使智能體具有像人類一樣的高等認知功能是實現人類水平人工智能的必由之路。思維揣測（Theory of Mind）是指個體理解自己與他人的心理狀態，包括意圖、期望、思考和信念等，并藉此信息預測和解釋他人行為的一種高等認知能力。面對未來的智能社會，機器人能夠通過自身經驗理解和揣測人類和其他智能體的思維，既將具有實用意義，又是重大科學挑戰。目前的人工智能模型并不具備真正意義的思維揣測/認知共情的能力。

中國科學院自動化研究所類腦智能研究中心曾毅團隊充分借鑒認知心理學、認知神經科學、神經影像學等學科在思維揣測領域的研究成果，融合思維揣測的多尺度神經基礎，所涉及的腦區、腦區功能及神經環路，以及可塑性原理，利用脈沖神經網絡構建并實現了類腦思維揣測脈沖神經網絡模型，實現了機器人的自我經驗學習，并利用自我經驗實現對他人信念的揣測，及根據他人信念預測他人的行為，使機器人可以通過錯誤信念任務，獲得初步的類腦思維揣測/認知共情的能力。相關工作近期發表在Frontiers in Neurorobotics上。

曾毅研究員介紹，思維揣測作為一種高級認知功能，其神經基礎和神經機制尚未徹底研究清楚，如何結合現有研究基礎，探索其機制，構建兼具生物合理性和計算可行性的類腦思維揣測理論模型是需要解決的關鍵問題。團隊借鑒已有的生物學發現，采用類生物神經元的脈沖神經元計算模型及具有生物合理性的可塑性計算模型對思維揣測所涉腦區進行認知功能建模，并詳細構建腦區間信息環路的連接結構，模擬了包括顳頂聯合區（TPJ, temporo-parietal junction），內側前額葉（mPFC, medial prefrontal cortex）在內的多個腦區及腦區間信息傳遞的通路，特別是額下回（IFG, inferior frontal gyrus）和顳頂聯合區（TPJ）的自我視角抑制、額下回（IFG）和腹內側前額葉（vmPFC, ventral medial prefrontal cortex）的自我信念抑制，如下圖所示。

文章的主要作者之一趙宇軒介紹，我們將模型部署到人形機器人上，通過“不透明-透明眼罩測試”來驗證模型的效果。“不透明-透明眼罩測試”是由Senju等人（Psychological Science, 2011）設計的一項用于測試18個月的嬰兒是否具備利用自身經驗推理他人信念能力的行為學實驗范式。機器人的“不透明-透明眼罩測試”包括訓練和測試部分。首先將機器人分為兩組，一組為“不透明眼罩組”，一組為“透明眼罩組”，不透明眼罩和透明眼罩外觀看起來是一樣的。不透明眼罩組的訓練部分如下圖a、b所示，首先將物體（如瓢蟲）放在兩個黑色矩形框的其中一個上，然后將不透明眼罩插入到機器人和物體之間，問機器人“瓢蟲在哪”，使機器人學習眼罩的特性。透明眼罩組的訓練部分類似，如下圖a、c所示，區別是將透明眼罩插入到機器人和物體之間，問機器人“瓢蟲在哪”，使機器人學習眼罩特性。趙宇軒介紹：測試過程如下圖所示，（a）中左側的藍色機器人是表演機器人，右側的紅色機器人是被試機器人，被試機器人需要推理表演機器人的信念，中間位置為被試機器人的視覺輸入；（b）將瓢蟲放在左側的黑色矩形框上；（c）將瓢蟲藏在黃色的盒子里；（d）將眼罩插入到表演者機器人（藍色機器人）和瓢蟲之間，并將物體移動到右側的黑色矩形框上；（e）將瓢蟲藏在綠色的盒子里；（f）將眼罩移開。最后問被試機器人（紅色機器人）兩個問題，問題一：“對藍色機器人來說，瓢蟲在哪里？”；問題二：“對你自己來說，瓢蟲在哪里？”。對于問題一，根據自身經驗的不同，“透明眼罩組”的紅色機器人和藍色機器人對物體位置的信念一致，紅色機器人會指向右側的盒子；“不透明眼罩組”的紅色機器人和藍色機器人對物體位置的信念不一致，紅色機器人會指向左側的盒子。對于問題二，“不透明眼罩組”和“透明眼罩組”的紅色機器人都會指向綠色的盒子。曾毅研究員介紹：“錯誤信念任務（False Belief Task）是驗證個體是否具備思維揣測/認知共情能力的經典心理學實驗。然而這項能力并非與生俱來，而是隨著發育的過程涌現出來的，兒童經過關鍵的發育期必須理解他人對物體位置的信念是同自己不同的，并據此預測他人的行為。抑制控制是思維揣測過程中的重要機制，我們認為在發育過程中，IFG和TPJ之間、IFG和vmPFC之間的連接逐漸成熟是能夠通過錯誤信念測試的生物和智能體自我視角抑制和自我信念抑制的神經基礎，因此我們通過不同的連接強度來驗證抑制控制對實驗結果的影響，如下圖所示，在錯誤信念實驗中，若IFG和TPJ之間的連接未成熟，紅色機器人無法抑制自我感知的信息，因而無法正確推理藍色機器人對物體位置的信念，導致任務失敗（下圖a，b）；若IFG和TPJ之間的連接成熟，但IFG和vmPFC之間的連接未成熟，雖然紅色機器人可以正確推理藍色機器人對物體位置的信念，但無法抑制自身對物體位置的信念，導致任務失敗（下圖c）；僅當IFG和TPJ，IFG和vmPFC之間的連接都成熟，紅色機器人可以抑制自我感知的信息和抑制自我信念，任務成功（下圖d）”。曾毅研究員說：“機器人通過自身經驗揣測其他智能體的行為在科學性和實用性上都是很有意義的。類腦思維揣測/認知共情這項認知功能的獲取是人工智能的類腦模型從感知模型的努力向社會認知模型的努力的一個典型例子。這首先需要智能體具有類腦自我感知的模型作為基礎。類腦自我感知模型是基于我們4年前發布的機器人通過鏡像測試的類腦脈沖神經網絡模型工作為基礎的”。他進一步介紹，“我們這項工作其實3年前已經基本完成了，之前希望發表在更高水平的期刊上。在此過程中還看到Google Deep Mind團隊發表了一個類似的工作，最開始乍一看他們的工作覺得有點沮喪，因為原以為我們的研究成果還在發表過程中，類似的工作就已發表出來了，而仔細看他們的工作，發現和我們的方法有本質的差別。Deep Mind的工作強調并不需要有個人視角和個人經驗就能實現思維揣測，而我們感到需要深刻反思的是，沒有個人視角和個人經驗，又怎么能算是真正認知科學和智能本質意義上的思維揣測/認知共情呢。相比Deep Mind的工作，我認為我們的工作具有更深刻的生物合理性、可解釋性，更使我們得到鼓舞的是，雖然這篇文章投稿近3年的時間，但是這期間并沒有真正在機制和計算模型上真正類似于我們這項工作的成果發表。雖然我們的工作仍然初步，但是扎實的研究成果一定要經得起時間的檢驗”。

針對未來的工作，曾毅研究員坦言：“機器人的類腦思維揣測算是我們課題組繼機器人通過類腦自我感知模型通過鏡像測試后的又一大膽嘗試，但是這仍然是萬里長征第一步，我們的計算模型還需要更多的思維揣測/認知共情心理學實驗去挑戰，使這個模型更完善、更扎實。我們正在嘗試突破更多的高級認知功能，希望這些努力能使我們向“結構機理類腦，認知功能類人”這一類腦人工智能的總體目標邁進，為突破通用智能的瓶頸奠定基礎”。

科普小貼士

錯誤信念任務（False Belief Task）是驗證個體是否具備思維揣測能力的經典心理學實驗，一項經典的錯誤信念任務“不透明-透明眼罩測試”（Senju et al., Psychological Science, 2011）可以用來驗證18個月的幼兒是否具備理解他人信念的能力：首先將幼兒分為兩組，一組戴不透明眼罩，一組帶透明眼罩，兩種眼罩外觀相同，但透明眼罩沒有厚厚的中間層，因此是可以透視的；然后是眼罩熟悉過程，分別給帶著眼罩的兩組幼兒呈現不同的玩具，并問幼兒“xxx玩具（玩具的名稱）在哪里”，經過一段時間后進行測試。測試時給幼兒放一段視頻，視頻中有一個演員、一個木偶，一個玩具和兩個可以藏東西的盒子，盒子顏色分別為紅色和綠色，視頻分為熟悉試次和測試試次。熟悉試次1：木偶將玩具藏到綠色盒子中，然后離開場景，演員到綠色盒子中尋找物體。熟悉試次2：木偶將玩具藏到紅色盒子中，然后離開場景，演員到紅色盒子中尋找物體。測試試次：木偶將玩具藏到綠色盒子中，演員戴上眼罩，木偶將玩具從綠色盒子中拿出來，然后帶著玩具離開場景，最后演員將眼罩摘掉，視頻停止，記錄幼兒的注視方向。實驗發現，不透明眼罩組的幼兒會首先看向綠色的盒子，表明他們希望演員在綠色的盒子中搜索，說明他們可以正確理解演員對玩具位置的錯誤信念，仍然在綠色盒子中；透明眼罩組沒有明顯偏差，這表明他們沒有將關于某個特定位置的信念歸因于演員，因為物體已經從場景中移除，演員（如果她看到了木偶的動作）應該沒有足夠的依據來選擇一個盒子而不是另一個盒子。

封面：Kouzou Sakai

論文鏈接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnbot.2020.00060/full

閱讀原文