現(xiàn)代仿生科學(xué)與工程導(dǎo)論

PAGEPAGE4現(xiàn)代仿生科學(xué)和工程導(dǎo)論論文作者：課程老師：學(xué)號：班級：一．仿生學(xué) 31.1仿生與機(jī)器人 31.2生物機(jī)器人 4二．人工智能 42.1圖靈機(jī)與圖靈試驗 62.2細(xì)胞自動機(jī) 72.3藍(lán)腦計劃 7藍(lán)腦計劃-歷史研究 8藍(lán)腦計劃-構(gòu)思基礎(chǔ) 10藍(lán)腦計劃-科學(xué)模型 10藍(lán)腦計劃-研究過程 11藍(lán)腦計劃-應(yīng)用前景 122.4電影中的機(jī)器人 13三．課程體會 14四．對課程的意見和建議 15五．參考文獻(xiàn) 15總的說來，人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。但不同的時代、不同的人對這種“復(fù)雜工作”的理解是不同的。例如繁重的科學(xué)和工程計算本來是要人腦來承擔(dān)的，現(xiàn)在計算機(jī)不但能完成這種計算,而且能夠比人腦做得更快、更準(zhǔn)確，因之當(dāng)代人已不再把這種計算看作是“需要人類智能才能完成的復(fù)雜任務(wù)”,可見復(fù)雜工作的定義是隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步而變化的,人工智能這門科學(xué)的具體目標(biāo)也自然隨著時代的變化而發(fā)展。它一方面不斷獲得新的進(jìn)展，一方面又轉(zhuǎn)向更有意義、更加困難的目標(biāo)。目前能夠用來研究人工智能的主要物質(zhì)手段以及能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能技術(shù)的機(jī)器就是計算機(jī),人工智能的發(fā)展歷史是和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展史聯(lián)系在一起的。除了計算機(jī)科學(xué)以外,人工智能還涉及信息論、控制論、自動化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科。人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括：知識表示、自動推理和搜索方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識獲取、知識處理系統(tǒng)、自然語言理解、計算機(jī)視覺、智能機(jī)器人、自動程序設(shè)計等方面。實(shí)際應(yīng)用機(jī)器視覺:指紋識別，人臉識別，視網(wǎng)膜識別，虹膜識別，掌紋識別，專家系統(tǒng),智能搜索，定理證明，博弈，自動程序設(shè)計，還有航天應(yīng)用等。2.1圖靈機(jī)與圖靈試驗阿蘭·麥席森·圖靈（AlanMathisonTuring，1912.6.23—1954.6.7），英國數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家，被稱為計算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父。圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，他把這樣的過程看作下列兩種簡單的動作：在紙上寫上或擦除某個符號；把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置；2.21圖靈機(jī)的藝術(shù)表示而在每個階段，人要決定下一步的動作，依賴于(a)此人當(dāng)前所關(guān)注的紙上某個位置的符號和(b)此人當(dāng)前思維的狀態(tài)。為了模擬人的這種運(yùn)算過程，圖靈構(gòu)造出一臺假想的機(jī)器，這就是圖靈機(jī)。機(jī)器的每一部分都是有限的，但它有一個潛在的無限長的紙帶，因此這種機(jī)器只是一個理想的設(shè)備。圖靈認(rèn)為這樣的一臺機(jī)器就能模擬人類所能進(jìn)行的任何計算過程。圖靈實(shí)驗則是一種確定計算機(jī)是否會思考的實(shí)驗。一個人向計算機(jī)發(fā)問，另一個不知情的人試圖從回答中區(qū)分是人還是計算機(jī)。如果計算機(jī)沒有被辨認(rèn)出，便通過了圖靈實(shí)驗。到目前為止，沒有一臺機(jī)器通過實(shí)驗，然而卻有一個人沒有通過。2.2細(xì)胞自動機(jī)細(xì)胞自動機(jī)（cellularautomat）為模擬包括自組織結(jié)構(gòu)在內(nèi)的復(fù)雜現(xiàn)象提供了一個強(qiáng)有力的方法。細(xì)胞自動機(jī)模型的基本思想是：自然界里許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)和過程，歸根到底只是由大量基本組成單元的簡單相互作用所引起。因此，利用各種細(xì)胞自動機(jī)有可能模擬任何復(fù)雜事物的演化過程。2.3藍(lán)腦計劃瑞士洛桑理工學(xué)院的科學(xué)家亨利·馬卡蘭最近在巴西東北部城市那塔爾展示了他設(shè)想的“藍(lán)腦”計劃，并希望在2015年制造出“人造大腦”，以達(dá)到治療阿爾茨海默氏癥和帕金森氏癥的目的。馬卡蘭介紹說，他的想法是“拆除之后再重建”哺乳類動物的大腦，計劃將分為幾個階段：2008年先用嚙齒動物做實(shí)驗，2011年后將試圖組裝一個貓的大腦，在2015年正式組裝人類大腦之前可能還會制造獼猴的大腦。2.31藍(lán)腦構(gòu)想截止09年7月，該項目已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。“藍(lán)腦計劃”組已經(jīng)完成了人腦新皮層部分的神經(jīng)元計算工作，并已繪制出一份3D神經(jīng)元活動模擬圖。最終，科研人員希望能知曉并模擬出整個人腦的神經(jīng)元的活動情況，借此了解現(xiàn)實(shí)世界為我們帶來的感官訊息是如何破譯并儲存到人腦中的，從而揭開人類意識產(chǎn)生之謎。2.31藍(lán)腦計劃-歷史研究“藍(lán)腦計劃”開始于2005年，其目的是從實(shí)驗數(shù)據(jù)逆向打造哺乳動物的大腦。研究組將重點(diǎn)放在皮層單元上，皮層單元是哺乳動物的大腦所獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，也叫新大腦皮層。這是一個新的大腦，哺乳動物需要它，因為它們需要處理親子關(guān)系、社會互動的復(fù)雜認(rèn)知功能。從老鼠發(fā)展到人，它是如此成功，為了生成這一驚人器官，把腦結(jié)構(gòu)單元數(shù)擴(kuò)大了大約1000倍。這一研究仍在繼續(xù)，發(fā)展速度很快。人腦中含有大約1000億個神經(jīng)元，這些神經(jīng)元能夠迅速對明媚的陽光、喇叭的鳴響、炸雞的氣味以及所有其他感覺器官獲得的刺激進(jìn)行理解并做出反應(yīng)。而如今，有人使用IBM的超級計算機(jī)來模擬人腦的這種機(jī)制，這項研究計劃稱之為藍(lán)腦計劃。這項計劃有一種“上萬神經(jīng)元(每一個都不同)的軟件模型，它能讓研究人員通過數(shù)碼技術(shù)搭建一個人工皮層單元。雖然每個神經(jīng)元都是獨(dú)一無二的，但是，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同大腦的線路有著共同的模式。為了更好地理解人腦的應(yīng)激反應(yīng)，瑞士洛桑的研究人員啟動了一項雄心勃勃的計劃——藍(lán)腦計劃。該計劃使用了IBM的eServerBlueGene計算機(jī)(它每秒鐘能夠進(jìn)行22.8萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算)。藍(lán)腦計劃試圖模擬老鼠的大腦新皮質(zhì)單元(NeoCorticalColumns，簡稱NCC)中10000個高度復(fù)雜的神經(jīng)元行為。NCC延伸到整個大腦灰質(zhì)中，執(zhí)行高級的計算任務(wù)，它們的直徑為0.5mm，像蜂巢中的小格子一樣排列在大腦中。藍(lán)腦計劃項目首席研究員HenryMarkram表示，BlueBrain項目的第一個目標(biāo)是在兩三年內(nèi)通過軟件復(fù)制NCC，或者說設(shè)計出NCC的模板，然后根據(jù)大腦不同區(qū)域或者不同動物的大腦對這個模板進(jìn)行修改，這樣就可以模擬各種各樣的NCC。藍(lán)腦計劃所做的就是通過在神經(jīng)元的層次上模擬大腦的行為，對腦實(shí)施逆向工程。研究人員計劃創(chuàng)建一個模型工具，可以讓其他的神經(jīng)科學(xué)家當(dāng)在其上做各種實(shí)驗，驗證各種假設(shè)，分析藥物的功效時比在真正的大腦上取得更高的效率。這個項目的初始目標(biāo)是對構(gòu)成老鼠新大腦皮層單元(皮層的主要構(gòu)成模塊)的1萬個神經(jīng)元及3千萬個突觸連結(jié)進(jìn)行模擬。選擇新大腦皮層單元作為模擬的開始是因為它被大家公認(rèn)為非常的復(fù)雜，它由很多不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每一個結(jié)構(gòu)都包括很多的突觸和離子通道。藍(lán)腦計劃-構(gòu)思基礎(chǔ)“藍(lán)腦”工程，是在IBM擁有的超級計算機(jī)——“藍(lán)色基因”的構(gòu)思基礎(chǔ)上，企圖應(yīng)用超級計算機(jī)的高速度，來虛擬人類大腦的多種功能，比如認(rèn)知、感覺、記憶等等。而基本思路是：既然要探索人腦活動的原理，就可以先從模擬人腦開始，用電腦“復(fù)制”人腦所有的活動，以及在其內(nèi)部發(fā)生的各種反應(yīng)。這個模型基于15年來的各種實(shí)驗數(shù)據(jù)－神經(jīng)形態(tài)學(xué)，基因表達(dá)，離子通道，突觸聯(lián)接，以及很多老鼠的電生理記錄。為分析處理這些信息以及自動重建生理學(xué)正確的神經(jīng)元及相應(yīng)聯(lián)接的3-D模型也編制了很多相關(guān)的軟件工具。藍(lán)腦計劃-科學(xué)模型藍(lán)腦計算機(jī)的核心設(shè)備占據(jù)的空間其實(shí)很小，體積大概只有4臺冰箱那么大，含有8096塊處理器，每塊處理器可以模擬1~10個神經(jīng)元。整套系統(tǒng)大約可以模擬1億個簡單神經(jīng)元，相當(dāng)于老鼠大腦中所包含神經(jīng)元數(shù)量的一半。IBM表示，這臺BlueBrain僅僅是原型產(chǎn)品，以后產(chǎn)品化的BlueBrain售價將達(dá)到上億美元。更新的BlueGene將可以模擬10億個簡單神經(jīng)元。隨著計算機(jī)運(yùn)算速度的提高和內(nèi)存容量的增加，模擬整個人腦的工作將可能在10年之內(nèi)完成。藍(lán)腦計劃-研究過程“藍(lán)腦”計劃的主要研究對象集中在人類思考和記憶方面，通過對大腦運(yùn)行過程的精確模擬，科學(xué)家還可以揭開隱藏在精神失常背后的秘密。絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，人類思維和記憶的失常和混亂源于大腦回路中的功能損害。另外，帕金森綜合征也是藍(lán)色大腦計劃的主要目標(biāo)之一，在人類大腦的中層存在一種可以生產(chǎn)“多巴胺”的細(xì)胞，當(dāng)這些細(xì)胞開始死亡的時候，多巴胺的產(chǎn)生數(shù)量就會急劇下降，而帕金森綜合征也就隨之出現(xiàn)了。這項計劃有一種“上萬神經(jīng)元(每一個都不同)的軟件模型，它能讓研究人員通過數(shù)碼技術(shù)搭建一個人工皮層單元。雖然每個神經(jīng)元都是獨(dú)一無二的，但是，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同大腦的線路有著共同的模式。雖然大腦有大有小，可能有不同形態(tài)的神經(jīng)元，但是分享著相同的結(jié)構(gòu)。這就是物種的特別之處，這可以解釋人類為什么不能跨物種交流。為了制作一個真實(shí)的模型，研究組需要把各種模塊和一些運(yùn)算法則輸入一臺超級電腦中。一個神經(jīng)元的計算量需要用一臺筆記本來做，所以，需要上萬臺筆記本。但是，研究使用的是一臺有1萬個處理器的IBM“藍(lán)色基因”電腦。模擬大腦已經(jīng)開始讓研究人員了解到大腦工作方式的一些線索。例如，他們能顯示出大腦的畫面并監(jiān)控機(jī)器的電活性。表現(xiàn)和影射的目標(biāo)最終會實(shí)現(xiàn)，因此，研究人員可能會直接看到大腦感知世界的方式。隨著神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展，“藍(lán)腦”計劃還有著其他實(shí)際應(yīng)用。例如，通過把世界上所有的有關(guān)動物的神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)資料匯集在一起，研究人員可能會建造動物模式。藍(lán)腦計劃-應(yīng)用前景老鼠新大腦皮層單元對NCC的模擬將有助于理解記憶是如何存儲和提取的，揭示大腦中很多激動人心的秘密，例如記憶的形式、記憶的容量以及遺忘的原理。這項試驗還將幫助科學(xué)家搞清楚神經(jīng)組織的脆弱之處，進(jìn)而理解大腦功能紊亂的原理，以此來治療孤獨(dú)癥、精神分裂癥和抑郁癥等。此外，這項計劃如果成功，很多腦科學(xué)試驗可以通過計算機(jī)完成。一項腦科學(xué)試驗如果使用傳統(tǒng)方式進(jìn)行可能需要一整天，但如果使用計算機(jī)模擬的大腦也許只需要幾秒鐘就能完成。IBM還將這種計算技術(shù)用于生命科學(xué)研究，他們甚至認(rèn)為生物科學(xué)在已經(jīng)在一定程度上演化成了信息科學(xué)，BlueBrain技術(shù)的發(fā)展將會揭示生物體中的很多有趣現(xiàn)象，必須要有這樣足夠復(fù)雜的計算機(jī)系統(tǒng)才能模擬生物系統(tǒng)。IBM還認(rèn)為BlueBrain項目對其他工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域的帶動作用將會非常巨大。例如，模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為的ASIC設(shè)計方案將來可能會應(yīng)用于智能設(shè)備的信息處理。另外，從更一般的意義上說，BlueBain將推動實(shí)時數(shù)據(jù)處理的發(fā)展，而與實(shí)時數(shù)據(jù)處理對應(yīng)的是離線數(shù)據(jù)處理。而IBM研究院BlueBrain項目的負(fù)責(zé)人CharlesPeck認(rèn)為，模擬大腦的真正價值在于研究人員可以獲得每個神經(jīng)元的數(shù)據(jù)?！半m然科學(xué)家對大腦的很多細(xì)節(jié)已經(jīng)非常了解，但是他們?nèi)匀徊恢来竽X各個組成部分之間的結(jié)合方式，也不知道大腦如何思考、如何學(xué)習(xí)以及如何形成概念，”他說。其意在這項研究可以真正拉近電腦與人腦之間的距離。研究團(tuán)隊將對幾十個大腦神經(jīng)元進(jìn)行測試，這些神經(jīng)元取自老鼠的大腦并被固定在芯片上。研究工作的內(nèi)容包括檢測每個神經(jīng)元的物理結(jié)構(gòu)和電子特征，以及神經(jīng)元之間相互作用的方式。目前的這臺BlueGene超級計算機(jī)是2005年7月份安裝的，8月份運(yùn)行了首次模擬運(yùn)行，模擬了25000個簡單神經(jīng)元，運(yùn)行時間只花了60s。這種模擬以前是無法完成的，在普通的計算機(jī)集群中，哪怕模擬1000個神經(jīng)元也要花好幾個星期的時間，BlueGene在運(yùn)算規(guī)模和速度上都有巨大的進(jìn)步。該計劃如能成功，那么這個虛擬的大腦將為研究人類的認(rèn)知，如感覺、記憶甚至意識提供重要的提示，這可能將是人類首次觀察到并同時模擬到我們的大腦用以反映世界的電子代碼，還可能有助于理解當(dāng)大腦的“微電路”出故障時是如何引起孤獨(dú)癥、精神分裂癥和抑郁癥等精神上的紊亂的。2.4電影中的機(jī)器人自動化的需要推動了機(jī)器人的進(jìn)步，而機(jī)器人的發(fā)展也是為了提高自動化的水平。所以為了解決工業(yè)上自動化的需要，所以要在機(jī)器人的自主診斷學(xué)習(xí)和環(huán)境感知能力上做文章。但由于知識有限，能力有限。所以我只是結(jié)合電影設(shè)想一下未來可能的機(jī)器人。2.41《我機(jī)器人》中的索尼2,42《終結(jié)者》中的終結(jié)者三．課程體會這門課確實(shí)讓我見識到了很多新鮮的事物，對于仿生學(xué)有了更好的認(rèn)識。在見識到了仿生學(xué)在不同領(lǐng)域發(fā)揮的神奇功效之后，忽然就產(chǎn)生想更深入了解這門課的欲望和興趣。老師不僅僅帶給我們課程上知識，更是將其所經(jīng)歷與我們分享，讓我學(xué)會了應(yīng)當(dāng)如何做好一份研究報告，畢業(yè)論文答辯中需要注意的問題，如何規(guī)劃自己大學(xué)中的生活，確立自己的目標(biāo)等等?？偟膩碚f，經(jīng)過這六次課程，我