专利名称：仿脑型智能控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能控制系统，特别涉及一种对大脑的功能结构进行模仿而设计的智能控制系统。
背景技术：
人类对脑的探索已经历了漫长的历史，特别是近50年来，有关于脑的生理、解剖、病理及认知等各个层面上取得了很大进展。美国、日本、欧盟及我国都有政府资助的脑科学计划，这些研究计划的目的大致有三个一是了解大脑的工作原理；二是精神性疾病的防治；三是仿生大脑，设计具有全自主能力的智能机器。对大脑进行仿生，前提是要对脑的工作原理，特别是高级功能，诸如注意、感知、知觉、运动控制、思维、记忆、语言及意识要有系统本质的认识，亦须详尽了解上述功能在细胞及其回路水平上的具体实现过程。并且仿生技术方案所用物理器件及制造工艺都能以现有条件为基础在产业上实现。到目前为止，国内外还未见有脑的工作原理的全面系统的理论公开。这里首先以通俗简洁、系统明了的方式介绍一个脑的高级功能的理论，该理论尚未公开，作为技术的理论背景，这将有助于技术人员对仿生技术方案的理解。理论的核心内容在于由动物及人类对物体或空间的“注意“这一现象出发，对“知觉物体”进行准确定义，由此得到行为的基本组成单元，并给出行为的统一定义，同时结合脑的生理学、解剖学确定某一具体行为在细胞及其回路水平上的具体实现过程，这样确定了细胞水平的基本生理构件及其构成整体脑系统的组织方式，并提炼出了一个脑执行行为的功能结构模型，可依此模型进行仿脑型智能控制系统的设计。
在给出这个脑理论之前，我们先给出在脑科学研究领域人们渴望解决但还没有解决的具体问题。然后在介绍理论的同时，回答这些问题，这些问题是(一)脑是行为实现的主要控制器官，因而要了解脑的功能结构如何发挥作用，就要有一个统一的行为分析方法，给出行为过程的基本组成单位及复杂行为的分解分析方法。必须把宏观行为过程同微观脑内细胞及回路水平的电化学活动建立直接的联系，找到细胞水平的脑的基本功能构件，确定由基本功能构件构造整个脑系统的方式。(二)“注意”如何发生，被注意的物体即“知觉物体”在脑内如何表达，如何进行背景分离，其分析方法是什么，注意一个物体时，物体上不同局域如何在脑内共同活动，即所谓“捆绑”问题是如何解决的，注意与知觉的关系，知觉是一个什么状态，上述过程如何在细胞及回路水平上实现。(三)由于较高等动物的视觉功能通常都很发达，脑的很大一部分生理构成都与视觉有关。因而，必须给出视觉工作的基本原理，而且要把视觉、触觉及海豚、蝙蝠的声成像感知觉，统一起来进行说明。即用一个原理统一说明可见光视觉、红外视觉、触觉、声觉和声成像感知觉。(四)脑是如何对客观世界进行编码表达的，以往人们研究这个问题总是只专注于对客观环境的特征进行分析，而没有或很少重视对参与形成感知觉的机体进行分析。如果把机体同环境共同分析，需确定分析方法，而且还必须要指出脑内细胞能量发放的脉冲如何对机体和环境共同编码。(五)对复杂物体的注意是如何启动的，启动后如何进行下去，又如何上升为知觉过程的，并在细胞水平上描述这一系列过程。(六)行为的外显特征为机体运动，机体运动如何执行，复杂运动如何协调，机体运动如何参与知觉的形成，机体运动与行为的区别，运动系统的布局原理是什么，脑内联系线路是什么，这一切都要在细胞水平上解释清楚。(七)脑是如何进行学习和记忆的，记忆的可分离的存储单元是什么，以什么方式存储，如何再现记忆。(八)知觉和意识是所有动物包括昆虫都有的能力还是仅限于某些动物才有，如果是后者，那么区别的标准是什么。(九)思维能力，规划能力与意愿，动机的关系，必须有一个清晰的模型，可用以描述意愿、动机如何引导思维规划，并且指出细胞水平上实现的过程。(十)情绪的发生过程及作用，情绪与行为的关系，情绪在脑内的产生过程，表达过程，外显特征。(十一)语言的本质，内部表象，生成过程与执行过程，语言与思维，语言与行为执行的关系，在细胞水平上描述清楚语言运作的细节。(十二)如何构造脑功能结构的总体模型，作为工具可用其分析不同智力水平的脑功能结构，特别用于仿生技术方案。(十三)信息的本质是什么，其正面定义是什么。(十四)人的思维能力中，数学能力是如何产生的，数学相对于脑及自然界来说，其本质是什么，能否寻找一种数学方法来描述大脑。
我们首先引入必要概念给出核心原理，然后围绕着核心原理来回答上述问题，这一介绍理论的过程分六个步骤来完成。
第一步分析和强调在知觉的形成过程中，机体和环境共同考虑的重要性和必要性。把视觉化归为触觉进行分析。
第二步由动物及人类的“注意”这一现象出发，将被注意的“知觉物体”和参与注意的机体活动空间抽象为一个总的整体——知觉整体，一个知觉整体包含了客观外界和生命机体两方面的特征。
第三步分析“知觉整体”的生成、表达与变换，在分析过程中引入对称的思想和整合的思想，使得知觉整体的变换在机体运动、环境参与和能量交换的前提下得到一个完整的反馈模型，并由此反馈模型定义行为单元。
第四步在细胞及其回路水平上分析行为单元的反馈模型，使宏观行为在微观细胞水平上得以实现，并明确每一个行为单元的输入输出方式及其细胞水平上的实现过程。
第五步说明行为单元构成复杂行为的方式和复杂行为的分解分析方法，并确定由行为单元在脑内构成复杂行为的网络的存贮布局和协调的方式。
第六步给出脑执行和控制行为的总体功能结构模型，并由此回答目前人们渴望解决但还没有解决的若干具体问题，最后依总体模型给出仿生技术方案。
下面介绍这个理论。
总的来说，生物机体是一个耗散结构系统，其通过与环境的相互作用进行物质与能量的交换，从而维持自身物质与能量的平衡，对于高等一些的动物还有种族的延续平衡和种群的社会群体的存在平衡。为了正确理解生命机体所产生的行为，机体本身和其周围的环境必须一起构成模型，反馈分析的工具就用来集中于环境有所变化时，保持机体的不变性或平衡性。这里强调的是必须把机体的参与考虑进去，以视觉为例，人们目前把重点集中于对客观图像本身的分析上，而没有重视对参与形成图像知觉的机体的分析。1950年代发展起来的人工神经元网络理论同样没有重视机体的参与过程。事实上，视觉是一个机体主动驱动眼与外界环境互动的动态过程。也就是说在分析视觉时，不仅仅要分析外界客观环境，还要分析参与形成视觉的眼球运动。为了揭示视觉工作的本质，可以作一个形象的假设我们把运用眼睛看外界的过程看作是从眼底向外伸出巨量细小的触须，触摸外界的过程。即把视网膜假设为外伸的巨量触须。这样理解的优点在于首先，将视觉与触觉的工作方式统一了，先天盲人用工具，如拐杖探知外界，也相当于用眼去看外界，只是触觉的分辨精度和反应速度低于视觉而已，实际上因为光线的波长较短和低相干性，使视网膜不必接触视物而相当于接触视物；其次，这样才能进一步分析视觉，因为我们分析知觉必须同时考虑环境和机体，而假设的触须作为有形机体，分析起来就容易入手了。以上我们引入了两个必要概念，一是分析知觉和行为时，必须把机体和环境共同分析，二是把视觉工作的形式看作是虚拟触须阵列的触觉工作形式，以方便对机体形成知觉的参与过程进行分析。
我们如何用触机体去感知呢？这里我们把对“注意”的分析作为突破口并对“知觉物体”进行准确定义。注意，按现有的说法是指机体的觉知对一定对象即“知觉物体”的有选择的集中，人在同一时间，不能感知很多对象，只能感知环境中少数对象。人在清醒时，每一瞬间总是注意着某种事物或空间，我们把被注意的事物和参与注意的运动着的机体所占有的动态空间，二者合在一起，所构成的整体叫知觉整体。知觉整体由物体和运动着的机体共同构成，皮层内的细胞感受野实际上反映了知觉整体的大小。在知觉整体中，机体所占的空间为背景空间，相对于某些感受野，就是其中的抑制区。为形象地理解知觉整体，举一例子当我们注意一辆汽车时，就会得到一个有关汽车这个物体的知觉整体，生命体通过其机体部位，如用手去摸汽车(视觉相当于用虚拟的触须在摸外界)，运动的手和被摸的物体共同构成一个整体，即生命机体感知的知觉整体。形成知觉整体的过程中，必须要求手与被摸物体有相互作用、相对运动，且要有作用能量交换。交换的能量激活了手皮肤内传感器，传感器按严格空间点对点定域方式将能量传入初级感觉区，这样，汽车这个客观物体就以知觉整体的形式被在初级感区内表达了。现在的问题是，知觉整体的生成过程和表达过程中，为什么机体的运动会集中于被注意的物体之上呢？我们能从复杂背景中注意一个物体，形成知觉整体，如汽车停放于行人拥挤的地方，我们为什么在注意汽车时，其周围的客体——人群不参与有关汽车的知觉整体呢？这实际上等于说为什么我们的视觉虚拟触须能集中动作，不触摸知觉整体之外的事物，这涉及现今视知觉研究领域的两个具体问题一个是背景分离问题，另一个是“捆绑”问题。为了对此作出解释，我们需引入一个概念，叫“局域对称态”，其在脑内相当于中间神经元的作用，局域对称态是一种能量形式，局域对称态通过对机体运动加以控制，并对机体与物体相互作用的传入能量的空间分布进行抑制和易化，从而完成知觉整体的背景分离和知觉整体内部的捆绑并行表达。在知觉整体内，机体的运动体现为不断进行的空间位置的变换，在这个过程中不变的对称的能量就是中间神经元的能量，这体现了一种抽象的对称，因而把中间神经元的能量称为局域对称态，称“局域”是因为机体只能在知觉整体内部运动，即局域对称态对知觉整体内部的机体活动予以控制。知觉整体是我们理解脑和分析行为的核心概念，因此有必要详细描述其构成方式、生成过程及在脑内的表达方式。为了便于理解，我们以单根触须触摸外界生成知觉整体的过程作为例子，所谓单根触须，确切地说指的是皮肤上可进行感知的最小单位，对小于单根触须的空间细节，是不能分辨和感知的，单根触须的作用过程知道后，容易推广到大面积皮肤触须阵列和视网膜上虚拟触须阵列。下面指出对单根触须的具体要求(一)单根触须不可再分，其要有合适大小，越小，分辨能力越高，单根触须对小于其的空间不可分辨。(二)单根触须作为一个机体单位，必须是一个可控的运动单位。(三)触须必须与被注意物体在相对运动的前提下，保持接触。因为光线波长较短和低相干性，视觉也相当于虚拟的触须在触摸，有触摸就有能量交换，但这种能量交换不能破坏物体与机体的物理结构，或破坏程度限定在一定范围内。(四)触须内必须含有大体上两类传感器，一类是检测触须与外界作用时能量状态的空间分布差异的传感器，一类检测触须机体的自身位置以便确定知觉整体的空间位置、运动方向及其它复合运动形式。实际上，无论视皮层和触觉皮层，其内总体上分两大类细胞反应，一类与形状有关，一类与空间位置及机体运动的检测有关。(五)所有触须内的传感器只对差异反应，因为传感器只对差异反应，所以最小的触须运动空间就必须包含两个相邻空间，一个为背景空间，另一个为物体界面空间，这样每一个传感器的能量反应脉冲已代表背景分离了。若机体运动后，能量状态没有变化，则传感器不反应，而最小的差异就是不小于触须的“点”了。触须最初能够检测的只能是点，以视网膜节细胞为例，依空间构成并考虑触须运动方向，检测一个点的节细胞分“给光——中心”和“撤光——中心”两种类型，这是任何复杂知觉整体的组成基础，是神经系统感知外界的最初反应。实际上形成一个点反应的局域对称态便是视网膜中的水平细胞和侏儒细胞。从以上对触须五点要求出发，我们先分析“点”细胞整合生成的细节，“点”的感受野由外周区和中心区构成，二者必须有光强或颜色反差。这相当于触须由外周区状态“A”移动至中心区状态“B”，触须内传感器检测“A→B”变化形式，并以能量脉冲发放，这即“A→B”变化形式的局域对称态，该局域对称态细胞(相当于中间神经元)将抑制那些“B→A”变化形式的局部空间活动。不同性质的局域对称态分布在一起，相互间侧抑制，这样，只要一种局域对称态因外部传入占优势，其余的局域对称态就不能活动了。形象地说，侧抑制相当于“马太效应”。这使得只有由A到B的运动反应被保留了(视觉注视时，眼必须震颤运动，这使眼在各个局部都有各向运动)。这样所有参与触摸该点的“A→B”变化状态的反应就集中了，知觉整体的“捆绑”问题正是由局域对称态来完成的。以上通过对“注意”的分析，将被注意的知觉物体和参与其的机体定义为知觉整体，并且引入局域对称态，完成了对知觉整体的背景分离和捆绑问题。
随着触须运动范围的扩大，空间组成将由点变为线、面等，进而形成各种形状的知觉整体，那么所有这些知觉整体如何在皮层中表达呢？这需由皮层初级区来表达，如视觉枕叶区。初级区有若干特征(一)由外周向其投射必须是空间上定域投射，凡属有定域投射特征的区域，必与知觉整体的表达有关。(二)初级区按机体感知部分并行排列，即每一常用部位都有一初级区。(三)凡机体在外界空间可到达的点，就必须有表达。(四)在同一部位初级表达区的任意一点所属的感受野内将同类不同方位的知觉整体集中在一起进行表达，这样出现于机体任一感受野内，任一角度的知觉整体都会被初级区表达。(五)通用的用于构成复杂知觉整体的基础局部知觉整体，分布于初级区，每一感受野对应各种通用局部知觉整体。较小的整体有点、线、线段、拐线、曲线段、条、边、花纹等。为简洁起见，我们在此只设想有通用的点、线段、面、色斑，有了“点”，可同理获得“线段”，起关键作用的还是局域对称态对触须机体运动的控制。而对于面的反应及颜色反应，有一个特殊情况，即要求触须内传感器状态必须能进行背景随机发放，因为整合反应只对差异反应，平面或颜色在一定空间内是无差异的，而我们又可觉知面或颜色，这就需背景发放了。即通过背景发放产生差异。关于视网膜三原色视锥细胞的分布，这并非是产生颜色差异的基础，而是组成一种特定能量状态的前提，而感知需状态差异，所以颜色感知也需背景发放。有这样一个初级区，就可以初步达到视物皆可表达这一要求了，即任何一个复杂较大的知觉整体，如脸、汽车等知觉整体的所有构成细节均可在初级区表达。以上对知觉整体在初级区如何由基本构成单位进行表达作出了解释。
当知觉整体在初级区表达后，如何进行整合呢？像汽车、脸这样复杂知觉整体的整合并不是在初级区进行的。对知觉整体进行整合，所得脉冲能量就是整体对称态，实际上就是得到大脑皮层内锥体神经元轴突能量脉冲的过程。即对一个知觉整体进行整合获得编码性质的能量脉冲，该能量的作用是引导生成下一个知觉整体，相对于局域对称态而言，之所以称“整体”是因为整体对称态对应的是知觉整体之间的变换。这将是所有行为的基本过程。为了说明行为的基本组成，我们给出知觉整体整合的基本原理并在细胞及回路水平上进行分析(一)整合加和取阈值，感受野内所有局部空间全部参与，对感受野分区的局部的数量要限制在一定范围内，动物的一个整合细胞的输入一般不超过10万个，这导致对复杂物体形成的知觉整体一般不会一次性完成，而要以串行方式完成一个知觉整体的表达，这需颞、枕等多区域参与。对每一步整合，每一局部空间若符合整合局部传入能量，则易化锥体细胞反应，同一位置若为不符合整合的局部传入则抑制锥体细胞反应，感受野内所有局部整合能量在锥体细胞树突上加和后，将所有局部都符合要求的加和设为一阈值，若有部分局部传入不符合要求，则加和总能量达不到阈值，这样锥体细胞不进行脉冲发放。这一特定设计的从初级区接收传入的加和求阈值回路，只能对符合要求的形状才反应。整合回路完全可用电子器件模拟，抑制和易化可用正负电压来代表，加和可用求和运算放大器，求阈值可用电压比较器来实现。(二)知觉整体的不同整合形式。由外周传感器到初级感觉区的整合以串行等级整合为主，而由初级感觉区到颞、海马、额叶的整合以并行独立整合为主，即串行等级整合只适用初步整合，如由视网膜到枕区，而由枕区到颞叶、海马、额叶整合为并行整合，以人脸识别整合为例识别“这是一张脸”的这一整合并非是“这是谁的脸”的前一级，二者独立从初级区接收整合输入，但可以有水平联络。(三)靠近初级区的整合多为复杂的知觉整体的基本常见构成单位，因而需要整个感受野内交叉大量分布，而且要空间定域接收外来投射。特异的、特定的知觉整体整合，则分布于颞、海马附近及额叶，而且没有了定域投射性。其中颞叶主要记忆“是什么”，海马记忆与时间有关的特定事物，而额叶记忆主要行为目的、规划、情绪等，颞叶引发行为过程，额叶是根据机体状态决定是否选择执行行为，而顶叶表达“在哪里”，用于具体执行运动。因此在初级区表达的同一知觉整体，会以独立通路传向上述各区，每一个区采用加和取阈值的方式略有不同，以识别脸为例，只需有脸的基本局部组成即可。而识别一个熟人的脸，则须对特定眼、口、鼻、脸形等特征整合，但这两种整合都从初级区接受输入，只是两个加和阈值回路设计不一样，所在区域不一样，引发知觉整体转换(行为模式)也不一样。总之，对初级区表达的同一物体，按不同类别分区存贮于不同区域，各自有独立的通路。如识别一张脸及识别脸上的情绪就用了不同的整合通路，所以，同一物体可区别的不同侧面存储于不同的区域，前提是要经过学习并记忆下来。对于知觉整体的高级整合存贮单元较少的动物，在对外界物体表达知觉整体后会将多种物体认为是同一种物体如蛙类对较大阴影运动有逃避反应，其不必区别该阴影是什么，而以一定速度、一定大小运动的小物体则是可食用的，其不必区别那是一只什么昆虫，还是其它什么物体，对青蛙的脑来说，世界是简单的。(四)任何一个加和求阈值单位，针对输入部分，要有主要局域加和影响和次要加和影响之分，主要加和影响的传入分布于细胞树突根部，或直接分布于胞体之上。主要局域传入对整合细胞抑易发放最重要，所有物体，只要主要形状特征参与了整合即可使整合反应，如漫画中，少数线条可识别为某具体人物，一个物体在不同颜色背景下、光强下，我们仍不会认为是不同的物体，也是这个原因。复杂的局域特征整合分布于枕叶次级区。这样，初级区为点、线、面、色斑，紧邻初级区的次级区分布常用的加和局域整体，如柱、圆、方形等。这样，任何复杂知觉整体整合都会通过初级区和次级区的输入进行知觉整体加和阈值表达了。(五)任何一个特定知觉整体加和阈值要采用多路并行分布方式，即构成一个柱或片层，在同一柱内不同方位、角度的知觉整体状态各自引发加和反应，每个加和阈值都会独立引发转换反应，这种冗余度可保证不因单个整合细胞代谢损伤而使记忆功能消失，这就是说，虽然脑细胞个体有可能损伤，但某一功能不会因单个细胞代谢而明显受影响。(六)知觉整体整合区都是分层的，输入层在第4层，局域对称态细胞为各层中都有的中间神经元细胞，而整体对称态为2、3、5、6层内形成输出脉冲的锥体细胞。由以上我们已大体知道了知觉整体在细胞及回路水平上表达及整合的情况。
有了知觉整体及其整合的概念，我们对行为的基本单位进行定义动物和人类的一切行为单位都是由含某种整体对称态的知觉整体的变换而构成。前面已给出在脑内细胞水平上，知觉整体的生成表达及整合为整体对称态的过程。以下通过实例来说明知觉整体的变换如何构成行为单位。
我们无论是上班、回家或者是做饭等系列空间内的运动，都是为了某种目的而对某物体或空间所形成的系列知觉整体进行变换，包括动物的捕食、争斗、游戏、性活动等，都是通过知觉整体的不断生成与变换而进行的，当以机体与外界相互作用，在初级区实现了知觉整体的表达后，由存储于不同区域的整体对称态(目的)对其进行加和求阈值，然后脉冲能量再通过运动皮层使机体相应运动，由此生成下一个知觉整体。而在这一过程中，行为目的由加和阈值得脉冲能量来代表，而行为的过程由知觉整体的变换来代表。两个知觉整体的这个变换回路是脑内表达与控制行为的最基本单位，脑皮层就是由这些基本单位所组成的，分析脑的构成就是分析执行行为的这些基本单位回路在脑内的分布。脑内存储了各种行为单位，构成了一个网络。
然而问题是为什么动物和人类都能在一段时间内专注地执行一个行为呢？这一方面涉及整个网络统一协调的问题，另一方面涉及整个网络的布局方式。下面给出脑内网络的布局原理(一)网络总体上按上下级树状方式分布，网络每一个节点是一个特定的加和阈值整体对称态，代表一个特定行为单元，每一个节点都有上级整体对称态，比如“做饭——获得可食用的食物”是一个上一级整体对称态，而“采购”、“清洗”、“烹饪”等具体行为单元则是下一级整体对称态，最后的对称态便是操作物体时的机体部位运动执行。当执行下一级整体对称态的行为单元时，上一级对称态总是在不间断地脉冲发放能量，以使总的行为持续进行下去。任何一种复杂行为都是这样进行的。动物和人类的最高级的行为整体对称态只有少数，动物主要是摄食、游戏、争斗、交配等，而人类除了等同于动物的基本生理生存目的外，还有抽象整体对称态，如工作目标及工作动机，社会生活的理想等。虽然是抽象的，但也是由具体的细胞回路来整合与表达，这个最高整体对称态将以树状方式统一协调下一级对称态的执行。具体方式是由上至下在作用野内通过反向传输能量，以抑制和易化下一级对称态节点的方式，使某一符合机体平衡需求的回路开通，而其余的通路则被抑制，这样动物和人类才能在自身及环境的现有状态下执行恰当的行为，使当前的行为目的得以满足。(二)这个树状总网络中每个节点都从初级区接收传入进行整合，这是由下至上的信号传输，而节点与节点这间的联络纤维和联合纤维，由上一级对称态控制。(三)每一个节点表达一个对称态，但加和阈值会针对同一知觉整体的不同角度、方向进行多路冗余度传输方式，并形成一个柱或片层单位，每一个加和阈值都可独立引发反应。(四)分析网络的方法是，从整体对称态(行为目的)为中心确定该对称态节点以下所有下一级对称态节点集合，这个集合称集合顶端对称态的作用野。然后确定每一个节点的初级区输入连接和至运动区的输出连接，这样行为单元就确定了。然后再确定目前这一单元属于更高级的哪一类行为对称态网络，再由上至下分析所有已学会并记忆的行为单位，这样每一个单元的输入输出，整体上所有单元联系、上下级都能确定了，具体的协调过程由丘脑网状结构中的抑制和易化来完成。(五)情绪或化学应激系统对行为的选择和行为的执行进行强化辅助作用。当生命体物质与能量的平衡被打破，或某种高级生存目的被激活后将由内部检测信号引发情绪及化学应激反应，该反应将导致机体当前的行为状态被干扰，以至于机体不能进行专一的行为反应，其中不舒服、痛感都属此类。但同时内部检测信号也引发对抗这种变化的行为反应，如果被引发的特定行为持续进行，则会抑制上述干扰反应，并能使痛觉反应消失，取而代之的是愉悦反应。正是由于特定行为记忆在两种情绪应激化学作用下，使行为专一进行，即情绪分正负两种。动物及人类必须把机体耗散平衡同行为的对应关系，以正负情绪来加强执行，如果一个人的情绪系统出现病变，那么其虽可以意识到自己应该做什么，但行为执行效率将极大降低。(六)运动系统的皮层布局方式和执行方式所有动物的躯体都可以近似看成是由躯干和肢体构成的一个并列和串列的多关节系统，从实现运动控制的角度来说，理想的情况是该关节系统所有部位的所有运动方向皆可随意控制。这里首先强调多关节系统上任意部位，因为脑是通过知觉整体转换来完成行为的，因而必须以躯体的各个部位为中心建立运动系统，对躯体部位分得越细，则运动控制愈精细，运动皮层表达区越大，如手上运动分区精细，则皮层内有关手的代表区就比较大。分区后，针对每一个部位，建立可以实现的各个方向运动矢量的能量释放回路，即该矢量被激活后，相应机体部位作出一个规定方向的运动实现。该矢量与同一部位其它方向的矢量共同存储于一个片层内，激活后通过下行神经线路经脊髓传入相关肌肉内引发肌肉变形，从而得到多关节协调运动，从而实现部位的运动要求。多关节在运动中其力、位置、启动与停止的即时控制由基底神经节和小脑共同协调。而当部位定位时，多关节系统会有多种姿势状态，这使得特定部位的运动矢量处于不同能量释放回路的状态下。要执行的运动矢量只与躯体具体部位有关，部位运动矢量由关节运动矢量组成，关节运动矢量指的是针对关节整体而言，是最底层运动矢量，一般存在较低的执行区域。通过躯体体位感知，可以确定每一个关节的位置。那么，由视觉引发的运动矢量如何同部位矢量建立联系呢？这就需要顶叶了，顶叶代表以视觉虚拟之触手所在的上一级关节——躯干为中心的空间方位分布，这是自我空间定位的基础。而躯体上任一被控部位同样在躯干为中心的空间中定位，这样视觉顶叶中视觉虚拟触须机体就可以激活真实躯体部位的机体在空间的反应。这主要在运动辅助区完成。在运动初级区，一个部位的运动矢量将同其所处的肢体多关节状态中每一个关节的关节运动矢量建立联系，通过躯体体位感知后，一个部位以上的所有关节的状态都即时测定并被在躯体初级感觉区表达，然后把部位的每一个方向的矢量与其以上各个关节能使该矢量完成的关节矢量建立记忆性联系，所有这个部位在相对于躯干同一点的各向运动矢量都可建立这种记忆。聚集在一起，成为一个运动柱单位，这就是运动初级区布局方式。这样一个行为单元的整体对称态，就可以恰当准确地驱动机体部位作出运动，从而可生成了下一个知觉整体，这构成了一个完整的行为单位。
最后，给出脑实现行为的功能结构模型，如附图3所示，在不断地反馈过程中，使生命体最终的耗散平衡及其它生存目的得以维持。这使生命体在环境中得以自主生存，这就是生命体行为实现的脑功能模型。
对于开篇所提到的问题中，语言完全可以统一到行为分析的过程中予以说明，由于篇幅所限，这里不再赘述。而信息的确切定义是由机体感官把符号、信号、消息表达为知觉整体，经整合后引发的整体对称态脉冲能量反应，称为符号、信号、消息传达给机体的信息。因不同机体存储的整体对称态不尽相同，所以同样的符号、信号、图像对不同的机体本体而言所传达的信息是不一样的。消息引发脑内整体对称态反应的数量越多则信息的量越大，一个对于机体而言，熟悉的消息，基本不会引发机体的整体对称态的持续反应，因而消息所含信息的量也少，而对于陌生的新事物，由于需要进行认识，这样针对新事物的整合反应就会多，这样新事物传达给机体的信息量就大，因此信息量与整体对称态反应的数量是成正比的。，而计算机科学等领域内，信息是信号和数据的同义词。
另外，人类可以用语言描述大脑功能过程，而是否有数学方式可描述大脑呢？这就要看，如何定义数学了，数学从某种角度来讲也是一种语言形式，而以往那种对某个目标加以数量化，再用数学公式表达的方式对大脑功能进行描述将是不合适的，也许要用数学来描述大脑，那将用到人类全部的数学知识，毕竟数学是大脑对自然思考的语言反应，特别是大脑用符号语言对自然界中的变化所包含的不变进行描述的结果。
对以上分析作一下要点总结(1)把机体和外界环境共同分析并引入知觉整体的概念，同时把视觉归于触觉进行分析。
(2)从对称思想出发引入了对知觉整体进行背景分离和捆绑表达的局域对称态。
(3)同样从对称思想出发，引入了与行为目的相对应的整体对称态。
(4)由整体对称态引导知觉整体进行变换，以此定义行为单元，并在细胞、回路及系统水平上予以对照说明，这样所有行为就有了统一的分析方法了。
(5)给出复杂行为由行为单元构成的方式。
(6)给出大脑皮层网络系统的布局原理。
(7)给出了运动系统的布局方式和执行方式。
(8)给出了脑实现行为的功能结构模型，以用于仿生技术方案。
发明目的 本发明主要目的是提供一种对大脑的功能结构进行模仿而设计的智能控制系统，该系统通过控制知觉整体的生成与变化，使被空机体能够完成有目的的自主行为。
技术方案 为实现本发明所述目的，本发明提供一种控制系统，它由以下部分组成一个被控机体本体，一个知觉整体的初步表达区网络，一个由行为单元构成的行为表达网络，一个对行为模式选择与执行的网络，一个执行机体运动的网络。依据背景技术部分所提供的脑的功能结构模型，知道了脑通过控制机体与环境相互作用，把客观世界的物体或空间以知觉整体的形式进行脑内表达和再现，并且通过机体运动使知觉整体不断生成与变换。在这一变换过程中对应着一种不变性——知觉整体的整合能量，即整体对称态。于是，行为的过程以知觉整体的变换来表达；行为的目的以整体对称态来表达，尤其是明确地给出了知觉整体的变换和整体对称态在脑内细胞及回路水平上的表达方式，这样就将宏观行为同脑内微观细胞的活动建立了直接的联系，因此一个脑功能结构的作用主要是使行为得以表达与执行。结合背景理论所给出的脑功能结构模型，我们确定在仿生技术方案上关键需解决六个问题(一)如何在技术上解决知觉整体的生成问题，这在技术上的关键在于要设计一个可运动的，与环境可进行相互作用的感官实体，特别要解决感官实体表面传感器阵列的设计问题。(二)如何在技术上设计一个通用的知觉整体的初级表达区，其可以使生成的知觉整体进行同步定域的表达，这在技术上关键在于首先确定一切复杂知觉整体的普遍构成单位——点、线、面、色斑等的基本编码电路单元，然后确定一个定域空间，在定域空间每一个局域上，建立一个电路集合，即柱单元模拟电路，将同类不同方位的基本编码电路单元布置于一个区域上，这样布置的目地在于使初级表达区内任一空间局域。可表达复杂知觉整体的任何一种普遍构成单位，达到对任何知觉整体皆可表达的要求。(三)如何在技术上设计一个电路单元，可对知觉整体进行整合，并以脉冲能量的方式予以表达，这个问题的关键在于首先确定知觉整体初级表达区的输出接口电路，确定输出后是一个求和电路，然后是求阈值电路。应该说对知觉整体进行整合的电路单元，是脑内网络电路的基本节点。(四)如何在技术上确定运动系统的仿生设计，由于知觉整体的变换要求机体运动参与，因此，这一仿生设计的关键在于首先将机体整体进行分区，需要做精细运动的部位分区需细，如对手指的分区就细，而分区所得每一个机体局部都在运动区有一个单独代表区，且每一个机体局部都要有一个单独的感觉区，一切运动的执行都将围绕着机体部位而进行，这是因为参与形成知觉整体的机体总是某一确定的机体局部，在具体技术方案中先设计一个躯体多关节姿态感知电路，在机体局部感觉区设计整合电路，在机体局部运动区设计部位各向运动矢量的释能电路，这样知觉整体整合后会引导具体部位矢量方向激活，且这一方向下具体释能电路由当前该部位的躯体多关节姿态感知而确定，运动执行过程的发生顺序是知觉整体整合→确定参与下一个知觉整体生成的机体部位及运动方向→由躯体感觉区对当前姿态检测经整合后→使机体部位运动矢量的能量准确地释放到相应肌肉群上→得到了所需机体部位的运动，进而得了所需下一个知觉整体，使一个行为单元得以完成。这个行为单元的电路是脑内最基本的回路单位。(五)行为是有层次的。一个复杂行为是由各层次的具体行为单元构成的，这在技术上需解决的问题是支持一个复杂行为的必不可少的所有行为单元的电路结构，如何组织在一起构成一个电路网络，在这个电路网络中，网络节点是行为单元电路，网络中需给出节点之间连接形式，能量流动方式，在节点上抑制易化的作用形式，并指出在一个复杂行为进行时，在电路网络内能量流动的状态方式。在微观上对复杂行为进行描述。(六)绝大多数动物都有不同生存目地的多种复杂行为模式，如摄食、求偶、游戏等，然而作为一个生命整体来说，在特定情况下，动物在一段时间内只能专注于一种行为模式，这在技术上需要一个行为模式的选择与启动电路和专一执行一种行为模式的协调电路，特别是还必须有一个机体耗散平衡失衡的检测电路，正是以上电路能使生命体恰当地选择行为模式，且能够专注有效地执行行为。而本发明所提供的控制系统正是为了解决上述技术问题而给出的总体技术方案。
有益效果 采用本发明的控制系统，可以使被控机体具有自生执行某种目的下的行为能力。在经济建设上，可用于设计制造自主劳动型智能机器人，适用于无人工厂、海洋洋底矿产油气资源的勘探开发，还可用于增强民用信息设备的信息处理能力；在国防建设上，可用于智能化武器系统的设计制造，可增强武器系统对目标的侦测、识别、自主攻击的能力，适用于各型导弹，无人作战飞机及仿海豚超声成像知觉的智能鱼雷，还可用于提高雷达与综合火控系统的对目标的探测识别、分类及协调整个武器系统用于攻防的能力。
本发明将参照附图对具体实施方案进行祥细说明，以便对本发明的特征进行更深入的理解。
图1是本发明的主要电路结构的方框2是用于整合的加和求阈值的电路3是用于本发明的脑功能结构模型图具体技术方案 附图1是本发明的主要电路结构的方框图，符号5表示的是机体部位实体与环境相互作用，在宏观水平上生成知觉整体的过程，这一过程的特征是机体表面所布置的传感器阵列，会以定域方式将机体与环境的作用能量501传入脑内，而机体6的运动也是受控的，对机体6运动的要求是要保证在知觉整体的空间，即感受野内，对符合某种传入能量形式的运动予以易化，对不符合同一传入能量形式的运动予以抑制，即知觉整体内的机体6运动不是无序的和任意的，而是要受传感器传入能量经整合而得的局域对称态的反馈控制。比如，当对一个白纸上的黑点形成知觉整体时，对机体6从外周白色处向黑点处的运动予以易化保留，而对从黑点处向外周白色处的运动则予以抑制，这样机体运动只有由外周各个方向到黑点的向心运动被保留，这就是一个白色背景下黑点的知觉整体的内部机体6的运动方式，这可以保证传感器传入能量生成的局域对称态都编码了“白→黑”差异，而不是“黑→白”差异，任何一个复杂物体形成知觉整体时，都需通过机体6的特定运动，使传入能量保持某种不变性，即局域对称态能量。正是这种局域对称态能量对机体6的运动的控制实现了背景分离，通俗地说，那些被抑制的运动的指向，便是背景空间，那些被易化保留的运动的指向，便是客观物体界面7的构成。只有通过对机体6运动进行控制实现了背景分离后才构成了一个真正的知觉整体，局域对称态能量的产生电路参照图2。
图2是用于整合的加和求阈值电路图，符号10是整合输入的调整电阻，通过对电阻10的调整后，可使相应的输入对阈值8产生主要和次要影响。图2所示的电路既用于局域对称态能量的产生也用于整体对称态能量的产生，局域对称态一方面通过正负电压输出代表对输入的每一个局域的运动进行抑制或易化，还可以通过作用电阻10来影响加和阈值的整合脉冲，每一个整体对称态的加和输入线路10在初级表达区内都以定域方式进行联接，具体联接先由设计人员分析加和的特定局域知觉整体，然后在此特定定域空间所属的柱内确定连接线路，这样所有局域都确定连接线路10后，这即形成了这个知觉整体的整合回路，这样只要在初级表达区，符合要求的知觉整体一经表达，则此知觉整体经加和9求阈值8后，发放脉冲801，而不相同的知觉整体因加和达不到阈值8，所以不会发放脉冲801。但同一知觉整体在初级表达区3会有不同角度、方位的表达，为了达到识别灵活性，要求设计人员将同一物体，不同方位角度下形成的知觉整体，以尽可能多的具体加和求阈值8电路确定下来，聚在一起形成一个柱状单位，所以无论同一物体以任一角度出现，都会在柱内有一脉冲801发放，这个柱集合就成了附图1符号2所示的网络的基本单位。任何一个行为单位都是由知觉整体的变换所组成，一个知觉整体经整合后的变换，是通过整体对称态能量启动机体6进行在环境7中的运动来实现的。关于机体运动的启动在后面给出。正是在局域对称态整合电路的作用下，知觉整体得以形成。
图1中的符号3表示的是知觉整体在脑内的初步表达，以视觉为例，视觉整体的表达主要在脑内枕区，即视觉的初级感觉区3来表达，具体方式，是通过外周附着于机体6上的传感器阵列的作用能量传入501，首先生成各种复杂形状通用的点、线、面、色斑的最小的知觉整体，如在枕区内对“点”的反应脉冲，编码了一个由机体6和环境7共同参与的最小感受野的知觉整体，“线”知觉整体，由“点”知觉整体构成，对于一定感受野的“面”整体反应，是由细胞的背景发放与面上光强，色差构成的差异进行整合而构成，色觉同样由背景发放所得到的光波频率差异来整合的。
当然要把视觉完全作为触须阵列方式来处理的一个必要前提是立体触须位置的表达，因为真实触须本身作为实际的机体是在三维立体空间中运动的，而视觉由于没有真实触须，但又必须要将虚拟立体触须表达出来，这在皮层内靠两种机制来完成，一种是双眼视差，第二种是整体空间移动，对于视差方式形成虚拟触须空间位置的方式，是首先要求两眼共同的影像没有发散，即两眼焦点尽可能聚在一起共轭运动，然后双眼进行分离运动，即注视近、远物体时两眼的会聚或辐散运动，双眼不同分离状态下，影像差异会不同，最清晰的状态在头相对物体不动的情况下，只有一种，这样分离状态不同状态代表了不同距离。而另外一种方式即头部和躯体的非视觉反射运动，即机体整体的空间运动，这种运动在非常微小的情况下即可起作用，这相当于单眼即可根据对同一知觉整体的微小变化进行局域整合，即可表达空间方位，通过整合能量易化了正确的初级表达区而抑制了其余区域，这个局域整合方式等同于局域对称态能量，电路设计也是同样的。初级表达区整体布局是与外界立体空间点对点对应的。即外界空间上一个点的知觉整体的位置与当机体整体未移动的情况下，在初级区内有唯一的局域对应，这即定域要求，定域要求是当一个知觉整体在生成时，其每一个局域都要在初级表达区上有空间上一对一对应的表达之处，这相当于当机体与环境生成知觉整体时，脑内初级区进行一个同步表达。当然知觉整体是一个动态过程，具有一定的生成时间，这取决于机体运动速度和物体的复杂程度。那么由点、线、面、色斑这些复杂物体的通用组成单位，如何在初级区存储的呢？初级表达区对复杂知觉整体的通用组成单位的存储原则(一)对每一个最小知觉整体类型要在全部表达空间内分布，即表达空间内任一局域都有分布，这主要是为了视物皆可表达这一要求。(二)在每一个空间局域将有区别的知觉整合以聚集方式分布，即柱状分布，其相互间有侧抑制作用，这主要为了同一局域空间出现的不同类的知觉整体能精确表达，使一个时刻该局域只有一个确定的反应。(三)处理单元采用分层原理，有定域传入层，有局域对称态的中间神经元处理层，有整合细胞分布的整体对称态分布层，这样任何形状的物体或空间都可以以知觉整体的形式在初级区表达了，任何一个知觉整体必须要整合为一个整体对称态，具体整合要求是整体对称态的感受野即知觉整体的空间内要求所有局域都参与加和。
图1中的符号2内各个整体对称态柱是如何构成整体网络的。整体对称态柱是网络节点，网络节点总是分为两类，一类表达“是什么”，在生理上主要分布于颞叶，这主要由构成知觉整体的环境的特征所决定；另一类表达“在哪里”生理上分布于顶叶，这主要由构成知觉整体的机体的空间方位状态来产生。任何一个复杂行为一般都是先生成知觉整体，整合识别确定空间所在，启动运动而构成。而颞区网络主要进行识别整合，在额叶进行行为选择，若选择，则在顶叶执行运动，在识别行为网络中，节点可分若干等级，并构成一个统一的网络整体，一开始的是初级节点，主要分布于初级表达区周围。而网络最高端为顶端节点，顶端节点对应机体最基本的行为目的，如摄食等，这里必须强调的是，所有网络节点都独立从知觉整体初级表达区3接受输入进行整合，这是纵向能量流动，节点也可直接相互启动，有由底向上的直接启动，也有由上至下的启动，由上至下的启动采用的是在作用野内抑制易化的方式，因此这个网络使初步形成的知觉整体在整合后会以节点能量启动眼动，不断生成知觉整体使高一级网络中的节点反应，最后使顶端节点反应，达到了识别的目的。
图1中的符号1对该行为进行选择的回路是机体的耗散平衡和外部输入102的任务，将直接对所需的顶端整体对称态进行易化选择，并抑制不需要的顶端对称态。其中耗散平衡为能量，物质等的动态平衡，并对其变化设有检测的传感器，这些传感器用于检测平衡的失衡状态，失衡分两个方向，每个方向都特设失衡检测器，检测器反应一方面激活相应的顶端对称态反应，另一方面激活行为干扰系统对整个网络当前行为状态进行干扰，顶端对称态的活动会抑制干扰系统的活动，同时，顶端对称态使机体行为进行符合其的知觉整体进行生成与变换，在这个过程中，由于机体6与环境7的物质与能量交换502，最终使平衡得以维持，因而失衡检测器停止活动，这样相应顶端对称态也停止发放了，因而相应行为完成。
那么一个仿生智能系统如何使用呢也就是说仿生系统的前提是为人类所用，我们使用其的目的是在某种情况下，使其以特定的目的进行行为活动，这即如何交流的问题，对于行为简单的系统，只需外部几个有区别的传入能量，即可相当于行为选择网络1一样，对行为单元网络予以选择了，而对于行为复杂的系统，因其顶端行为毕竟是少数，所以也可采用上述方式设定最高行为选择开关电路，这个电路只对顶端对称态进行抑易作用。当然电可以使系统拥有类似人的语言功能，从而不用开关电路，只需机器由听觉即可知道命令，并明白任务，这需要一个语言系统和声音感官系统，虽然语言过程及声音知觉同样可用知觉整体及对称态来分析，但因规模大，且对本案无必要需求，因而在此不予介绍了。
由于每一个知觉整体变换时，都涉及整体对称态驱动机体运动的环节，所以附图1中的符号4的部分将是必不可少的，对于符号4部分的要求是机体整体必须能尽可能多地使机体的每一部位都能在任一空间位置下多向运动，这就要求针对机体整体，尽可能地使每一个局部部位都有一个代表区，在这个部位代表区内，相对于机体本体中心，以空间不同位置为标准，每个空间位置为一个柱，柱内为该部位不同运动方向的矢量分布，由细胞脉冲代表，这样建立起来的总的区域即为一个运动区布局，由于动物及人类一般是一个复杂的多关节系统，一个部位在同一空间位置，各个关节可以是不同状态，这样每个关节的执行运动的肌肉——即末端执行矢量是不同的，因而这要求部位的空间定点运动矢量要按多关节具体的空间状态，分解为各个关节的末端执行矢量。因而在执行运动时，需要从附图1符号5内的机体状态将所有关节末端矢量状态经检测后传入附图1符号4内的躯体感觉表达区。经整合后形成躯体一个特定状态，而对于一个部位任一执行矢量，都把向下对末端执行矢量的不同关节姿势下的能量释放分配方式予以存储了，并形成一个柱状单位，这样经前面躯体初步表达区躯体状态整合后，会具体在柱内激活相应一个执行运动矢量的方向。由于每一个知觉整体都由特定机体部位6参与而形成，这样整体对称态能量只要选择了机体相应部位，并给出运动矢量，则机体6运动后，相应的知觉整体变换即完成了，所以每一个整体对称态都有固定的在运动区内的部位选择，而运动方向将由当前机体即时姿势状态决定，由此确定了目标知觉整体的机体参与部位和运动方向，这即行为单元的输出电路。
权利要求
一种对大脑的功能结构进行模仿而设计的控制系统，其特征在于包括一个被控机体本体6，一个知觉整体的初步表达区网络3，一个由行为单元构成的行为表达网络2，一个对行为模式选择与执行的网络1，一个执行机体运动的网络4，所述被控机体本体6的表面或表层布置有传感器阵列，所述被控机体本体6与所述环境7二者间必须有相互作用，以生成知觉整体，所述被控机体本体6的表面或表层布置的传感器阵列将作用能量输入所述知觉整体的初步表达区网络3，由此使客观外界的特征在系统内得以初步表达，所述行为单元构成的行为表达网络2，由所述知觉整体的初步表达区网络3接受输入，整合后输出至所述执行机体运动的网络4，由此引发所述被控机体6在环境7中的运动，再次生成一个知觉整体，所述对行为模式选择与执行的网络1的功能是由机体自身生存目地出发对所述行为单元构成的行为表达网络2进行选择与执行。
全文摘要
一种智能控制系统，是对脑的功能结构进行模仿而设计的控制系统，目的是使被控机体具有自主执行有某种目的的行为的能力，具体是能通过被控机体与环境相互作用，以知觉整体的生成、表达及变换来完成行为的过程并达到行为的目的，并以物理电路形式予以实现，可用于智能机器的控制。
文档编号G05B13/00GK1734377SQ20051006642
公开日2006年2月15日 申请日期2005年4月25日 优先权日2005年4月25日
发明者张智伟 申请人:张智伟