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新知客杂志:揭秘世界首个鼠脑机器人(图)

王朝科普·作者佚名  2008-11-11
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鼠脑机器人往人身上植入芯片,换机器手臂,意念控制机器,这些想法早就不是什么新鲜事了。今年8月,英国里丁大学的工程系统学院宣布,制造了世界上第一台生物脑控制的机器人:一只鼠脑机器人! 人工智能这个“人工”要如何实现,以前只想着怎么让电路像人一样思考,这在人脑的运行机制还没搞懂的时候,简直就是做梦。回过头来想一想,能不能直接把人脑接到电路上呢?这样就能直接看到它们是如何协作的。但是不必真找一个活人的脑子,老鼠的就可以,效果都一样,只需要6位数的神经元,第一步先看看它们会做什么再说。

鼠脑机器人vs无头苍蝇

听到鼠脑机器人的名字,立即就有人吸一口凉气:如果鼠脑拥有了机器人的强大力量,会不会向人类讨还血债,凭着它在实验室里牺牲的千万同胞的名义?如果他走进凯文?沃维克(Kevin Warwick)教授的实验室看一眼,就不会在有这样的担心了。所谓的鼠脑机器人,不过是个红绿色的小方盒子,在一张餐桌大小的场地上时而前进,时而折返,看起来比街头卖的电动玩具汽车还要粗糙得多,走起路来像只没头苍蝇——它跟苍蝇也就一个水平。苍蝇的"脑"中有10万个神经元,在这一位鼠脑机器人“米特?格登”(Meet Gordon)的“脑”里面,大概也只有5-10万个老鼠胚胎中提取出的神经元,而一只真正的老鼠有500万个神经元,人类有1000亿个。看上去,“米特?格登”似乎不能完成任何有用的任务,事实上它的确不能。那么为什么要把它制造出来呢?这要从它的设计者沃维克教授说起。

如果世界上真的有科幻电影中那些科学怪人或者疯狂教授,那么一定就是这位沃维克教授。他最大的一个研究兴趣,就是将人和机器连起来,而且用自己的身体做实验品。2002年他写了那本著名的《我,半机械人》(I, Cyborg)。Cyborg这个名字至今还有许多不同的翻译,有的译为改造人、生化人、自动控制人,有的就直接译成“赛伯格”。它指的是这样一种人类,他们身体上不可缺少的某些部分,已经换成了机器零件,沃维克教授自己就是如此。按照他的说法,从1998年起,他已经成为了世界上第一个"赛伯格",因为他往自己手臂中植入了一块芯片,从此以后可以用意念直接控制机械手臂,甚至能通过互联网遥控千里之外的机械手抓握一颗葡萄。这个研究领域被叫做"人-计算机界面",沃维克教授认为,这是人类未来必然的发展趋势。

沃维克教授的另一个研究兴趣,是制造一种能自己适应环境的机器人,它会自己从挫折中学习。这种机器人的头脑中没有多少预设的程序,就像休谟所说的是“一张白纸”。它用计算机模拟神经网络的运作,像真正的生物一样,为自己的“生存”而奋斗。他的实验团队观察到了很多有趣的学习和适应行为,据说还有过一个机器人,因为无法适应纷繁复杂的环境,“绝望”以至“自杀身亡”。

老鼠的蓝牙躯体

鼠脑机器人就是这两个想法的交汇点。之所以要制作“格登”,就是为了研究动物生存的奥秘:生物脑怎样学习适应环境。活的小白鼠能够学习走迷宫,沃维克教授的机器人也会学习,但是这是不是真的是一回事呢?不如把鼠脑放到机器人上面试一试。

准确地说,这一片鼠脑并不是真的放在机器人头顶上到处乱转:没有必要这样麻烦,遥控就可以了。鼠脑的切片安放在一个巴掌大的培养皿中央,它叫做“多电极矩阵(MEA)”,有60×60=3600根电极和脑切片相连,像是一块特别大的CPU。这是鼠脑和机器相交流的关键部件,每个电极都可以捕捉神经元的电信号,也能向神经元放出电刺激。神经元和机器的差别就在这里弥合了。但是在神经生物学实验用的MEA中,神经元只能存活几个小时,然后因为缺乏营养而凋亡。但是“格登”的学习历程需要数十天的时间。在沃维克教授的实验室里,MEA得到不断输入的营养液,就像脑血管一样不断的输送氧气和养料,能够让切片中的脑细胞存活好几个月。MEA被放置在恒温箱中保存,电极信号则通过蓝牙无线电与机器躯体沟通。

格登的躯体虽然简陋,却是实实在在的身体,既有运动器官——一对轮子,也有感觉器官——安装在四个侧面上的感应器,一旦格登撞到了场地四周的墙壁,感应器就产生电信号。哇呀!疼!如果它会说话的话,也许就是这样的惊呼。

一颗鼠脑的充实生活

这可是实实在在的痛觉,不像之前的研究,例如2003年美国亚特兰大和澳大利亚珀斯的一群研究人员,让MEA中的脑细胞控制三支彩色铅笔,模仿艺术家作画,或者是2004年弗罗里达大学的研究者,用MEA中的鼠脑来进行F-22战斗机的模拟飞行。它们都是虚拟世界中的虚空,需要人施加额外的刺激让神经元保持活跃。

如果没有电信号输入,即使养料供应充分,神经元也会很快凋亡。这个道理很简单,就是“思而不学则惘”,没有环境的信号刺激,脑无法长期运作。就如同阻断了一个人的触觉、视觉、听觉和其他所有感觉,就会让他迅速的精神崩溃。

但是格登活得很好很充实,根本用不着额外的电刺激。沃维克教授说:“大约24小时内,神经元彼此伸出突触,建立连接。一周之内,我们便可以看到一些自发放电,以及与普通老鼠或人类的大脑类似的活动。”这说明感应器真的就像是格登的感官,而它正在分析来自感官的信息,对这个奇怪的环境进行学习研究:怎样走路才能不碰到墙壁呢?对格登的行走路径进行分析的结果,也证实格登在慢慢学习一些东西。沃维克教授接下来给自己的任务,就是弄清楚,生物学习行为的基本原理。MEA的电极信号摆在面前,研究起来要比天然的动物容易多了。

人脑还不如鼠脑

沃维克教授并不是邪恶的疯狂科学家,接下来的实验也不会使用人脑,即使有志愿者愿意为科研献出脑。这不仅是考虑到伦理的原因,事实上是根本用不着。在格登的研究中,就算用上人脑也不会有任何区别。因为神经元的工作原理都是一样的,都是通过突触传递的电信号。电刺激让神经元突触之间形成连接,于是格登学会了各种动作。

虽然格登的“感官”和“肢体”都简单到了极点,但是并没有什么本质的区别。一切感觉和运动,在脑里都是同样的神经元冲动,既没有一种带颜色的电信号专门来表示视觉,也没有什么带声音的电信号来传递听觉。许多实验早就证实了这一点,威斯康星大学的保罗?巴切?利塔(paul bachy rita)研制的装置,就能让盲人通过舌头感知图像;而普利茅斯大学的亚当?蒙塔顿的Eyeborg还能让色盲者通过耳朵感知颜色。格登和我们的区别,除了神经元的数量差了6个数量级,就是它们的感觉器官非常简单。谁叫它不幸生在了这个狭窄的小盒子里,一辈子也不可能像普通老鼠一样见到太阳照常升起。但是神经元能学习适应这样的感官,掌握生物最本质的能力,就是自己适应环境。(《新知客》 作者:唐郑亮)

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