人+机器=人

1 “人+机器”能等于“人”吗？1 ——从健康状态角度谈 2049年机器智能的发展 刘金鑫2 （西安交通大学 机械工程学院，西安 710049） 摘要：文章从机器的幻想、智能的困境、机器的健康、机器与人以及畅想 2049 五个部分， 探讨了机器智能概念和发展的困境，并提出了其触手可及的未来——“人+机器=人”命题。 本文以机器健康为独特视角，系统的阐述该命题的意义和可实现性，并强调未来机器健康发 展的关键在于提高其“抵抗力”。最后畅想机器智能带给 2049年的变化。 关键词：机器智能；机器健康；亚健康；畅想 2049 一、机器的幻想 机器，自其产生开始就推动着人类一次又一次的进步。在人类的早期，为了提高工作的 效率，我们从双手过渡到工具，又从普通工具过渡到具有独立功能的工具——机器。随着人 类文明的进步，机器也发生着日新月异的变化。机器进步最大的动力来自于战争，古代出现 了许多攻城作战的设备，如云梯、床弩、撞车等，甚至还包括相传为诸葛亮发明的军队粮草 运输车——木牛流马(图 1-a)。现代机器的真正出现发生在英国工业革命时期，其代表为瓦 特发明的蒸汽机，蒸汽机是可以提供独立动力的设备，它使得传统的机械依靠人力驱动的问 题得到解决(虽然这之前也有利用风能或水能的，但是蒸汽机实现了真正意义上的可移动的 动力装置)，并催生蒸汽动力车 (图 1-b)。在当代社会，我们的机械设备取得了令人瞩目的 发展，各种智能的、轻型的、大型的、高精度的机械设备随处可见，其中给我们生活和生产 提供动力的汽轮机无疑是现代机械中最典型的代表之一(图 1-c)。当然人们对机械的要求并 没有止于此，他们需要更加强大的，更智能的机器，此时人们就联想到了自然的精灵——人 类自己。 a b d c 图1 a.木牛流马 b.蒸汽动力汽车 c.汽轮机转子 d. 智能机器人 1 注:本文发表于《机械工程导报》2013年第 3，4期 (p35)，链接: http://www.cmes.org/PublishInformation.aspx 2 刘金鑫：1988年生，西安交通大学机械学院博士研究生，研究兴趣：振动主动控制，有限元建模，振动 环境实验，诊断测试系统等 邮箱：liujin_xin@foxmail.com 2 的确，机器和人这两个词放在一起，总会令人产生遐想。在科幻作品盛行的年代，机器 人无疑成为了最热门的话题之一。从古至今，人们始终没有停止过幻想，而这些幻想都成为 了我们进步的不竭动力。人们幻想有一天机器人终将会发展到德才兼备的地步(图 1-d)。届 时，无论是繁重的体力劳动，还是高级的脑力劳动，它们无所不会，无所不能。由此，机器 人不仅仅会使社会生产力出现一个质的飞跃，而且会使就业结构发生根本性变化，人类将从 整体上告别艰苦的体力劳动而都从事轻松的脑力劳动 。我们相信：伟大的追求必然产生伟 大的结果。 二、智能的困境 从美丽的憧憬中回到现实，我们不得不去思考我们所憧憬的东西到底面临着什么样的挑 战。人们对机器智能的研究，始于人工智能的研究。什么是人工智能呢？它可以从“人工” 和“智能”两个方面来理解，“人工”说明了它的完成方式——通过人类的工作和创造；但 “智能”如何定义始终没有定论，因为这涉及到诸如意识、自我、心灵等等的问题。人们唯 一知道的智能是人本身的智能，但就是对本身的智能我们的认识都是非常有限的。所以人工 智能须致力于人的智能的研究。 对于机器的智能的讨论比较著名的是勃克斯的逻辑机器哲学。他们的中心命题是：一个 有穷自动机(机器人)可以实现人的一切自然功能。这就是所谓的“人=机器人论题”，也叫 做“心智-机器命题”。命题探讨的核心是诸如机器人会不会有感情，会不会有意向性，会 不会思维等问题(图 2-a)。当然这些仅仅是哲学层面的问题，我认为当一个问题上升到哲学 层面，他就离实际的应用非常遥远了。比如宇宙学研究到最后就成为了“世界万物生于有， 有生于无”的哲学命题。假使有一天勃克斯机器智能真的成功了，它又可能有会引发新的伦 理学方面的争论，所以机器人困境不仅仅在于技术的，更是伦理的、社会的困境。 图2-a 电影《机械公敌》 由艾萨克 · 阿西莫夫的短篇小说 《我，机器人》改编讲述 2035 年，一个地球上每十五人就拥有 一台人工智能机器人的时代。器 人托尼和人和之间相处，感情纠 葛的故事。 图2-b 外骨骼机器人 在2011国际前沿工业展销会上， 日本川崎重工开发出了一款搬运 用重物用的辅助外骨骼 “力量协 助装置(パワーアシストスーツ)” 当然勃克斯机器智能的实现离现在很远(离 2049 年也很远)，所以在这里我不想去谈这 方面的问题，而且我也讲不清楚，我想既然“人=机器”的论题受到质疑并且短时间无法实 现，那么“人+机器=人”的概念是否可以获得更大的应用价值。我们将那些与人相关的特 质如情感、思维、道德等让人自己去完成，而机器仅仅完成人体中其他辅助部件的功能，并 弥补人这些辅助部件的缺陷(诸如力量、灵敏度、持久度等)。其实这个思想已经存在了，比 如我们现在的人驾驶机器的过程就是“人+机器”的模式，但是如果机器与人的交互性不好， 3 不能保证操作像控制自己身体部件一样称心如意，那么“=人”的过程就永远无法实现。所 以如何实现更好的“人机结合”是实现“人+机器=人”命题的核心。许多的研究让我们看 的这个命题的实现的可能性。比如现在研究比较热门的外骨骼机器人(图 2-b)的研究，它主 要去弥补人类四肢的力量和耐力的缺陷。 三、机器的健康 我们讨论“人+机器=人”的命题，实质上就是“机器=人/大脑”的命题(图 3)。它回避 了机器智能解决人大脑逻辑的难题，而仅仅试图通过机器去学习人体低级中枢和躯体功能。 人躯体作为一个有机体，它的健康状态以及低级中枢对健康威胁的反应恰好是该种命题意义 下智能的重要体现，所以从人体健康和机器健康方面去谈机器对人的逼近是非常有意义的。 而在这之前，首先需要讨论机器健康的一些概念。 人 高级中枢 (大脑) 低级中枢 躯体及其他 系统 人 机器人+机器 图3 “人+机器=人”命题示意 我想机器的健康应该从两个方面去考虑，一个是机器的可靠性, 即连续无故障工作的能 力，另一个是机器的寿命，即机器可以服役的年限。一个机器是许多功能部件组成的集合体， 所以他的不健康的集中表现形式为故障，而故障本身包括功能部件的失效，结构的损伤等。 除了故障以外，我认为机器不健康还有另外的表现形式，比如运行不平稳，运行振动较大， 运行温度较高，由于没有进入故障的范畴，又是机器不健康的体现，我们可以称之为“亚健 康”。机械健康维持的本质就是要避免故障和亚健康。 具体的，我首先谈谈可靠性。可靠性即可信耐性，它包含了耐久性、可维修性、设计可 靠性等。耐久性是无故障使用时间的长短，这是我们通常意义下所理解的可靠性。当产品发 生故障后，能够快速的、低成本的排除故障的可能性，称为可维修性。设计可靠性是说从产 品的设计源头去解决可靠性的问题，由于“人机结合”的兼容性问题导致的故障率上升可以 通过优化设计本身解决。可靠性的保障一般通过一些试验来实现，比如高低温测试、疲劳测 试(图 4-a)、振动测试等。 a b 图4 a.疲劳试验机 b.动车事故现场 4 其次谈谈机械寿命的问题。从机器的诞生起到不可维修止为机器的寿命。每台机器都有 一个服役的周期，一般在生产后会给一个参考的使用年限，但是机器的使用寿命和具体使用 的环境和保养情况有关，所以如何确定一台机器的寿命是一个比较麻烦的问题。对于一些小 型的，不需要连续工作的机械，无需探究它的寿命问题，在故障后可以进行维修或者更换。 但对于一些大型的，可靠性要求很高的机械设备，寿命显得尤为重要。比如大型汽轮机和飞 机，它们的成本往往非常高，而他们的使用过程中又不允许有故障产生，这样就产生一个矛 盾，即如何在延长寿命降低成本和安全可靠两者间进行抉择，所以有理论依据的寿命预测就 显得尤为重要。 最后再谈谈亚健康问题。就像人体一样，亚健康往往不易引起重视，因为它对机器工作 的影响并不显著。亚健康是机器故障的前兆，如何处理和解决亚健康问题是提高机器运行可 靠性和延长机器寿命的关键。现在的机器在线监测的系统就是要去检测这些亚健康信息，但 由于状态监测工作像是守株待兔，绝大多数时间都是正常的，一点不正常的前兆的出现往往 会被工作人员忽略，惯性思维会让他们放松警惕。比如 7.23 动车事故(图 4-b)的调查报告称： 组织和管理不善是主因。所以我们需要要给出机器本身一些权限，在某些场合不需要通过控 制中心的人而直接完成某种保护性的措施，这个在下一节关于机器与人的讨论中会具体的涉 及。另外我们可以采用一些主动的降噪、降温的方法来对机器亚健康问题进行抑制。 我们在讨论机器革命的时候，更多的去探讨它的开拓性、革命性的功能，而忽略机器的 健康和可靠性的问题。对于一台机器，它的发明是具有革命性意义的，但是他的健康运行却 是具有现实意义的，因为如果保障不了可靠性，它只能用于停留在理论或者博物馆。可见机 器的健康在其应用上扮演着不可或缺的重要角色。 四、机器与人 在了解机器健康概念之后，我们不禁要问它和人的健康又什么异同呢？其实机器本身就 是一种仿生学，而智能机器所模仿的无疑就是人类自己。人的产生是大自然的恩赐，人体构 成了世界上最精密、最智能的结构，所以如果人体的组织形式是我们学习目标的话，我们拟 人化的，智能化的机械设备的研究就是非常有意义的。 基础生物学告诉我们，人体的一些自我保护机制构成人体重要的反射，而这些反射往往 都是比较低级的反射，它们由低级的中枢(如脊髓，脑干，小脑等)完成，而高级中枢(大脑) 完成思维、情感、决断等行为，所以如前面所讲如果我们采用“人+机器”模式，就是说采 用人脑行使高级中枢的功能，而机器本身去行使除高级中枢以外的其他所有包括传感、执行、 低级中枢等功能。形象的讲，人是为“人+机器”体系的高级中枢。机器的 CPU就是“人+ 机器”体系的低级中枢。 感受器 传入神经 神经中枢传出神经 反射器 敲击处 脊髓 图5 a膝跳反射 b 反射弧结构 b a 人体的低级中枢可以做出逾越高级中枢的行为，这个可以以膝跳反射实验(图 5-a)为例， 对膝盖进行敲击刺激，前腿会做出弹跳反射，这个过程不受大脑控制，整个过程由低级中枢 5 (脊髓)直接完成。之所以不通过高级中枢是因为应急反应一般需要迅速高效，而大脑决断耗 时较长。同样的道理，这也是我们需要给机器(低级中枢)设计可以逾越高级中枢(人)的权限 的原因，因为在应急反应的时候，人是无法做出快速而准确的判断的。 膝跳反射实现的硬件结构是反射弧(图 5-b)。人体的反射弧包括五个部分：感受器(如皮 肤)，传入神经，神经中枢，传出神经，反射器(如肌肉)。以人体过载保护为例，对人体的刺 激过载后，人体皮肤或者组织有疼痛的感觉，刺激神经中枢通过控制肌肉改变姿势来减缓疼 痛，以达到保护外部器官的目的。 相应的，机器实现上述反射弧过程的结构称为控制回路(图 6)。从硬件上它也可以相应 的分为感受器(如应力应变片，传感器等)，传入电路(包含信号前处理)，控制器(CPU)，传出 电路(信号的后处理)，执行器(如压电元件，作动器，电机等)。传统的控制器是简单逻辑， 它只能针对一种或几种类似于过载保护的简单控制，而现在需要研究的智能控制器将具有更 大的潜力，他可以根据不同的输入选择不同的控制策略。 压电片 传感器 CPU 信号调理 信号放大 压电片 作动器 电机 信号采集 执行装置 信号处理 图6 控制回路 上面我们从硬件结构上描述了机器和人的相似性，下面我想从生理反应、健康概念和健 康行为方面探讨一下机械和人的相似性，表 1给出了人体的部分生理和健康的名词，而机器 都有相应的功能或策略。从表中看出，有些功能或概念已经实现或已经存在，有一些功能还 需要我们进一步去研究。同时也可以看出，机器自产生开始他就是在模仿人类自己，从简单 到复杂，而现在我们面临将是最复杂、最具挑战性的部分。 过载 保护 组织 愈合 免疫 能力 饥饿 乏力 生病亚健康 锻炼战栗 体检死亡康复汗液 健康 生理反应 健康概念 健康行为 过载 保护 自愈 材料 学习 记忆 动力 能源 故障亚健康 磨合暖机 诊断报废维修 冷却 液 健康 就医 维修 抵抗力 可靠性 表1 机器与人的对比 尽管对于“人+机器=人”的命题我们还有很多工作要做，但是它的前景是非常光明的。 一旦实现，在健康状态方面“人+机械”体系将会比人又更大的优势：其一，可以改进机械 设计和提高制造质量(这一点和人体无法相比，但人们也试图去做这件事，如基因测绘和解 码，他们试图去改造人体的基因)，其二，复杂的故障自我识别和预测。人体无法做到这一 点(或者说只能做到极为简单的故障的识别和预测)，而对于复杂的疾病需要借助专业的人员 和仪器进行诊断。而机器可以直接将诊断设备集成。如此看来，我们甚至可以做到“人+机 器>人”。 6 五、畅想 2049 谈了这么多，那么我们在 2049年能实现“人+机械=人”的命题吗？通过上面的分析， 命题的意义毋庸置疑，下面我将具体谈谈影响实现的因素。从表 1我们不难发现，一些概念 很早就存在，如健康、故障、报废等；一些技术很早就实现，如过载保护、冷却、能源动力 等。而另外一些概念和技术现在也正处于快速发展中，如学习记忆(模仿免疫能力)，自愈材 料、亚健康等。下面我就这几个方面具体谈谈。 首先是机器对人体的免疫能力的模仿。人体的免疫是对异己抗原产生抗体而实现的自我 保护。对于机械，我们可以这样理解，在某一次故障以后我们可以通过对该故障进行学习和 储存达到避免同类故障或者快速修复的目的。要实现上述功能，关键是要建立故障的数据库 和故障匹配的准则，以实现自我诊断。而故障树，故障字典等概念的提出，各种故障识别算 法的提出无疑使得这个方向迅速发展。 其次是对人类的组织修复能力的模仿。现在自愈材料的研究取得突出的进展，针对太空 飞船科学家们研制出一种新型材料，它将识别损害的出现，并立即进行自我修复。这种自愈 合能力将大大延长太空船的使用寿命。当复合材料上形成微裂缝时，它会在材料表面扩散开 来。因此，这条裂缝会使微胶囊破裂，从而释放出修补剂。修补剂将顺着裂缝流淌，这样就 不可避免地会碰到格拉布催化剂，从而开始聚合反应过程。这个过程最终会将裂缝粘合起来。 经过测试，自愈合的复合材料能够恢复其原始强度的 75%。 再次是解决机器亚健康问题。它的关键就是寻求故障早期的问题识别和故障不稳定因素 的消除，比如振动、噪声、高低温等，而现在如火如荼发展的主动控制技术、压电晶体和压 电陶瓷以及温度控制技术对解决上述问题至关重要。 总而言之，机器模仿人的本质就是模仿人类的抵抗能力，抵抗能力是人体在异常情况 下自动回复到正常的能力，从这种意义下，上述的生理反应中所有项目都是抵抗力的体现， 而我们对机械进行智能的设计最终目的就是提高它的抵抗力，也可以说是可靠性，传统的可 靠性通过过盈设计(安全系数)实现，而我们的目标是通过自己构建一个“抵抗力”的网络来 保证(图 7)。 故障学习与故障库 结构 损伤 部件 失效 振动 异常 温度 异常 超限 异常 结构 愈合 部件 更换 振动 控制 温度 控制 自我 保护 判 断 驱 动 … … 检测 执行 强 抵 抗 力 图7 机器健康智能网络 亚健康 所以可以预见，在不久的将来，机器将具有前所未有的友好性和高可靠性。而且对于重 大的机械设备可以实现远程的诊断和自修复。机械将在解决亚健康问题取得突破而将故障扼 杀在摇篮中。自愈材料将使得裂纹不再成为致命的威胁。我们生活将会由于这些技术的发展 变得更加的美好。虽然在机器拟人化的道路上艰难重重，但这并没有阻挡人类想成为造物主 的梦想。就像我前面提到的，机器自产生开始就已经踏上了拟人化的道路，由简单到复杂， 而现在我们正面临着最具挑战性的工作。希望这些工作中有我，也有你的一份付出！2049 年，“人+机器”，让我们迎接一个新的机器革命的时代。