肖静宁:人脑与电脑

选择字号:   本文共阅读 1615 次 更新时间:2017-08-27 22:39:02

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肖静宁 (进入专栏)  

   肖静宁按:本文“人脑与电脑” 是作者旧著的《脑科学概要》中的一章。虽然近30年来人工智能、智能机器人取得了前所未有的飞速发展,特别是2016年举世瞩目的Alpha Go 战胜人类顶极围棋高手,标志着策略网络模拟的巨大进展。但本文提供的基本观点和知识仍有一定的参考价值。

  

   人脑是人类智能的物质基础。随着科学技术的发展,许多科学家研究使用机器模拟人的智能,产生了所谓电脑,出现了人工智能这样的新兴边缘科学,提出了许多新问题。对人脑与电脑。在某些方面进行比较分析,将有助于对人脑及其思维过程的理解。

  

   第一节  概述

  

   一、电脑是机器进化的产物

  

   电子计算机能模拟人脑的某些思维活动,是人类脑力劳动的工具,被誉为“电脑”。电脑是人类历史上最伟大的技术进展之一,是人工干预下机器进化的必然产物。在生产力巨大发展,基础科学和技术科学飞速进步的条件下,标志着第二次工业革命的电子计算机产生了。电子计算机问世不到40年,已经经历了四代 发展史。 1 9 4 6年,世界上第一台电子计算机埃尼阿克( ENIAC)在美国制成。该庞然大物内装电子管1,900只,重达3 0吨,占地 170平方米,耗电150仟瓦。它的记忆数不过20位,每秒只能执行5000次加法或400次乘法的运算。这台轰动一时的电子计算机不到7年就被废弃。第二代电子计算机是晶体管计算机。第三代电子计算机采用的是中小规模集成电路。自1972年开始,电子计算机的发展进入第四代,即大规模集成电路计算机。电子计算机的发展是如此惊人,每5—8年,其运算速度提高1 0倍,可靠性提高1 0倍,体积缩小1 0倍,成本下降1 0倍。第四代电子计算机运算速度已达每秒钟1.5—2亿次。目前日本与美国正加紧研究发展第五代电子计算机,这是以人脑原理为范例的新型电子计算机第五代电子计算机的研制还有赖于大力加强对人脑原理的研究。当然,模拟人脑活动的计算机想要一举成功是不可能的,因为关于人脑活动的原理目前还是一个深奥的谜。

  

   二、电脑是人脑功能的延长与物化

  

   人们在长期的生产劳动过程中,制造了各种各样的工具。这些工具可分为两大类:一类是代替并扩展了人的五官与四肢的功能的体力放大器,如望远镜、X射线机、收音机、微音器、动力机、工作机等等;另一类是代替并扩展了人的大脑智力活动的智力放大器,如计算器加快了人们的计算过程,现代的电子计算机,不仅能计算,还能进行逻辑判断和记忆。这两类工具都尚未达到尽善尽美的地步,比起人类或其他各种生物的优越功能来还有很大的差距,特别是后一类工具的差距就更明显了。但是让机器具有更多的智能成分,使人脑功能得到延长和物化,不能不说是机器进化的方向。

  

   随着电子计算机的发展,让机器模拟人类智能的工作正在扎扎实实地进行。随着电子计算机硬件与软件的不断完善,以及大脑奥秘的逐步揭示,机器能做的智能工作一定会越来越多,越来越高级。人工智能悬计算机科学的一个分支,它研究如何用计算机来完成用人的智慧才能完成的工作,因此,有时也称之为智能模拟或机器智能。人工智能至今不过20余年的历史,目前在博弈、自动定理证明、专家系统、自然语言理解及模式识别等方面都取得了令人鼓舞的成果。特别是关于智能机器人的研究更引人注目,智能机器人是人工智能的综台性研究与应用的重要领域。机器人是“能象人一样动作的机器装置”。机器人由科学幻想小说中走向现实,目前已有3 0 0多种类型的机器人,按功能可划分为三代。第一代是具有记忆储存能力韵工业机械手,这种早期机器人和电脑无多大关系。第二代是具有感觉功能的工业机器人,广泛应用于不适宜于人工作的恶劣环境下的高强度的单调工作,是一种能按预定程序独立操作的机械系统。第三代是具有智能的机器人。在控制论与信息论推动下,随着微型电子计算机的发展,智能机器人不断涌现。智能机器人是指具有智能、机能和物理能的三元机器,其各种各样的传感器相当于人的五官,它们将周围环境(温度、压力、地形等)的信息转送给机器人的大脑(电子计算机),由它进行综合处理,然后作出正确的反应。可见智能机器人对周围环境具有一定的适应能力,有跟人类主要器官相对应的模拟器官,从而能模拟人类从感觉外界信息到加工处理信息,并作出有规律行动反应的全套本领。智能机器人通常包括脑(电子计算机)、眼(电视摄像机)耳(微音器)、手(多角度多关节的机械手)、脚(电动行走机构)和口(音响合成器等)。1968年,美国斯坦福研究所制成了第一台智能机器人夏凯(shakey),其智能相当于两岁儿童,模仿了心理学上著名的猴子摘香蕉实验,获得了令人鼓舞的良好开端。迄今机器人无论在外貌与功能方面正逐步向真人过渡,但是要想使未来的智能机器人完全具备同人一样的高度智能和夏杂的动作,这可能是永远也实现不了的梦想,但它作为一种强大的生产力活跃在第一工业领域到第三工业领域中的前景是无量的。

  

   第一次工业革命以机器代替人的大量手工、体力劳动为主要标志,第二次工业革命将是以人工智能代替人的大量脑力劳动为主要标志。电子计算机和人工智能的发展,第一次使人的脑力劳比较完善地实现了人类智能的物化,大大延长与扩大了人类智能。电脑可以说是人脑功能的延长与扩大。电脑使人的智能可以在机器中再现,但并非简单复制,而是突破人脑的生理局限性,具有高速、巨量、准确和自动化的特点。它结束了过去仅靠人的大脑和手工方式加工和处理信息的时代,使人类有了一种崭新的处理和加工信息的工具。人类有了这种脑力劳动的工具,就如虎添翼,对社会生产和社会进步起到巨大的推动作用。

  

   三、电脑对人类认识和实践活动的不可估量的意义

  

   第二次工业革命——电子计算机革命,以不断更新和飞跃发展为特点。不可思议的人脑智能活动已部分由电脑所取代,人类的脑力劳动第一次实现了比较完善的物化,这对人类的认识与实践活动带来了深刻的和不可估量的影响。目前电子计算机的应用项目已达3,000余种,无孔不入地渗透到国民经济的各个领域。现代科学技术的一切重大成果没有一项不是电子计算机参加而取得的。如尖端科学的原子反应堆、回旋加速器、卫星载人飞船;数学上的四色问题;生物学领域的核酸、蛋白质人工合成等等,这里面都存在着十分巨量的计算和逻辑判定问题,单靠人脑是不可能完成的。关于地图着色问题,一幅地图最多只需要四种颜色即可显示出相邻的国家和地区,这个1 25年未解决的问题,用电子计算机只需1,200个机器小时就解决了,而科学家利用电子计算机进行了十分复杂的程序运算,大约作出了200亿个逻辑判定才最终解决了这一数学上的难题。以电脑为基础的机器人,能在一定程度上制定行为计划,具有自学习、自适应的能力,能在人的指导下,对人难以到达的海底、高山、火山口进行勘探,在高温、有毒、辐射等恶劣条件下代替人的工作。机器人打捞氢弹就是明显的例证。电脑、人工智能、机器人的研究与发展,对人类改造第一自然(自然造成的一切,如山川大地、生物矿藏等等),创造第二自然(人造的环境,如房屋车辆、机器设备等等)的活动已经带来巨大的效应,必将起到不可估量的作用。

  

   第二节  电脑对人脑的模拟

  

   一、人脑与电脑的不同渊源

  

   如上节所述,被人们誉为电脑的电子计算机是人工干预下机器进化的产物,是人制造的用来延长人脑功能的有力工具。它是在生产力达到高度发展水平,基础理论学科和技术科学不断取得突破性成果的条件下产生和发展的。

  

   人脑及其意识功能不仅是自然进化的产物,也是社会发展的产物。这一发展演化的进程是极其漫长的,它造就了人脑这个特殊物质器官在结构上与功能上的极端复杂与高超的特性。人脑是人类智能的物质基础,人类智能与人类的高度文明密切相关,对于人脑原理的研究一直是当代科学的重大课题。

  

   电脑的产生以人脑的进化发展为基本前提,它是人脑发展到—定阶段上人类思维物化的产物,是模拟人脑某些功能的电子机械装置,是人类脑力劳动的工具。人脑是特殊的自然物质器官是生命系统进化的最高产物,是一个受社会影响的、活的、变化的巨大系统。可见,人脑与电脑有着截然不同的渊源,存在着生命与非生命的本质差别。‘

  

   二 电脑对人脑模拟的理论基础与方法论原则

  

   尽管人脑与电脑有着不同的渊源,但用电脑模拟人脑的部分智能已经成为现实,是一个没有争议的问题。从根本上来说,人脑是特殊方式组成的物质,因而它的智能活动无非是物质运动的一种特殊形式,跟其他物质运动形式一样,它的活动是可以认识的,也是能够模拟的。用电脑去做原来只有人才能做的智能工作,这就是智能模拟或机器智能。智能模拟无论在自然科学方面或哲学方面都是一个引人注目的问题。

  

   智能模拟的理论基础是控制论。控制论的创始人维纳将控制论又称为“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”。现在已经认识到,无论是机器、动物和人都存在着相同的信息与控制规,都表现为一定的信息输入和信息输出,同时也都有着自身内部的通讯和自我调节,以抗干扰和保持自身的稳定。因此,人脑与电脑虽有本质的差别,但都遵循共同的信息变换与控制原理。异中求同是智能模拟所遵循的思路与方法论原则。现代控制论认为,信息与控制过程贯穿人类认识世界和改造世界的始终。认识与人们在实践中获取外界信息和处理加工信息的过程相联系,改造世界与人们依据当前的及储存的信息对外界对象进行控制的过程相联系。可见,正是依据信息与控制原理,电子计算机对人脑的某些智能活动进行了卓有成效的模拟,使人脑的部分功能在机器上再现。

  

   人脑与电脑都可视为自动化的信息处理系统。电脑的硬件部分由输入器、存储器、运算器、控制器及输出器组成。输入器将原始数据输入电子计算机;存储器则保持原始数据、运算步骤及中间结果;运算器对代码进行算术运算和逻辑判定;控制器保特计算过程自动进行;输出器将运算结果输出。电脑的输入部分相当于人脑的感觉系统;中央处理机(包括存储器、运算器、控制器)相当于中枢神经系统;输出部分相当于神经系统的运动部分。从信息加工的观点来看,人脑与电脑有基本相似之处,这是电脑对人脑进行功能模拟的根本所在。

  

   三、电脑对人脑模拟的认识论意义

  

   电脑作为人类脑力劳动的工具,大大延长与扩大了人类的智能活动,电脑已经渗入到人类社会生活的各个方面,发挥着愈来愈不司少的重要作用。运用信息与控制原理,电脑已能模拟人的某些智能活动,这是具有重大的哲学认识论意义的。

  

人的思维活动是一种高级运动形式,(点击此处阅读下一页)

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