科学家创造了人机交互的混合系统

在一项开创性的研究中，佛罗里达大西洋大学的科学家们创建了一个“混合”系统，以检查人类和机器(虚拟伙伴)之间的实时交互。

25年来，佛罗里达大西洋大学查尔斯·e·施密特科学学院复杂系统与脑科学中心(CCSBS)以及世界各地的科学家们一直在试图破译被称为“协调动力学”的协调行为定律。

与物理物体的运动定律不同，配位动力学方程描述了系统的配位状态如何随时间演变，通过称为集体变量的特殊量来观察。这些集体变量通常跨越生物和环境的相互作用。想象一下一台机器，它的行为是基于被认为是控制的方程人类协调。然后想象一个人与这样一台机器互动，人可以修改机器的行为，机器也可以修改人的行为。

一项突破性的研究发表在《公共科学图书馆•综合》名为“虚拟伙伴交互(VPI):通过协调动力学探索新行为”，CCSBS的一个跨学科科学家小组创建了VPI，这是一个人与机器交互的混合系统。这些科学家将人类协调动力学方程放入机器中，研究人类和虚拟伙伴之间的实时互动。他们的发现为探索和理解大脑和机器之间的各种互动提供了可能性。VPI可能是建立更友好的人机联盟的第一步，甚至可能创造出一种完全不同的机器。

该研究的主要作者、福特大学格伦伍德和玛莎克里奇杰出科学学者j·a·斯科特·凯尔索博士说:“通过VPI，一个人和一个‘虚拟伴侣’实时相互耦合。”人类通过感知获得伴侣的行为信息，虚拟伴侣通过传感器的输入不断检测人类的行为。我们的方法类似于用于研究神经元之间相互作用动力学的动态钳，但现在扩展到人类行为的水平。”

在第一次对VPI的研究中，机器和人类的行为被选为非常简单的。双方的任务是互相协调手指的动作。人类执行任务的目的是与机器进行同步协调，从而试图使他/她的屈伸动作与虚拟伙伴的屈伸动作同步。另一方面，机器执行任务的竞争目标是与人类进行反相位协调，因此当人类弯曲时，机器试图伸出手指，反之亦然。科学家们选择了一种方法，让机器通过不同的任务要求来对抗人类，以加强涌现行为的形成，也让他们能够检查每个伙伴对耦合行为的个人贡献。实验的一个有趣的结果是，人类受试者将意图归因于机器，报告说它在“搞乱”他们。

“人类和机器之间的对称性，以及它们具有相同的协调动力学定律的事实，是这一新科学框架的关键，”共同作者冈萨洛·德·古兹曼博士说，他是FAU中心的物理学家和研究副教授。“虚拟伴侣的设计反映了人类神经行为系统的运动方程。从积累的研究中获得的定律描述了人体和大脑的各个部分是如何自我组织的，并解决了自我参照的问题，这是导致复杂性的一种情况。”

VPI的一个现成应用是研究复杂大脑过程的动力学，例如那些涉及社会行为的过程。扩大的参数范围为系统地驱动大脑功能过程(神经标志物)更好地理解其作用提供了可能。参与这项研究的科学家预计，就像许多人类技能是通过观察其他人获得的一样;人类和机器将通过相互交流来学习新的行为模式。

凯尔索说:“与不断激增的技术设备交互，往往对用户提出了很高的技能要求，而他们几乎没有时间来培养这些技能。”“通过VPI提供的机会是，尽管人机交互内置的不对称，但同样有用和信息丰富的新行为可能会被发现。”

虽然出现了以前在普通人类社会互动中观察到的稳定和间歇性的协调行为，但科学家们还发现了以前从未在人类社会行为中观察到的新行为或策略。这种新行为的出现证明了VPI人机框架的科学潜力。修改虚拟伴侣的动态，以诱导期望的人类行为，如学习一项新技能或作为治疗和康复的工具，是VPI的几个应用之一。

“将复杂性整合到行为和神经科学中才刚刚开始，”FAU CCSBS的研究助理教授、该研究的合著者Emmanuelle Tognoli博士说。“VPI从简单的协议转向理解更复杂的、相互连接的系统，在这些系统中发生有意义的交互。”

这项研究的研究得到了国家科学基金会“人类与社会动力学”项目、国家心理健康研究所的“创新奖”、“心理健康社会神经科学的基础和转化研究机会”以及海军研究代码30办公室的支持。凯尔索的研究也得到了皮埃尔·德·费马卓越主席的支持，托尼奥利的研究得到了达维莫斯科学卓越家族基金会的支持。

资料来源:佛罗里达大西洋大学