多评价指标上，机器人都达到了昆虫或者动物的反应水平，距离目标达成也算是看到一丝曙光了。华特本人也很热衷于带着他创造的机器人在世界各地进行展览，直到今天我们还可以在博物馆中看到华特的机器人。

机器人的“初步成果”，还有刚才提及的机器人形象在小说和电影中大量出现，伴随着媒体宣传的推波助澜，让人们有了一种错觉，仿佛机器人很快就会作为一种新的、具有智能的生命形式出现，并与人类共处。这既令人们期待机器代替人类从事一部分智力劳动，也让很多人感到不安甚至恐慌，将机器人和人造生命视作怪物，认为对当时的工作环境和社会结构甚至人类的生存会构成严重的威胁，要求政府停止或限制机器人学的发展。

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○一 资料来源：http://robotics.cs.tamu.edu/dshell/cs643/papers/walter51learns.pdf。

1942 年，著名科幻小说家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov，1920—1992）在其著名小说集《我，机器人》系列的第一个短篇《环舞》（Runaround）中，为日后将要被制造出来的机器人设定了三条不可违反的行为准则，即至今仍广为流传的用于限制机器人不能祸害人类安全的“机器人三定律”：

第一定律：机器人不得伤害人类，或因不作为使人类受到伤害。

第二定律：除非违背第一定律，机器人必须服从人类的命令。

第三定律：在不违背第一及第二定律下，机器人必须保护自己。

这些定律被寄望于直接固化在“即将出现”的机器人的底层软硬件中，用来约束它们与人类和平相处。“三定律”虽然是阿西莫夫在小说里提出来的行为法则，但具有一定的现实意义。在机器人三定律基础上，又衍生出了一门新兴的学科“机械伦理学”（Robot Ethics），旨在研究人类和机器人之间的关系。说这是一门“学科”可能有点小题大做，但目前确实有越来越多的著名科学家、企业家投入或资助这方面的研究，主旨都是确保人类制造真正的机械智能或者机械生命，是在为自己寻找有力的助手，而不是自己毁灭掉自己。

真正的机械智能或者机械生命迄今为止并没有出现，未来会不会或者何时出现不得而知。如同人工智能其他几个方向的发展一样，在 20 世纪五六十年代就认为这类机器人“即将出现”显然是过度敏感和乐观的，不过，虽然还没有一般意义上的通用智能，也没有可以自我繁殖的机器生命，但许多其他形式和用途的家用机器人、军用机器人、工业机器人已经渗透到了人类的生活和生产之中。

1954 年，美国发明家乔治·戴沃尔（George Devol，1912—2011）提出了“工业机器人”的概念，并在同年申请了专利（专利批准于 1961 年）。工业机器人大多抛弃了仿人型的外表，更贴近于一种可编程的机械臂装置，用于代替人类进行工业生产中重复的通用性作业。

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第二部分 学派争鸣

两年以后，戴沃尔和约瑟夫·恩盖尔柏格（Joseph Engelberger，1925—2015）基于戴沃尔原先的专利，共同创立了以研发和制造工业机器人为主营业务的 Unimation 公司，该事件被视作机器人产业正式进入商用的里程碑。工业中的应用也是机器人从单纯的研究和概念转向实用化的第一个领域。

1960 年，Unimation 公司的第一台工业机器人在美国下线，取名为“ Unimate”（意为“万能自动”），如图 5-10 所示。此机器人被应用在通用汽车总装线上，工作是从压铸机中举起高热的金属片并堆叠起来。

不过，虽然工业机器人诞生于美国，但是美国政府并未把工业机器人列入重点发展项目，甚至有刻意打压的倾向。原因就是当时社会对机器人将会代替人类，与人类竞争工作岗位的论调此起彼伏，导致政府不得不限制其发展。维纳曾在《控制论》中非常直接地描写了一段未来工作的景象：

第 5 章 行为主义学派

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“如果第一次工业革命导致人手由于机器竞争而贬值，那么现在的工业革命^○一便在于人脑的贬值，至少人脑所起的简单的较常规的判断作用将要贬值。当然，正如第一次工业革命在某种程度上留下了熟练的匠人一样，第二次工业革命也会留下熟练的科学家和熟练的行政人员。假如第二次工业革命已经完成，具有中等学术能力及以下水平的人将会无以为生，因为他们无法提供任何值得别人花钱来买的东西。”

后来，在《控制论》发表两年以后，维纳自己又专门撰写了它的“姊妹篇”：《人有人的用处：控制论与社会》（The Human Use of Human Beings:Cybernetics and Society）。此书专门强调了人类（特指知识分子和科学家）的优势，以及人类在这一次工业革命背景下可以发挥的作用。尽管维纳强调了“人有人的用处”，但在笔者看来，要专门写一本书、取这样的标题来论证“人是有用的”这样的观点，这件事情本身就反映了当时社会对机械智能的焦虑情绪已积蓄到了极点。美国当时的失业率高达 6.65%，政府不仅担心发展工业机器人会造成更多人失业带来的经济影响，更担心因失业带来的社会动荡和选票流失，因此既未对制造和使用机器人的企业提供财政支持，也不提倡学术机构继续研制和发展工业机器人。在 20 世纪 60 年代到 70 年代中期这十几年的时间里，Unimation 公司的唯一竞争对手只有美国的米拉克龙（Cincinnati Milacron）公司。

直到 20 世纪 70 年代后期，美国政府和企业界虽然对工业机器人的制造和应用的认识有所改变，但仍将技术路线的重点放在工业机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级工业机器人的开发上，致使欧洲和日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用及工业机器人的制造上快速超过了美国。欧洲和日本的工业机器人在国际市场上的占有率曾一度达到了 92%，工业机器人领域的四大企业（瑞典的 ABB、德国的库卡^○二以及日本的发那科和安川电机）都为欧洲和日本掌控。如今商业及工业机器人已被广泛地应用在可以比人工更廉价或更精确可靠的工作上，也被用于肮脏、危险或令人感到乏味的工作上。机器人的应用广泛，除了制造业之外，还有组装、封装及包装、运输、地球及太空探索、外科手术、武器、实验研究、安保、工业生产等多个领域。

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第二部分 学派争鸣

○一 这里所写的工业革命在书中称为“第二次工业革命”，现在通常把 1870 年至 1914 年以电力普及为标志的科技进步称为“第二次工业革命”，而维纳所说的更接近于从 1950 年开始以信息技术普及为代表的“第三次工业革命”。

○二 德国库卡机器在 2016 年底被中国美的集团以 292 亿元收购，这是全球的高端制造业开始向中国转移的标志性事件。