[论文解读] Space as an invention of biological organisms

Alexander V. Terekhov, J. Kevin Ο’Regan|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2013

Embodied and Extended Cognition参考文献 4被引用 12

一句话总结

本文提出，空间并非宇宙中客观存在的物理实体，而是生物体感官运动不变性所催生的涌现结构。通过数学建模与模拟，本文证明：即使缺乏对空间的先验知识，智能体也能通过感官运动巧合学习到刚性位移的表征，从而发明一种独立于物理现实的功能性空间概念。

ABSTRACT

The question of the nature of space around us has occupied thinkers since the dawn of humanity, with scientists and philosophers today implicitly assuming that space is something that exists objectively. Here we show that this does not have to be the case: the notion of space could emerge when biological organisms seek an economic representation of their sensorimotor flow. The emergence of spatial notions does not necessitate the existence of real physical space, but only requires the presence of sensorimotor invariants called `compensable' sensory changes. We show mathematically and then in simulations that naïve agents making no assumptions about the existence of space are able to learn these invariants and to build the abstract notion that physicists call rigid displacement, which is independent of what is being displaced. Rigid displacements may underly perception of space as an unchanging medium within which objects are described by their relative positions. Our findings suggest that the question of the nature of space, currently exclusive to philosophy and physics, should also be addressed from the standpoint of neuroscience and artificial intelligence.

研究动机与目标

• 挑战空间是宇宙中客观预存结构的假设。
• 探究生物体仅通过感官运动经验如何构建空间概念。
• 证明刚性位移这一空间知觉的核心概念，可从感官运动条件中自然涌现，而无需预先知晓空间。
• 表明此类空间结构在数学上等价于物理刚性位移，尽管其起源纯粹是知觉性的。

提出的方法

• 建模一维智能体，配置可移动的感光器与本体感觉反馈，以模拟感官运动条件。
• 利用感官运动巧合——即环境或智能体位移后感官输入保持不变——来识别不变关系。
• 定义函数 φ，映射位移前后本体感觉状态，捕捉感知上等价于刚性运动的结构。
• 将模型扩展至二维智能体及感知音高与和弦的听觉智能体，以推广该机制。
• 证明 φ 函数集合在数学上同构于物理刚性位移，从而支撑一致的空间表征。
• 将该框架应用于听觉感知，表明和弦转位可生成基于频率的、功能性空间结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个不掌握物理空间知识的智能体，是否仍能发展出功能性空间结构表征？
• RQ2 哪些感官运动不变性足以使智能体推断出刚性位移的概念？
• RQ3 在不预设预存空间介质的前提下，空间知觉如何从感官运动经验中浮现？
• RQ4 感知函数 φ 在多大程度上与物理刚性变换的数学性质相吻合？
• RQ5 同一机制是否能在非空间模态（如听觉音高）中生成类空间表征？

主要发现

• 智能体可通过感官运动巧合学习表征刚性位移，即使完全不知晓自身物理位置或空间的存在。
• 由位移前后感官输出匹配所导出的函数 φ，构成一个与物理刚性位移同构的群，表明其具备数学上一致的空间结构。
• 该 φ 函数在不同初始位置与环境配置下均能一致学习，揭示出稳定且不变的知觉结构。
• 该机制可超越视觉范畴：感知音高的听觉智能体亦能基于频率变化构建功能性空间表征。
• 由此产生的知觉空间是“可感知的”——完全定义于智能体的感官运动领域内——却捕捉到物理空间的本质不变性。
• 空间表征的涌现仅依赖于可补偿感官变化（即感官运动不变性）的存在，而无需假设物理空间的存在。