發展型機器人：由人類嬰兒啟發的機器人. 導讀

<b>機器人學譯叢</b>

<b>發展型機器人：由人類嬰兒</b>

<b>啟發的機器人developmental robotics：from babies to robots</b>

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譯者序

developmental robotics：from babies

to robots

2005年攻讀博士學位伊始，我的導師mark

lee教授給我定的研究題目是developmental robotics。那時我确實是一頭霧水，面對這麼大的題目不知如何開始。随着閱讀與學習的深入，我逐漸了解了這項研究的内涵與意義，我的研究領域自此與發展型機器人密不可分。

本書前言中的第一句話，即阿蘭·圖靈在《計算機器與智能》一文中提到的：“與其嘗試建立模拟成人心智的計算機程式，為什麼不嘗試建立模拟兒童心智的程式呢？隻要兒童心智程式獲得合适的教育，那麼它應該有可能成長為成人的大腦。”這是我的導師mark lee教授最喜歡引用的話。在與發展型機器人打交道的這十年，我深深認同這句話，如果機器人能從嬰兒發展到成人，必将為提高類人機器人的智能開拓一條最有前途的道路。

關于developmental robotics這個術語，一些國内同行将其翻譯成發育型機器人或者發育機器人。最初我也傾向于采用這個名稱，但是又想到developmental robotics與developmental psychology和developmental

neuroscience有着密切聯系，而後兩者在國内普遍譯為發展心理學和發展神經科學。之後，我接受了廈門大學周昌樂教授的意見，将developmental robotics翻譯成發展型機器人。

本書的英文行文相對晦澀，在翻譯一些專用名詞時，我參考了同行專家的翻譯，但最終也沒有得到比較滿意的結果。如motor babbling，從字面意思來看，babbling意為嬰兒牙牙學語或者咿呀聲，是嬰兒通過不斷的發聲練習來學會模仿大人的聲音。而motor babbling指的是嬰兒通過自發的、随機的重複動作來掌握運動技能。比如，嬰兒在出生後不久，可以通過手臂的自發性随機揮舞動作來掌握對手臂的控制。是以，motor babbling翻譯成“運動咿呀”就不妥當了。在運動層面，我想到兒童在一開始學習走路的時候是通過蹒跚的步伐來學習的，是以，最後決定把它翻譯成“運動蹒跚”。

在本書中還分别用到了android和humanoid這兩個詞。兩個詞都可以指形狀跟人類似的機器人，并且從目前的研究背景來看，humanoid所指的範圍要更廣泛一些，一般隻要一個機器人有機械臂和視覺系統就可以稱為humanoid機器人。但是android這個詞則多指那些跟人極其相似的機器人，如geminoid機器人。是以，我将andnoid翻譯成“人形機器人”，将humanoid翻譯成“類人形機器人”或“類人機器人”。同時，本書還介紹了大量發展心理學的知識來拓展讀者的知識面。關于發展心理學的術語，我主要參考了北京師範大學鄒泓老師翻譯的《發展心理學：兒童與青少年》（第8版）中的術語。

本書的作者有兩位，在翻譯過程中我能明顯感到他們截然不同的行文風格，一位作者用很清晰的短句來闡述需要介紹的内容，而另一位作者則喜歡用較長的定語從句進行撰寫。為了保證全書風格的統一和易讀性，我盡量把冗長的定語從句改成短句子。有些譯文讀起來可能有些啰嗦，但是其中的邏輯關系會更清晰，也更容易了解。

感謝我的研究所學生，沒有他們的幫助，我無法如此順利地将譯稿呈現給大家。本書譯稿的第2章由王證帥協助翻譯，第3章和第7章的部分内容由朱祖元協助翻譯，第4章和第8章的部分内容由吳秋霞協助翻譯，第3章的部分圖表和第5章由黃雨軒協助翻譯，第6章和第8章的部分圖表由張欣協助翻譯。由于我的翻譯水準有限，書中難免存在錯誤和不準确的地方，希望專家和讀者進一步批評指正。

序言

科學的主要方法是分析與簡化。這一思想是1628年由笛卡兒明确指出的：在研究任意現象的時候，把它簡化成最重要的組成部分，并對所有部分進行剖析。這種方法是由“複雜系統在盡可能低的水準上才能被更好地了解”這一信念啟發的。實體越小，需要的解釋就越少，是以我們希望能找到足夠簡單的實體來進行充分的分析與解釋。不可否認，這種方法在現代科學中取得了巨大成功。然而，這種方法并沒有告訴我們簡單元素構成的系統應當如何進行複雜的操作才能實作具有自主性的智能體。建構可以在複雜多變的環境中行動和适應變化的人工智能體需要一種不一樣的科學——一種以綜合與複雜化而不是以分析與簡化為主的科學。了解生物系統發展過程的理論任務也需要一種綜合科學。

發展型機器人學的前提是，發展過程的原則是自适應工程和流體智能實作的關鍵。盡管這個前提尚未完全實作，但是在過去的十幾年中已經取得了顯著的進展。本書展現了發展型機器人的最新研究動态，同時，作者為發展型機器人學家與發展心理學家之間更深入的合作貢獻了一個很好的範例。目前兩個領域之間的關系還是比較弱的，雖然學者們正在研究相關問題、閱讀類似的文獻，有時也參加聯合會議，但是很少以持續的方式進行真正的合作。我堅信：通過對人類發展與機器人學的綱領性研究，這兩個領域都能夠取得顯著的成果。對于發展心理學，我能做出的承諾是：通過使用發展的人工智能系統來實作生物途徑和經驗的可操縱化，一定有更好的理論和新的方法來對發展心理學理論進行測試。是以，在這篇序言裡，我強調了通過發展型機器人或許能更好地了解人類發展過程的七個基本方面。

1.擴充的不成熟性。發展（如進化和文化）是一個通過積累變化來創造複雜性的過程。在任何時候，發展的智能體都是所有以往發展的産物，而任何新的變化都是以以往發展為開端并在此基礎上進一步發展的。擁有靈活智能的生物系統都有比較長的不成熟期。為什麼會是這樣？“緩慢積累”的智能如何産生更高和更抽象的認知形式？回答這些問題的一種可能性是：一個緩慢積累的系統（不能很快穩定）可以獲得在多個粒度上生成多層次知識的大量經驗。另一種相關的可能性是：什麼樣的情況被發展心理學家稱為“就緒”，以及何種最新的機器人研究被稱為“學習程序”［1］？随着學習的推進，新的學習結構和新的學習方式會湧現出來，這就使得同樣的經驗對學習系統的影響在發展的後期與前期是不同的。如果這些觀點是正确的，那麼發展途徑自身或許能部分解釋為什麼人類智能會具有它自身的那些屬性。是以，這種發展途徑或許不能很友善地實作快速發展（嘗試建立模拟成人的智能系統），也不能很友善地實作具有生物發展系統特征的流體智能和自适應智能。

2.活動。學習經驗不是被動地在嬰兒身上“産生”的。piaget［2］描述了一種具有高度展示性的嬰兒活動模式。他在一個四個月大的嬰兒手上放置了一個撥浪鼓。一旦嬰兒搖動撥浪鼓，它就會出現在嬰兒眼前并且制造噪聲，這不但驚動了嬰兒還引起了更多的身體動作，進而導緻撥浪鼓移進又移出嬰兒的視線并産生更多的噪聲。嬰兒對撥浪鼓并沒有任何先驗知識，但是通過這些動作，嬰兒可以發現晃動撥浪鼓所能引出的效果和目标。也就是說，當嬰兒意外地移動了撥浪鼓并看到和聽到之後的結果後，利用所捕獲的這些活動（移動和搖晃，尋找和聆聽）和這些活動的增量式反複動作，就能變得有目的地控制撥浪鼓的搖晃和噪聲産生的目标。行動與探索創造了學習的機會和需要被征服的新任務。本書很好地闡釋了行動的作用，并且，這也是發展型機器人可以清晰地展示其與發展心理學理論緊密相關的研究領域。

3.重疊任務。發展中的生物體不僅要解決單一任務，還要解決許多重疊任務。再來回顧一下撥浪鼓這個例子。嬰兒搖晃撥浪鼓的動作将建立和改變大腦的專門區域，并對這些區域之間連接配接的聽覺、運動和視覺系統進行耦合［4］。但是，這些相同的系統和功能連接配接可以用于許多其他行為，并且這些在搖晃撥浪鼓時所取得的能力可以得到拓展，進而影響方法目的推理或多模式同步處理。發展理論迫切地需要一種方法來探索多模式與多任務的經驗如何建立一個抽象的、通用的和創造性的智能。也正是在這一領域中，發展型機器人将會做出巨大的貢獻。

4.簡并。簡并在計算神經科學［3］中是專門針對複雜系統的。在這些系統中，單個元件能對多種功能産生貢獻，并且有多種途徑來實作同一種功能。在發展成果中，人們認為簡并可以提高魯棒性。由于功能備援的途徑可以彼此互補，是以這些備援相當于為途徑故障提供了一種保險。機器人模型可以利用這些原則來建構強大的系統，即便某些元件發生了故障，這些系統仍然可以長期地在多個任務中成功工作。這類機器人模型還提供了一種嚴苛的方式來測試多因果關系的影響和有可能會限制發展結果的動機複雜系統。

5.級聯。發展理論家将這種方式稱為早期發展對後期發展的深遠影響，也稱為“發展級聯”。這些往往展現在非典型發展的擾動模式的級聯，也将典型發展和這種看似不同的智能領域描述成某一類發展過程，類似于從蹲坐動作與視覺對象表征方法發展到行走動作與語言輸入這樣的發展過程［4］。這是更深層次的理論問題：這些級聯的因素（早期的發展為後期截然不同的發展開拓了發展途徑）是否跟人類智能如何以及為何擁有這些已具有的屬性有關聯？發展型機器人不僅要使用這類問題來推進機器人的工程化，也提供了一個平台來了解人類認知發展的綜合特性和複雜途徑為何對人類智能如此重要。

6.有序的任務。生物發展系統通常需要面對一個特定序列中的多種經驗和任務，并且，大量關于變化的級聯發展結果的理論與實驗研究文獻關注的是動物中感覺運動發展的自然順序［5］。人類嬰兒在生命的頭兩年中要經曆一系列環境的系統化改變，比如，嬰兒要逐漸經曆翻滾、接近動作、穩定的坐姿、爬行和行走。在生命頭兩年中運動能力的變化提供了強大的和更有可能是進化選擇的經驗大門。無論是在人類發展中還是在發展型機器人的系統發展中，有序經驗的後果和重要性以及該有序經驗中擾動的意義都沒有得到明确的理論定義。是以，這個方向是一個重要的前沿研究領域。

7.個人主義。即發展中的個體。物種的曆史存在于固有生物個體中以及包含同種個體的環境中，這些同種個體建構了發展的支架，但是每個發展的個體都要遵循自己的發展途徑。因為發展途徑是簡并的，發展建立在自身之上，内在生物和環境本質上是獨特的，是以不同的發展個體可能通過不同的發展途徑來生成類似的實用技能。這是一個了解人類智能的魯棒性和變異性的重要理論思想，或許也是用來建立在任何環境中都足夠智能的多功能自适應機器人的基本思想。

本書是通往發展科學美好未來的最佳跳闆。

linda b.smith

第1章　成長中的嬰兒與機器人1

1.1　先天與後天的發展理論1

1.2　發展型機器人學的定義與起源3

1.3　發展型機器人學的基本原則4

1.3.1　作為動态系統的發展5

1.3.2　系統發展和個體發展的互動7

1.3.3　涉身性、情境性和生成性的發展8

1.3.4　内在動機和社交學習的本能9

1.3.5　非線性、類似階段化的發展10

1.3.6　線上開放式累積學習12

1.4　全書總覽13

擴充閱讀14

第2章　嬰兒機器人15

2.1　什麼是機器人15

2.2　機器人學簡介18

2.2.1　自由度、效應器和執行器19

2.2.2　傳感器23

2.3　類人嬰兒機器人29

2.3.1　icub機器人31

2.3.2　nao機器人33

2.3.3　asimo和qrio機器人35

2.3.4　cb機器人37

2.3.5　cb2和pneuborn-13機器人38

2.3.6　repliee和geminoid機器人40

2.3.7　infanoid機器人41

2.3.8　affetto機器人42

2.3.9　kaspar機器人43

2.3.10　cog機器人44

2.4　發展型機器人中的移動式機器人45

2.5　嬰兒機器人模拟器47

2.5.1　icub機器人模拟器48

2.5.2　webots機器人模拟器50

2.5.3　胎兒機器人和新生兒機器人模拟器51

2.6　本章總結54

擴充閱讀55

第3章　新奇、好奇與驚奇57

3.1　内在動機：概念總覽58

3.1.1　早期的影響58

3.1.2　知識與能力59

3.1.3　im的神經基礎60

3.2　内在動機的發展61

3.2.1　嬰兒中基于知識的im：新奇性61

3.2.2　嬰兒中基于知識的im：預測64

3.2.3　嬰兒中基于能力的im68

3.3　内驅型智能體和機器人70

3.3.1　im的計算架構70

3.3.2　基于知識的im：新奇性73

3.3.3　基于知識的im：預測77

3.3.4　基于能力的im80

3.4　本章總結83

擴充閱讀85