智慧和空間的關(guān)系，既是哲學(xué)問題，也是涉及心理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科的科學(xué)問題。進(jìn)入人工智能時(shí)代，人工智能技術(shù)改變了傳統(tǒng)的意識(shí)、智慧和空間的內(nèi)涵，因而改變了智慧和空間的兩者關(guān)系和存在模式。

01 引言

在人工智能的前沿探索中，“空間智能”（spatial intelligence）和“智能空間”（intelligent space）是兩個(gè)相關(guān)卻存在相當(dāng)差異的概念，代表了人工智能研究中兩條獨(dú)特的發(fā)展路徑，各自解決不同的核心問題，并影響著人工智能的研究方向和實(shí)踐。

其中，空間智能指的是人工智能系統(tǒng)感知、理解、推理和與特定維度空間及其關(guān)系進(jìn)行交互的認(rèn)知能力。這種能力使人工智能系

統(tǒng)能夠處理通過視覺所觀察的物理環(huán)境中物體的排列、定位和移動(dòng)等信息。而智能空間，也稱為“智能環(huán)境”（intelligent environment），代表的是一種截然不同的研究方向，它所關(guān)注的是如何通過嵌入式技術(shù)來增強(qiáng)物理環(huán)境，從而創(chuàng)造出交互式和響應(yīng)式的生態(tài)系統(tǒng)。

劉志毅所著的這本《空間智能》通過“維度革命”視角，梳理了空間智能技術(shù)的發(fā)展，探討了人工智能發(fā)展的內(nèi)在邏輯。值得注意的是，本書中將技術(shù)分析與哲學(xué)思考融為一體，強(qiáng)調(diào)了空間智能是通向真正通用人工智能的關(guān)鍵一步。

02 空間智能

人類對(duì)于空間智能的研究，至少超過一個(gè)世紀(jì)。從 1880 年到1940 年，空間智能逐漸被理解為一種獨(dú)立、獨(dú)特的能力?？臻g能力主要通過對(duì)能力測(cè)試表現(xiàn)的因素分析來識(shí)別，并在需要解釋空間信息的職業(yè)中受到重視，如航空、工程和技術(shù)繪圖。人類學(xué)研究也認(rèn)識(shí)到游牧民族和狩獵采集者中的空間智能，突顯了其進(jìn)化意義。

空間智能包括幾個(gè)關(guān)鍵組成部分：

（1）空間感知，準(zhǔn)確捕捉空間中二維形狀或物體的能力。

（2）可視化，想象和圖形表示視覺或空間概念的能力。

（3）心理旋轉(zhuǎn)，評(píng)估形狀或物體在操作后外觀的能力。

（4）空間關(guān)系，理解空間中物體之間關(guān)系的能力。

（5）空間定向，在空間中導(dǎo)航和理解自身位置的能力。

也有學(xué)者將“空間智能”解構(gòu)為三個(gè)組成部分：吸收和理解視覺信息的能力、整體理解形狀的能力，以及識(shí)別視覺因素之間關(guān)系的能力。

現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究有效推動(dòng)了空間智能的研究，證明了大腦結(jié)構(gòu)與空間信息處理能力之間的神經(jīng)聯(lián)系。研究顯示，左側(cè)頂枕區(qū)域的損傷會(huì)同時(shí)導(dǎo)致（空間）信息綜合能力的受損，這一神經(jīng)心理學(xué)證據(jù)突顯了空間智能的生物學(xué)基礎(chǔ)。

最近的研究集中在評(píng)估和發(fā)展人工智能模型中的空間認(rèn)知。2024年引入的SPACE基準(zhǔn)系統(tǒng)，評(píng)估了前沿人工智能模型中的空間認(rèn)知，測(cè)試大規(guī)模映射能力、關(guān)于物體形狀和布局的推理，以及空間注意力和記憶等認(rèn)知基礎(chǔ)設(shè)施。這一基準(zhǔn)的結(jié)果表明，“當(dāng)代前沿模型在空間智能方面落后于動(dòng)物，在一些經(jīng)典動(dòng)物認(rèn)知測(cè)試中接近隨機(jī)水平”。

這表明當(dāng)前人工智能在空間推理能力方面仍存在顯著差距。人工智能科學(xué)家李飛飛將空間智能確定為“人工智能的下一個(gè)前沿”，并表示“視覺空間智能是基礎(chǔ)的—它與語(yǔ)言一樣基礎(chǔ)……它比語(yǔ)言更古老”。人們?cè)桨l(fā)認(rèn)識(shí)到空間智能在推進(jìn)人工智能能力方面的重要性。

03 智能空間

智能空間是具有嵌入式系統(tǒng)和信息通信技術(shù)的空間，通過創(chuàng)造交互式空間，將計(jì)算帶入物理世界并增強(qiáng)居住者體驗(yàn)。智能空間即“高度嵌入式、交互式空間”，旨在“將計(jì)算帶入真實(shí)的物理世界，以支持傳統(tǒng)上被認(rèn)為非計(jì)算活動(dòng)的活動(dòng)”。智能空間應(yīng)用包括智能家居和建筑、智能指揮所、響應(yīng)式客廳、支持殘障人士的環(huán)境和教育空間。

實(shí)現(xiàn)智能空間需要多個(gè)學(xué)科的融合，包括信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)、建筑學(xué)、材料工程、人工智能、社會(huì)學(xué)、設(shè)計(jì)學(xué)等。其中，關(guān)鍵技術(shù)包括電子（微型化、功耗）、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能材料和具有情境感知能力的智能代理。

智能空間的核心特征包括：

（1）嵌入信息和通信技術(shù)的物理環(huán)境。

（2）集成到物體、基礎(chǔ)設(shè)施和周圍環(huán)境中的傳感器系統(tǒng)。

（3）無縫使用計(jì)算來增強(qiáng)普通活動(dòng)。

（4）使計(jì)算機(jī)對(duì)用戶基本上不可見。

智能空間的概念的出現(xiàn)比空間智能晚得多，約在 20 世紀(jì)末隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)。“智能空間”一詞最初由彼得·德勒格（Peter Droege）于 1997 年提出。然而，其基礎(chǔ)思想可以追溯到科幻小說，如《2001 太空漫游》（2001: A Space Odyssey）中的角色HAL 9000 和《惡魔之種》（Demon Seed）中的角色Proteus。1991 年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家馬克·維瑟提出了“普適計(jì)算”（ubiquitous computing）的概念，他認(rèn)為計(jì)算可以被嵌入到日常物品和環(huán)境之中，這標(biāo)志著一個(gè)重要轉(zhuǎn)變。1996 年，東京大學(xué)橋本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一個(gè)關(guān)于智能空間的研究，其特點(diǎn)是一個(gè)配備了三維跟蹤傳感器和連接到網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人的房間。

04 人工智能推動(dòng)空間智能和智能空間的融合

空間智能與智能空間的概念存在如下差異：

（1）自然與人工。空間智能是人類和動(dòng)物固有的認(rèn)知能力，而智能空間是人類創(chuàng)造的旨在增強(qiáng)人類體驗(yàn)的人工制品。

（2）主體與客體。空間智能指的是智能體擁有的能力，而智能空間是智能體與之互動(dòng)的空間。

（3）歷史時(shí)間線?？臻g智能被認(rèn)可和研究的時(shí)間更長(zhǎng)（自 20 世紀(jì)初以來），而智能空間主要是在 20 世紀(jì)末隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步而出現(xiàn)的。

空間智能與智能空間之間也存在相互聯(lián)系：

（1）相互增強(qiáng)。智能空間可能通過提供新的方式與空間互動(dòng)并理解空間，從而增強(qiáng)人類的空間智能。

（2）認(rèn)知模型。智能空間的發(fā)展通?；趯?duì)人類空間認(rèn)知的理解，以創(chuàng)建更直觀的界面。

（3）信息處理。這兩個(gè)領(lǐng)域都涉及處理空間信息，并通過不同的機(jī)制（神經(jīng)與計(jì)算）進(jìn)行處理。

進(jìn)入 21 世紀(jì)的第三個(gè)十年，因?yàn)槿斯ぶ悄艿难杆侔l(fā)展和演變，空間智能與智能空間兩個(gè)領(lǐng)域，正展現(xiàn)出日益融合的趨勢(shì)：

（1）具身人工智能。能夠?qū)Ш讲⑴c物理環(huán)境互動(dòng)的人工智能系統(tǒng)，既需要擁有空間智能能力，又需要在智能空間中運(yùn)作的能力。

（2）多模態(tài)學(xué)習(xí)。先進(jìn)的人工智能模型越來越多地將視覺—空間理解與語(yǔ)言能力相結(jié)合，反映了人類認(rèn)知所看到的整合。

（3）人機(jī)交互。智能空間的設(shè)計(jì)越來越注重與人類空間認(rèn)知模式相一致的自然多模態(tài)交互。

特別值得注意的是，智能空間當(dāng)前研究的重點(diǎn)是創(chuàng)建能夠找到擁有適當(dāng)主動(dòng)性和透明度水平且不會(huì)打擾用戶的系統(tǒng)。自我調(diào)整能力被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，允許系統(tǒng)根據(jù)用戶在特定任務(wù)上的專業(yè)水平推斷其需求。因此，人工智能與智能空間的整合越來越必要。智能空間將從知識(shí)表示到計(jì)算機(jī)視覺等人工智能子學(xué)科中受益，若沒有它們則將受到嚴(yán)重限制。

05 量子力學(xué)對(duì)空間智能和智能空間的影響

量子力學(xué)的誕生和發(fā)展，不斷改變著人們對(duì)于空間的認(rèn)知。1995年，美國(guó)物理學(xué)家愛德華·威滕提出的“M理論”尤其值得思考。根據(jù)M 理論，宇宙是一個(gè)十維空間，再加上時(shí)間維度，即十一維度。M理論希望通過融合弦理論、超引力和高維幾何的見解，將廣義相對(duì)論與超對(duì)稱結(jié)合，最終解釋所有物質(zhì)與能源的本質(zhì)與交互關(guān)系，以及宇宙最深層奧秘，成為“物理的終極理論”。

M 理論中的額外維度，通過緊致化（卷曲在極小尺度）加以隱藏?？梢?，M理論很可能更符合真實(shí)的物理世界。不僅如此，M理論與人們感受到維度是相通的，只是無法用傳統(tǒng)科學(xué)手段加以證明。但是，M 理論從提出開始至今，始終面臨著若干需要克服的基本問題：

（1）數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)問題。物理學(xué)家沒有能夠提出基本方程和原理。

（2）實(shí)驗(yàn)證據(jù)問題。M理論的能量尺度超出了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)的可達(dá)范圍，直接的實(shí)驗(yàn)證明困難。

（3）緊致化與現(xiàn)實(shí)性問題。將額外維度緊致化以再現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中觀察到的物理現(xiàn)象，需要做出復(fù)雜的選擇和假設(shè)。

當(dāng)威滕提出M 理論框架的時(shí)候，他也沒有對(duì)“M”的內(nèi)涵有過確切的解釋，他認(rèn)為M 可能代表“魔法”（magic）、“膜”（membrane）或者“神秘”（mystery）?，F(xiàn)在，伴隨人工智能技術(shù)的突破，人工智能作為實(shí)現(xiàn)物理世界的引擎，模擬和展現(xiàn)具有數(shù)學(xué)模型支持的十一維空間，幫助人類自然智慧達(dá)到并進(jìn)入高維度空間，并讓高維度空間智能化，最終重構(gòu)空間與智慧的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)空間智能和智能空間的一體化，完成物理空間和智慧空間的融合。

06 本書內(nèi)容特點(diǎn)和局限

《空間智能》一書在內(nèi)容上有三個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）通過維度框架幫助讀者理解人工智能的發(fā)展歷程。作者從零維的符號(hào)主義到一維的連接主義，再到二維的卷積網(wǎng)絡(luò)，最終探討三維及更高維度表示的可能性。這種宏觀理論框架有助于讀者把握技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)和方向。

（2）融合認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多領(lǐng)域知識(shí)，在技術(shù)原理和哲學(xué)思考之間取得了較好的平衡。例如，作者引用神經(jīng)科學(xué)中的位置細(xì)胞和網(wǎng)格細(xì)胞研究成果，將其與人工智能發(fā)展聯(lián)系起來。特別是書中對(duì)神經(jīng)輻射場(chǎng)（NeRF）、擴(kuò)散模型、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算等前沿技術(shù)的分析，既有深度又有廣度，不僅介紹了這些技術(shù)的工作原理，還深入探討了它們對(duì)認(rèn)知方式的革命性影響，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。可貴的是，本書注意到和描述了空間智能和智能空間領(lǐng)域的融合發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

（3）哲學(xué)思考。例如，以柏拉圖洞穴進(jìn)行比喻的現(xiàn)代詮釋，以及通過擴(kuò)散模型闡述對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的哲學(xué)啟示等。這種將技術(shù)與哲學(xué)思考緊密結(jié)合的方式，能夠啟發(fā)讀者更多思考。

當(dāng)然，本書仍然存在一些內(nèi)容和表達(dá)的局限，如：

（1）技術(shù)討論的深度。本書涵蓋了多項(xiàng)前沿技術(shù)，但對(duì)于某些技術(shù)的數(shù)學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

的探討仍不夠深入。對(duì)于希望獲得詳細(xì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)的讀者來說，需要配合更專業(yè)的技術(shù)書籍一起閱讀。

（2）理論框架的復(fù)雜性。本書的理論框架新穎而復(fù)雜，引入相當(dāng)數(shù)量的抽象概念，不同于以實(shí)例為核心內(nèi)容的人工智能入門書籍。所以，本書讀者需要具有一定的學(xué)術(shù)偏好和專業(yè)基礎(chǔ)。

07 小結(jié)

隨著空間智能與智能空間的融合發(fā)展，我們正在迎來人工智能的新時(shí)代。今天，人工智能系統(tǒng)不僅能夠理解和操作三維空間，還能與增強(qiáng)的物理環(huán)境無縫交互，創(chuàng)造出前所未有的智能體驗(yàn)。這種融合推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，也深化了我們對(duì)智能本質(zhì)的理解，為實(shí)現(xiàn)真正的通用人工智能鋪平了道路。

正是在這一背景下，《空間智能》探索了空間智能的本質(zhì)、發(fā)展和未來方向，為讀者提供了理解這一關(guān)鍵領(lǐng)域的全面視角。通過這本書，讀者將能夠把握人工智能發(fā)展的內(nèi)在邏輯，理解空間智能在通向通用人工智能道路上發(fā)揮的關(guān)鍵作用，以及空間智能與智能空間融合所帶來的無限可能。