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人+机器=人

xjtuxinman
2013-10-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《人+机器=人pdf》,可适用于工程科技领域

“人机器”能等于“人”吗?从健康状态角度谈年机器智能的发展刘金鑫(西安交通大学机械工程学院西安)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年的变化。关键词:机器智能机器健康亚健康畅想一、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。abdc图a木牛流马b蒸汽动力汽车c汽轮机转子d智能机器人注:本文发表于《机械工程导报》年第期(p)链接:http:wwwcmesorgPublishInformationaspx刘金鑫: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设计等邮箱:liujinxinfoxmailcom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b外骨骼机器人在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)。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“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a)、振动测试等。ab图a疲劳试验机b动车事故现场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。比如动车事故(图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a膝跳反射b反射弧结构ba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(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)。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”。五、畅想谈了这么多那么我们在年能实现“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。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)。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!年“人机器”让我们迎接一个新的机器革命的时代。

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