【創(chuàng)作培育計(jì)劃】“像嬰兒一樣思考”，Deep Mind最新研究讓AI有人一樣的直覺感知

人工智能會下棋，甚至打敗過世界圍棋冠軍，這已經(jīng)是老生常談。

別看AI這么厲害，它只是借助了深度學(xué)習(xí)的方式，通過無數(shù)次的訓(xùn)練，讓它能夠在面對實(shí)際問題時(shí)，從訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中計(jì)算尋得最優(yōu)解，這并不代表機(jī)器人能夠像人一樣進(jìn)行自主思考。

7月11日，Deep Mind公司最新的一項(xiàng)關(guān)于AI的文章有了突破性進(jìn)展，研究者運(yùn)用發(fā)展心理學(xué)領(lǐng)域的知識可以讓AI能像人類嬰兒一樣“學(xué)會思考”。而此前，最先進(jìn)的AI系統(tǒng)仍然難以捕捉到日常人類場景中的“常識性”知識，比如指導(dǎo)預(yù)測、推理和行動。

可以說，Deep Mind的這項(xiàng)研究，大大推進(jìn)了人工智能在直覺感知方面的發(fā)展。此后，人工智能真的更像“人”了。

撰文 | 徐詩露

早在機(jī)器人問世之時(shí)，就有許多人想象過：如果機(jī)器人能夠像人一樣思考，世界將會變成什么樣子？（相信你腦海中已經(jīng)浮現(xiàn)出相應(yīng)的電影場景了）
這個問題已經(jīng)塵封多年，但是近期的一項(xiàng)發(fā)表在《自然·人類行為》上的研究顯示，人工智能或許擁有了“像嬰兒一樣思考”的能力：能像嬰兒一樣理解直觀物理學(xué)。值得一提的是，這是知名人工智能公司Deep Mind科研人員發(fā)表的成果。
Luis Piloto和他的同事做了一個能學(xué)習(xí)直觀物理學(xué)的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，名為PLATO。PLATO包含的系統(tǒng)受到了嬰兒學(xué)習(xí)方法相關(guān)研究的啟發(fā)。并且，PLATO遵循認(rèn)為物體在我們周圍物理世界的表示和預(yù)測中扮演核心作用的理論。
具體來說，研究者通過給PLATO觀看許多描繪簡單場景的視頻來訓(xùn)練它，比如球落到地上，球滾到其他物體后面又再次出現(xiàn)，很多球之間彈來彈去。訓(xùn)練之后，PLATO在看到?jīng)]有意義的場景（如物體互相穿過卻沒有發(fā)生相互作用）時(shí)表現(xiàn)出了像人類嬰兒那樣“驚訝”。
令人驚訝的是，PLATO只觀看了28小時(shí)的視頻就獲得了以上學(xué)習(xí)效果。
我們不禁發(fā)問，直觀物理學(xué)是什么，嬰兒是如何理解它的？AI又是如何學(xué)到這一點(diǎn)的呢？

嬰兒眼里的直觀物理學(xué)是什么？
首先我們來明確一個概念，直觀物理學(xué)是什么？我們可以簡單地把它理解為“直覺”或者“常識”。
比如我們在桌子上方丟下一串鑰匙，所有人都知道，鑰匙不會漂浮在半空中，也不會穿過桌面掉到地上，而是會掉落在桌面上。
這就是“直觀物理學(xué)”，它是我們了解世界的基礎(chǔ)物理概念，也是思維中“常識”的關(guān)鍵組成部分。
在發(fā)展心理學(xué)領(lǐng)域中，直觀物理學(xué)被分為5個方面的概念：

1. 連續(xù)性：物體不會從一個地方傳送到另一個地方，而是在時(shí)間和空間中有一定的連續(xù)路徑；
2. 對象持久性：物體在看不見時(shí)不會消失；
3. 固體性：物體不會相互滲透；
4. 不變性：對象的屬性（如形狀）不會更改；
5. 定向慣性：物體運(yùn)動的路徑與慣性原理一致。
是不是每一個都很好理解？沒錯，這些都是我們?nèi)菀桌斫夂徒邮艿摹俺ＷR性”概念。
如果鑰匙的掉落過程違背了我們的常識，比如懸浮在了半空中、或者穿過了桌子、或者是從桌面上duang的一下彈起來老高，甚至是化成了液體，那么事情就會超出我們的預(yù)期，變得詭異起來。
面對這種怪異事件，每個人都會感到驚訝。即使是三個月大的嬰兒也是一樣，他們也會對這樣違背直觀物理學(xué)的現(xiàn)象表現(xiàn)出驚訝，這種驚訝反應(yīng)被稱為違反期望（VoE）效應(yīng)。
至于嬰兒對世界的認(rèn)識是否和成人一樣，這一點(diǎn)存在一個關(guān)于“先天”和“后天”的爭議，許多發(fā)展科學(xué)家認(rèn)為這是“先天”的，也有一些學(xué)者更支持從無到有的“后天”理論。
那我們能否設(shè)計(jì)一個模擬嬰兒思維的程序，通過適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，使AI能夠像嬰兒一樣思考呢？

如何把AI訓(xùn)練得像嬰兒一樣思考？
為了探究這個爭論不休的“先天”和“后天”問題，Piloto等人利用PLATO仿真系統(tǒng)，來測試深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)是否能夠通過學(xué)習(xí)視覺動畫，來獲得對直觀物理學(xué)的理解。
如果“后天”的理論是正確的，那么智力發(fā)展的關(guān)鍵就在于通過處理大量經(jīng)驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)來進(jìn)行鍛煉。

PLATO仿真系統(tǒng)由兩個模塊組成：前饋感知模塊（左）和循環(huán)動態(tài)預(yù)測器模塊（右）組成。前饋感知模塊中，通過編碼器將圖像轉(zhuǎn)換為一組對象代碼，通過解碼器模塊將對象代碼解碼成對象的圖像。利用重建和原始圖像之間的差異來訓(xùn)練編碼器和解碼器的參數(shù)。循環(huán)動態(tài)模塊中，動態(tài)模塊通過預(yù)先訓(xùn)練好的解碼器對下一時(shí)刻的對象狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

而這項(xiàng)研究使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)少到驚人，就讓AI擁有了穩(wěn)定的違反期望效應(yīng)。在面對超出5個直觀物理學(xué)概念的情況時(shí)，PLATO仿真系統(tǒng)會顯示出魯棒（即具有穩(wěn)定性）的VoE效應(yīng)。這可以解釋一些直觀物理學(xué)的概念，但是這種效應(yīng)與嬰兒身上看到的現(xiàn)象并不完全一致。
研究發(fā)現(xiàn)，雖然視覺動畫的經(jīng)驗(yàn)對智力發(fā)展有很重要的貢獻(xiàn)，但不足以解釋我們在嬰兒身上看到的現(xiàn)象。

也就是說，智力發(fā)展并非全部依靠于“后天”的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。要形成完整的智力，還需要一些先天的認(rèn)知，這項(xiàng)研究在“先天”派和“后天”派之間建立了一個有趣的中間立場。

當(dāng)視頻在直觀物理學(xué)上變得不可能時(shí)，AI表現(xiàn)出的驚訝會顯著增加。
此外，PLATO仿真系統(tǒng)可以將符合直觀物理學(xué)的期望，歸納為一組與訓(xùn)練中不相同的對象和事件。其次，盡管只是接受了相對較少的視覺動畫訓(xùn)練，這個仿真系統(tǒng)也能夠成功地演示學(xué)習(xí)，在針對嬰兒研究中也有相似的特征。
可以看到，將仿真建模的工作和發(fā)展心理學(xué)中的關(guān)鍵問題融合起來，研究人員得到了意想不到的效果和結(jié)論。
目前，研究團(tuán)隊(duì)正在將違反期望效應(yīng)的研究擴(kuò)展到神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域，這可能為后續(xù)的研究開辟新的可能性，也為AI的發(fā)展提供了更多的可能。
參考資料

1. Can a computer think like a baby? Nature News.
2. Intuitive physics learning in a deep-learning model inspired by developmental psychology. https://doi.org/10.1038/s41562-022-01394-8.
來源：返樸 科普中國-創(chuàng)作培育計(jì)劃