1、情感机器人可行性研究报告情感机器人可行性研究报告一、前言目前的计算机从原理上讲主要是基于逻辑推理式系统，根本不存在情感能力，人工智能也只是逻辑推理能力的体现。让计算机和机器人具有人类式的情感，是许多科学家的梦想。与人工智能技术的高度发展相比，人工情感技术所取得的进展却是微乎其微，情感始终是横跨在人脑与电脑之间无法愈越的鸿沟。很长时间内，情感机器人只能是科幻小说中的重要素材，很少纳入科学家们的研究课题之中。然而，科学的发展没有禁区，世界上也没有不能认识的事物。既然我们能够实现一般思维的数字化，必然可以实现情感的数字化；既然能够实施人工智能，就必然能够实施人工情感；既然能够制作智能机器人，就必然能
2、够制作情感机器人。这显然只是个时间问题，而绝对不是可能与不可能、现实与不现实的问题。二、情感机器人产生的历史必然性人类社会经历了第一次浪潮（农业革命）和第二次浪潮（工业革命）之后，正在展开声势浩大的第三次浪潮信息革命。信息革命主要包括信息生产和信息处理两个方面。在信息革命时期，科学技术各学科专业的迅速分化和社会生产各行业分工的日趋细化，各种科学技术的大量产生，形成了“信息爆炸”的局面，信息处理方面的发展水平逐步成为信息革命发展的瓶颈，社会在信息处理方面一旦取得重要成果往往会引发和促进整个人类社会在经济、政治和文化领域的深刻变革，因此计算机技术的发展水平可以看作是信息革命浪潮的中心线索，人工智能
3、（包括人工情感）的发展水平又可以看作是计算机发展的核心内容。1、科学技术发展的迫切需要。今天，科学技术正在步步逼近自然界的各种“极限”，目前超高温、超低温、超真空、超导、超强磁场、彻底失重等研究已经取得了很大进展。工业革命有力地促进了各独立学科的专业化发展，信息革命促进了各学科朝着综合性、交叉性、极限性、特异性、精确性的方向发展。尽管如此，科学技术对于人脑自身的研究却举步维艰，虽然人们在生命科学（如生物技术、遗传工程等）上不断取得进展，并在物理层次和生理层次上对于人脑内部结构的认识也不断深入，但是，对于人脑各组成部分的功能特性及其逻辑关系的认识却始终是模糊的。目前，计算机科学的发展经历了算术运
4、算、数学运算、逻辑推理、专家系统和模式识别等五个发展阶段，在人工智能的认知领域已经取得了显著的成果，但在人工智能的情感领域却收获甚微。情感是人类智能的重要组成部分，也是生命科学的重要组成部分，没有情感的智能是残缺不全的，不解决“人工情感”的理论问题，生命科学中的许多理论问题将无法解决。人工情感又是一门高度综合性的科学，广泛涉及哲学、生理学、心理学、生物学、思维科学、社会学、计算机、医学等多门学科，情感理论的发展状态将会对这些学科的发展状态产生重要的影响，情感理论的发展如果受到制约，必然会对其它学科的发展产生严重的制约。2、计算机应用扩展的迫切需要。虽然计算机在人工智能方面已经取得了突出的成就，
5、能够在算术运算、数学运算、逻辑推理、专家系统和模式识别等方面出色地完成人所赋予的许多工作任务。然而，这远远不够，人们期待着计算机在替代、帮助、补偿和强化人类劳动的众多方面应该有更多、更好的作为。目前，计算机的应用扩展迫切需要解决三个方面的的问题：一是要建立和谐而自然的人机界面。如今人类生活已经无法离开计算机了，在计算机不断升级的同时，人与计算机之间的交互方式却没有什么明显的改变，基本上是借助于键盘、鼠标等被动式的中介手段，计算机无法理解和适应人的情绪或心境。人们相互之间的沟通与交流是自然而富有感情的，计算机如果没有情感能力，就很难指望它具有类似人一样的高层次智能，也很难期望人机交互真正实现和谐
6、与自然。二是要进一步提高计算机自身运行的速度和效率。大家都知道，一方面计算机对于一些非常复杂而繁琐的问题能够轻松而快速地解决，其运转速度、记忆容量和计算准确率等是任何人都无法跟它相比的，另一方面对于一些非常简单而直观的常识性问题却无所作为，智力远不如一个三岁儿童，这主要是因为人脑能够在情感的引导下，按照某些“价值特性参量”（如重要性、紧迫性、倾向性、经验性和关联性等）来生产、筛选、组织和使用信息，从而可以简化过程，节约资源，加快速度，减少差错。由此可见，人工情感有一个非常重要而往往容易被人们所忽略的作用，那就是提高计算机自身资源的效率和速度。三是要使计算机的运行具有更多的自主性和创造性。目前的
7、智能机器人都是在人的严格控制之下，在特定的时间和特定的顺序完成所有规定的程序或动作，没有任何自主性和创造性。情感的赋予就能够使机器人具有与人类完全一样的行为灵活性、决策自主性和思维创造性。3、社会生产力发展的迫切需要。人类进入信息社会后，信息的“爆炸”使社会生产力出现了突飞猛进的发展，同时信息的传播速度、处理速度、运算正确率、存贮容量、检索速度等越来越赶不上社会生产力的发展需要，从而使信息处理手段的发展水平逐渐成为社会生产力持续快速发展的决定性因素。目前计算机的人工智能水平已经达到了一个空前的高度，许多方面已经大大超过了人脑的智能水平，可供进一步发展的空间已经越来越狭小，人们急需寻找一个新的突
8、破口，来实现人工智能的又一次历史性飞跃，以满足社会生产力对于信息处理手段不断增长的需要。显然，发展人工情感是实现人工智能水平质的飞跃的重要途径，也是社会生产力形成新的跨跃的重要途径。总之，计算机的出现揭开了人类社会第三次伟大浪潮信息革命的序幕，情感机器人的出现将把这次伟大浪潮推向一个全新的发展阶段。在未来几十年，情感机器人或情感电脑也必将成为一个具有勃勃生机的朝阳产业，具有极为巨大的市场前景。三、情感机器人的理论来源及根本缺陷情感机器人就是赋予了人类式情感的机器人，使之具有表达、识别和理解喜乐哀怒的能力。关于情感机器人的理论就是“人工情感”理论，它有几种不同的表述方式：情感计算（Affecti
9、ve Computing）、人工心理（Artificail Psychology）和感性工学（Kansei Engineering）等。1、情感计算。情感计算的概念是在1997年由MIT媒体实验室Picard教授提出，她指出情感计算是与情感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算。中国科学院自动化研究所的胡包刚等人也通过自己的研究，提出了对情感计算的定义“情感计算的目的是通过赋予计算机识别、理解、表达和适应人的情感的能力来建立和谐人机环境，并使计算机具有更高的、全面的智能”。 2、人工心理。人工心理理论是由中国北京科技大学教授、中国人工智能学会人工心理与人工情感专业委员会主任王志良教授提出的
10、。他指出，人工心理就是利用信息科学的手段，对人的心理活动（着重是人的情感、意志、性格、创造）的更全面内容的再一次人工机器（计算机、模型算法等）模拟，其目的在于从心理学广义层次上研究人工情感、情绪与认知、动机与情绪的人工机器实现的问题。3、感性工学。日本从上世纪九十年代就开始了感性工学（Kansei Engineering）的研究。所谓感性工学就是将感性与工程结合起来的技术，是在感性科学的基础上，通过分析人类的感性，把人的感性需要加入到商品设计、制造中去，它是一门从工程学的角度实现能给人类带来喜悦和满足的商品制造的技术科学。情感机器人的这三种理论有一个根本缺陷，都是从心理学层面上理解情感，不了解
11、情感的哲学本质，没有建立科学的情感数学模型。四、情感机器人发展的理论障碍人工情感包括三个方面：情感识别、情感表达与情感理解（或情感思维）。目前，世界各国的科学家在情感识别与情感表达两个方面所取得的成果非常显著，但在情感理解或情感思维方面却收获甚微。其根本原因在于，到目前为止，没有一个科学家能够真正了解情感的哲学本质及客观目的是什么，没有创立一个全新的、科学的、数学化的情感理论，没有建立一个真正的情感数学模型。目前的人工智能实际上只是人工认知，它是狭义的人工智能。知、情、意是人类三种基本的思维形式，那么广义的人工智能应该包括人工认知、人工情感和人工意志三个方面，因此要想由狭义的人工智能朝向广义的
12、人工智能发展，就必须首先解决一系列有关情感的基本理论问题：什么是情感？情感的客观目的是什么？认知与情感到底有何区别？等等，而这些深层次的理论问题是当今的哲学、思维科学、生命科学和心理学等没能真正解决的。计算机的人工智能水平在经历了一段时间的突飞猛进之后，如今已经接近了它的理论上的发展极限，显然，不解决上述深层次的、哲学层面上的理论问题，不解决“人工智能”、“人工情感”和“情感计算”理论所存在的一系列严重的危机与哲学错误，要想研究真正意义的情感机器人是绝对不可能的。目前的人工情感理论存在三个方面的严重缺陷：1、不了解情感的哲学本质。情感是人类的一种主观意识，它必然是人脑对于某一种客观存在的主观反
13、映，这种客观存在就是“价值”（或利益），情感与价值的关系就是主观与客观的关系，因此情感的哲学本质就是人脑对于事物价值特性的一种主观反映，情感的思维实际上就是人脑对于“价值”的思维，对于情感的计算实际上就是对于价值的计算。而目前所有人工情感的研究者们都不知道这一点，他们总是试图通过测量和计算情感产生过程的各种生理指标（如心率、血压、脑电波、呼吸、瞳孔直径、激素分泌、血液成份等）的变化数据来确定情感强度的变化情况，来研究情感的变化规律，其结果必然是：“在主观范围内绕圈子，在表面形式上打循环”。事实上，情感的感受强度、表达强度和生理唤醒指标等三个方面只是反映了情感在感受、作用和表达过程中所体现的生理
14、指标，都属于情感的主观表现形式，而不是情感所反映的客观内容。情感所反映的客观内容就是主体所拥有的价值关系或利益关系及其变化，对于情感表现形式所激发的生理指标的计算，只能反映情感的表面形式，而不能反映情感的客观内容，只有对情感所反映的客观内容价值关系进行计算，才能客观地、准确地、全面地反映情感运行的真实状态。情感是人脑对于事物价值特征的主观反映，其客观目的在于引导人更好地识别价值、消费价值、创造价值和表达价值，因此情感的识别实际上就是价值的识别，情感的表达实际上就是价值的表达，情感的计算实际上就是价值的计算。2、不了解情感的主要功能。目前的人工情感研究者们只知道情感的功能作用在于使人或机器更具有
15、“人情味”、更友好、更容易形成自然而亲切的人与机交互，营造真正和谐的人机环境。事实是，情感的功能远非如此！情感除了帮助建立机器人的人性化界面，还能够有效地提高思维的效率与速度，而且，情感还有一个更重要的功能，那就是：情感是人的行为灵活性、决策自主性和思维创造性的根本来源。智能机器人主要的缺陷在于：只能按照人预先编制的程序进行动作，不能自主地确立和调整价值目标，不能创造性地制订和修改总体规划及行为方案，不能总结经验和吸取教训。智能机器人一旦具有了情感，就能够以“达到既定的意志目标”为行为方向，以内设的“价值观系统（或情感系统）、认知系统和意志系统”为价值计算依据，以“实现最大价值率”为行为准则，
16、建立一系列价值计算的函数关系式或约束方程式，再根据机器人所处的自然环境和人文社会环境确定若干个边界条件，选定情感和意志的动力特性参数，就可以主动地、创造性地调整“整体规划、行为方案和具体动作”，然后对行为的最终结果进行价值评价，以便及时地修正价值观系统（或情感系统）、认知系统和意志系统，达到总结经验和吸取教训的目的。3、不了解情感的内在逻辑程序。目前，人工情感的研究者们完全不了解情感运行的内在逻辑程序，只知道人在进行情感反应时各种生理指标的变化数据。事实上，人在进行情感表达、情感识别和情感思维过程中，遵循着特定的逻辑程序。情感表达的逻辑程序大致是：人通过感觉器官接收刺激信号，大脑就会把以前存储
17、在“价值观系统”中该事物的“主观价值率”提取出来，与自身的“中值价值率”进行比较、判断和计算。当前者大于后者时，就会在大脑中的边缘系统（该组织决定着情感的正负）的“奖励区域”产生正向的情感反映（如满意、自豪）；当前者小于后者时，就会在大脑中的边缘系统的“惩罚区域”产生负向的情感反映（如失望、惭愧）。大脑然后对价值的目标指向、变化方式、变化时态、对方的利益相关性等进行判断，从而确定和选择情感表达的基本模式。此外，情感识别、情感计算与情感调控也遵循着特定的逻辑程序。如果不了解情感运行的内在逻辑程序，就不可能研制出真正意义的情感机器人。4、不了解情感的数学模型。目前的心理学没有建立任何的情感数学模型
18、，也不知道情感的数学变化规律。显然，要实现情感的数字化，就必须首先建立情感的数学模型。事实上，人的情感可以通过情感矩阵来进行描述，并可以进行情感的交集运算与并集运算，情感强度的变化有着特定的数学规律。情感是人脑对于事物价值特性的主观反映，虽然，事物的“价值率高差”在根本上决定着人的情感强度，但在一般情况下，情感的强度并不与事物的价值率高差成正比，而是一种特殊的指数函数关系。正是上述的理论障碍，在根本上决定了情感机器人的发展局限性。目前，各国所声称拥有情感的机器人，最多只能模拟人的某些情感表达方式，并进行一些简单的情感识别，不可能具有真正意义上的内在情感思维。五、情感机器人的理论框架情感的产生与
19、运行是一个非常复杂的过程，情感机器人的研发必须建立在科学的情感理论的基础之上，才是现实的，没有一个全新的科学的情感理论作指导，要研发真正意义上的情感机器人是不可能的。这种全新的情感理论必须突破心理学的局限，也必须突破社会科学的局限，成为一门独立的、横跨自然科学与社会科学的交叉性科学理论，其根本目的在于：情感数字化。这种全新的情感理论就是“数理情感学”，它以“统一价值论”为理论前提，采用数理逻辑方法分析情感现象与情感规律的科学。归纳起来，“统一价值论”与“数理情感学”主要通过如下步骤共同完成情感机器人的理论框架。1、实现所有不同价值的统一度量。改造物理学的“耗散结构论”，从物理学角度定义“价值”
20、概念（即广义有序化能量），使价值理论建立在自然科学的基础之上；实现生活资料使用价值的统一度量；然后，实现劳动价值的统一度量；实现生产资料使用价值的统一度量。这样一来，所有价值都有着统一、明确而稳定的度量标准或度量尺度：能量尺度（焦耳）。2、推导出“广义价值规律”。由“最大有序化法则”推导出“最大价值率法则”（价值率就是单位时间内产出价值与投入价值的比值，在经济领域，价值率就是利润率）；由“最大价值率法则” 推导出“选择倾向性法则”或“中值价值率法则”；由“中值价值率法则” 推导出“广义价值规律”。广义价值规律的基本内涵就是：事物的价值率不断趋近于主体的中值价值率。或者说，事物的价值率高差（即事
21、物的价值率与主体的中值价值率之差）不断趋于零。3、揭示认知、情感与意志的哲学本质及相互关系。知（认知）、情（情感）、意（意志）是人类心理活动的三种基本形式，分别是对事实关系、价值关系和自身行为关系的一种主观反映；价值关系是一种特殊的事实关系，自身行为关系是一种特殊的价值关系，因此，情感是一种特殊的认知，意志又是一种特殊的情感；认知主要是关于“是如何”的认识，情感主要是关于“应如何”的认识，意志主要是关于“怎么办”的认识；情感以认知为基础，认知以情感为导向，意志以情感为基础，情感以意志为导向。4、建立情感的数学模型。情感与价值观的哲学本质都是“人脑对于事物价值特性的一种主观反映”，其中，情感是对
22、事物价值特性的间接性和相对性反映，而价值观是对事物价值特性的直接性和绝对性反映；价值观的客观目的在于识别“事物的价值率”，可以采用所有不同事物的价值率所组成的数学矩阵来描述一个人的价值观系统（即ijmn）；情感的客观目的在于识别“事物的价值率高差”，可以采用所有不同事物的价值率高差所组成的数学矩阵来描述一个人的情感系统（即ijmn）；情感矩阵与相应的作用系数矩阵一起，可以进行交集运算与并集运算；情感系统中的每个情感元素又可以由若干个情感子元素所组成的情感矩阵来构成，从而构成二维和多维的情感矩阵。5、建立意志的数学模型。意志的哲学本质都是“人脑对于自身行为价值特性的一种主观反映”；意志的客观目的
23、在于识别和处理“自身行为的价值率”，可以采用所有不同行为方式的价值率高差所组成的数学矩阵来描述一个人的意志系统（即xijmn）；意志矩阵与相应的作用系数矩阵一起，可以进行交集运算与并集运算；意志系统中的每个意志元素又可以由若干个意志子元素所组成的意志矩阵来构成，从而构成二维和多维的意志矩阵，即超复杂行为的意志由若干复杂行为的意志矩阵所组成，复杂行为的意志又由若干简单行为的意志矩阵所组成，简单行为的意志由若干本能行为的意志矩阵所组成。6、阐述情感运行的内在逻辑程序。情感表达的逻辑程序大致是：接收事物的刺激信号，提取该事物的价值观，比较人自身的中值价值率，确定情感的强度与方向，选择情感表达模式，接
24、收和处理情感表达所产生的反馈信号；情感识别的逻辑程序大致是：接收事物的刺激信号，检测和提取特征参数，比较情感模式，产生情感反映，存储情感信息到情感矩阵之中；情感计算的逻辑程序大致是：将事物的价值率高差“对数转换”为情感强度，对情感强度进行交集、并集运算，产生新的情感强度，将情感强度“指数还原”为新事物的价值率高差；情感修正的逻辑程序大致是：人通过感觉与思维，了解到某事物的实际价值率高差，与大脑中情感矩阵所记忆该事物的主观价值率高差，存在一定的差异，人就会修正对于该事物的情感强度。7、阐述意志运行的内在逻辑程序。意志表达（即行为实施）的逻辑程序大致是：接收某种价值目标事物的刺激信号，提取能够最有
25、效实现该价值目标的多种相关行为的主观价值率（即行为价值观），比较自身的中值价值率，确定多种相关行为的意志强度与意志方向，选取具有最大意志强度的相关行为，并组织实施该相关行为。意志计算（即行为设计）的逻辑程序大致是：确立价值目标（根据自身生存与发展的需要），设计整体方案（按照最大价值率法则，把超复杂行为分解为若干个复杂行为，并通过意志的并集运算与交集运算，计算出该超复杂行为的意志强度），制定实施细则（按照最大价值率法则，把复杂行为分解为若干个简单行为，并通过意志的并集运算与交集运算，计算出该复杂行为的意志强度），落实具体行为（按照最大价值率法则，把简单行为分解为若干个本能行为，并通过意志的并集运
26、算与交集运算，计算出该简单行为的意志强度），将上述各个层次的意志强度“指数还原”为相应的行为价值率高差。意志修正的逻辑程序大致是：人通过感觉与思维，了解到某行为的实际价值率高差，与大脑中意志矩阵所记忆该行为的主观价值率高差，存在一定的差异，人就会修正对于该事物的意志强度。8、设立情感与意志的调控机制。建立各种情感模式与价值变化的对应关系，并根据实际需要，设置与调控各种情感模式；推导出“情感强度第一定律”（即情感强度与事物的价值率高差的对数成正比，mlog（），并根据实际需要，设置与调控情感的强度系数；对情感“八大动力特性”（强度性、稳定性、细致性、层次性、效能性、周期性、时序性与差异性）进行精
27、确定义，并根据实际需要，设置与调控情感的动力特性；对意志的“八大动力特性”进行精确定义，并根据实际需要，设置与调控意志的动力特性。情感调控的客观目的就是为了使情感的动力特性与主体所处的价值关系的变化特性相适应。意志调控的客观目的就是为了使意志的动力特性与主体各种行为价值关系的变化特性相适应。六、国外情感机器人的发展状况日本已经形成举国研究“感性工学”的高潮。1996年日本文部省就以国家重点基金的方式开始支持“情感信息的信息学、心理学研究”的重大研究课题，参加该项目的有十几个大学和研究单位，主要目的是把情感信息的研究从心理学角度过渡到心理学、信息科学等相关学科的交叉融合。每年都有日本感性工学全国
28、大会召开。与此同时，一向注重经济利益的日本，在感性工学产业化方面取得了很大成功。日本各大公司竞相开发、研究、生产了所谓的个人机器人（Personal Robot）产品系列。其中，以SONY公司的AIBO机器狗（已经生产6万只，获益近10亿美元）和QRIO型以及SDR4X型情感机器人为典型代表。日本新开发的情感机器人取名“小IF”，可从对方的声音中发现感情的微妙变化，然后通过自己表情的变化在对话时表达喜怒哀乐，还能通过对话模仿对方的性格和癖好。美国MIT展开了对“情感计算”的研究，IBM公司开始实施“蓝眼计划”和开发“情感鼠标”；2008年4月美国麻省理工学院的科学家们展示了他们最新开发出的情感
29、机器人“Nexi”，该机器人不仅能理解人的语言，还能够对不同语言做出相应的喜怒哀乐反应，还能够通过转动和睁闭眼睛、皱眉、张嘴、打手势等形式表达其丰富的情感。这款机器人完全可以根据人面部表情的变化来做出相应的反应。它的眼睛中装备有CCD(电荷耦合器件)摄像机，这使得机器人在看到与它交流的人之后就会立即确定房间的亮度并观察与其交流者的表情变化。欧洲国家也在积极地对情感信息处理技术（表情识别、情感信息测量、可穿戴计算等）进行研究。欧洲许多大学成立了情感与智能关系的研究小组。其中比较著名的有：日内瓦大学 Klaus Soberer领导的情绪研究实验室。布鲁塞尔自由大学的D. Canamero领导的情绪
30、机器人研究小组以及英国伯明翰大学的A. Sloman领导的 Cognition and Affect Project。在市场应用方面，德国Mehrdad Jaladi-Soli等人在2001年提出了基于EMBASSI系统的多模型购物助手。EMBASSI是由德国教育及研究部（BMBF）资助并由20多个大学和公司共同参与的，以考虑消费者心理和环境需求为研究目标的网络型电子商务系统。英国科学家已研发出名为“灵犀机器人”（Heart Robot）的新型机器人，这是一种弹性塑胶玩偶，其左侧可以看到一个红色的“心”，而它的心脏跳动频率可以变化，通过程式设计的方式，让机器人可对声音、碰触与附近的移动产生反应
31、。七、我国情感机器人的发展状况我国机器人的研究始于20世纪70年代后期，863计划就将机器人技术作为一个重要的发展主题，国家投入几个亿的资金开始了机器人研究。目前，中科院沈阳自动化所、原机械部的北京自动化所、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、清华大学、中科院北京自动化所、北京科学大学等单位都做了非常重要的研究工作，代表性产品有工业机器人、水下机器人、空间机器人、核工业机器人。我国对人工情感和认知的理论和技术的研究始于20世纪90年代，大部分研究工作是针对人工情感单元理论与技术的实现。哈尔滨工业大学研究多功能感知机，主要包括表情识别、人脸识别、人脸检测与跟踪、手语识别、手语会成、表情合成、唇读等
32、内容，并与海尔公司合作研究服务机器人。清华大学进行了基于人工情感的机器人控制体系结构的研究。北京交通大学进行多功能感知机和情感计算的融合研究。中国科学院自动比研究所主要研究基于生物特征的身份验证。中科院心理学所、生物所主要注重情绪心理学与生理学关系的研究。中国科技大学开展了基于内容的交互式感性图像检索的研究。中国科学院软件所主要研究智能用户界面。浙江大学研究虚拟人物及情绪系统构造等。我国国内开展的研究项目主要有：“脸部运动编码系统”可应用于人脸表情的自动识别与合成；“MPEG-4 V2视觉标准”可以组合多种表情以模拟混合表情；针对人的肢体运动而设计的“运动和身体信息捕获设备”；基于生物特征的“身份验证系统”；“语调表情构造系统”根据语音的时间、振幅、基频和共振峰等，寻找不同情感信号特征的构造特点和分布规律；“可穿戴式计算机”可用于增强和补偿人的感知功能。 八、情感机器人的学术动态当前国际人工智能领域对人工情感和认知领域的研究日趋活跃。美国人工智能协会（AAAI）在1998、1999和2004年连续组织召开专业的学术会议对人工情感和认知进行研讨，我国国内的研究者也开展了许多的研究工作和学术活动。20
