Воплощенная когнитивная наука

О подходах к когнитивной науке , которые подчеркивают воплощенный разум, см. Воплощенное познание .

Воплощенная когнитивная наука — это междисциплинарная область исследований, цель которой — объяснить механизмы, лежащие в основе разумного поведения. Он включает в себя три основные методологии: целостное моделирование психологических и биологических систем, рассматривающее разум и тело как единое целое; формирование общего комплекса общих принципов разумного поведения; и экспериментальное использование роботов-агентов в контролируемых средах.

Авторы

Воплощенная когнитивная наука во многом заимствована из воплощенной философии и связанных с ней исследовательских областей когнитивной науки , психологии , нейробиологии и искусственного интеллекта . В число участников этой области входят:

• С точки зрения нейробиологии, Джеральд Эдельман из Института нейронаук в Ла-Хойе, Франсиско Варела из CNRS во Франции и Дж. А. Скотт Келсо из Атлантического университета Флориды.
• С точки зрения психологии, Лоуренс Барсалу , Майкл Терви , Витторио Гуидано и Элеонора Рош
• С точки зрения лингвистики, Жиль Фоконье , Джордж Лакофф , Марк Джонсон , Леонард Талми и Марк Тёрнер.
• С точки зрения овладения языком, Эрик Леннеберг и Филип Рубин из Haskins Laboratories.
• С точки зрения антропологии, Эдвин Хатчинс , Брэдд Шор , Джеймс Верч и Мерлин Дональд .
• С точки зрения разработки автономных агентов, ранние работы иногда приписывают Родни Бруксу или Валентино Брайтенбергу.
• С точки зрения искусственного интеллекта, «Понимание интеллекта» , Рольф Пфайфер и Кристиан Шайер, или «Как тело формирует наше мышление », Рольф Пфайфер и Джош К. Бонгард.
• С точки зрения философии Энди Кларк , Дэн Захави , Шон Галлахер и Эван Томпсон

В 1950 году Алан Тьюринг предположил, что машине может понадобиться человеческое тело, чтобы думать и говорить:

Можно также утверждать, что лучше всего снабдить машину лучшими органами чувств, которые можно купить за деньги, а затем научить ее понимать и говорить по-английски. Этот процесс может следовать за обычным обучением ребенка. На вещи будут указываться, называться и т. д. Опять же, я не знаю, какой ответ правильный, но думаю, что следует попробовать оба подхода.

Традиционная когнитивная теория

Воплощенная когнитивная наука — это альтернативная теория познания, в которой она сводит к минимуму обращение к вычислительной теории разума в пользу большего внимания к тому, как тело организма определяет, как и что оно думает. Традиционная когнитивная теория основана главным образом на манипулировании символами, при котором определенные входные данные передаются в процессор, который производит выходные данные. Эти входные данные подчиняются определенным правилам синтаксиса, из которых процессор находит семантическое значение. Таким образом, получается соответствующий результат. Например, органы чувств человека являются его устройствами ввода, а стимулы, полученные из внешней среды, подаются в нервную систему, которая выполняет функцию обрабатывающего устройства. Отсюда нервная система может считывать сенсорную информацию, поскольку она следует синтаксической структуре, таким образом создается вывод. Этот результат затем создает телесные движения и порождает поведение и познание. Особо следует отметить, что познание запечатано в мозгу, а это означает, что ментальное познание отрезано от внешнего мира и возможно только за счет ввода сенсорной информации.

Воплощенный когнитивный подход

Воплощенная когнитивная наука отличается от традиционалистского подхода тем, что отрицает систему ввода-вывода. В основном это связано с проблемами, представленными аргументом Гомункула , который пришел к выводу, что семантическое значение не может быть получено из символов без некоторой внутренней интерпретации. Если какой-то маленький человечек в голове человека интерпретирует входящие символы, то кто будет интерпретировать входные данные маленького человечка? Из-за призрака бесконечного регресса традиционалистская модель стала казаться менее правдоподобной. Таким образом, воплощенная когнитивная наука стремится избежать этой проблемы, определяя познание тремя способами.

Физические свойства тела

Первый аспект воплощенного познания исследует роль физического тела, в частности, как его свойства влияют на его способность мыслить. В этой части делается попытка преодолеть компонент манипулирования символами, который является особенностью традиционалистской модели. Например, восприятие глубины можно лучше объяснить с помощью воплощенного подхода из-за явной сложности действия. Восприятие глубины требует, чтобы мозг обнаруживал несопоставимые изображения на сетчатке, полученные на расстоянии двух глаз. Кроме того, сигналы тела и головы еще больше усложняют задачу. Когда голова повернута в заданном направлении, кажется, что объекты на переднем плане движутся относительно объектов на заднем плане. Отсюда говорится, что какая-то визуальная обработка происходит без необходимости каких-либо манипуляций с символами. Это потому, что объекты, которые кажутся движущимися на переднем плане, просто кажутся движущимися. Это наблюдение позволяет сделать вывод, что глубину можно воспринимать без необходимости каких-либо промежуточных манипуляций с символами.

Более яркий пример можно получить, изучая слуховое восприятие. Вообще говоря, чем больше расстояние между ушами, тем выше возможная острота слуха. Также важна плотность между ушами, поскольку сила частотной волны меняется по мере ее прохождения через данную среду. Слуховая система мозга учитывает эти факторы при обработке информации, но опять же без какой-либо необходимости в системе символических манипуляций. Это связано с тем, что расстояние между ушами, например, не нуждается в символах для его обозначения. Само расстояние создает необходимую возможность для большей остроты слуха. Степень плотности между ушами аналогична, поскольку именно она сама по себе формирует возможность изменения частоты. Таким образом, принимая во внимание физические свойства тела, символическая система является ненужной и бесполезной метафорой.

Роль тела в когнитивном процессе

Второй аспект во многом основан на работах Джорджа Лакоффа и Марка Джонсона над концепциями. Они утверждали, что люди используют метафоры всякий раз, когда это возможно, чтобы лучше объяснить свой внешний мир. У людей также есть базовый запас концепций, из которого могут быть выведены другие концепции. Эти основные понятия включают пространственные ориентации, такие как вверх, вниз, вперед и назад. Люди могут понять, что означают эти концепции, потому что они могут непосредственно ощутить их на своем собственном теле. Например, поскольку движение человека вращается вокруг стояния прямо и движения тела вверх-вниз, у людей врожденно есть эти представления о вверх и вниз. Лакофф и Джонсон утверждают, что это похоже и на другие пространственные ориентации, например, спереди и сзади. Как упоминалось ранее, эти базовые запасы пространственных концепций являются основой, на которой строятся другие концепции. Например, счастье и грусть теперь воспринимаются как вверх или вниз соответственно. Когда кто-то говорит, что ему грустно, на самом деле он говорит, например, что ему грустно. Таким образом, дело здесь в том, что истинное понимание этих концепций зависит от того, сможет ли человек понять человеческое тело. Таким образом, аргумент заключается в том, что если бы у человека не было человеческого тела, он не мог бы знать, что может означать верх или низ, или как это может относиться к эмоциональным состояниям.

[Я] представляю себе сферическое существо, живущее вне какого-либо гравитационного поля, не знающее и не воображающее какой-либо другой опыт. Что может означать UP для такого существа?

Хотя это не означает, что такие существа не способны выражать эмоции другими словами, это означает, что они будут выражать эмоции иначе, чем люди. Человеческие представления о счастье и печали будут разными, потому что у людей будут разные тела. Итак, тело организма напрямую влияет на то, как он может мыслить, поскольку в качестве основы понятий он использует метафоры, связанные с его телом.

Взаимодействие местной среды

Третий компонент воплощенного подхода рассматривает, как агенты используют свое непосредственное окружение в когнитивной обработке. Это означает, что местная среда рассматривается как фактическое продолжение когнитивного процесса организма. пример персонального цифрового помощника Чтобы лучше это представить, используется (КПК). Вторя функционализму (философии разума) , этот пункт утверждает, что ментальные состояния индивидуализированы в зависимости от их роли в гораздо более широкой системе. Таким образом, согласно этой предпосылке, информация на КПК аналогична информации, хранящейся в мозгу. Итак, если кто-то думает, что информация в мозгу представляет собой психические состояния, тогда из этого следует, что информация в КПК также является когнитивным состоянием. Рассмотрим также роль ручки и бумаги в сложной задаче на умножение. Ручка и бумага настолько вовлечены в когнитивный процесс решения проблемы, что кажется смешным говорить, что они чем-то отличаются от процесса, почти так же, как КПК используется для получения информации, как мозг. Другой пример исследует, как люди контролируют и манипулируют своей средой, чтобы лучше выполнять когнитивные задачи. Например, оставлять ключи от машины в знакомом месте, чтобы их не пропустили, или использовать ориентиры для навигации в незнакомом городе. Таким образом, люди включают аспекты окружающей среды, чтобы помочь им в когнитивном функционировании.

Примеры ценности воплощенного подхода

Ценность подхода воплощения в контексте когнитивной науки, пожалуй, выше всего. объяснил Энди Кларк . Он утверждает, что мозг сам по себе не должен быть единственным объектом научного изучения познания.

Становится все более очевидным, что в самых разных случаях отдельный мозг не должен быть единственным местом когнитивного научного интереса. Познание не является феноменом, который можно успешно изучать, маргинализируя роли тела, мира и действия.

Следующие примеры, использованные Кларком, лучше иллюстрируют, как становится очевидным воплощенное мышление. в научном мышлении.

Голубой тунец

Туннус , или тунец, долгое время сбивал с толку обычных биологов своими невероятными способностями быстро ускоряться и достигать огромных скоростей. Биологическое исследование тунца показывает, что он не способен на такие подвиги. Однако ответ можно найти, приняв во внимание телесное состояние тунца. Голубой тунец способен использовать преимущества своей местной среды обитания, находя естественные течения и увеличивая свою скорость. Тунец также использует для этой цели свое собственное физическое тело, используя хвостовой плавник для создания необходимых вихрей и давления, чтобы он мог ускоряться и поддерживать высокие скорости. Таким образом, синий тунец активно использует окружающую среду в своих целях посредством свойств своего физического тела.

Роботы

Кларк использует пример прыгающего робота, созданного Райбертом и Ходжинсом, чтобы дополнительно продемонстрировать ценность парадигмы воплощения. Эти роботы представляли собой вертикальные цилиндры с одной подпрыгивающей ногой. Задача управления поведением робота может быть сложной, поскольку помимо сложностей самой программы существовали также механические вопросы, касающиеся того, как должна быть устроена ступня, чтобы она могла прыгать. Воплощенный подход позволяет легче понять, что для того, чтобы этот робот функционировал, он должен иметь возможность использовать свою систему в полной мере. То есть системы робота следует рассматривать как обладающие динамическими характеристиками, в отличие от традиционного представления, что это просто командный центр, который просто выполняет действия.

Зрение

Кларк различает два вида зрения : одушевленное и чистое зрение. Чистое видение — это идея, которая обычно ассоциируется с классическим искусственным интеллектом , в котором видение используется для создания богатой модели мира, чтобы можно было использовать мысль и разум для полного исследования внутренней модели. Другими словами, чистое видение пассивно создает внешний воспринимаемый мир, чтобы способности разума можно было лучше использовать интроспективно. Анимированное зрение, напротив, рассматривает зрение как средство, с помощью которого может начаться действие в реальном времени. В таком случае живое зрение является скорее средством получения визуальной информации для выполнения действий. Кларк указывает на одушевленное видение как на пример воплощения, поскольку оно использует как биологические сигналы, так и сигналы местной среды для создания активного интеллектуального процесса. Рассмотрим пример Кларка, который пошел в аптеку за пленкой Kodak. На первый взгляд, каждый знаком с логотипом Kodak и его фирменным золотым цветом. Таким образом, человек использует поступающие визуальные стимулы, чтобы перемещаться по аптеке, пока не найдет фильм. Таким образом, зрение следует рассматривать не как пассивную систему, а, скорее, как активное поисковое устройство, которое разумно использует сенсорную информацию и местные сигналы окружающей среды для выполнения конкретных действий в реальном мире.

доступность

Следующий пример , вдохновленный работой американского психолога Джеймса Дж. Гибсона , подчеркивает важность сенсорной информации, связанной с действием, движений тела и сигналов местной среды. Эти три концепции объединены концепцией возможностей, которые представляют собой возможности действия, предоставляемые физическим миром данному агенту. Они, в свою очередь, определяются физическим телом агента, способностями, а также общими свойствами локальной среды, связанными с действием. Кларк использует пример аутфилдера в бейсболе, чтобы лучше проиллюстрировать концепцию доступности. Традиционные вычислительные модели утверждают, что аутфилдер, пытающийся поймать флайбол, может быть рассчитан с помощью таких переменных, как скорость бега аутфилдера и дуга бейсбольного мяча. Однако работа Гибсона показывает, что возможен более простой метод. Аутфилдер может поймать мяч, если он регулирует скорость бега так, чтобы мяч постоянно двигался по прямой линии в его поле зрения. Обратите внимание, что эта стратегия использует различные возможности, которые зависят от успеха аутфилдера, включая его физический состав тела, окружающую среду на бейсбольном поле и сенсорную информацию, полученную аутфилдером.

Кларк отмечает здесь, что последняя стратегия ловли мяча, в отличие от первой, имеет значительные последствия для восприятия. Подход, основанный на предоставлении возможностей, оказывается нелинейным, поскольку он основан на спонтанных корректировках в реальном времени. Напротив, первый метод расчета дуги мяча является линейным, поскольку следует последовательности восприятия, расчета и выполнения действий. Таким образом, аффордансный подход бросает вызов традиционному взгляду на восприятие, выступая против представления о необходимости вычислений и самоанализа. Вместо этого ее следует заменить идеей о том, что восприятие представляет собой постоянное равновесие корректировки действий между агентом и миром. В конечном счете, Кларк не утверждает прямо, что это несомненно, но он отмечает, что подход, основанный на предоставлении возможностей, может удовлетворительно объяснить адаптивную реакцию. Это связано с тем, что они используют сигналы окружающей среды, которые становятся возможными благодаря перцептивной информации, которая активно используется агентом в режиме реального времени.

Общие принципы разумного поведения

Формируя общие принципы разумного поведения, Пфайфер намеревался противоречить старым принципам, заложенным в традиционном искусственном интеллекте. Самое существенное отличие состоит в том, что эти принципы применимы только к роботам-агентам, расположенным в реальном мире — области, где традиционный искусственный интеллект показал наименьшее количество перспектив.

Принцип дешевого проектирования и избыточности : Пфайфер понял, что неявные предположения, сделанные инженерами, часто существенно влияют на сложность архитектуры управления. Это понимание отражено в дискуссиях по проблеме масштабируемости в робототехнике. Внутренняя обработка, необходимая для некоторых плохих архитектур, может вырасти непропорционально новым задачам, необходимым для агента.

Одна из основных причин проблем масштабируемости заключается в том, что объем программирования и разработки знаний, которые приходится выполнять разработчикам роботов, очень быстро растет по мере усложнения задач робота. Появляется все больше свидетельств того, что предварительное программирование не может быть решением проблемы масштабируемости... Проблема в том, что программисты вводят слишком много скрытых допущений в код робота.

Предлагаемые решения заключаются в том, чтобы агент использовал внутреннюю физику своей среды, ограничения своей ниши и имел морфологию агента, основанную на экономии и принципе избыточности. Избыточность отражает стремление к исправлению ошибок сигналов, обеспечиваемому дублированием одинаковых каналов. Кроме того, это отражает желание использовать ассоциации между сенсорными модальностями. (См. избыточные модальности ). С точки зрения дизайна это означает, что дублирование должно быть введено не только в отношении одной сенсорной модальности, но и в отношении нескольких. Было высказано предположение, что слияние и передача знаний между модальностями может быть основой уменьшения размера чувственных данных, получаемых из реального мира. Это снова решает проблему масштабируемости.

Принцип параллельных слабосвязанных процессов : альтернатива иерархическим методам выбора знаний и действий . Этот принцип проектирования наиболее существенно отличается от цикла «Чувствовать-думать-действовать» традиционного ИИ. Поскольку он не задействует этот знаменитый цикл, на него не влияет проблема с кадром .

Принцип сенсомоторной координации . В идеале внутренние механизмы агента должны порождать такие вещи, как память и процесс выбора, спонтанно, а не программироваться с самого начала. Подобные вещи могут возникать по мере взаимодействия агента с окружающей средой. Девиз: встраивайте меньше предположений в контроллер агента сейчас, чтобы обучение могло быть более надежным и своеобразным в будущем.

Принцип экологического баланса . Это скорее теория, чем принцип, но его последствия широко распространены. Его утверждение состоит в том, что внутреннюю обработку агента нельзя усложнить, если не произойдет соответствующего увеличения сложности моторов, конечностей и сенсоров агента. Другими словами, дополнительная сложность, добавленная к мозгу простого робота, не приведет к каким-либо заметным изменениям в его поведении. Морфология робота уже сама по себе должна содержать сложность, чтобы обеспечить достаточно «передышки» для дальнейшего развития внутренней обработки.

Принцип ценности : именно такая архитектура была разработана в роботе Дарвин III Джеральда Эдельмана . Он во многом опирается на коннекционизм .

Критические ответы

Традиционалистский ответ на требование местной окружающей среды

Традиционалист может утверждать, что объекты могут использоваться для помощи в когнитивных процессах, но это не означает, что они являются частью когнитивной системы. Очки используются для облегчения зрительного процесса, но сказать, что они являются частью более крупной системы, значит полностью по-новому определить, что подразумевается под зрительной системой. Однако сторонники воплощенного подхода могут утверждать, что если объекты в окружающей среде играют функциональную роль ментальных состояний, то сами объекты не следует причислять к ментальным состояниям.

Ларс Людвиг исследует расширение разума, дополнительно описывая его роль в технологиях. Он предлагает когнитивную теорию «расширенной искусственной памяти», которая представляет собой теоретическое обновление и расширение теории памяти Ричарда Семона .

См. также

• Аутопоэзис
• Робототехника, основанная на поведении
• Когнитивная наука
• Когнитивная нейробиология
• Кортикальный гомункул
• Воплощенное встроенное познание
• Воплощенная философия
• Двигательное познание
• Общая теория кодирования
• Лингвистика
• Нейрофеноменология
• Расположенное познание
• Сильный ИИ

Дальнейшее чтение

• Брайтенберг, Валентино (1986). Транспортные средства: эксперименты в синтетической психологии . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN   0-262-52112-1
• Брукс, Родни А. (1999). Кембрийский интеллект: ранняя история нового искусственного интеллекта . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN   0-262-52263-2
• Эдельман, Г. Шире неба (издательство Йельского университета, 2004 г.) ISBN   0-300-10229-1
• Фаулер К., Рубин П.Е., Ремез Р.Э. и Терви М.Т. (1980). Последствия для речевого производства общей теории действия. В Б. Баттерворте (ред.), Language Production, Vol. I: Речь и разговор (стр. 373–420). Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN   0-12-147501-8
• Леннеберг, Эрик Х. (1967). Биологические основы языка . Джон Уайли и сыновья. ISBN   0-471-52626-6
• Пфайфер Р. и Бонгард Дж. К. «Как тело формирует наше мышление: новый взгляд на интеллект» (MIT Press, 2007). ISBN   0-262-16239-3

Внешние ссылки

• Лекции по искусственному интеллекту из Токио, организованные Рольфом Пфайфером
• синтетическое нейронное моделирование в DARWIN IV
• Общество моделирования адаптивного поведения
• Платформа для создания воплощенных когнитивных агентов