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爱犯错的智能体 – 体感篇：我思故我在？

已有 10334 次阅读 2018-11-1 07:32 |系统分类:科普集锦| 人工智能, 虚拟现实, 认知心理, 计算机视觉

我思故我在？这是笛卡尔的一句很有名的哲学命题，意思是我思考了，我便证明了我的存在，证明了我躯体的存在。可是，我们是如何确定我的躯体是我自己的，而不是别人的呢？我们有没有可能将其他物体如桌子、椅子、甚至虚拟的物品认为是自己身体的一部分呢？

一、肢体与智能的发育

人类对外部世界尤其是远距离的感知主要通过视觉、听觉来完成，而执行任务则无法仅通过这些感知系统或只靠思考就能实现，虽然人类一直期待能理解和掌握《星球大战》中尤达大师的原力(The Force)。记得小朋友小时候曾在外面玩过一款基于脑电波来控制“迷你足球”射门的对抗游戏。当她戴上测脑电波的头盔，手握好金属棒，便开始集中注意力思考，最终轻松战胜了一位比她高半个头的小男孩。后问其经验，告知：“无他，手用力抓紧金属棒即可”。虽然近年来在原力的探测上已经有了很长足的进步，如日本的科研机构一直在研究脑电波控制轮椅。但现有的脑电波检测设备、甚至那些可侵入大脑的检测设备都还无法真正对大脑的思维模式形成全方位的了解，离真正的实用化还有相当的距离。

古人和其他智能体就更不能理解原力了。在无法直接利用原力的情况下，肢体自然就成了执行智能体任务的首选。而直立行走，又让人类向高级智能体迈出了重要一步。尤其在学会农耕种植、有策略的捕食猎物后，负责解决生存压力的肢体便被解放出来，多余的时间可以用来聊八卦、发展语言[1]、玩音乐、跳广场舞；而筷子的使用可能会让国人在移动增强智能体的路上走得更快。因为当西方人还在一手拿刀一手拿叉吃饭的时候，国人已经可以边吃饭、边拿手机做各种拓展知识的训练了，如玩手游、吃鸡。所以，肢体也是智能发育的一个关键因素。然而，肢体的作用并非一出生就从人类这个智能体上显现了。

在最初出生的阶段，人类的肢体几乎毫无作用。相比小鹿出生就能行走来说，新生儿最多能挥挥肉肉的小手、蹬几下腿，理应是食物链上最弱势、最易被淘汰的。但偏偏人类不太需要在生存上考虑太多，因为父母的保护已经足够了。如果观察新生儿的发育，就能发现多数新生儿的肢体要到“七坐八爬”这个阶段才开始施展逐渐其能力。到一岁左右的时间，新生儿才懂得直立行走。

可是，从智能体的角度来看，肢体发育的严重滞后性也许并不是劣势，反而在帮助人形成由粗到细的发育结构中，起了关键作用。因为有了肢体发育的滞后以及视觉由粗到细的发育，新生儿才能相对方便和快速地对各种目标建立大概的视觉印象。

在此基础上，新生儿的肢体才开始对目标有了接触。在原有的粗糙印象上，建立了目标的三维结构，了解目标的旋转不变性，学习了目标离自身的远近感。再学会精准地抓取物品，通过触觉感受物体的精细纹理。继而学会了对物体的自动分类，以及目标之间的相互匹配和关联。再长大一点，就到了可以写作业的年龄了。

肢体尤其是上肢帮助人类衍生了太多生存以外的功能，玩乐器和各种依赖器械的体育运动。它也促进了交流和理解，帮助表达人类的情绪。网络随便查查，便可发现不少分析人类动作和微动作的文献。它还让人对形体有了审美方面的意识。如男性照镜子时总觉得自己像肌肉男，女性则总觉得自己太胖了。在某种程度上，这可以看成是性别差异形成的身材错觉。

肢体发育成熟后，甚至能够脱离视觉和听觉的影响，依然可以独立完成多种任务，比如在黎明来临前闭着眼准确地把床台柜上提醒上班的闹钟关掉再继续睡。这说明肢体已经具备了类似全球定位系统(GPS)般的精确定位能力。

如果不信，大家不妨试试闭上眼睛，将一只手放在额头上，另一只手的食指碰到鼻子，再把食指碰到另一只手的小指。相信大家都能完成。这个过程没有借助视觉，是大脑通过神经对肢体运动的精确预测和控制来完成的。学术上称其为本体感觉(Proprioception)，是身体运动器官如肌肉、股腱、关节等在不同状态（运动或静止）时产生的感觉。

看似轻而易举的运动功能，他的获得其实经历了一段长的学习过程，从视听觉、触觉的感知到不借助这些感知器的本体感觉，再通过对躯体各种运动模式的反复学习，烙印在大脑皮质运动功能区，最终固化。现在我们能研究的智能机器人，多依赖于视觉、红外、超声等传感设备，如果关闭这些，他还能像人类一样只依赖本体感觉来正常抓取物体吗？这应该是值得研究的问题。

我们也很难想象，没有肢体的发育，智能体能发育到怎样的程度。所以，有科学家认为，肢体是智能发育的必要组成部分。如果只研究大脑，不分析肢体的作用，不帮助肢体学习运动功能，可能无法完全理解智能。比如Michigan大学的翁巨扬教授研究的自主发育(Autonomous Mental Development) [2]，就将肢体发育看成是智能体自主发育的重要环节之一。

可是，肢体是如何被认同为自己的，而不是别人的呢？这涉及到肢体认知上存在的一些错觉。

二、幻肢和出体错觉

自已的肢体之所以被认同为自已的，而非他人的，是一系列感知系统的协同作用获得的，包括视觉、听觉和本体感觉等。但如果在这些联动环节上出了问题，就有可能产生肢体错觉。它包括生理缺失引起的、本体感觉引起的和人为诱导的三种错觉。

生理缺失的错觉，称为幻肢错觉(Phantom Limb)，常发生在截肢后的患者身上。患者会感觉被切断的肢体仍然存在，且在该处尤其是离截肢位较远的远端会非常疼痛。根据临床报告，有50%以上的截肢病人术后有幻肢痛的经历。痛感的感受有多种，有电脉冲式的电击痛感，也有切割痛感、撕裂或烧伤痛感。截至目前，对幻肢痛的发生原理，有两种相对合理猜测。一是认为截肢后会出现大脑皮质功能重组(cortical reorganization)，一是认为体表某些区域如双侧面部、颈部、上胸部和上背部存在诱发幻肢痛的触发区(Trigger Zone)。但总体来看，仍无统一的意见，也没有有效的办法来治疗幻肢痛。

本体感觉引起的错觉，则是由于协调机制出了问题导致的。其中最著名的错觉是亚里斯多德错觉(Aristotle Illusion)。如果将两个相邻的手指，如中指和食指，交叉后去摸自己的鼻子或者物品如一颗豌豆。有些人会感觉有两个鼻子或两颗豌豆。原因是大脑从没有考虑过相邻手指可以交叉后摸物品，因此仍会像平时一样，将手指外侧传感来的信号单独处理，导致知觉分离，产生两个物体的错觉。

还有一种错觉与多传感器集成(Multisensory Integration)的不一致有关，它涉及到人是如何认知自己的躯体是自身的。瑞典Karolinska研究所的Henrik Ehrsson教授及其研究小组对“人是如何将肢体视为身体的一部分、为什么我们会感觉自我在躯体内”这一问题进行了长期的研究[3-10]。他认为人对自身的认知是多传感器集成，既视觉、触觉和这些感觉以外的体感系统(本体感觉)共同感知的结果。因此，如果将这几种感知方式剥离开来，也许就能让人产生身体的错觉。为验证其理论，他尝试做了一系列的试验。

他首先发现的现象是基于橡皮手错觉的，如图1。首先，实验员移动每个参加者的左食指，使其触摸到右边橡皮手食指的关节，同时，实验员触摸参加者右手的食指。实验中需保证触摸这两只手的动作要尽可能同步。当两只手触摸物体的频率在1赫兹时，过了10秒左右后，人就能产生橡皮手是自已的错觉。实验员也发现异步触摸或非一致性模型（如使用毛笔而不是橡皮手的物品），则错觉不容易出现。

图1：橡皮手错觉[4]

而后，他做了进一步的实验。他给测试者戴上一个有显示器的护目镜，并在测试者的身上放置一个摄像头，让测试者视觉上看到的是身后摄像头拍摄的情形。然后他左右手各拿一个小棍，左手的棍子可以触到测试者身上，右手则是对着摄像头虚空挥舞，如图2。

图2：出体错觉实验的设置[5]

在训练一段时间后，Ehrsson教授拿着锤子对于摄像头挥过去，结果测试者产生了身体错觉，有明显的向后仰的情况。这说明，测试者把摄像头“看到”的当成了“自我”。他将这个现象称为出体错觉(Out-of-body Illusion)。除此以外，他又做了一组实验，在一个虚拟人的头上安装了一个向自己身体下方看的摄像头，对测试者也同等处理。结果发现，如果对虚拟人的腹部进行锤击时，测试者也会误以为是对自己的身体在锤击。他推测这是由于第一视角导致的“自我”的互换。同时，当测试者产生“身体交换错觉”时，他们也观测到测试者参与动作的视觉引导位置、腹外侧运动前皮层(ventral premotor cortex)会变得很活跃。这种“自我”的互换甚至在不同尺度的情况下也能实现。比如，让测试者平躺着，戴着护目镜，然后在摄像头前放一个人形的玩偶，但尺寸只有约30厘米长。重复这一过程后，如触摸玩偶的手、用很小的积木去撞玩偶的脚，都让测试者误以为是在自已身上的操作。但是，他也发现如果用桌子、椅子来替代时，则不会有这种自我的反应。

基于以上实验和观察，Ehrsson教授认为要想让人产生完全“自我”的身体错觉，需要四个基本要素，第一视角、拟人的身体、看和感觉刺激的同步以及看和感觉刺激的空间一致性。满足这四个条件，我思，很有可能看到的就不是真正的自我了。那这些错觉对智能体的研究有何可借鉴的地方呢？

三、虚拟现实、外骨骼与身材

不妨看看当下的两项人工智能相关新技术，一项是大家熟知的虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)及其推广技术。如将真实世界与虚拟世界无缝集成，将计算机生成的场景、信息叠加到现实世界中，就是增强现实 (Augmented Reality，简称AR)，如谷歌眼镜。如果在虚拟环境引入现实场景，在虚拟、现实世界与用户之间形成交互的反馈回路，则为混合现实(Mixed Reality，简称MR) 。不管是VR, AR还是MR，都希望提高用户的沉浸感和体验环境的真实性。有些还会在戴上虚拟现实眼镜的同时，增加立体声音刺激。在商场中能见到的、与虚拟现实相关的娱乐设备，还会增加辅助设备如旋转椅或可接触身体的机械传动装置如背部的触摸杆，来让人有更真实的体验。

而这些技术，很少有考虑过如何将“自我”错觉有效地融入VR, AR或MR中。但从上小节的内容不难看出，“自我”错觉能帮助获得更好的、身临其境般的体验感。在理想情况下，甚至有可能实现像史蒂文·斯皮尔伯格拍摄的电影《头号玩家》的情景：在虚拟的世界中你能真正感觉到“自我”的存在和意义。虽然每个人在这个世界中只是个动画人物，但如果该人物的躯体和自身的躯体在“多传感器集成”意义下，变得不可区分时，那人类在未来虚拟世界的生活时间就很可能会等同甚至超越真实世界了。

图3：头号玩家与钢铁侠

其次，“自我”也能增强外骨髂的应用。汽车驾驶员都知道，要让驾驶水平达到人车一体的感觉，拿到驾照只是开始，至少开过二三千公里后才会有“人车一体”的感觉。而未来人类如果希望获得行动能力和人力不可及能力的提升，装备外骨骼可能是一种最直接有效的办法。而如果希望更快速地让人习惯和使用外骨髂、形成人与外骨骼一体化的体感，“自我”错觉的界入显然是有帮助的。有些实验者，可以通过控制让测试者错误以为自己有 “第三只手”。另一个极端的例子是针对截肢患者的肢体接入。如果将“自我”错觉引入，则会让患者认同自己的假肢，从而可能避免幻肢痛的困扰。不过从Ehrsson教授报道的实验结果来看，目前“自我”错觉的持续时间还不长，还难以实现长时间的“自我”认同[8]。因此，要利用“自我”错觉来治疗幻肢症还有很大待完善的空间。但可以肯定的是，充分利用好“自我”认知的错觉，将会有利于我们更灵活地使用如“钢铁侠”般的外骨髂装备。

另外，“自我”认知的错觉还能影响人对身材的满意程度，减少与满意程度相关的疾病，如厌食症。最新的研究表明，人视觉上感知的身材满意程度与触觉获得的是不同的。因此，未来也许可以考虑利用多传感器集成的方法来减少人对身材不满意的错觉，从而减少相关疾病的发生[10]。

说不定在若干年后，当电池续航时间、通信效率、载重问题得到有效解决后，我思，真不一定只是故我在了，也许还有虚无缥缈的我在，也许还有三头六臂的我在，也许还有其他千奇百怪的我在了。

如果把视觉错觉、听觉错觉、躯体错觉都看成是身体传感方面的错觉，那有没有更抽象、更高一级的错觉呢？下回书表！

参考文献：

1、尤瓦尔·赫拉利. 人类简史. 中信出版社，2014.

2、Weng J., McClelland J., Pentland A., Sporns O., Stockman I., Sur M., Thelen E. Autonomous mental development by robots and animals. Science 291 (5504): 599-600, 2001.

3. Ehrsson, H. H., Spence, C. and Passingham, R. E. ‘That's my hand!’ Activity in the premotor cortex reflects feeling of ownership of a limb. Science, 305(5685): 875-877, 2004

4. Ehrsson H. H., Holmes N. P., Passingham R. E. Touching a rubber hand: feeling of body ownership is associated with activity in multisensory brain areas. Journal of Neuroscience, 25(45): 10564-10573, 2005.

5. Ehrsson, H. H. The experimental induction of out-of-body experiences. Science, 317(5841): 1048, 2007

6. Ehrsson H. H., Rosén B., Stockselius A., Ragnö C., Köhler P., Undborg G. Upper limb amputees can be induced to experience a rubber hand as their own. Brain, 131:3443-3452, 2008.

7. Ehrsson H. H. How many arms make a pair? Perceptual illusion of having an additional limb. Perception, 38: 310-312, 2009.

8. Slater M., Perez-Marcos D., Ehrsson H. H., Sanchez-Vives M. V. Inducing illusory ownership of a virtual body. Frontiers in Neuroscience, 3:214-220, 2009.

9. Kilteni K, Andersson B. J., Houborg C, Ehrsson H. H. Motor imagery involves predicting the sensory consequences of the imagined movement. Nature Communications, 9(1):1617, 2018.

10. Preston C., Ehrsson H. H. Implicit and explicit changes in body satisfaction evoked by body size illusions: Implications for eating disorder vulnerability in women. PLoS One, 13(6): e0199426, 2018.

张军平

2018年11月1日