现代仿生科学与工程导论

PAGEPAGE4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（AlanMathisonTuring，1912.6.23—1954.6.7），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（cellularautomat）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eServerBlueGene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(NeoCorticalColumns，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HenryMarkram表示，BlueBrain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1~10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BlueBrain仅仅是原型产品，以后产品化的BlueBrain售价将达到上亿美元。更新的BlueGene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，BlueBrain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BlueBrain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，BlueBain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BlueBrain项目的负责人CharlesPeck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BlueGene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，BlueGene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提高自动化的水平。所以为了解决工业上自动化的需要，所以要在机器人的自主诊断学习和环境感知能力上做文章。但由于知识有限，能力有限。所以我只是结合电影设想一下未来可能的机器人。2.41《我机器人》中的索尼2,42《终结者》中的终结者三．课程体会这门课确实让我见识到了很多新鲜的事物，对于仿生学有了更好的认识。在见识到了仿生学在不同领域发挥的神奇功效之后，忽然就产生想更深入了解这门课的欲望和兴趣。老师不仅仅带给我们课程上知识，更是将其所经历与我们分享，让我学会了应当如何做好一份研究报告，毕业论文答辩中需要注意的问题，如何规划自己大学中的生活，确立自己的目标等等。总的来说，经过这六次课程，我