唐华锦-仿脑GPS是基于神经科学的机器人定位与导航

在2017年5月21日的全球人工智能技术大会上，中国人工智能学会与中文信息学会联手，由亿欧承办，这场盛会于北京国家会议中心盛大开幕。紧接着的第二天上午，脑科学与人工智能分论坛如火如荼地展开了讨论。

四川大学的计算机学院教授唐华锦在论坛上分享了他的研究心得，演讲主题为“仿脑GPS：基于神经科学的机器人定位与导航”。让我们一同走进他的演讲世界，探寻其中的精彩内容。

唐教授表示非常荣幸能有机会与大家分享他的研究。在探讨如何从神经科学或脑科学走向人工智能这一话题时，他主要聚焦于机器人的智能。

所谓的仿脑GPS，是唐教授提出的一个设想，他认为在大脑内部存在一个类似于GPS的系统，这是基于神经科学的基础理论。他在四川大学的神经形态计算研究中心进行了广泛的研究，并在这个领域取得了显著的进展。

他从计算神经学的基础出发，探讨感知信息处理以及神经形态的智能硬件，如人工视网膜和人工听觉处理信息。在此基础上，他致力于构建大规模的认知计算网络，模拟基于脉冲的计算程序以实现复杂的计算任务。

唐教授认为，深度学习虽然目前备受关注，但如何从大脑的计算结构中建立更加高效、更加智能的计算网络是类脑计算的主要目标之一。他还致力于将这一理论硬件化，研发出类脑芯片和类脑软件。

智能机器人的载体是实现智能交互的重要工具，因此唐教授结合人工智能，探讨了智能机器人在类脑计算领域的应用。他欣喜地提到，在人工智能领域，神经形态计算已被视为下一代人工智能技术的关键之一。

唐教授强调，神经形态计算的研究从微观到宏观可以分为两个层面。在微观层面，他们探索神经电路和单个神经元的工作机制；在宏观层面，他们关注如何从底层电路和神经元之间的连接来实现高级智能。

机器人领域的发展经历了多个阶段，从注重规划控制的工业机器人，到注重移动和适应多种环境的特种机器人，再到现在的服务机器人，最终的目标是智能机器人。智能机器人需要拥有自我感知、理解和学习的能力。

为什么需要运用神经科学的方法来打造智能机器人呢？唐教授解释说，目前的机器人对空间环境的感知能力依赖于精确的世界模型和精确的传感器。人类在非精确传感器如视觉和听觉的帮助下，能够完成精确可靠、自适应的空间认知任务。神经认知机器人在信息获取处理到执行的过程中，依赖于脑科学中对空间感知的研究，尤其是海马体脑皮层神经回路的理解。

唐教授还介绍了动物导航的理论研究，包括不同动物如蜜蜂、鸽子和海豚的导航方式。他们关注哺乳动物如蝙蝠和老鼠的空间定位能力，并尝试将其应用于机器人的定位与导航。这场演讲为我们揭示了人工智能与神经科学的紧密交织，也展示了唐教授在这一领域的深入研究和独到见解。从解析大脑的认知计算机理出发，科学家们深入探讨了哺乳动物，如大鼠和蝙蝠的神经系统机制。这些生物具有几种特别的神经细胞，如位置细胞、网格细胞、边界细胞以及头方向细胞。它们协同工作，赋予生物对自身位置的精准感知能力。

以大鼠为例，其位置细胞在特定环境中会被激活，发出位置信号。而网格细胞则具有一种特殊的空间发放特性，呈现出六边形或网格状的发放模式。这些细胞的发放特性随着大鼠在环境中的移动而发生变化，形成了一种可靠的环性反应模式。科学家们通过观察这些神经元的发放特性，得以模拟出大脑中的路径积分过程。这种路径积分技术允许生物在视觉信息缺失的情况下，依然能够感知自己的位置和运动轨迹。

对于人类而言，虽然无法像研究大鼠那样直接解剖大脑以观察位置细胞的活动，但近年来的神经科学研究已经证实，人类大脑中也存在类似的细胞结构。这些细胞根据周围环境的图像来判定个体的位置，当个体移动到另一个位置时，负责那个位置的细胞就会被激活。这就是自我感知的一种方式。

在此基础上，科学家们进一步探索了认知地图的概念，并借鉴了类脑设备的思想，提出智能必须通过与物理世界的交互来实现。深度学习网络感知模型如HMAX也为空间感知的研究提供了新的思路。这些理论和技术共同构成了现代空间认知研究的基础。

在神经科学领域，对空间认知的研究已经取得了显著的进展。从发现位置细胞到揭示网格细胞的神秘面纱，再到理解这些细胞如何协同工作以构建空间的认知地图，科学家们已经走完了漫长而曲折的道路。这些发现不仅揭示了神经科学中的奥秘，也为人工智能领域带来了新的启示。基于这些生物学原理，科学家们正在尝试构建机器人的导航系统，模拟生物的大脑GPS系统。例如，通过模拟位置细胞和网格细胞的活动，机器人能够在复杂环境中实现准确的导航。科学家们还在探索如何将语义、知识空间与这些细胞的活动结合起来，以构建更加强大的人工智能系统。这是一个多学科共同努力的领域，需要我们从神经科学、计算机科学、数学等多个领域汲取知识，共同推动人工智能的发展。尽管还有许多问题尚未解决，但科学家们仍在不断深入研究这一领域，以期在未来为我们揭示更多关于大脑和人工智能的奥秘。今日人工智能在脑科学领域的应用仍然处于探索的初级阶段，如同我们对跳蜘蛛的认知一样，虽然它只有几毫米大小的大脑，却具备出色的空间处理能力和视觉精度。脑科学领域中蕴含着许多优秀的、尚未被挖掘的智能算法，等待着我们去学习和探索。

大脑的复杂性使得神经科学的应用极具挑战性，但正因如此，任何在此领域的突破和进展都会带来令人振奋的成就。我们诚邀各位对脑科学和人工智能充满热情的专家、学者以及有志之士加入我们的论坛，共同致力于这一充满无限可能的领域。

尽管人工智能已经在许多领域取得了显著进展，但在脑科学领域，我们的探索之路仍然漫长。让我们携手合作，共同推动这一领域的进步，为未来的科技发展贡献力量。在这个充满挑战与机遇的时代，你的每一份努力都将为人类的科技进步留下浓墨重彩的一笔。