现代仿生科学与工程导论.doc

现代仿生科学和工程导论论文作者：课程老师：学号：班级：一仿生学31.1仿生与机器人31.2生物机器人4二人工智能42.1图灵机与图灵试验62.2细胞自动机72.3蓝脑计划7蓝脑计划-历史研究8蓝脑计划-构思基础10蓝脑计划-科学模型10蓝脑计划-研究过程11蓝脑计划-应用前景122.4电影中的机器人13三课程体会14四对课程的意见和建议15五参考文献15一仿生学仿生学是一门新兴的科学，是生物学、数学和工程技术学边缘上的一门崭新学科。它首先是生物原型研究，即根据生活实践提出的技术问题，去研究生物系统某一方面的结构和功能特性。然后，将研究所得的生物资料进行数学分析，抽象出它们之间的内在联系，建立数学模型，从中取得工程技术所需的资料，用于工程技术。目前仿生学研究范围主要是以眼、耳、鼻三种器官为主。已制成“人造眼”、“电子耳”、“电子鼻”、“电子警犬”等感觉器官的模拟；以“人工智能机”为主的神经元和神经网络的模拟等1.1仿生与机器人仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”，作为其主要成果的机器人发展迅速。其中微小型机器人技术是近年来伴随微机械学、微电子学、信息网络、计算机技术、仿生技术、新材料和新能源等迅猛发展而形成的新兴前沿高技术研究方向。近十年来，世界各国特别是西方发达国家十分重视微小型机器人技术研究，它在未来家庭服务、极限作业、危险救灾等方面将发挥不可替代的作用。世界先进国家在水下仿生航行体、模块化履带式侦察机器人、反恐排爆机器人、微型飞行器与自主导航驾驶仪等方面具有创新性研究特色，正在开展相关应用示范研究，也取得丰硕成果。诸如仿生蝙蝠、仿生苍蝇、仿生蜻蜓、仿生蜘蛛等机器动物的问世，便是仿生学研究的成果。1.2生物机器人科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细胞组成，细胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。而且运行速度更快，只有10-11秒，大大超过人脑的思维速度。二人工智能“人工智能”一词最初是在1956 年Dartmouth学会上提出的。从那以后,研究者们发展了众多理论和原理,人工智能的概念也随之扩展。人工智能是一门极富挑战性的科学，从事这项工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学。人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等，总的说来，人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。但不同的时代、不同的人对这种“复杂工作”的理解是不同的。例如繁重的科学和工程计算本来是要人脑来承担的，现在计算机不但能完成这种计算, 而且能够比人脑做得更快、更准确，因之当代人已不再把这种计算看作是“需要人类智能才能完成的复杂任务”, 可见复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的, 人工智能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展。它一方面不断获得新的进展，一方面又转向更有意义、更加困难的目标。目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机, 人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起的。除了计算机科学以外, 人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。人工智能学科研究的主要内容包括：知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。实际应用 机器视觉:指纹识别，人脸识别，视网膜识别，虹膜识别，掌纹识别，专家系统,智能搜索，定理证明，博弈，自动程序设计，还有航天应用等。2.1图灵机与图灵试验阿兰麦席森图灵（Alan Mathison Turing，1912.6.231954.6.7），英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置； 2.21图灵机的艺术表示而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于 (a) 此人当前所关注的纸上某个位置的符号和(b) 此人当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，这就是图灵机。机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。图灵实验则是一种确定计算机是否会思考的实验。一个人向计算机发问，另一个不知情的人试图从回答中区分是人还是计算机。如果计算机没有被辨认出，便通过了图灵实验。到目前为止，没有一台机器通过实验，然而却有一个人没有通过。2.2细胞自动机细胞自动机（cellular automat）为模拟包括自组织结构在内的复杂现象提供了一个强有力的方法。细胞自动机模型的基本思想是：自然界里许多复杂结构和过程，归根到底只是由大量基本组成单元的简单相互作用所引起。因此，利用各种细胞自动机有可能模拟任何复杂事物的演化过程。2.3蓝脑计划瑞士洛桑理工学院的科学家亨利马卡兰最近在巴西东北部城市那塔尔展示了他设想的“蓝脑”计划，并希望在2015年制造出“人造大脑”，以达到治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的目的。马卡兰介绍说，他的想法是“拆除之后再重建”哺乳类动物的大脑，计划将分为几个阶段：2008年先用啮齿动物做实验，2011年后将试图组装一个猫的大脑，在2015年正式组装人类大脑之前可能还会制造猕猴的大脑。2.31蓝脑构想截止09年7月，该项目已经取得了突破性进展。“蓝脑计划”组已经完成了人脑新皮层部分的神经元计算工作，并已绘制出一份3D神经元活动模拟图。最终，科研人员希望能知晓并模拟出整个人脑的神经元的活动情况，借此了解现实世界为我们带来的感官讯息是如何破译并储存到人脑中的，从而揭开人类意识产生之谜。 2.31蓝脑计划-历史研究 “蓝脑计划”开始于2005年，其目的是从实验数据逆向打造哺乳动物的大脑。研究组将重点放在皮层单元上，皮层单元是哺乳动物的大脑所独有的结构，也叫新大脑皮层。这是一个新的大脑，哺乳动物需要它，因为它们需要处理亲子关系、社会互动的复杂认知功能。从老鼠发展到人，它是如此成功，为了生成这一惊人器官，把脑结构单元数扩大了大约1000倍。这一研究仍在继续，发展速度很快。人脑中含有大约1000亿个神经元，这些神经元能够迅速对明媚的阳光、喇叭的鸣响、炸鸡的气味以及所有其他感觉器官获得的刺激进行理解并做出反应。而如今，有人使用IBM的超级计算机来模拟人脑的这种机制，这项研究计划称之为蓝脑计划。这项计划有一种“上万神经元(每一个都不同)的软件模型，它能让研究人员通过数码技术搭建一个人工皮层单元。虽然每个神经元都是独一无二的，但是，研究人员已经发现不同大脑的线路有着共同的模式。为了更好地理解人脑的应激反应，瑞士洛桑的研究人员启动了一项雄心勃勃的计划蓝脑计划。该计划使用了IBM的eServer Blue Gene计算机(它每秒钟能够进行22.8万亿次浮点运算)。蓝脑计划试图模拟老鼠的大脑新皮质单元(NeoCortical Columns ，简称NCC)中10000个高度复杂的神经元行为。NCC延伸到整个大脑灰质中，执行高级的计算任务，它们的直径为0.5mm，像蜂巢中的小格子一样排列在大脑中。蓝脑计划项目首席研究员Henry Markram表示，Blue Brain项目的第一个目标是在两三年内通过软件复制NCC，或者说设计出NCC的模板，然后根据大脑不同区域或者不同动物的大脑对这个模板进行修改，这样就可以模拟各种各样的NCC。蓝脑计划所做的就是通过在神经元的层次上模拟大脑的行为，对脑实施逆向工程。研究人员计划创建一个模型工具，可以让其他的神经科学家当在其上做各种实验，验证各种假设，分析药物的功效时比在真正的大脑上取得更高的效率。这个项目的初始目标是对构成老鼠新大脑皮层单元(皮层的主要构成模块)的1万个神经元及3千万个突触连结进行模拟。选择新大脑皮层单元作为模拟的开始是因为它被大家公认为非常的复杂，它由很多不同的结构构成，每一个结构都包括很多的突触和离子通道。蓝脑计划-构思基础 “蓝脑”工程，是在IBM拥有的超级计算机“蓝色基因”的构思基础上，企图应用超级计算机的高速度，来虚拟人类大脑的多种功能，比如认知、感觉、记忆等等。而基本思路是：既然要探索人脑活动的原理，就可以先从模拟人脑开始，用电脑“复制”人脑所有的活动，以及在其内部发生的各种反应。这个模型基于15年来的各种实验数据神经形态学，基因表达，离子通道，突触联接，以及很多老鼠的电生理记录。为分析处理这些信息以及自动重建生理学正确的神经元及相应联接的3-D模型也编制了很多相关的软件工具。蓝脑计划-科学模型 蓝脑计算机的核心设备占据的空间其实很小，体积大概只有4台冰箱那么大，含有8096块处理器，每块处理器可以模拟110个神经元。整套系统大约可以模拟1亿个简单神经元，相当于老鼠大脑中所包含神经元数量的一半。IBM表示，这台Blue Brain仅仅是原型产品，以后产品化的Blue Brain售价将达到上亿美元。更新的Blue Gene将可以模拟10亿个简单神经元。随着计算机运算速度的提高和内存容量的增加，模拟整个人脑的工作将可能在10年之内完成。蓝脑计划-研究过程 “蓝脑”计划的主要研究对象集中在人类思考和记忆方面，通过对大脑运行过程的精确模拟，科学家还可以揭开隐藏在精神失常背后的秘密。绝大多数科学家认为，人类思维和记忆的失常和混乱源于大脑回路中的功能损害。另外，帕金森综合征也是蓝色大脑计划的主要目标之一，在人类大脑的中层存在一种可以生产“多巴胺”的细胞，当这些细胞开始死亡的时候，多巴胺的产生数量就会急剧下降，而帕金森综合征也就随之出现了。这项计划有一种“上万神经元(每一个都不同)的软件模型，它能让研究人员通过数码技术搭建一个人工皮层单元。虽然每个神经元都是独一无二的，但是，研究人员已经发现不同大脑的线路有着共同的模式。虽然大脑有大有小，可能有不同形态的神经元，但是分享着相同的结构。这就是物种的特别之处，这可以解释人类为什么不能跨物种交流。为了制作一个真实的模型，研究组需要把各种模块和一些运算法则输入一台超级电脑中。一个神经元的计算量需要用一台笔记本来做，所以，需要上万台笔记本。但是，研究使用的是一台有1万个处理器的IBM“蓝色基因”电脑。模拟大脑已经开始让研究人员了解到大脑工作方式的一些线索。例如，他们能显示出大脑的画面并监控机器的电活性。表现和影射的目标最终会实现，因此，研究人员可能会直接看到大脑感知世界的方式。随着神经系统科学和哲学的发展，“蓝脑”计划还有着其他实际应用。例如，通过把世界上所有的有关动物的神经系统学资料汇集在一起，研究人员可能会建造动物模式。蓝脑计划-应用前景 老鼠新大脑皮层单元 对NCC的模拟将有助于理解记忆是如何存储和提取的，揭示大脑中很多激动人心的秘密，例如记忆的形式、记忆的容量以及遗忘的原理。这项试验还将帮助科学家搞清楚神经组织的脆弱之处，进而理解大脑功能紊乱的原理，以此来治疗孤独症、精神分裂症和抑郁症等。此外，这项计划如果成功，很多脑科学试验可以通过计算机完成。一项脑科学试验如果使用传统方式进行可能需要一整天，但如果使用计算机模拟的大脑也许只需要几秒钟就能完成。IBM还将这种计算技术用于生命科学研究，他们甚至认为生物科学在已经在一定程度上演化成了信息科学，Blue Brain技术的发展将会揭示生物体中的很多有趣现象，必须要有这样足够复杂的计算机系统才能模拟生物系统。IBM还认为Blue Brain项目对其他工业和科学研究领域的带动作用将会非常巨大。例如，模拟神经网络行为的ASIC设计方案将来可能会应用于智能设备的信息处理。另外，从更一般的意义上说，Blue Bain将推动实时数据处理的发展，而与实时数据处理对应的是离线数据处理。而IBM研究院Blue Brain项目的负责人Charles Peck认为，模拟大脑的真正价值在于研究人员可以获得每个神经元的数据。“虽然科学家对大脑的很多细节已经非常了解，但是他们仍然不知道大脑各个组成部分之间的结合方式，也不知道大脑如何思考、如何学习以及如何形成概念，”他说。其意在这项研究可以真正拉近电脑与人脑之间的距离。研究团队将对几十个大脑神经元进行测试，这些神经元取自老鼠的大脑并被固定在芯片上。研究工作的内容包括检测每个神经元的物理结构和电子特征，以及神经元之间相互作用的方式。目前的这台Blue Gene超级计算机是2005年7月份安装的，8月份运行了首次模拟运行，模拟了25000个简单神经元，运行时间只花了60s。这种模拟以前是无法完成的，在普通的计算机集群中，哪怕模拟1000个神经元也要花好几个星期的时间，Blue Gene在运算规模和速度上都有巨大的进步。该计划如能成功，那么这个虚拟的大脑将为研究人类的认知，如感觉、记忆甚至意识提供重要的提示，这可能将是人类首次观察到并同时模拟到我们的大脑用以反映世界的电子代码，还可能有助于理解当大脑的“微电路”出故障时是如何引起孤独症、精神分裂症和抑郁症等精神上的紊乱的。2.4电影中的机器人自动化的需要推动了机器人的进步，而机器人的发展也是为了