徐志磊院士论 AI:认知科学是人工智能发展前期的科学纲领
2020-10-23 17:37:23
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来源: 辛思想

近日,「辛思想®」有幸采访到中国工程院徐志磊院士,就关于“认知、学习与人工智能的启示”,尤其是设计师应当如何看待认知、学习与人工智能等话题进行了对话。

特邀董占勋博士(上海交通大学设计学院 副教授、博士生导师)整理、编辑文稿,以飨读者。

学者介绍

徐志磊院士:机械设计专家,1952 年毕业于上海大同大学机械系。历任机械工业部上海机床厂工程师、主任设计师、设计组副组长,二机部九院设计部核装置设计室副组长、组长,九院八所核装置设计室主任、总体设计部副总工程师,中国工程物理研究院总工程师,2001 年当选为中国工程院院士。现任中国工程物理研究院研究员,上海交通大学设计学院访问讲席教授。

图一 访谈徐志磊院士

辛思想(Q):徐院士您好,感谢您接受我们的访谈。您是我国机械工程学会工业设计分会主任委员,中国创新设计产业战略联盟副理事长,为我国“两弹一星”作出了卓越贡献,也长期致力于我国创新设计发展战略研究。是什么背景让您想要和设计师们分享“认知、学习与人工智能的启示”这个话题?

徐志磊(A):今天,我们已经进入了数字经济的新时代。以数字表征的计算机、互联网、物联网、大数据、云计算、CPS、工业物联网等正在影响着我们生活的方方面面,可以说我们已经“栖居”于数字世界之中。每个人都离不开一部数字化手机,从互相通讯到购物支付,身份识别,已经成为人们日常生活的必需装备。近年来,多种人工智能(AI)技术的涌现和爆发性发展令人惊奇,已经呈现了多种应用:越来越多的机器人参与到工业生产线上,自动驾驶汽车已经在路上行驶,社会系统的大数据应用效果明显,人脸识别和语言翻译得到了普遍应用。制造业系统的工业互联网已经开始构建和应用。

在这样的新形势下,很高兴看到我们设计领域,特别是设计学专业的老师和学生们已经将人工智能技术推向应用,有了很好的趋势。但仍需要更加系统化,尤其从设计与认知、设计与学习、设计与人工智能的内在深层关系进行理解。设计是设计师对用户的理解和需求有目的的表达、会意和构建。AI 是当前最新最好的技术手段和方法,可增强设计任务和目的的实现。设计结果是“智能代理”的选择,设计是理解用户需求,择优选择“智能代理”的过程。人工智能向前发展的趋势是从计算模拟物理世界到模拟人类心智世界。用户和设计师的相互关系,正好需要二者“心智”的融合。有朝一日,机器也许会用计算来理解、表达和转化心智代替人来进行设计,现在还做不到,但是计算参与的设计却是现今不能绕开发展方向。

Q:计算设计的确是当今最重要的设计,前 MIT Media Lab 的教授 John Maeda 也在他的《科技中的设计》报告中阐述了同样的观点,国内外很多大学也将“计算设计”作为重要发展方向之一。那您觉得,在这样的背景下,设计师应该如何做呢?

A:我的期望是:设计师要训练自己,像AI那样思考!

我们并不期望广大设计师队伍都去设计探索AI新算法,去拿图灵奖。但设计师们一方面还是应该懂一点AI技术的应用场景,如软件、硬件、智能化在特定任务中的集成应用等等;另一方面,设计师们更要去理解 AI 创建的先驱者,他们是如何走过模拟人类智能的复杂心智和行为这样伟大的任务之路的。这条路是复杂而艰难的,我们后人却可以轻松地获取,这将使我们加速自己的认知理解水平,追随他们取得一步一步可应用、可实践的成功过程,让我们脑洞大开。我们不仅要学会如何将 AI 技术应用到设计中来,更重要的是去学习、理解 AI 正在探索的“计算”如何来表达人类的心智,深化认识人的认知和学习。

Q:认知、学习和人工智能,您把“认知系统”放在第一位,是有什么思考吗?

A:设计师必须具备理解任务内容和解决问题的智慧,也就是“心智”,即人类学习、理解、产生决策的心智能力。人工智能尝试用计算来表达人的理解和心智,这是非常难的。心智是认知过程产生结果的“集合”,所以设计师首先要懂得“认知系统”。下面的内容是我自己的学习、摘录和心得,一家之言,仅供设计师们参考。

1 自然认知系统

美籍奥地利生物学家,一般系统论和理论生物学创始人贝塔朗菲认为:系统理论的妙处就在于它在心理和物理方面是中性的,它的概念和模型既可适用于物质现象,也可适用于非物质现象。认知是一种非物质现象,所以也可以作为系统来分析。

(1) 人类认知的起源

原始人(即晚期智人)在公元前 5 万年前后,凭借语言能够策划复杂的合作行为,传递技术知识,他们还能表达抽象的思想和概念—从岩石上的画、线和雕刻的形式表现出来。随着语言能力的发展,人类越来越深入到了抽象和象征的领域,开辟了一个新的超越即时即地的世界。

人类大脑的发育特征与其它灵长类动物相比,发生了显著的变化,这是由于人的直立。人类婴儿出生时脑重只有成人的 25%(黑猩猩为 65%),这一优势在于人的大脑在后天可以获得4倍的生长。但人类为脑量的扩大所付出的代价是生命早期的无助,人类在 6 岁之前始终处于完全依赖于母亲的状态,这种情况就呈现了人的社会性特征,要求建立更稳定、更复杂的人与人之间的关系。

(2) 心理发展的阶段

人类心理发展分为两个阶段:① 模仿、联想阶段;② 抽象、概念阶段。阶段的转变出现在 5 - 7 岁阶段,这是大脑发育成长过程类似于动物适应性模式和思考能力的进化。5 岁之前具有较低水平的认知能力,即模仿、联想(举一反三)和记忆跨度。此后逐渐成熟(中国古人认为 16 岁之前认知未开),发展成为较高级的认知能力即抽象和推理。大脑成熟过程中认知发展由多种因素,如经验、遗传、环境和教育等,但前一阶段是后一阶段的必要条件,大脑到 20 - 25 岁时才能完全成熟,停止发育。

(3) 人类认知的三个范畴

人类的认知过程直接构建成三种范畴,这三种范畴原则上组成了一个上升的序列:

① 格式塔:意义已经确定的固定模式,后来的输入模式被其同化。这说明从幼儿开始启蒙,周围的成人习惯、文化和教育会产生主要的影响。

② 理性概念:通过抽象的推理、假设和应用已经建立起来的一些对应的规则跟后来的输入模式相联系的理性存在物。在设计领域和人工智能模拟物理世界和人的精神世界这个范畴都包括在内。

③ 审美建构:在输入中发现非推理性的意义,并显示出认知者的一部分情感体验。

以上三种普遍性的认知模式提供了多种多样的人类认识,出现在人与环境相互作用的概念框架。

2 普通的知觉认知

新的认知观点:我们体验到的世界是知觉的产品,而不是知觉的原因。

不可知觉的事物特征(如运动、色彩和声音等是怎样产生可知觉的感觉,这在人工智能研究中有很多讨论,但整体上仍未得到解决)。例如二维视觉建构三维视频,放在世界和知觉者相互作用的框架来论述。知觉者所需要的模式是:同感知到的客体性质一起共同决定知觉的内容。知觉世界模式把组织者所需要的模式反映在里面了(这些概念涉及到参与学习,参与设计和参与本体论)。

知觉心理学认为:人类的眼睛看(或耳朵听)不是简单地记录外部世界的刺激,而是一个复杂的相互作用的过程,在这一过程中,相对他未完全确定的刺激被同化到由有机体和环境相互作用所产生的认知建构集合中而被赋予意义。所以,认知是一个高级的转译过程,它必需首先具备有关情况的全部“语法”知识,而知觉模式是这些“语法”知识的一部分或者是它的代表。所以“看”并不是记录到了到达眼球的东西。我们之所以能够“看到”,是因为我们之前碰到过同样的或者类似的东西,所以才可以理解。

前文提到,我们根据格式塔印象创造和制造事物。但如果知觉感觉到困惑的东西不能被驱除,我们也可以创建新的格式塔,来迫使它向我们的注意就范。这就是说,我们在知觉的世界里学习新的东西。通过“创造世界”和“适应世界”二者结合,我们把周围环境嵌入到我们知觉认知活动的模式中,而我们的活动模式也放到我们周围的环境中,这样产生了一种经验流,在其中,人用业已建立起来的认知模式作为基础,做出慎重的选择。这种选择技能,满足大多数的事务和人类存在的目的,也满足了求生和理解的基本目标。

3 科学认知

在知觉认知的过程中,人们建立起了自我和世界的常识图景,把自我从世界中分化出来,许多自我属性被投射到具有人格化性质的认知方式,世界中彼岸的客体和此岸的自我存在着一个固定的边界,这种看法是关于认知过程中的观察者 - 观察对象的观点,即主体注视着客体世界并把它理解为感知的结果,不仅分解为自我和世界,而且被分解为科学世界和艺术世界。

这种感知认识在一个既有感知认识又具有科学认识的人(也许还有审美和宗教)观察经验世界图景时,他的观察结果显而易见是正确的,他构造和生活在一个环境里,这个环境能够包含科学的自然界,深刻的自然环境和宗教神秘主义的超验世界。科学家认为周围的环境只是整个自然界中直接感知到的那一部分,而这个自然界只有用抽象 - 概念才能认识。

科学认知与普通知觉认识之间的差异在于:普通的知觉认知自然而然被同化到认知组织的固定部分中,而在科学认知中,对建构的知觉表象的分析是具有意识的和深思熟虑的,客体还未被感知到(甚至不可能被感知到)。与主体之间的区别搞清了,科学认知才能被理解。

在科学认知中,我们只能用抽象、概念的设计,由此可见,所谓的“看”,实际上成了一种隐喻,它包含抽象 - 概念的意义。所有知觉经验的物理刺激都是不完全确定的,它们的含义和意义是通过先前经验的语法知识提供的,假设 - 演绎法是科学的基本方法,理论的主要假设,可以通过形式逻辑规则演绎出来。在知觉认识中,它是自发生的并且是潜意识的活动。科学认识是跳跃的,明确的和有意识的,理性构建的,有目的的意识演化出来的。

4 认知科学

认知科学是一门综合学科,以心理学为基础,汇合了语言学、计算机科学和神经科学组成。认知科学的演化过程始于 1879 年,德国心理学家冯特建立了世界上第一个心理学实验室,宣告了科学心理学的诞生,到 20 世纪 60 年代,三位科学家先驱:语言学家乔姆斯基、心理学家米勒和西蒙为认知科学奠定了基础。到 1979 年,Neisser 提出了认知科学,以后才确定为一门学科“认知科学”。

西蒙找到了人的心理学过程与计算机处理之间的共性,认为智能就是一个基于符号的信息处理过程,基于物理符号系统的假设,建立设想的信息处理模型。认知哲学家 Thagard 认为,认知科学的中心假设是对思维最恰当的理解。基于中心假设对心智的理解方式称为“心智的计算、表达、理解方法(computational representational understanding of mind,CRUM)。也就是说,心理表征就是计算机数据结构,心智内心的“计算”程序就是算法,而思维的过程就是运行程序。

认知科学是人工智能发展前期的科学纲领,现在人工智能的发展正朝着知识为基 - 数据驱动,又向着认知为基的方向努力,但很难说一定会成功。

5 隐喻和抽象

(1) 隐喻

爱因斯坦说:所有的艺术、宗教和科学都是同一颗大树的分支。

隐喻作为感知、体验、想象、理解和思维无处不在也必不可少的“幕后操手”,始终根植于我们的内心深处,其意识的映射界定了理性和推理的共同模式,塑造了概念思维方式,构成了大脑组织知识的基本范畴。隐喻源于人类的联想、类比的心智功能。隐喻就是用一个事物来理解另一个事物。人类的抽象思维大多是隐喻的,心智内部存在的事物,无可言说的,不能用明确的语言(文字)来描述,因为是无形的,只能通过类比可明显表达的事物来描述,这种方法自古至今无处不在,这是人类大脑和内心智能的最重要的特征之一,通过隐喻表达内省和交流的技能。

中国的象形文字就是用图形到语言转化无法表达的会意共同构成汉语和文字,研究甲骨文让我们了解中国古人如何把隐喻的方法从语言隐喻转化为图形和文字,又转过来表达语言的相互交流,中国古人创造的与西方不同的隐喻方法,使后人的慎密思维得到了训练。

(2) 抽象

隐喻作为人类的思维模式只不过是较低层次的认知能力,而抽象则是较高层次的认知能力,这个方法就是由表及里,去伪存真。

① 生理学的抽象

人类解决一切问题的方法只有一个 —— 抽象,抽象就是在更高的维度上调和矛盾。从更高维度调和矛盾,也正是大脑皮层的构造方式和工作原理。不断从现象中找到其共同点,提取出来,取一个“名字”,这些“名字”又成为上一层次抽象的基础,这样一层一层,直达到那个“圣杯”(grail)。神经科学领域的众多隐喻—计算机、编码和电路图等,人工智能领域的研究者正在依据这种思路开展了机器学习,深度学习的计算模拟。计算机隐喻大脑的功能是将输入信息进行编码,并转化为输出信息,这些隐喻和抽象已在人工智能领域获得了成功。

② 心理学的抽象世界

宇宙可以被认识和理解读出来,可理解的宇宙可以由数学的语言来表达。用隐喻将世界压缩为三个不同的世界:数学的抽象世界、外部物理世界和人类心智隐匿的精神世界。知识产生是人类心智转化的行动。物理世界是像数学方程一样编码为正规表达。

抽象,伴随着一致性规则,栖居于抽象世界。人类心智可以进入和操作抽象世界的正规表达,并解码它们,这发生在对物理世界的预测行为。我们的外部物理世界事实上是一个数学结构,数学客体独立于心智和语言,直接表达各种各样现实世界的抽象模型。现实世界通过人的心智作为精神代理进行抽象,又作为桥梁,将物理转化为数学。

总结一下,① 存在一个被规律支配的物理世界;② 生物世界是生命结构的涌现;③ 在这个生命系统内部形成的心智,即认知的精神世界;④ 存在着一个抽象的理性王国。

人类心智能够进入抽象的世界,是对世界的映射结构,人类的意识是翻译者。

Q:谢谢徐院士,您对“认知系统”的感悟让我们受益匪浅,我们也需要好好的学习和消化一下,再向您请教关于“学习和人工智能启示”部分内容。

A:很高兴能有这个机会和设计师们分享。人类的文明进化和认知能力的提高得益于人的不断学习的过程。后面我们再找机会分享这些内容。

Q:我想读者们都和我一样,非常期待阅读您的“认知、学习与人工智能的启示(2)”关于“学习”的部分,祝您身体健康!

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