人與機(jī)器人交互時(shí)代的社會(huì)認(rèn)知

人工智能的進(jìn)步使機(jī)器人擁有越來越強(qiáng)大的社交能力，這些機(jī)器人表達(dá)了我們對(duì)改善日常生活的希望。然而，我們的期望與社交機(jī)器人現(xiàn)實(shí)之間仍然存在嚴(yán)重的落差。對(duì)人機(jī)交互中神經(jīng)認(rèn)知機(jī)制的理解有利于優(yōu)化人機(jī)之間的社交接觸。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該領(lǐng)域必須結(jié)合人類神經(jīng)科學(xué)(包括便攜式神經(jīng)成像技術(shù))以探究長(zhǎng)期、具體的人機(jī)交互問題。發(fā)展社交機(jī)器人是未來的大趨勢(shì)，而人類神經(jīng)科學(xué)研究方式將幫助我們更友好地與社交機(jī)器人進(jìn)行交互和協(xié)作。

目前社交已被視為機(jī)器人領(lǐng)域目前面臨的十大挑戰(zhàn)之一[1]。為了促進(jìn)這一領(lǐng)域的進(jìn)展，豐富的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)文獻(xiàn)對(duì)人類社會(huì)行為提供了重要的見解[2]-[4]。

CellPress期刊近期發(fā)表的論文“Social Cognitionin the Age of Human–Robot Interaction”闡述，與機(jī)器人互動(dòng)時(shí)研究人的大腦將有助于更清晰、更深入地了解人機(jī)交互，從而為社交機(jī)器人的春天奠定基礎(chǔ)。關(guān)注這些交互作用的人為方面，包括考慮社會(huì)認(rèn)知，這有助于突出人類神經(jīng)科學(xué)在方法和理論上的最新進(jìn)展，可以促進(jìn)人與機(jī)器人流暢的交流。在考慮人機(jī)交互的神經(jīng)認(rèn)知機(jī)制時(shí)，我們建議關(guān)注社會(huì)認(rèn)知的表現(xiàn)形式，以及這些表現(xiàn)形式在與實(shí)際存在的機(jī)器人進(jìn)行持續(xù)交互過程中是如何變化的。此外，微創(chuàng)移動(dòng)神經(jīng)成像技術(shù)為加深對(duì)人機(jī)交互的人性方面的理解提供了特別的幫助。這些方法通過將社會(huì)維度整合到人與這些機(jī)器的交流中來加速人與機(jī)器人的交互研究，有助于推動(dòng)創(chuàng)造真正的社交機(jī)器人。

1、在與機(jī)器人交互過程中人類大腦成像的起源 

人們創(chuàng)造機(jī)械的起源可以追溯到上古時(shí)期，古希臘和中國古代的作家們發(fā)明了類人機(jī)器人來充當(dāng)充當(dāng)工人和仆人。在過去的一個(gè)世紀(jì)中，最能激發(fā)人類想象力（以及對(duì)研發(fā)投入）的自動(dòng)機(jī)類型是機(jī)器人。與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展同步的是人腦成像技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于增進(jìn)我們對(duì)支持人類社交行為的神經(jīng)認(rèn)知機(jī)制的理解至關(guān)重要。最近，人機(jī)交互和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域開始交叉，在與社交機(jī)器人交互過程中為社交認(rèn)知提供了新的視野，有開創(chuàng)性的研究調(diào)查了對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作觀察以及注意力等。這些研究展示了所涉及的大腦成像方式的多樣性以及早期人機(jī)交互研究中的技術(shù)進(jìn)步，并為這些交互作用的神經(jīng)認(rèn)知觀點(diǎn)提供了一個(gè)起點(diǎn)。

該領(lǐng)域的一項(xiàng)初步研究[5]探討了動(dòng)作觀察網(wǎng)絡(luò)（AON）的靈活性，得出的結(jié)論表明，該網(wǎng)絡(luò)的頂葉，運(yùn)動(dòng)前和中顳葉皮質(zhì)的部分對(duì)觀察人類抓握和操縱物體都有反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)得到了腦電圖（EEG）研究的證實(shí)，該研究表明無論是對(duì)機(jī)器人還是人類，其在感覺運(yùn)動(dòng)或AON區(qū)域都有抑制作用[6]。過去的腦成像研究表明，人類在觀察機(jī)器人[7]表達(dá)情感以及機(jī)器人與其他人的互動(dòng)時(shí)，確實(shí)表現(xiàn)出了人的感知網(wǎng)絡(luò)(PPN)的參與。當(dāng)觀察人類和機(jī)器人在模擬疼痛時(shí)，或試圖破譯機(jī)器人[2]的意圖時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)類似大腦的反應(yīng)，這種情況仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

2、最先進(jìn)的人類神經(jīng)科學(xué)方法研究人機(jī)交互 

在將人類神經(jīng)成像技術(shù)應(yīng)用于研究人類與機(jī)器人在接近自然的社會(huì)互動(dòng)環(huán)境中的互動(dòng)方面，人類神經(jīng)科學(xué)研究取得了重大進(jìn)展。這些研究不僅進(jìn)一步闡明了人類在感知和與機(jī)器人交互時(shí)社會(huì)認(rèn)知的適應(yīng)性和局限性，而且還闡明了機(jī)器人專家在研發(fā)越來越多的社交機(jī)器人時(shí)面臨(并將繼續(xù)面臨)的一些挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

最近的兩項(xiàng)功能性磁共振成像（FMRI）技術(shù)研究強(qiáng)調(diào)了將神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)結(jié)合起來，共同推進(jìn)社會(huì)認(rèn)知和社交機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。第一項(xiàng)研究為未來的社會(huì)神經(jīng)科學(xué)研究鋪平了道路，在測(cè)試大腦反應(yīng)的同時(shí)，將社會(huì)互動(dòng)與自主因素結(jié)合起來[8]；另一項(xiàng)研究考察了長(zhǎng)時(shí)間與一個(gè)手掌大小、愛玩耍的機(jī)器人科茲莫（Cozmo）進(jìn)行社交的程度，這些人觀察到同一個(gè)機(jī)器人“處于痛苦中”時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共鳴反應(yīng)。這項(xiàng)工作為研究與機(jī)器人的長(zhǎng)期互動(dòng)對(duì)社交神經(jīng)認(rèn)知過程的影響奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述，目前神經(jīng)科學(xué)對(duì)人機(jī)交互的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人是如何成為探測(cè)核心特征(動(dòng)作、情感、意圖)以及人類大腦中社會(huì)認(rèn)知處理有用工具。雖然已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但在現(xiàn)場(chǎng)捕捉和表征大腦反應(yīng)的方面，與機(jī)器人的持續(xù)互動(dòng)仍處于非常早期的階段。如后文所述，可能是未來探索和開發(fā)最富成果的領(lǐng)域之一。

我們應(yīng)該如何探索人機(jī)交互的神經(jīng)認(rèn)知現(xiàn)實(shí)? 在感知或與機(jī)器人互動(dòng)時(shí)，使用功能磁共振成像（FMRI）和腦電圖（EEG）測(cè)得的神經(jīng)反應(yīng)，在不同的大腦網(wǎng)絡(luò)中差異很大。一般來說，當(dāng)人們觀察社交機(jī)器人和其他人工智能體時(shí)，人類知覺網(wǎng)絡(luò)（PPN）內(nèi)的活動(dòng)不會(huì)減少，而思想理論網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的活動(dòng)會(huì)減少。除了神經(jīng)激活程度的差異外，未來在這一領(lǐng)域的研究將通過映射我們與機(jī)器人接觸時(shí)的社會(huì)認(rèn)知神經(jīng)表征并描述這些表征隨時(shí)間的變化。

許多研究人類如何感知機(jī)器人并與之交互的研究都集中在思想理論網(wǎng)絡(luò)和PPN上。然而，新的證據(jù)表明，當(dāng)我們與社交機(jī)器人互動(dòng)時(shí)，包括下頂葉在內(nèi)的其他大腦區(qū)域起著關(guān)鍵作用（圖1）。

為了確定機(jī)器人在我們的社會(huì)環(huán)境中可能占據(jù)的位置，我們需要測(cè)量與有生命的對(duì)象(如人類或?qū)櫸?以及物體(如電話)之間的(不)相似性。這些問題的答案不僅會(huì)促進(jìn)我們對(duì)人們?nèi)绾慰创�社交機(jī)器人發(fā)展的理解，而且還涉及到哲學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和法律，它們對(duì)整個(gè)社會(huì)都有重要的影響(如道德和倫理)。

3、了解與社交機(jī)器人的真實(shí)互動(dòng)

基于屏幕的實(shí)驗(yàn)、第三人稱觀察以及與機(jī)器人的一次性或短期互動(dòng)，已經(jīng)提供了與這些新型智能體接觸的社會(huì)認(rèn)知過程的關(guān)鍵見解。為了讓這個(gè)領(lǐng)域向前發(fā)展，未來的研究應(yīng)該研究在生態(tài)環(huán)境中與機(jī)器人的真實(shí)和長(zhǎng)期的互動(dòng)。這些研究將為探索人類大腦如何在現(xiàn)實(shí)世界中與這些物體進(jìn)行相互作用提供非常必要的依據(jù)。

總體而言，社會(huì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域仍然需要考慮第二個(gè)人在互動(dòng)中的重要性[9]。這個(gè)挑戰(zhàn)對(duì)于研究我們與社交機(jī)器人的互動(dòng)尤為重要。幸運(yùn)的是，已經(jīng)有數(shù)項(xiàng)研究開始關(guān)注機(jī)器人（或與之交互）的影響，這些影響涵蓋了更廣泛的機(jī)器人設(shè)計(jì)和形態(tài)[10][11]。通過整合從行為（例如，言語和眼睛注視）和生理學(xué)（例如，呼吸和神經(jīng)活動(dòng)）獲得的信息，開始探索人機(jī)交互的神經(jīng)認(rèn)知方面[12][13]。

在社會(huì)認(rèn)知的背景下，當(dāng)與機(jī)器人互動(dòng)時(shí)，需要考慮的是機(jī)器人的目標(biāo)群體，以及這些互動(dòng)的目的。社交機(jī)器人的兩個(gè)主要目標(biāo)人群是兒童和老年人，而神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)的參與者樣本主要是年輕人，并且往往偏向于社會(huì)的特定部分(例如，受過教育和較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位)。

4、移動(dòng)腦成像技術(shù)在人機(jī)交互研究中的應(yīng)用前景與誤區(qū)

移動(dòng)神經(jīng)成像技術(shù)的新發(fā)展為機(jī)器人如何在社會(huì)層面產(chǎn)生共鳴提供了必要的測(cè)試基礎(chǔ)。研究人機(jī)交互的一種有前景的技術(shù)是功能性近紅外光譜（fNIRS）。從最初建立人腦功能和相應(yīng)的光吸收之間的聯(lián)系以來，該技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展[14]。這種成像方式，就像功能磁共振成像一樣，利用近紅外光譜中生物組織（如皮膚和骨骼）的透明性，繪制了依賴于血氧水平的反應(yīng)圖[15]。激光二極管或發(fā)光二極管照射在頭部的光線穿過頭蓋骨，以香蕉形狀的曲線散射回來，最終被一個(gè)距離頭部約3厘米的探測(cè)器探測(cè)到。fNIRS的局限性與其相對(duì)較淺的穿透深度（到達(dá)大腦皮層外層）和相對(duì)較低的空間分辨率（2-3cm）和時(shí)間分辨率（高達(dá)10hz）有關(guān)。它比功能磁共振具有更低的空間分辨率和比腦電圖成像慢的時(shí)間分辨率，但具有成本低、便攜性好和相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

這些優(yōu)勢(shì)使移動(dòng)式和無障礙的神經(jīng)成像成為可能，因此fNIRS被認(rèn)為是進(jìn)行具體的人機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的最佳侯選，特別是對(duì)于代表性不足的群體，例如兒童，患者和老年人，他們通常無法參與數(shù)據(jù)采集。人機(jī)交互研究人員已經(jīng)將fNIRS作為構(gòu)建反饋回路以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或行為的工具，并將其作為對(duì)各種機(jī)器人系統(tǒng)的隱式響應(yīng)評(píng)估[16]-[18]。

從使用基于屏幕的社交機(jī)器人評(píng)估的實(shí)驗(yàn)，到使用fNIRS測(cè)量與實(shí)體機(jī)器人的無限制真實(shí)世界交互，應(yīng)該是一個(gè)漸進(jìn)的過程，逐步增加復(fù)雜性（圖2）。

在現(xiàn)實(shí)世界中，可以采用逐步的方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室之外的不受約束的人機(jī)交互。第一步是識(shí)別與社會(huì)認(rèn)知過程相關(guān)的大腦區(qū)域，如之前的發(fā)現(xiàn)；隨后，基于屏幕的研究探索了這些區(qū)域在觀察人人和人機(jī)交互過程中的參與情況；第三步是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中與機(jī)器人進(jìn)行相對(duì)不受約束的交互；最后一步是允許在日常環(huán)境(如學(xué)校和家庭)中與機(jī)器人進(jìn)行具體交互。每一步的結(jié)果都可以為下一步使用的方法和分析提供信息。

5、結(jié)束語

以神經(jīng)科學(xué)為基礎(chǔ)的人機(jī)交互在改變社交機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，同時(shí)也加深了我們對(duì)人腦的理解。除了在基于屏幕的實(shí)驗(yàn)中感知機(jī)器人外，最近的研究發(fā)現(xiàn)在與機(jī)器人的實(shí)時(shí)、具體交互中采用更復(fù)雜的分析方法，可以幫助我們對(duì)社會(huì)認(rèn)知的核心機(jī)制進(jìn)行更深入的了解�；�礎(chǔ)人類神經(jīng)科學(xué)研究的另一個(gè)好處是，它也將為下一代社交機(jī)器人的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供信息，這些機(jī)器人最終可能成為提供支持和護(hù)理的社交伙伴。然而，神經(jīng)科學(xué)對(duì)人機(jī)交互的貢獻(xiàn)僅十多年，目前還存在一些問題，例如：（1）人腦復(fù)雜的神經(jīng)機(jī)制如何支持我們與這些的奇怪機(jī)械同伴的互動(dòng)？（2）隨著機(jī)器人越來越深入地融入我們的社會(huì)生活，社會(huì)認(rèn)知的表現(xiàn)如何隨著時(shí)間的推移而改變？結(jié)合人類神經(jīng)科學(xué)和社交機(jī)器人學(xué)的未來研究成果，將為未來與在社會(huì)層面和我們產(chǎn)生共鳴的自主機(jī)器人一起生活做好準(zhǔn)備。