第23卷 第7期2007年 7月
自然辩证法研究St udies in Dialectics of Nat ure Vol.23,No.7 J uly ,2007・科学哲学・
文章编号:1000-8934(2007)07-0009-05论布鲁克斯的无表征智能理论 李 建 会
(北京师范大学 哲学与社会学学院 价值与文化研究中心，北京 100875)
波特率发生器>防火拉链
摘要：无表征智能是美国著名机器人制造专家罗德尼・布鲁克斯(Rodney Brooks )提出的一种智能理论。布鲁克斯认为，传统人工智能在建造机器人时，采取的是“感觉-建模-计划-行动”框架，这种框架在表征问题上遇到了巨大的困难。实际上，机器人的行动方式完全不必如此复杂，只需要两个步骤就可以：即感觉，然后行动。我们在建造机器人时，完全可以放弃表征范式所要求的那些复杂的计划、映射和认知等表征内容，而采取基于行为的包容结构。在包容理论指导下，布鲁克斯制造了“艾伦”、“赫伯特”、“成吉斯”、“考格”等机器人。布鲁克斯的理论取得了一定的成功，但也遇到一些新的困难。 关键词：人工智能；无表征智能；布鲁克斯；机器人制造中图分类号:N031 文献标志码:A
收稿日期:2007-04-04
基金项目：教育部哲学社会科学研究重大课题攻关项目“当代科学哲学的发展趋势研究”
(04J ZD0004)作者简介：李建会(1964-)，河南南阳人，哲学博士，北京师范大学哲学与社会学学院教授，主要研究方向：生物学哲学和
人工智能哲学。
罗德尼・布鲁克斯(Rodney Brooks )是美国麻
省理工学院著名的人工智能和机器人专家，他提出的无表征智能思想在人工智能和机器人制造领域产生了广泛的影响。本文拟对该理论产生的背景及其主要的理论和实践内容作一简要的探讨。
1 传统人工智能理论遇到的困难
智能的本质是什么?机器可以具有智能吗?1950年著名的计算机专家阿兰・图灵在《心灵》(Mind )杂志上发表了一篇划时代的论文:“计算机器和智能”。图灵的这篇文章引起了人们对机器智能的极大兴趣。人工智能就是在这篇文章的影响下产生的一门新学科。明斯基把人工智能定义为让机器作本需要人的智能才能够做到的事情的一门科学。计算机诞生初期，主要被用来帮助人们进行数值计算，在这方面，
计算机表现出卓越的能力。与此同时，人们也开始尝试用计算机进行下棋、翻译语言和定理证明等智能行为。在这方面，计算机也表现不凡。这说明，在专门领域内，计算机的运算能力远远超过了人类。在这样的背景下,20世纪70年代后人工智能的研究从理论转向应用，出现了专家系统和知识工程两大热点。
专家系统利用专门的知识库和专门的推理规则完成自己的工作。由于专家系统的知识都是由人事
先整理后输入计算机的，所以工作量非常巨大。这样，知识的获取就成为开发专家系统的瓶颈。在这种背景下，知识工程应运而生。知识工程就是在把人类知识整体与计算机结合的基础上，研究知识的结构、分类、预测、存取、获得、传输、转换、管理、利用、增殖、学习和表征等问题。
然而，到了20世纪80年代，人工智能及与其相关的机器人制造遇到了前所未有的困难。人们发现，用单纯程序的形式表达人类专家所具备的知识远比想象中的要困难得多。机器人制造的进展也没有像最初想象的那么迅速。1966年，明斯基和他的同事们认为，他们能够在一年内搞清楚视觉的工作机制，然而他们失败了。为了简化这个问题，他们转而试验在“微模块世界”中设计可以用模块搭建房屋或搭建塔楼的机器人。出乎明斯基的预料的是，这个“微模块世界”的研究同样不顺利。虽然任务看似很简单，但数以百计的程序使得系统变得越来越大。“与期望的相反，微世界研究方法没有导向对一般智
力问题的渐进解决。”
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面对这些困难，一些专家认为，这主要与计算机的能力有关。他们相信，随着功能更强大的计算机的出现，计算机的智能将达到和超过人类。据机器人研究者莫里维克(Hans Moravec )的说法，计算机要模拟人脑，普通个人计算机的功能至少必须提高100万倍以上。如果按当时计算机的发展速度，他
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认为，要填平计算机与人脑之间的鸿沟只需30到40年左右的时间。因此,“到2050年，基于计算机的每秒执行100万亿条指令的机器人‘大脑’将开始与人类竞争。”〔2〕124另外一些专家则认为，人工智能和机器人研究遇到的困难说明，传统人工智能和机器人研究的方法存在着根本的缺陷。要想使人工智能和机器人研究有新的发展，必须有全新的研究思路。布鲁克斯的理论就是在这样的背景下提出的。
2 无表征智能理论的兴起
传统的人工智能研究和机器人制造采取的是自上而下的研究方法，即研究者先确定一个复杂的高层认知任务，接着把这个任务分解为一系列子任务，然后构造实现这些任务的完整系统。这种研究事先要把相关知识存贮起来，所以又被称为“以知识为基础的研究”。随着计算机的速度、能力和各种硬件能力的增强，传统的人工智能在一些专门领域取得了一些成功，比如在下棋方面,“深蓝”已经能够战胜国
际象棋大师。但是“深蓝”下棋与人类下棋非常不同。人类象棋大师很多时候靠直觉移动棋子，而“深蓝”则依靠的是它快速计算的能力，从成千上万的可能走法中搜索并挑选出一种。因此，以知识为基础的人工智能系统的智能与动物和人类的智能的意义并不相同。人类的智能，甚至动物在对外界环境反应过程中表现出来的智能要比已有的机器人所表现的智能要灵活和自然的多。所以，很多机器人专家开始考虑应当向大自然中的生物学习，看自然界中的生物是如何出地完成机器人所无所适从的工作的。
威尔逊(S.W.Wilson)可以说是较早进入这个领域的研究者之一。早在20世纪80年代初期，他就认为传统人工智能已经走入误区。他认为，虽然在研究各种独立的人类智能方面，传统人工智能有一定的成就，但这种研究过于关注具体化的功能，不能从周围环境中学习或适应环境，而这些是哪怕最简单的生物都会具有的功能，但却被传统的人工智能学者忽视了。所以，威尔逊认为，我们应当向大自然学习。在大自然中，智能与生物体对生存的需求紧密相关。正是生存的动力不断界定自然界中的不同问题，从而使生物产生多样性。所以，威尔逊相信，只有从复制动物的智能开始，才能最终复制人的智能。因此，威尔逊在进行机器人研究时，把主要的目标定在制造能够躲避危险、寻食物、能用动物的方式应付环境的机器人。他说,“如果我们能够制造出这样一种机器，那么我们就慢慢接近了人脑的智能。”〔3〕11
布鲁克斯(Rodney Brooks)也是从20世纪80年代初期开始以全新的眼光来看待人工智能和机器人研究
的学者。布鲁克斯在研究过程中发现，传统的逻辑程序在机器人的导航方面显得非常缓慢和笨拙，所以他打算能到一种建造机器人的新方法。他说:“我知道解决这个问题的方法不只有一条。昆虫仅仅只有几十万个神经元，它的大脑的运算能力非常低，每秒的运算能力远不如机器人的电脑，但它能避开障碍物并即时返回。昆虫一定有什么好的方式来组织它的智力，所以它们就能如此灵活地避开障碍物。于是我开始考虑怎样重组机器人的运算方式，从而让它们能在现实世界中自由行走。”〔4〕13布鲁克斯认为，机器人学的传统的方法是先假设真实的世界是静止的世界，当我们把这个静止的世界中的所有问题都解决了，再回到动态世界中研究它。但布鲁克斯一开始就假设世界是动态的，他认为，这样就可避免陷入无止境的运算中。布鲁克斯的目标是制造能够处理变化多端的日常事务的移动式机器人。所以，他一开始关注的就是机器人的行为，而不是它处理信息的能力。布鲁克斯指出，对外部世界进行完全表征的内部模型，即传统的人工智能模型，一方面很难建立起来，另一方面对机器人的行为并不必要。
基于这样的认识，布鲁克斯认为，新的研究应当强调以下几个方面〔5〕:
现场化。机器人被放置在现实世界中，它们不处理抽象的描述，而是直接对其所处的外部世界作出反应。
实体化。机器人具有身体，用身体直接感受动态的外部世界。
智能化。这些机器人看上去应当表现出智能，但是智能并不只是来自它的计算引擎，而且也来自环境世界的情景、感应器内的信号转换以及机器人和环境的相互作用的情况。
突现性。机器人与其环境之间动态的相互作用以及机器人各部分之间的动态的相互作用可以突现出令人惊异的结构和功能。智能就是突现出来的一种结果。
oled灯20世纪80年代中后期兴起的这种新的人工智能研究思路，有人把它称为“自主Agent研究”，也有人称之为“基于行为的A I”或“自下而上的A I”，以区别于经典的“基于知识的A I”，或“自上而下的A I”。也是在这时，兰顿(Chris Langdon)发起了首届人工生命的国际研讨会，宣布一门新的学科：人工
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自然辩证法研究 第23卷 第7期
生命学科的诞生〔6〕。兰顿认为，人工生命的最终目标是建立具有智能的人工生命。但人工生命不是直接走向智能，而是先从研究低层生命开始。基于行为的人工智能研究与人工生命融合在一起，成为人工生命的一个重要组成部分。
3 无表征智能的理论内容
由于传统人工智能集中在“推理”上，所以，在建造机器人时，采取的是“感觉-建模-计划-行动”(sense-model-plan-act)框架。早期的机器人都被放置在简单的人工世界中，它们感觉这个世界，然后思考它，努力建立关于这个世界的二维或三维的模型。接着，它们根据这些模型做出计划，并通过这种计划使机器人产生获得特定目标的行为。
但布鲁克斯认为，机器人从感觉到行动完全不必如此复杂，只需要两个步骤就可以：即感觉，然后行动。机器人感觉到某种东西，然后对这种感觉做出反应，完全没有必要有“构建模型”和“做出计划”两步。如何把这种思想变为现实呢?布鲁克斯把机器人的不同行为看作是紧密交织在一起的类似模块化的东西。机器人在给定时刻根据它的感官接受的信息的不同，选择适当的行为。本质上，机器人的行为类似一个巨大的有限状态自动机。关于机器人的环境和当前状态的信息将根据规则得到处理，这些规则并行地运行，而机器人的行为则从这些运行可能导致的一系列持续的活动中突现出来。
布鲁克斯认为，运用这些新的观念，新的机器人可以放弃传统人工智能范式所要求的那些复杂的计划、映射(mapping)和认知等内容。新的机器人具有许多在适当时候能够触发其行为的模块层。模块层的最顶端的行为模块可能是“探索”(explore)模块；靠它下面的是“行走”模块；接着可能是一组更低层次的由腿部感官输入决定的行为。与传统的自上而下的运作不同，布鲁克斯的机器人从最低层开始向上活动。最低层的行为将决定机器人如何处理与外部世界的即时作用。机器人可能首先检查它前面的空间，如果前面没有障碍物，机器人的轮子或腿向前转动或移动，因此使它向前运动。接着它会进一步
检查前面有没有障碍物，进一步移动机器人，直到遇到障碍物为止。这时，新的行为规则被触发，使机器人的轮子或腿停止前行，转而左行或右行，避开障碍物。
由于这些过程允许一种行为包容控制另外一种行为，比如，利用低层次的行为让机器人应付外部世界，利用高层行为让机器人寻求目标，因此，布鲁克斯把他的理论框架称之为“包容结构”。包容结构与传统人工智能的中心控制模式完全不同，具有如下几个特点:①没有关于外部世界的中心模型的位置;
②机器人的知觉、中心处理和制动系统紧密联系在一起;③通过在已有的网络中增加新的更多的行为网络，可以增强系统的能力;④层次与层次之间没有高低之分;⑤各种行为并行起作用。布鲁克斯认为，这种包容结构可以避免传统人工智能研究框架的认知瓶颈，并且可以利用它建造能够突现出复杂结构的行为。他相信，利用这种包容结构，就不会有任何障碍阻止我们建造越来越聪明的机器人，包括人类水平的智力。
4 无表征智能理论的实践
布鲁克斯以及他的实验室的研究人员利用这种包容结构设计了多个机器人，其中最早的是艾伦(Allen)。不过，艾伦最初的成功却主要是通过计算机模拟而不是通过实际的机器人制造。艾伦共有三个行为层。第一层用于避开障碍物，第二层用于随机游动，第三层用于朝远距离移动。
利用布鲁克斯的包容结构制造的第二个机器人叫做赫伯特(Herbert)。赫伯特装配有30个帮助它躲避障碍物的红外线感应器。它依靠一个以激光为基础的视觉系统辨别物体。它还有一只用于抓东西的机械手。赫伯特可以根据它从感应器获得的信息在实验室中走动，可以沿着墙走，可以躲避障碍物，也可以从地上捡起苏打罐。
最能体现布鲁克斯机器人制造思想的是“成吉斯”(Genghis)。成吉斯是布鲁克斯实验室研究人员制造的一个类似蟑螂一样的六条腿“机器人”。它的身体是装有计算机芯片的金属底盘；它的腿是带有橡胶套的金属棒；它的头上有一排六个像灯一样的感应器。虽然成吉斯的六条腿可以协调一致向前走动，但它的每条腿都是独立控制的。每条腿都被赋予几种简单的行为规则，以便在不同情况下它们知道应当怎样移动。要想使成吉斯向前走动，只需要使它的腿有序地摆动即可〔7〕。在基本的行走行为被创造出来以后，布鲁克斯等人又开始为成吉斯添加更多的感应器和行为层。其中一些感应器监控成吉斯晃动时身体倾斜的角度，其他一些感应器跟踪腿在摆动中的力度的大小。成吉斯利用从这些感应器得来的信息，又产生出一些新的行为。在添加新的行为时，研究者并没有对原来的行为做什么修改。新的行为只是在条件需要的时候覆盖在基本的行为上。这些高层的行为在不需要的时候将不起作用。
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铝空气电池 论布鲁克斯的无表征智能理论
成吉斯的这种包容结构使它的能力大大增强。成吉斯不仅可以在平坦的地面上行走，而且可以在高低不平的地面上行走，甚至可以在斜坡上行走。在这个过程中，没有人“告诉”成吉斯在遇到像斜坡、电话号码本等特殊情况时，应当怎样移动，但它在遇到这些情况时可以很好到解决问题的方法。成吉斯的这些看似有智能的活动，实际上是从各种没有智能的活动中突现出来的。所以，成吉斯的行为鲜明地体现了布鲁克斯的一个重要设计思想：复杂的智能行为是从简单的规则中“突现”出来的。
布鲁克斯是在对传统人工智能的研究的批评中提出他的新见解的，所以，尽管他在机器昆虫(他也把它叫做robot)的研究方面取得了令人瞩目的成就，但他也遭到一些坚持传统研究方法的人工智能学者的反对。这些人论辩说，布鲁克斯所做的工作只不过是表明，模拟低等生物的智能是容易的，但这种模拟与人的智能是不相关的。布鲁克斯及其追随者给自己设定了较低的标准，因此，他们取得一些没有令人失望的结果并不令人惊异。面对这种挑战，布鲁克斯开始思考运用他的方法制造类人机器人。他的研究项目“考格”(Cog)就是迎接这种挑战的尝试〔8〕。
与布鲁克斯及其研究生们制造的机器昆虫类似，考格的智能也是在直接与外部世界相互作用中表现出它的智能的。所不同的是，考格是具有类似人的外表的机器人。布鲁克斯认为，制造具有类人外表的机器人的原因有两个。首先，我们的身体形态对表达我们的内在思想和我们的语言是至关重要的。其次，制造具有人的外观的机器人，人们就可以更自然地以人的方式与这样的机器人相互作用。如果机器人具有人的外观，那么，人与它的相互作用就会更容易和更自然。从这种相互作用中，我们可以得
到很多人与机器人动态相互作用的事例。
迄今为止，考格装配有躯干、胳膊、脖子以及装配有眼睛和耳朵的头部。躯干被放在一个能让它尽可能转动的座架上。身体的大部分装有给胳膊以动力的齿轮和随动系统。身体和胳膊用橡胶皮肤覆盖着。橡胶皮肤上装有感应器，这样可以让考格知道它的身体在干什么。考格的脖子可以转动，这可以使它看到它所感兴趣的东西。它的两个眼睛可以协调地移动，也可以伸缩和变焦。它的头部运用了一种与人类相似的可以自动地使头部保持平衡的前庭系统。考格也有一个大脑，但与传统的人工智能研究者运用的单一的序列处理器不同，考格运用多个并行的处理器，以使考格的大脑更自然一些。人的大脑工作起来就类似一个并行计算机，因为它在同一时间能够处理很多不同感官的信息。考格大脑的并行处理器将帮助它协调各个独立的组成部分的活动。考格不同的感觉系统也要求有自己不同的处理系统。考格的认知系统是从感觉开始的。布鲁克斯说,“我们从这种感觉水平开始建造类人机器人，所有的智能将建立在对感觉信息或从感觉中衍生出来的信息的计算的基础上。”〔9〕4
5 无表征理论存在的问题
考格的研究仍在进行，它还没有腿，不能自由移动。也许是意识到复制人的智能的困难，布鲁克斯说，他并不打算让考格具有成人水平的智能，考格要是能够达到类似两岁儿童的智能，就可以了。布鲁克斯是不是又降低了自己的标准了呢?
持中心控制范式的一些人工智能建造者希望看到布鲁克斯的失败，因为这可以说明布鲁克斯的研究方法存在根本的缺陷。布鲁克斯所在的人工智能实验室的开创者明斯基就曾指出，布鲁克斯拒绝让他的机器人结合传统的人工智能程序的控制能力来处理诸如时间或物理实体这样的抽象范畴，这无疑使他的机器人毫无实用价值。明斯基说:“为什么要费尽心思制造一个能从这里走到那里的机器人呢?如果它能走到目的地，它能区别出一张桌子与一杯咖啡有什么不同吗?”〔10〕19-20也有人认为，布鲁克斯的研究太琐碎。“倒退到20世纪50年代，反射性行为能帮助机器人避免撞到墙上，但我们现在需要的是高层次的智能，是使机器人在遇到十字路口时能做出向左转或向右转决定的智能。”〔11〕20
布鲁克斯本人则认为，只有时间可以告诉人们哪种方法是正确的。他说,“我是正确的还是错误的将是一个经验问题。”〔12〕167如果未来布鲁克斯进一步取得成功，那么就从经验上证明布鲁克斯方法的可行；反之如果布鲁克斯失败了，那么就从经验上说明布鲁克斯的方法存在缺陷。所以，做出最终判断，我们还须等待。但从目前来看，布鲁克斯在机器人研究上取得了许多令人瞩目的成就。现在他是M IT人工智能实验室的主任，而不仅仅是“移动机器人实验室”的主任，这从一个方面反映了人工生命视野下的人工智能研究已经成为人工智能的主流学派之一。
参考文献
〔1〕Crevier Daniel.AI:The Tumultuous H istory of the Search for Artificial Intelligence[M].New Y ork:Basic Books,1993.
〔2〕Moravec Hans.Rise of Robot s[J].Scientif ic American,
21
自然辩证法研究 第23卷 第7期
Dec.1999.124-135.
〔3〕〔4〕〔10〕〔11〕弗里德曼.制脑者：创造堪与人脑匹敌的智能[M].张陌等译.北京：三联书店,2001.
〔5〕Brooks Rodney.Intelligence without R eason[M].MIT AI Memo no.1293.1991.
〔6〕Langton C G.Artif icial Life[A].Chris Langton,ed.SFI Studies in the Sciences of Complexity[C].Proc.Vol.VI.
1989.Redwood City,CA:Addison-Wesley,1989.Re2 printed in Boden(1996).〔7〕Levy Steven.Artif icial Life:A R eport from the F rontier Where Computers Meet Biology[M].New Y ork:Vintage Books,1992.
〔8〕The Cog Shop Website[EB]:www.ai.mit.edu/pro2 ject s/cog.
〔9〕Brooks Rodney,Stein Lynn Andrea.Building B rains for Bodies[M].MIT AI Memo no.1439,1993.
〔12〕Ward Mark.Virtu al Organism:The Startling Word of Arti2
f icial Life[M].New Y ork:Thomas Dunne Books,1999.
On Rodney B rooks’Theory of Intelligence without R epresentation
L I Jian2hui
(College of Philosophy and Sociology,Beijing Normal University,Beijing100875,China)
Abstract:Intelligence wit hout representation is a t heory of intelligence proposed by American robot maker Rodney Brooks.Brooks holds mak2 ers of traditional artificial intelligence use scheme of sense-model-plan-action as t heir t heoretical base.But t his scheme has enormous diffi2 culties because of representation.Brooks believes t hat t he mode of robot action is not necessarily too complex.It’s only needs two steps for it s action:sense and act.We can completely abandon t hose complex content s of planning,mapping and cognizing which are demanded by represen2 tational paradigm,and take behavior-based subsumption architecture as a new robot building model.Directing by t his t heory,Brooks built ro2 bot s such as Alan,Herbert,Genghis,and Cog,etc..Br
塑料槽板
ooks gains many successes,but he also meet s some difficulties.
K ey w ords:artificial intelligence;intelligence wit hout representation;Rodney Brooks;robot building
(本文责任编辑 费多益)
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产业的发生发展有一个从低级向高级，由简单向复杂的演进过程。今天，科学技术、知识在当代产业实践和产业发展中发挥着越来越大的作用，以致称之为“以知识为基础的经济”的时代。这表明人离开狭义的自然越来越远，对于社会自然从而广义自然的生成越来越重要。正是借助和依赖科学技术、知识，人们才可能更深入地更积极地认识、利用和改造自然，从而在人与自然的关系中获得更多的更大的自由。换言之，人们的社会实践和社会生活，越来越倚重知本而不是物本。逐渐地远离物本，不断地深入知本，人在人与自然的关系中获得越来越大的自由，并由于赛博空间、虚拟实践的出现而进一步得到扩展并在继续地扩展之中。人们社会实践结果的对象化，由直接的物化向包含更多的文化的方向发展。
在知识生产、生活资料的生产方式都已发生了而且正在继续发生着革命性变化的当代，尽管物质生活资料的生产仍然是最根本的，然而，服务生活资料生产、精神生活资料生产已经变得并且将继续变得邮购盒
越来越重要。服务业已成为了当代发达社会的最主要产业，文化产业、创意产业、咨询产业、知识产业等非物质产业的兴起，都在加强着这种趋势。而当代产业的科学技术含量、知识含量越来越高，从而人们获得了越来越大的进行“建构”的自由。这从一个侧面体现了人们从“必然王国”向“自由王国”的进步。因此，产业的发展，产业的升级，其本质上是使得人在世界中获得更大的解放和自由。如果说,“工业化”使我们获得了关于“物化”的自由，那么,“知识化/信息化”则推动着我们获得关于“文化”的自由。
值得指出的是，在产业实践基础上生成的自然界，是属人的自然界。尽管这是人和自然、社会协调发展的必然之路，却又是一个充满冲突和对抗、充满着不确定性和风险的曲折过程，其间生产力的关怀和生产关系的关怀、经济的关怀和伦理的关怀、眼前的关怀和长远的关怀、现实的关怀和憧憬的关怀都是同样需要的。因此，给予产业实践以更多的哲学上的关注和研究也是应该的和必要的。
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