机器意识：人工智能如何为机器人装上大脑

本书涵盖许多无论是在理论还是在实践中都非常有趣的话题。书中介绍了包括控制范式、导航、软件、多机器人系统、群体机器人、社会角色中的机器人以及机器人中的人工意识。阐述了几个宽泛的主题，如人工智能理论与应用、拟人化、化身与情境、将心理学和动物行为理论扩展到机器人的理论以及未来的人工智能的新定义。

前　　言
致　　谢
第一部分　理论
第1章　然后有了移动机器人 3
11　早期的先驱和Shakey诞生前的故事 3
111　Walter的海龟 10
112　Shakey和Stanford Cart 14
12　现代移动机器人 16
13　文化和社会影响 26
131　科幻小说、娱乐业、医学外科和军事 28
132　机器人会对人类构成威胁吗 36
小结 38
注释 39
练习 40
第2章　具身人工智能与驯服食菌者的故事 41
21　从人工智能到机器人 41
22　机器人的人工智能 42
23　具身人工智能—自主智能体的形成 49
231　Toda的食菌者模型 49
232　自主AI智能体设计原则 52
24　拟人论—来自自然界的宝藏 58
241　源自符号学的概念—“UMWELT” 58
242　源自生态学的概念—视觉的独一无二性 62
243　源自心理学的概念—行为主义 66
244　人工动物—ANIMAT 70
25　评估性能—人工智能与工程学 98
26　路上的三个困难 101
261　完整性问题—规划是NP-hard 105
262　意义问题—符号接地问题 107
263　相关性问题—框架问题 111
小结 121
注释 121
练习 123
第3章　移动机器人的控制范式 125
31　控制范式 125
32　Braitenberg的4种车辆—工程行为 129
33　协商式方法 139
331　协商式方法的缺点 141
332　从动物到机器人 142
333　机器人和计算机从根本上是不同的 143
34　反应式方法 145
341　包容架构和新人工智能 148
342　运动图式 154
343　行动选择与竞标机制 158
35　对新人工智能的批判 162
351　新人工智能的问题 163
352　反应式方法的高级功能拓展 167
36　混合式架构 172
小结 177
注释 178
练习 181
第二部分　实现—如何制造机器人
第4章　机器人专家的工具 185
41　工具：导航和适应性 185
42　导航、路径规划和映射 189
421　A*和Bug算法 190
422　对于导航的考量 192
423　人工势场法 198
424　近似图法 204
425　三维导航 207
43　适应性与学习 209
小结 215
注释 216
练习 217
第5章　软件、仿真与控制 218
51　机器人软件 218
52　ROS简介 225
小结 244
注释 244
第三部分　机器人间交互与人机交互
第6章　机器人间交互、组和群体 247
61　多机器人系统 247
62　网络机器人 249
63　群体机器人 254
631　将智能体行为与群体行为联系起来 259
632　群体机器人的特征 261
633　群体机器人的技术指标 266
634　群体工程—新技术的展望 268
小结 280
注释 281
练习 282
第7章　人机交互与社交机器人 283
71　人机交互 283
72　社交机器人 288
73　应用 301
731　带有社交面孔的服务机器人 303
732　老年人护理机器人 305
733　陪伴机器人和机器人治疗 310
734　博物馆接待与向导机器人 320
735　功能性机器人，不只是聪明的机器 325
74　在日本，机器人正在创造历史 331
小结 335
注释 335
练习 336
第8章　跟随阿西莫夫的脚步并具有道德行为能力的机器人 337
81　优秀机器人的要求 337
82　道德与伦理 343
83　阿西莫夫三定律及其不足 355
84　机器人的伦理理论 365
841　道义论 367
842　效果论 368
843　道义论与效果论—电车难题 371
844　将伦理作为一个架构实现 378
845　美德伦理 389
85　社会变革和不久的将来 390
小结 399
注释 400
练习 402
第四部分　未来
第9章　探索有感知力的机器人 407
91　机器人能拥有意识吗 407
92　自我觉知、意识和自由意志 410
921　自我觉知 411
922　意识 413
923　自由意志 422
93　从机器到（近）人 423
94　半感知范式及其局限 430
95　记忆、冥想和内在世界 438
96　实验—COG、镜像认知以及三个智能机器人 440
961　源自反应体系结构 441
962　从交叉模式绑定说起 448
963　镜像认知 453
964　心理测量AI—知识游戏

从Walter的海龟机器人开始，技术已经发展了很长时间，我们现在能够为拥有ASIMO、 PR2、 NAO和Pepper这样先进的机器人而自豪。我对这个研究领域很有兴趣，这归功于我的学术背景，我曾经参与的各种开源机器人社区（Player/Stage、ROS、MORSE等），还有我的教学任务以及与学生一起进行的项目。最重要的是，我像孩子一样渴望制造机器人。我不能自拔地把过去十年学到的几乎所有东西都凑在一起，就像我们知道的那样，机器人技术和人工智能确实能改变我们的世界。在全书十章的内容里，我对各种各样的研究者进行了思考，如Braitenberg、Dennett、Brooks、Arkin、Murphy、Winfield、Vaughan、Dudek、Dorigo、Sahin、Bekey、Abney、Wendell、Takeno、Bringsjord和Anderson夫妇，这些让我印象深刻的人为我展现了通往正确道路的夺目光辉。除了这些学术上的影响和激励之外，科幻小说，特别是艾萨克阿西莫夫、Philip K. Dick、Arthur C. Clarke、Cory Doctorow、Peter Watts等人的作品，指引我去研究人工智能和机器人的各个方面以及它们对人类社会的影响，并帮助我在本书中阐述想法。
此外，我还受到了一系列电影的影响，这其中有标志性的描述机器人的电影如Wall-E、IRobot，以及经典电影如The Metropolis、Blade Runner和West World，还有最近的Interstellar、Real Steel、Robot and Frank、Big Hero 6和Ex-Machina。
本书致力于向读者介绍在过去四十年中基于智能体的机器人所取得的成就，以及使用易用的电子和开源工具实现这些概念的方法，也介绍了多机器人团队、群体机器人和人机交互，以及在机器人技术中开发人工意识方面做出的努力。最后一章通过超级人工智能和技术奇点的预言展望了人工智能和机器人技术的未来。
本书的旅程从古希腊神话开始，以一个关于未来预言的争论结束，即人类和技术将融合在一起以创造出高等生物作为我们进化途径上的继承人。从赫菲斯托斯、Philon、达芬奇、特斯拉、Walter、Toda、Moravec、Braitenberg、Brooks到库兹韦尔，本书采用了实例、图片、与专家一对一的访谈、图解、漫画等方式，内容生动活泼。
本书共涵盖如下七大主题。
1.人工智能与应用人工智能
任何学科的理论和实践总是有一定的差异，课堂教学的启发与实验室、工作室或工业中的实际应用本身就存在差异。这样的情况对于人工智能来说更多见。根据我的经验，这个问题常常被归结为是“学习人工智能”还是“制造机器人”。Russell、Norvig、Rich、Knight这些人工智能中的杰出范本实际上对构建机器人并没有多大帮助，你必须挖掘在线教程、YouTube视频等去学习如何建造机器人。机器学习也是如此，一篇文章可以为学生介绍神经网络，比如，Bishop可能是你了解这门学科的最好途径，但是要想构建一个神经网络，学生必须找到合适的C或Python库。理论和应用之间的桥梁（如图1所示）不仅距离遥远，而且要求人们具备不同的能力。需要补充的一点是，人工智能本身不足以制造机器人，由于机器人的特性，它还需要利用电子、机械设计、传感器设计和其他交叉学科的知识来实现。本书尝试缩短这个桥梁，并希望通过将概念与实际应用相互联系，让读者更容易跨越它。

图1　从人工智能到应用人工智能的桥梁。（对于初学者来说，这两个领域代表了两个不同的学科。本科生会发现很难看出人工智能学说的收敛性。例如，规划、搜索和知识表达是制造机器人的哲学基础和分析工具，但在初学者阶段，它简化为简单的编程脚本、传感器与电机的接口，这样更便于设计。因此，人工智能和机器人之间的相关性对年轻的爱好者来说可能不是很明显）
这些应用包括第2章和第3章中的设计简单的行为，第4章中的导航，以及多机器人系统和群集，其中许多补充了来自实际场景的示例、算法和软件介绍。导航的独特性在于它是一种基本行为，也是一种设计工具。第5章有几个关于硬件的例子，用来激发机器人爱好者的想象力和创造力。
2.协商与反应及关联性问题
这两种有关基于智能体的机器人技术的实现途径的争论是由Rodney Brooks在20世纪80年代中期进行开创性工作时引发的。然而，这种思想可以追溯到行为主义和现象学。行为主义是斯金纳通过19世纪90年代末巴甫洛夫、Thorndike的工作在20世纪50年代确立的一个心理学分支学科。Husserl、海德格尔和Merleau-Ponty在现象学领域的哲学发展帮助巩固了情境性概念与主体性概念。Walter、Toda和Braitenberg这三位大胆的科学家分别在20世纪40年代末、20世纪60年代中期和20世纪80年代初希望创造出人造生物，所以分别独立地将这些想法吸收到了机器人技术中。Walter在他的海龟模型中明确展示了行为设计，Toda提出了自主主体的第一个模型，而Braitenberg的理想实验表明，简单的主体可以带来非常先进的性能。这些独立的结论形成了基于行为的机器人的基本原理。
框架问题和关联性问题是机器人设计中固有的麻烦，这也构成了争论的核心。这个问题不能被根除，只能在基于行为的范式中完全避免，或者在PENGI这类软件中考虑把它处理到最小化。与此形成对比的是，我们人类可以“在运行中”“解决”框架问