类人意识与类人智能
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作者蔡恒进,蔡天琪
出版社华中科技大学
ISBN9787577202778
出版时间2024-02
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定价48元
货号31979027
上书时间2024-06-08
商品详情
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作者简介
蔡恒进武汉大学计算机学院教授、博士生导师。中国人工智能学会（CAAI）心智计算专业委员会副主任委员、人工智能伦理与治理工作委员会委员，中国移动通信联合会元宇宙产业委员会副主任委员，施普林格·自然国际期刊《人工智能与伦理》（AIandEthics）编委，中国碳中和50人论坛特邀研究员，中国计算机学会（CCF）区块链专业委员会执行委员、服务计算专业委员会执行委员，中国通信工业协会区块链专业委员会副主任委员。出版多本学术著作和科普畅销书，其中《人机智能融合的区块链系统》获国家出版基金资助，《机器崛起前传：自我意识与人类智慧的开端》获2017年吴文俊人工智能科学技术奖。
蔡天琪清华大学深圳国际研究生院博士后，中国工业和应用数学学会区块链专业委员会委员，云安全联盟大中华区（CSAGCR）元宇宙技术安全工作组专家成员，英国区块链协会循证区块链中心（BBACEBB）成员。获人工智能、大数据、区块链技术发明专利授权40余项，主动哈希交互网络（AHIN）共同提出者。
目录
第1章 意识与物质的关系001
1.1 再现的时空演变结构003
1.2 以有涯随无涯006
1.3 认知坎陷的生命周期007
1.4 意识的价值属性009
1.5 意识难题013
第2章 自我意识的诞生017
2.1 触觉大脑假说019
2.2 生命、意识与智能的连续谱024
2.3 原意识031
2.4 认知膜034
第3章心智的非定域性及其起源037
3.1 研究心智问题的支点039
3.2 非定域性与可迁移性044
3.3 心智的模型050
3.4 从物理系统中涌现出的心智054
3.5 太古宙孔隙生命世假说057
第4章 智能的定义与度量061
4.1 意识与智能的关系063
4.2 智能的定义066
4.3 智能度量模型070
4.4 简单的智能模拟074
4.5 智慧与愚蠢079
第5章因果链重构085
5.1 附着与隧通087
5.2 意识的统摄作用092
5.3 人造物作为意识的凝聚095
5.4 推理尖隙跨越097
5.5 与其他意识模型的比较099
第6章情感与优化107
6.1 系统1、系统2与脱域110
6.2 情感的产生111
6.3 同理心从何而来115
6.4 情感的工程实现与机器的情感119
第7章 通用人工智能125
7.1 行为主义、联接主义和符号主义的贯通127
7.2 奖赏就能通往通用人工智能吗?136
7.3 注意力就能通往通用人工智能吗?139
7.4 大语言模型的能力边界144
7.5 通向通用人工智能的四条路径147
第8章类人驾驶与人形机器人153
8.1 自动驾驶发展现状155
8.2 完全自动驾驶难以企及158
8.3 基于理解的类人驾驶159
8.4 以“我”为主的、基于同理心的决策机制161
8.5 人形机器人的坎陷化感知能力163
第9章 未来可期167
9.1 人造物的智能169
9.2 物理因果简化为心理因果172
9.3 深度学习的成功175
9.4 实现通用人工智能的新路径176
9.5 德福一致的可能未来178
参考文献182
内容摘要
本书是一本探讨意识起源、勾勒人工智能未来图景的学术性科普图书。如今，人工智能已经渗透到我们生活的方方面面，给我们生活带来巨大便利的同时，也引发了人们对人工智能会威胁人类生存的担忧。人工智能的本质是什么？机器能产生意识吗？如何度量机器的智能？
在人工智能热潮涌现的今天，本书作者直面人工智能研究乃至众多前沿科学研究都绕不过去的关键课题——意识难题。在本书中，作者追溯生命起源，指出触觉在意识的产生中起到重要作用，并从物理系统、意识系统和信息处理系统三个维度理解生命系统来认知意识与智能，提出了意识的模型和智能的度量方法，实现了新一代人工智能基本理论的突破。理论探讨之外，作者还给出了相关的实际应用案例，为各领域利用人工智能技术提供新的思路。人工智能时代呼啸而来，本书为普通读者了解人工智能和立足新时代提供了坚实的知识基础。
精彩内容
情感的起源问题一直是心灵哲学所关注的核心问题之一，也是进行机器情感与人工智能研究所要解决的问题。17世纪以来，多位重要的哲学家、理论家发表了相关理论，我们通过对系列理论的回顾，能够看到用于研究这一问题的认识论与方法论越来越脱离形而上学，而逐步向认知神经科学的前沿进展靠拢。
笛卡尔认为情感是一种与心灵相联系的知觉，认为情感为心灵意志所完全控制和指挥，对情感进行了初步的分类，并且提出了克制控制情感的几种方法。霍布斯（Hobbes）将情感内部起点的想象归集为“努力”，由努力形成冲动和憎避两个概念，再由此衍生出其他情感。斯宾诺莎受两者启发，认为情感的基础在于“努力”，而情感的起源在于心灵对身体努力的意识（即“欲望”），将快乐、痛苦和欲望划定为基本情感。杜威（Dewey）认为，冲动（impulse）是情绪，能让我们从一个新的起点重新开始。19世纪德国生理学家兼物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹进行研究并表示“大脑以概率的方式来计算和感知世界，并根据感官的输入情况，不断地做出预测和调整信念”。根据时下最流行的贝叶斯算法，大脑可看作是一种旨在最大限度地减少“预测误差”的“推理引擎”。卡尔·弗里斯顿提出了“自由能量原理”，其中描述的大脑运行理念很像贝叶斯概率机，也就是亥姆霍兹说的“推理引擎”。
不论是将情感的起点描述为“努力”还是“欲望”或“冲动”，我们依然要回答情感的起源问题。本章将从情感是特殊的认知坎陷的角度进行思考与梳理，探究情感的起源。
6.1系统1、系统2与脱域
根据触觉大脑假说和认知坎陷理论，生命最早期的单细胞便能区分内部和外部的不同。这种区分能力从原意识一直发展成为复杂的意识世界，并成为我们大脑里的两个系统，一个是直觉的、从自我的愿望出发的系统1，另一个是尽量讲道理、理性的系统2。
单细胞生命体可以看作是最简单的一类生命体。细胞膜是该类生命体中不可或缺的结构，它将细胞包裹起来，能区分出内外，放行营养物质，挡住有害物质，这其实是最初级的“认知”能力与“意识”体现。细胞膜还可在细胞内外维持一定的渗透压，为细胞正常的生命活动提供相对稳定的内部环境，当这个渗透压的值增大到膜的结构难以承受之时，细胞便会破裂死亡，这种在一定范围内的渗透压可以看作是最初级的“情感”体现。
细胞膜与前文提及的认知膜都体现了生命试图脱离当下的时空约束，但实际上生命不能违背当下时空基本的物理要求，这种看似矛盾的要求如何才能实现呢？由于某些场景可能重现，或者环境也可能出现周期性或者准周期性的变化，因此生命体在下一个周期里可能会处于一个领先的地位。这时主体性的优势就显现出来了，主体会对时空进行重新编辑。除了时间上的周期性，还有空间上的周期性。比如主体通过上一条河的经验，可以用在通过下一条河的场景里。因此，生命能从当下的时空中跳脱出来，即脱域，我们也称为“对时空的非线性编辑”。
早期生命的细胞膜就可以看作是认知膜，两者作为最早的“自我”的边界是统一的，在这一阶段认知膜可以被认为是物质性的，而到了人类层面的认知膜则是主体建构的、心理性的。认知膜的边界并不是静止的，而是会移动变化的，它可以“至大无外，至小无内”。认知膜本身可以有内容，其内容就是关于我们视角的转换，或者“自我”如何附着。当我们强调对核心建构的保护时，我们就可以把认知膜给独立出来，它要保护的是处在外界环境中的“自我”。
认知膜一部分属于系统1，一部分属于系统2，可以起到调节矛盾需求的作用。情感可以看作是认知膜的组成部分，而且是靠近系统1的部分，它保护的是“自我”的核心架构，以保护“自我”来应对预期（预期也在“自我”的架构里）与外界实际发生的差异与变化。
6.2情感的产生
认知坎陷是指对于认知主体具有一致性，在认知主体之间可用来交流、可能达成共识的一个结构体。情感可以在同一主体上重复出现，在不同主体间具有可迁移性，是一类特殊的认知坎陷。它的特殊性在于它是系统1的重要组成部分，而且能引起身体内部变量或结构的变化，比如兴奋会让人分泌多巴胺，愤怒会让人血压突然升高。埃克曼（Ekman）将情感划分为六种基本类型，分别是幸福、悲伤、厌恶、恐惧、惊奇和愤怒。情感的产生与意识、自我意识的产生纠缠在一起，在生命初期主要通过触觉、味觉进行感知。我们也经常用触觉、味觉的感受来描述情感，比如生活的苦与甜。
至此，我们就可以借用杜威的术语构建一个情感模型。在这个模型中，冲动相当于是“自我”里最主动的、最核心的内容，然后外层是情感、认知膜，然后再外一层是更贴近外界的常轨（我们理解的外界，或者说是我们已经习惯的外界，所以叫常轨，它不一定是完全客观的物理外界）。当主体认知膜中建构的内容已经广为人知，这些内容就会逐渐转到常轨之中，比如常识或者与宗教信仰相关的建构等。由很多节点（认知坎陷）构成外层的常轨，这些常轨是主体在清醒或下意识状态下能够接触的认知坎陷的集合。在具体场景下，会由哪些节点参与作用是很复杂的，这些常轨上的节点决定了主体与外界（通过认知坎陷）交互时是否会产生情感，以及产生何种情感（例如惊奇）。
主体对当前外部环境的认知与主体现有的认知坎陷并不总能对应上，这就使得主体不能总是自如应对，有可能是因为主体对外界的认知无法对应到常轨的节点上，也可能是反过来的情况，这种差异就会导致情感的产生。如果两者之间是完全一致的对应，主体就不容易产生情感，比如我们很难因为答对了“一加一等于几？”这一问题而感到兴奋或惊讶。当主体的预期与其当前感知到的外部环境的反馈不一致或者主体无法处理应对外部环境时，主体就容易产生情感：假如得到的反馈结果超过我们的预期，我们更容易产生积极情感，比如随手买的盲盒，打开发现是隐藏限量款；假如得到的反馈没有达到预期，我们就更容易产生消极情感。
这也意味着情感的起源来自意识。意识并不是认知坎陷的简单集合，而是有主体参与其中的一个动态模型。因此，我们将情感的产生描述为主体“自我”的期望（或应对能力）与实际感知之间的差异及其差异的变化。情感起源于这种差异，并且也会通过新的介质（比如压力感觉系统）表达出来，而这种差异的变化本身也会产生新的情感或情绪，比如差异变小会让人感觉轻松、愉悦，而差异变大则会让人感觉痛苦、紧张。
冲动从何而来？冲动很可能并不是本身嵌套好的或者能通过程序事先定义好的，而是主体在具体的场景下被激发出来的内容。冲动可以说是部分来自外界，但即使给定相同的外界环境，不同的主体涌现出的内容也不会一样，因此它是由主体与外界作为一个整体产生的。冲动可以看作是主体受到刺激后产生的，会影响“自我”的附着，比如使“自我”附着到身体的某些部位，这个过程可以有很强的随机性。当我们受到了强刺激，比如手不小心被锤子砸了一下，那么这就是对“自我”的一个非常强烈的刺激，这一意外的状况是超乎“自我”预期的，因此手上突然的疼痛带来的强大冲击就会迅速给我们带来痛苦。除了身体上的冲击，精神上的冲击（比如羞辱）也会带来痛苦。
冲动和常轨之间的差异会导致不同的张力，这些不同的张力也就表现为不同形式的情感。两者变得越来越一致会让主体产生积极情感，反之则产生消极情感（迷惘、愤怒等）。智能则是试图连接两者，可以是通过提出一种让两者靠近的解释，也可以是通过一种拉近两者距离的实践。生命一旦出现，就会有“冲动”。生命体具有一致行动能力，生命体的冲动也会对宇宙产生非局域性的影响。
没有“冲动”，就没有“情感”，也就不需要“智能”。冲动的本质应该还是含有偶然性、随机性的，主体在（自我肯定需求的作用下）评估几种选项的时候，有可能分不清楚哪种更好，于是随机选择了其中一种。意识就包含了冲动和常轨，这两者之间的差异（differentiation或alienation）以及这些差异的变化就表现为不同的情感。智能可以被定义为发现、加工和运用认知坎陷的能力，智能的作用就是在主体意识到冲动和常轨的不一致时，通过“编故事”来解释其中的差异，或者是改变冲动来接近常轨，或者是改变常轨来接近“我”，又或者是同时改变二者以使二者保持一致。
认知坎陷定律认为两个认知坎陷相互作用会产生新的认知坎陷。在“自我”内部，情感是跟“自我”的其他侧面相互作用的，也就是说主体的预期实际上是“自我”的一个附着，是主体选择的一个参照系和视角，所以很多场景是由于“自我”的视角改变，或者“自我”的附着物——主体的预期改变，因而从原来的情感或者情绪产生出新的情感或者情绪（即新的认知坎陷）。
比如“羡慕嫉妒恨”。羡慕当然是一种情感，含有主体对他者的理解在其中，这个理解本身就是主体“自我”附着在他者身上去感知的，然后再同自己比较来感知差异。当主体觉得他者的某方面比自己优秀得多，得到的回报也很丰富，主体就可能产生羡慕之情。假如主体自身的预期发生改变，认为他者的条件和自己差不多，但他者得到的回报却比自己好，主体可能就会产生嫉妒之情。假如主体自身的预期再次发生改变，“自我”附着的出发点变化了，认为他者很多方面都不如自己，但得到的回报比自己好得多，那么主体就可能产生恨意。
情感作为一类认知坎陷，也是分层级的。最基础的情感跟身体最紧密相关，基础情感的变体则更高一级，可能会产生组合，越高级的情感就越抽象，离身体就越远。到了比如说对好恶或者对善恶的判断，就达到理性的阶段，离身体相关的情感也就更远，而好恶、善恶也都是认知坎陷。
6.3同理心从何而来个体情感的产生和变化非常微妙而复杂。比如人有“自尊”，有“羞恶之心”，相比其他动物遵循本能而为，人很多时候会“有所不为”。再比如人的同理心或者共情能力常让人觉得神奇，我们可能会因为看到一张图片或者听到一段话就悲从中来，红了眼眶，又或者是突然紧张而导致肾上腺素升高。这种“人传人”的情感现象并不是到比较高级的生命阶段才突然涌现的。生物繁殖有基因的传递，让个体从头开始生长，而在原始生命早期，某些碎片就可能会传递一些信息，这种传递也让生命从一开始就具备了“共情”“同理心”或者说是“他者视角”“设身处地”的条件，这些特质是生命从演化历程中逐渐获得的。
约翰·瑟尔（JohnSearle）曾经提出“集体意向性是一种生物学上的原初现象”，这里的集体意向性也可以看作是生命自初期就有一种利他的意向，这与我们的主张有共鸣之处。
在生命诞生前的“原始汤”里，可以想象有很多细胞的构成成分存在，这些成分可能随机地组合成一致行动体并开始不停地尝试，当尝试失败后，就会留下一些碎片，这些碎片在后面的尝试中可能会被再次使用。在往复尝试的过程中，这些一致行动体通过碎片整合积累了前面的片段，即带有了其他一致行动体的信息、片段，从而形成“我”中有“他”的结构，因此能自然地将“我”带入到“他”的立场上。生命体形成之后，也会倾向于寻找与自己类似的生命体，因为有同类的地方意味着也适合自己的生存与发展。如今，许多单细胞和非细胞结构的生物仍保留着从环境中拾取基因片段的特性，哺乳动物大脑的演化也趋向于支持亲社会行为，人类与其他灵长类动物更是发育出较为发达的前额叶皮层，它在认知中起到核心作用，也是社会认知的重要中枢。因此，他者视角的形成或者说站在别人的立场上思考的视角的形成从生命一开始就具有基础。
在关于社会演化的传统研究中，利他行为的演化仍是未解之谜。20世纪60年代初，演化生物学家汉密尔顿（W.D.Hamilton）提出的广义适合度理论（inclusivefitnesstheory）指出，如果参与社会互动的个体之间存在亲缘关系，利他行为就有可能演化而来。但这一理论也引起了诸多争议，比如它难以解释参与社会互动的个体在交换社会收益时发生的互惠利他主义（reciprocalaltruism）。
基于我们对共情和同理心起源的理解，我们知道生命从诞生初期就拥有社会性，而非一开始就是自私的生命个体，甚至可以说，正是因为前生命阶段并不是封闭和独立于他者的，而是具备同理心和他者视角的基础，生命才得以成形。
虽然说要保持自己的个性，但是我们个人不是完全脱离其他人的个体，我们的生命依赖于其他生命才得以延续，生命个体是一种过渡状态，最终我们会走向生命之间交互程度、协作程度更高的状态。我们的利他本能是被自我肯定需求遮蔽掉了，显得我们似乎只有自保、利己，但实际上我们都有共情的本能、利他的本能。本质上，在进化过程中，它们就藏在了我们的基因里和认知坎陷里。
这样一来，利他行为的问题也就自然消解。
对高级生命而言，尤其是对人类来说，同理心可以通过认知坎陷的迁移、“自我”的附着而产生。通感（synesthesia，在描述客观事物时，用形象的语言使感觉转移，听觉、视觉、嗅觉、味觉、触觉等不同感觉互相沟通、交错，彼此挪移转换）和移情（transference，在精神分析中，是指来访者将自己过去对生活中某些重要人物的情感过多地投射到分析者身上的过程）本质上都是通过认知坎陷的附着而产生的，即将“自我”的一部分附着到另一部分上，又或者将“自我”附着到另一个人身上。
除了“自我”这个基础的认知坎陷以外，还有一个认知坎陷也值得一提，那就是“无限”（无穷大）。无限既看不见也摸不着，但是只要我们稍作思考，就都会相信无限是可以存在的，比如“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，说的就是这个道理。这一认知坎陷的开显也证明了人类能够站在第三方的角度思考，创造出一些看似不存在的概念。人类普遍具有好奇心，就是因为我们能够把“自我”附着到别的主体之上，比如我们站在山的这边，心里想着山的那边是什么，当得知山的那边还是山，“自我”就自动移到了山的那一边，然后又会继续好奇山的那边是什么，如此往复下去，这也是人发现无限的方式之一。认知科学里的移情、同理心、羞恶之心都是根据这种“自我”的附着而开显出来的。
人类开显出的认知坎陷一开始几乎都非常模糊，只有在群体以及代际不断地迭代后才会更加明晰。每开显出一个新的认知坎陷，人就能迅速区分出哪些属于这个认知坎陷，哪些不属于这个认知坎陷，即有了对“同一性”的认识，它的对立面“差异性”就能变得更清晰，这就是同一性和差异性的反复迭代，认知坎陷（概念）的演化、认知进化也是如此发展而来。
同一性与差异性非常重要，这一迭代过程体现了“自我”能够自如地“附着”到各种坎陷之中，从而迅速做出同一性与差异性的判断。我们能够实现“自我”的附着，站在另外的角度思考问题，就是因为“我”的边界从一开始就不清晰，在进化过程中也不是确定的，也正是这种不清晰、不确定，才使得我们更容易将“我”附着到别的人、物上。边界随时都可能波动，向外至大无外，向内至小无内。人的神性体现在“我”既可以有明晰的边界（皮肤），又可以没有边界（附着到第三方上思考问题）。
6.4情感的工程实现与机器的情感
情感与智能的关系可以通过主体的容忍能力得以反映。主体具备的认知膜的认知功能非常主动。主体需要通过认知膜屏蔽当下的部分信息，超脱当前时空的限制，更多地考虑长远有利的优化，也就是前文提到的“对时空的非线性编辑”。认知膜就是要“找理由”，要建构。假如说我们的关注点在情感上，那么情感反映的就是我们的认知膜建构不足的那一部分，或者是“自我”边界在应对外界的冲击时做得还不够好的那一部分，抑或是认知膜不能把外界跟自我预期之间沟通好的那一部分。而能处理、能沟通的程度对应了智能的水平，即沟通得更好就说明我们的智能水平更高、更理性，可以把其中的差异及时修整好。主体如果能够忍受实际与预期的不同，且忍受能力足够强，便更容易进入更高境界，智能水平也更高，而完全不能忍受差异的主体则无法自如应对，只能与环境完全一致，随波逐流，体现出来的智能水平也较低。主体容忍能力越强，也能更加主动，即便在外界环境已经完全被主体掌握且不再改变的情况下，主体也能够产生新的内容。
羞恶之心对机器实现特别重要。不难观察到，最近对一些公共议题的讨论最终很容易变成两种极端观点旗鼓相当地相互辩驳，每一方只听自己想听的内容，只讲自己相信的论据，毫不顾及另外的可能，即使所听所讲后来被证明不成立，也毫无反思之意或羞恶之心。到AI实现层面，这种状况可能变得更糟。强调个人隐私从很大程度上讲，就是因为人有羞恶之心，很多想法不能表达出来，只能压制于内心或潜意识里。但互联网的发展让个人隐藏于幕后，羞恶之心的压制变得薄弱。目前AI系统的自由表达更让我们震惊。具备羞恶之心应当是AI设计与实现的一个伦理规则。
当前人工智能要实现突破，可能需要在机器的情感领域更进一步。算法中的损失函数（lossfunction）或精确度（accuracy）都可以看作是情感的指标，强化学习中的奖励函数（rewardfunction）也可以看作是情感的指标。弗里斯顿引入的“意外度”（surprise）实际上也是情感。布卢姆夫妇阐述的有意识的图灵机包含了情感的内容，但依然低估了主体性及其重要性。主体性在智能与意识形成的过程中是无法回避的，因为这个世界无穷复杂，主体必须有取舍，对整体有把握。意识是先于智能的。
有意识的图灵机更像是将意识相关的模块拼接在一起，而我们改进后的机制会更加简洁，尤其是情感与其他类型的意识会呈现出更简洁、更有机的关系。机器可以用不同的损失函数作为不同的情感指标，类似于人类主体的容忍能力，拥有更高智能水平的机器可能会忍受当前某个大的损失值，而后才可能进入新空间找到更优的极小值。
边界是“自我”产生的地方，也是情感产生的地方，但我们不是用涌现来描述情感的产生，这更多的是一个优化过程，而不是自由能量涌现的过程。优化就是把不好的情感降低，在这个过程中又可能叠加新的情感进去。我们强调的是更长期的、更长时间尺度的、更广范围的甚至全局的优化，而不是短期的、局部的、当下的优化。长期的、大范围的、全局的优化跟短期的、小范围的、当下的优化之间可能有冲突，其中涉及取舍和决策，优化过程会很复杂，不是一个简单的博弈的过程。
强化学习就是把最终结果拿到当前来做优化，实际上也是时空的非线性编辑。比如下棋，我们不是看这几步当前是不是占了上风，而是放在全局里来评价这几步，即从最终获胜的这个意义上来评价。这意味着现在的深度学习已经将这种超越时空的、全局的理念引进来了，是在这个全局的意义上进行回报。在Transformer里注意力等机制实际上也是把空间的全局性引进来了，不完全是最邻近两个词语之间的关系，而是一个全局的关系，是在这个意义上来进行优化。
有意识的AI是由一群智能体组成的小社会，智能体社会将呈现多样性（diversity）的特点，同时也具备社会性、群体性的特征。
主体具有主动性，即便在外界环境已经完全被主体掌握且不会改变的情况下，主体也能够产生新的内容。因此心智模型需要足够复杂，我们主张用体结构对心智进行模拟实现。机器要实现意识持续进化就需要多智能体机制，原因有如下几点：其一，有一些智能体很可能因为太多歧途而陷入暗无限，如果智能体不足够，就会影响整个机制运行；其二，智能体之间可以相互学习，吸取教训，这样就能加快体系的进化速度；其三，多智能体因为有共同的内核和相似的训练环境，从而可能实现外推，学会站在不同立场上思考，因此更有可能获得成功。所以我们如此强调多智能体的重要性，背后的根本原因是生命视角不可能用全能视角去看待所有的现实与可能性，只有通过多智能体不断地尝试和学
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