深度神经网络在众多复杂任务中已达到顶尖水平,但面对新环境或感官输入缺失时往往表现得十分脆弱。与之形成鲜明对比的是,生物系统对这类挑战展现出惊人的容忍度。一篇新发表于arXiv的论文提出了一种受生物启发的方法:直接根据果蝇(Drosophila melanogaster)突触分辨率的大脑连接组来构建循环神经网络(RNN),并测试其作为机器人导航控制器的可行性。
该网络被命名为FLYNN(Fly connectome Neural Network)。研究团队在MuJoCo物理仿真环境中训练FLYNN执行基于视觉的导航任务。结果显示,FLYNN的性能与参数量相近的现代手工设计网络相当。然而,真正的亮点在于鲁棒性:在分布外(OOD)数据上,FLYNN表现出更强的抵抗力;在面对感官输入丢失时,它同样展现出更好的容忍度,而且无需额外训练。
最引人注目的实验结果是,即使在完全失去视觉输入的情况下,FLYNN仍然能够维持一定功能,而手工设计的网络则大多彻底失败——即便这些手工网络在训练时专门使用了摄像头随机丢弃(camera dropout)技术来增强鲁棒性。这一对比凸显了生物拓扑结构在应对传感器故障方面的内在优势。
为了探究这种鲁棒性的来源,作者对FLYNN的内部状态进行了主成分分析(PCA)。分析表明,FLYNN表现出特别高的表征模块化(representational modularity)程度,即不同功能子网络在状态空间中相对独立地运作。研究者推测,这种模块化可能是其鲁棒性的关键因素:当部分输入缺失时,模块化的表征可以限制损伤的传播,而手工网络则更容易出现全局性失效。
该论文由Benquan Wang等作者提交,属于机器人学(cs.RO)和人工智能(cs.AI)交叉领域。文章摘要指出,这项工作为设计具有弹性的人工智能代理开辟了新方向:通过模仿生物大脑的拓扑结构,而不是仅仅依赖规模更大的通用网络,来获得对未知环境和传感器故障的适应能力。未来,这种连接组驱动的设计思路或许能推广到其他机器人任务,并启发更广泛的神经形态计算研究。