发展型机器人：由人类婴儿启发的机器人. 1.1 先天与后天的发展理论

1.1  先天与后天的发展理论

在心理学和哲学领域，先天与后天对人类智能发展的贡献是最久远且无休止的争论之一。长期与自身和社会环境交互是婴儿心智发展的本质，并为婴儿全程的心智发展带来了显著影响。与此同时，基因在婴儿身体和智能发展中都起着最基本的作用。一些特征，尤其是身体特征，还包括诸如颜色感知这样的认知能力，很大程度上是由基因决定的，而环境的影响只起到很微弱的作用。

这场争论引出了关于先天和后天作用的多种发展心理学理论（Croker 2012）。先天主义理论倾向于强调儿童拥有与生俱来的特定领域知识，这些知识是心智发展基因直接影响的结果，而外部环境对这些知识只有很少的影响或者根本没有影响。一个最著名的先天主义理论是Chomsky的语言习得机制和普遍语法假说（Chomsky 1957；Pinker 1994；Pinker和Bloom 1990）。这个先天主义理论提出儿童具有与生俱来的语言知识和句法原则，其中的参数通过父母的语言经验再进行调整。在其他方面，Leslie（1994）提出的假说认为儿童具有与生俱来的心智理论，Wynn（1998）认为儿童天生具有数学概念的知识。在另一个极端，经验主义理论则强调社会和文化环境在认知发展中的重要性。这是Vygotsky（1978）的社会文化观中的一部分：在引导儿童去探索潜在能力空间时，成人和同伴的作用是至关重要的。同样，Bruner（Bruner和Haste 1987）的社会认知发展理论强调社会交互和人际沟通在不同学习阶段的重要性。Tomasello（2003）提出了一种基于建构主义和涌现式发展原则的经验主义语言发展理论，即儿童通过与其他具有语言能力的个体进行交互来构建自己的语言表达能力。

在这些极端的理论中，Piaget（1971）提出了发展心理学中最有影响力的一个理论，这个理论结合了先天与后天机制这两种理论的长处。Piaget理论的主要宗旨是儿童

2的整个发展需要经历不同的发展阶段，在每个阶段中，儿童能发展出本质上不同并且日益复杂的认知图式（智能的构建模块）。这些发展阶段受到了由基因决定的成熟限制机制的影响，在Piaget的理论中，这些阶段也被称为“后成”。但是，儿童还需要经历适应的过程，在这个过程中，现有认知图式要适应新知识（同化），并且要修改和创建新的认知图式（顺应），而外部环境对这两方面的贡献都是非常重要的。Piaget提出了心智能力发展的四个关键阶段，并且重点关注思维能力的发展和在感觉运动知识中抽象思维模式的起源。在感觉运动阶段（阶段1，0～2岁），儿童的发展开始于感觉运动图式的知识获取，这包含最基本的反射动作。在前运算阶段（阶段2，2～7岁），儿童获得对客体和动作的以自我为中心的符号表征，这些符号可以让儿童表征多种客体，哪怕有些客体是不可见的（客体永久性任务，儿童知道移动的物体从障碍物后方经过后能再次出现）。在具体运算阶段（阶段3，7～11岁），儿童能够采纳他人对客体表征的观点，对具体的客体能进行认知转换操作（比如液体守恒问题）。最后进入最终的形式运算阶段（阶段4，大于11岁），在这个阶段中，儿童获得了抽象思维能力和解决复杂问题的能力。Piaget关于抽象知识模型的理论和发展阶段思想将在第8章进一步描述。

另外一种理论，也就是Thelen和Smith（1994）的发展动态系统理论，认为生物和环境因素是同时产生贡献的。该理论考虑到在认知策略的自组织过程中，各种神经、涉身和环境因素之间复杂的动态交互（1.3.1节将详细介绍）。

先天/后天的争论与先天主义/经验主义理论也大大影响了众多与智能相关的学科，特别是人工智能和机器人学。在构建人工认知系统时，人工智能中的自适应系统和机器人学中的认知机器人系统就十分适合采用先天主义的方法。这就意味着这些智能系统的认知体系结构完全是研究人员预定义的，在与环境的交互过程中不会发生显著改变。另一方面，在人工智能和机器人学中，使用经验主义方法需要定义一系列自适应和学习机制，这些机制使得智能系统能够通过与其他系统和人类用户的交互来逐步发展自己的知识和认知体系。本书中的发展型机器人实现方法主要在先天主义/经验主义方面遵循中庸的机器人设计方法，从而更强调在

3与环境交互过程中机器人能力的发展，以及制约发展的成熟与涉身机制。特别需要注意的是，Piaget的理论除了在发展心理学领域最具影响力外，也强烈影响着发展型机器人学领域，包括借用他的术语“后成”作为“后成机器人学”系列会议的名称。这是因为Piaget的理论强调心智发展的感觉运动机理以及生物与环境协调的实现方法。

与Piaget齐名的另一位著名发展心理学家Vygotsky也极大地影响了发展型机器人学领域。Vygotsky的理论更强调社会环境对心智发展的作用以及在儿童认知系统发展过程中社会和自身环境带来的支架影响（Vygotsky 1978）。因此，他的见解对社会学习和机器人模仿能力的研究以及发展型机器人学支架理论都具有很大贡献（Asada等人2009；Otero等人2008；Nagai和Rohlfing 2009）。

在后续几节里，我们先提出发展型机器人学的定义并对它的历史进行简短回顾，之后将讨论在机器人的自主心智发展的研究中，整合生物和文化现象动态交互的实现方法的主要特征和原则。