第3章
人機(jī)物群智涌現(xiàn)機(jī)理

人機(jī)物融合群智計(jì)算探索人、機(jī)、物異構(gòu)智能體間的有機(jī)融合與協(xié)作，利用其感知能力的差異性、計(jì)算資源的互補(bǔ)性、節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作性和競(jìng)爭(zhēng)性，實(shí)現(xiàn)智能體個(gè)體技能和群體認(rèn)知能力的提升；因此發(fā)掘人、機(jī)、物群智能體協(xié)同涌現(xiàn)機(jī)理具有重要意義。本章將從群體智能涌現(xiàn)的基礎(chǔ)理論和映射模式等視角探索人機(jī)物群智協(xié)同機(jī)理，以幫助讀者理解“人機(jī)物群智協(xié)同”的內(nèi)涵。

有關(guān)群智協(xié)同機(jī)理的研究可以追溯到生物集群的群智涌現(xiàn)機(jī)理，涉及動(dòng)物以及細(xì)胞和人類等自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。這些研究不僅可以為我們提供“仿生學(xué)”智能體外在性狀的設(shè)計(jì)靈感，還能提供“輕量化”智能體內(nèi)在感知-計(jì)算-認(rèn)知-交互模式的設(shè)計(jì)借鑒。具體來(lái)說(shuō)，在仿生學(xué)方面，美國(guó)仿生學(xué)研究所（Biomimicry Institute）聯(lián)合創(chuàng)始人珍妮·本尤斯在1997年出版的《仿生學(xué)》一書中提出“仿生學(xué)就是在面對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)，找到已經(jīng)解決這一挑戰(zhàn)的生態(tài)系統(tǒng)，然后嘗試模仿”。例如，有研究者提出自然界中的“惡魔鐵錠甲蟲”層次較少的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)原理可用于設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)以增加韌度和強(qiáng)度。在輕量化方面，我們期望復(fù)雜的感知、計(jì)算和交互不依賴于大而精細(xì)的大腦，也可以在小尺度范圍內(nèi)利用更少人工神經(jīng)元在小型設(shè)備（如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車）上實(shí)現(xiàn)。例如，人類大腦的神經(jīng)元數(shù)量幾乎是蜜蜂大腦神經(jīng)元數(shù)量的十萬(wàn)倍，較大的頭腦增加了我們的記憶容量、提高了我們的認(rèn)知水平，然而蜜蜂僅可以通過“少量的”的信息建立起信號(hào)之間的聯(lián)系，因此這也非常適合一些設(shè)備資源受限的分布式多智能體場(chǎng)景（例如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車）。自然界中體積很小的熊蜂能夠處理復(fù)雜路由問題，通過借鑒此機(jī)理，加載小型處理器的機(jī)器人也能完成復(fù)雜導(dǎo)航。更進(jìn)一步，同時(shí)融合熊蜂和魚的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究人員或許能研發(fā)出更加靈巧甚至具有更高飛行或游泳能力的機(jī)器人。

在宏觀的動(dòng)物群體中，每個(gè)個(gè)體是一個(gè)能力有限的生命體，但是個(gè)體依照簡(jiǎn)單的行為規(guī)則就可以產(chǎn)生復(fù)雜的群體運(yùn)動(dòng)行為。Reynolds等人[1]是研究生物群智涌現(xiàn)行為的先行者，其總結(jié)出三條生物集群行為的涌現(xiàn)規(guī)則：凝聚、分離和對(duì)齊（參見3.1.1節(jié)）。鳥群、魚群等生物群體中的個(gè)體按此規(guī)則行動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)群集行為。換句話說(shuō)，群體可以依據(jù)局部個(gè)體觀察形成局部意識(shí)，并據(jù)此對(duì)局部行為進(jìn)行調(diào)整，從而產(chǎn)生群體運(yùn)動(dòng)行為。比如，魚群中每個(gè)個(gè)體通過觀察臨近區(qū)域個(gè)體的位置、方向、速度、運(yùn)動(dòng)和密度等變化，相適應(yīng)地調(diào)整自身行為，進(jìn)而在宏觀層面呈現(xiàn)出整個(gè)魚群的行為變遷[2]。在微觀的細(xì)胞群體中，單個(gè)細(xì)胞沒有獨(dú)立功能，無(wú)法獨(dú)立生存，它們通過更強(qiáng)的自組織性、自適應(yīng)性和局部交互形成具有特定模式的形狀或完成特定功能[3]。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，海量的人類群體智能與機(jī)器智能相互賦能增效，形成人機(jī)融合的“群智空間”，以充分展現(xiàn)群體眾包智能[4]。例如基于群體開發(fā)的開源軟件、基于眾問眾答的知識(shí)共享、基于群體編輯的維基百科等。

受生物集群群智涌現(xiàn)機(jī)理的啟發(fā)，人工集群（如集群機(jī)器人）智能以及人機(jī)共融智能已經(jīng)有多方面的探索性研究。例如，2019年Li等人[5]在《自然》雜志上發(fā)表論文并提出粒子機(jī)器人，這種機(jī)器人能夠模擬微觀生物細(xì)胞集群的遷移，從而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物體及向光移動(dòng)等行為；筆者在文獻(xiàn)[6]中提出“人機(jī)共融智能”的概念，利用人類智能和機(jī)器智能的差異性和互補(bǔ)性，通過個(gè)體智能融合、群體智能融合、智能共同演進(jìn)等實(shí)現(xiàn)人類與機(jī)器智能的共融共生，完成復(fù)雜的感知和計(jì)算任務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工集群智能將不會(huì)局限在當(dāng)前的同類群體協(xié)同（如人類、動(dòng)物、機(jī)器），人、機(jī)、物異構(gòu)群智能體協(xié)同增強(qiáng)將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。本章將首先分析和闡述生物集群中所蘊(yùn)含的豐富群體智能的涌現(xiàn)機(jī)理（3.1節(jié)），進(jìn)而發(fā)掘?qū)⑸锶褐菣C(jī)理映射到人工集群系統(tǒng)的主要模式（3.2節(jié)），最后針對(duì)人、機(jī)、物異構(gòu)群智能體協(xié)同探討新一代人機(jī)物融合群智涌現(xiàn)機(jī)理（3.3節(jié)）。