研究用机器人

从R2-D2到阿童木再到WALL-E，科幻小说中充斥着小而好斗的机器人和机器人，它们充当着伙伴、助手，甚至是英雄。但在现实世界中，孩子般的机器人正日益成为一种独特形式的综合科学的中心，它汇集了机器人、神经科学、语言学和儿童发展方面的专家。

事实证明，这些合作的成果是高度共生的。发展心理学家能够简单地通过操纵机器人的神经通路来建立和测试新的理论;与此同时，机器人专家正在利用儿童发展研究来创造能够学习和做决定的机器人。其结果是发展机器人领域，也被称为表观遗传机器人。

“人类婴幼儿几乎是已知的最聪明的学习设备，”美国科学学会研究员琳达·b·史密斯(Linda B. Smith)说，她最近将机器人技术纳入了她的一些研究中。“他们可以适应任何文化，学习任何语言，成为创造者和建设者——想想积木吧!”

发展型机器人想要了解并利用我们对人类婴儿的了解来制造机器人，就像那些婴儿一样，不被编程去做特定的任务，“但可以学习和适应周围的环境。”

发展性机器人研究尤其在欧洲蓬勃发展，其领军人物之一是英国谢菲尔德大学的心理科学家托尼·普雷斯科特。普雷斯科特领导着谢菲尔德机器人公司，这是一个多学科研究小组。

谢菲尔德大学是世界上少数几所正在试验iCub的大学之一。iCub是由意大利热那亚的意大利理工学院(Istituto Italiano di technologia)创建的一个开源人形机器人试验台，用于研究人类认知和人工智能。iCub机器人的身高约为4至5岁儿童的平均身高，每台售价高达26.6万美元，已被用于重现和研究小孩子的认知学习过程。在欧盟(EU)、日本、韩国、土耳其和美国的实验室中大约有30个iCub单元，大部分研究都是由欧盟资助的。

对机器人认知的研究甚至让许多心理科学家在计算机科学和数学系以及机器人实验室工作。其中，除了普雷斯科特，还有英国普利茅斯大学计算机、电子和数学学院的人工智能与认知教授Angelo Cangelosi。Cangelosi是这本书的作者发展机器人:从婴儿到机器人与南伊利诺伊大学卡本代尔分校的认知心理学家马修·施莱辛格合作。

其他人，比如在加州大学圣地亚哥分校(UCSD)建立机器感知实验室、神经计算研究所的哈维尔·r·莫维兰(Javier R. Movellan)，已经把他们的工作带入了私营部门。2014年，莫维兰和另外两名加州大学圣地亚哥分校的科学家决定将他们用于解读情绪的人工智能技术转化为一家名为Emotient, Inc.的初创公司。今年早些时候，苹果公司以未公开的价格收购了Emotient，并在此过程中聘请了莫维兰和他的同事。

那么机器人技术和发展研究究竟是如何交叉的呢?

用手指数数

欧洲研究人员利用i金宝搏官网登录Cub进行了大量研究，以探索从语言技能到抽象思维等一切事物的认知根源。例如，一组欧洲研究人员使用iCub技术金宝搏官网登录来研究数字技能的习得。这个团队——包括意大利卡塔尼亚大学的心理学家Vivian M. De La Cruz和Santo Di Nuovo，以及Cangelosi和Alessandro Di Nuovo(现在在谢菲尔德机器人公司)——进行了试验，看看机器人是否可以复制数字学习。科学家们利用机器人的人工神经网络，使其能够学习感觉运动和语言技能，并测试了不同的训练数字知识的方法。

研究人员金宝搏官网登录输入了一个孩子说这些话的音频文件一个通过十个进入机器人的认知结构。他们发现，当机器人的认知系统在移动手指的同时反复听到数字单词或标签时，它会发展出手指和单词表征，从而帮助它学习简单的加法。在另一项研究中，研究人员发现，仅仅从数字序列金宝搏官网登录中学习数字单词对帮助机器人发展数字知识并没有那么有效。史密斯利用iCub来研究“认知对象”，比如对物理对象的单词或记忆，是如何与身体的位置联系在一起的。她与英国普利茅斯大学的机器人研究员Anthony Morse和威斯康星大学麦迪逊分校的发展心理学家Viridiana L. Benitez合作。在一系列的实验中，科学家们基本上应用了史密斯关于儿童如何通过与环境的互动来学习的研究，以复制认知过程从身体的限制和能力中产生的方式。

在一项实验中，首先向机器人展示位于其左侧的一个物体，然后是位于其右侧的另一个物体。这个过程重复了几次，以在物体和机器人的两种姿势之间建立联系。然后，在没有物体的情况下，机器人的视线被引导到物体左边的位置，并给机器人一个命令，从之前看到的物体中引出相同的姿势。

接下来，这两个物体被呈现在相同的位置，但没有命名。最后，当物体的名字被重复时，它们被放在不同的位置，这时机器人转过身去，伸向现在与这个名字相关的物体。事实上，在20次重复的实验中，机器人一直指出物体和它的名字之间的联系。

但在随后的测试中，将目标和另一个物体(箔片)放在两个位置(右和左)，以便不与特定的姿势联系起来，机器人无法识别和接近目标物体。

作者解释说:“机器人之所以失败，是因为目标和箔片没有不同的姿势，无法将目标的内部表征映射到名称上，而不是箔片。”

当对12至18个月大的婴儿进行重复研究时，结果只有轻微的差异:婴儿的数据和机器人的数据一样，暗示了姿势在将名字与物体联系起来方面的作用。

“许多研究表明，记忆与物体的位置紧密相关，”史密斯说。“然而，没有一项研究表明身体姿势起作用，或者如果你移动身体，你可能会忘记。”

微笑的游戏

iCub并不是城里唯一的机器人。Movellan和他的同事们使用了一个有着孩童般面孔的复杂机器人Diego-San来研究婴儿和母亲之间的互动，并特别关注微笑。

莫维兰与马萨诸塞州奥林工程学院的计算机科学家保罗·鲁沃洛和迈阿密大学的心理科学家丹尼尔·s·梅辛格一起进行了一项研究，试图找出为什么母亲和婴儿的微笑时间是这样的。

研究人员金宝搏官网登录首先研究了13对母婴每周面对面的互动。他们发现，婴儿不仅会对母亲的微笑做出回应;他们这样做也是为了让母亲对他们微笑，并且使用了相当复杂的时机策略来做到这一点。他们微笑的时间似乎只够让他们的母亲微笑——换句话说，就是最大限度地延长他们被微笑的时间，而他们自己却没有微笑。

为了验证结果，Ruvolo和他的同事们用Diego-San(程序设定为像早期实验中的婴儿一样行为)和32名本科生玩微笑游戏。在每次互动中，“机器婴儿”通过眼睛和头部的运动来跟踪参与者的面部。就像婴儿一样，Diego-San最大化了它能从参与者那里得到的微笑数量，同时最小化了它自己必须做出的微笑数量。

研究人员金宝搏官网登录表示，研究结果为典型和非典型社会行为的发展提供了新的见解。例如，他们说，研究中使用的技术可以用来分析患自闭症谱系障碍的高风险儿童的互动行为。

Babybots

发展心理学家和机器人专家之间的合作如此深入，以至于他们在电气和电子工程师协会(IEEE)的主持下举行了年度会议。今年的IEEE发展与学习与表观遗传机器人联合国际会议于9月19日至22日在法国巴黎举行，主讲人包括Prescott;巴黎认知神经科学实验室的心理科学家Julie Grezes;以及美国科学学会成员Daniela M. Corbetta，她是田纳西大学诺克斯维尔分校的发展研究人员。

本次活动的一大亮点是“婴儿机器人挑战赛”(Babybot Challenge)，参与者从三个婴儿研究列表中选择一个，设计一个机器人模型，捕捉婴儿在所选任务中的表现。今年的挑战集中在Corbetta对婴儿伸手的研究上——他们如何学会用手臂接触想要的东西，比如玩具。通过眼动追踪技术，Corbetta发现，婴儿通常是用他们的身体位置和运动感，而不是他们的视觉，来开始控制和指导他们的触手。在婴儿机器人挑战赛中，机器人专家提出了在人形机器人中实现和测试体现认知过程的方法。

资助机构对这些合作表现出相当大的兴趣。去年，史密斯和她在印第安纳大学的同事陈宇，以及佐治亚理工学院的计算机科学家，从美国国家科学基金会(NSF)获得了70万美元，用于研究儿童如何学习识别离散类别的物体。佐治亚理工学院的研究人员将利用这些金宝搏官网登录数据设计机器学习模型，模仿幼儿识别物体的能力。科学家们说，这最终可能会产生新的、复杂的数字物体识别技术。美国国家科学基金会还向Corbetta和田纳西大学电子工程与计算机科金宝搏官网登录学系的研究人员提供了44.7万美元的资助，用于购买机器人和眼球追踪设备，用于抓取研究。

史密斯指出，虽然这些研究计划可能会让人联想到机器人的学习速度与人类相当(甚至比人类更快)，但它们也可以扩展我们对生命最初几个月和几年的认知发展的理解。

史密斯说:“我坚信，这些合作将产生改变这两个领域的见解。”“对于发展心理学来说，前景不仅是更好的理论，而且是通过使用机器人操纵路径和体验来测试理论的新方法。”

琳达·b·史密斯将在3月23日至25日在奥地利维也纳举行的2017年国际心理科学大会上发表主旨演讲。

参考资料及进一步阅读

Cangelosi, A.， and Schlesinger, M.(2015)。发展型机器人:从婴儿到机器人．马萨诸塞州剑桥:麻省理工学院出版社。

Corbetta, D.， Thurman, S. L.， Wiener, R. F.， Guan, Y.， and Williams, J. L.(2014)。映射手臂的感觉与物体的视觉:关于婴儿伸手的具体起源。心理学前沿，5, 576年。: 10:3389 fpsyg.2014.00576

De La Cruz, V. M, Di Nuovo, A.， Di Nuovo, S.， and Cangelosi, A.(2014)。让一个认知机器人的手指和单词计数。行为神经科学前沿，8, 13岁。: 10:3389 fnbeh.2014.00013

Metta, G.， Natale, L.， Nori, F.， Sandini, G.， Vernon, D.， Fadiga, L.，…Montesano, L.(2010)。iCub人形机器人:一个用于认知发展研究的开放系统平台。神经网络，23, 1125 - 1134。

Morse, A. F, Benitez, V. L.， Belpaeme, T.， Cangelosi, A.， and Smith, L. B.(2015)。姿势会影响机器人和婴儿将单词映射到物体的方式。公共科学图书馆，(10)3: e0116012。doi: 10.1371 / journal.pone.0116012

Ruvolo, P.， Messinger, D.和Movellan, J.(2015)。婴儿适时地微笑以使妈妈微笑。PLoS ONE 10: e0136492。doi: 10.1371 / journal.pone.0136492