漫谈科幻电影中的人工智能

中国计算机界一年一度的顶级盛会 —— CNCC2021（ 中国计算机大会）将于 12 月 16-18 日在深圳拉开帷幕。InfoQ 极客传媒已正式成为 CNCC2021 的战略合作媒体。作为合作的一部分，《InfoQ 大咖说》与 CCF 联合推出了高端访谈栏目《技术风云 | 对话 CNCC》。

《技术风云 | 对话 CNCC》高端访谈栏目将以直播对话的形式，从纵览计算机发展的视角出发，特邀来自 CNCC2021 的顶尖专家学者、科技企业的技术领袖，围绕 AI、数字化转型、计算+ 、云计算、开源、芯片等前沿技术展开广泛探讨，带来学术、技术、产业等全方位的深度解读，推动计算领域创新技术更广泛的传播、讨论和变革，帮助 IT 从业者开拓视野，紧跟时代。

11 月 8 日，InfoQ 和 CCF 联合推出的大咖说栏目《技术风云 | 对话 CNCC》第六期直播开播。本期大咖说，我们邀请到了中科院计算所研究员、中科大数据研究院院长、CCF 理事、杰出会员、科普工委主任，同时也是 CNCC 2021 的讲者 — 王元卓老师 ，来跟我们聊聊科幻电影中的人工智能。

以下内容节选自当天的分享，InfoQ 做了不改变原意的编辑：

InfoQ：首先请王老师与朋友们打个招呼，简单做个自我介绍。

王元卓：大家好，非常高兴能在咱们的平台上与大家相会，今天晚上我们一起来聊一聊科幻电影中的科学，具体会聊到融入到我们生活当中方方面面的人工智能。

我本人目前在中国科学院计算技术研究所工作，从事大数据和人工智能相关方向的研究工作，同时也作为中国计算机学会科学普及工作委员会的主任，在推动计算机相关领域的科学传播和科学普及工作。

今天我们所要分享的这些内容，其实也是我们将会在下个月的中国计算机大会（CNCC）上所进行的大会主旨报告的一些内容，提前跟大家做一个简单的分享与交流，谢谢。

科幻电影与科学的关系

InfoQ：首先请王老师分享下您为什么会尤为关注科幻电影？

王元卓：我相信很多的网友朋友们都非常喜欢看电影，尤其是一些画面宏大、故事情节吸引人、大开脑洞的场景，往往是这样的一些科幻电影特别能够吸引我们的关注，也会吸引很多的思考。

我是一个 70 后，在 80 年代初期的时候，电视刚刚进入很多家庭，我本人也通过黑白电视看到了当时的一些科幻大片，比如 ： 经典的《星球大战》，以及我小时候非常感兴趣，而且印象深刻的《霹雳五号》，这个电影讲述的是一个用履带行走的机器人，有着大大的眼睛，而且有可以用来抓取物体的手臂。霹雳五号在电影当中的设定是被雷击中后，拥有了一些智能化的能力，其中最让我印象深刻的就是它可以在几秒钟的时间里，学会一本厚字典里面的内容。

这对于当时还在上小学的我来讲，是非常可望的，所以当时就希望能够通过能够亲手制作出这样的机器人朋友，这也是促使我能够开始学习计算机专业，进而进行人工智能研究工作的原因之一。总的来说，科幻电影对于我本人走上科学研究的道路，起到了很大的作用。

InfoQ：王老师作为科研工作者，能否从科研角度讲述什么是科幻电影？科幻电影与真实世界的科学间有怎样的联系？

王元卓：谈不上定义，因为我本身并不是研究电影的。从我们作为电影爱好者的角度来讲，我个人认为科幻电影一定是建立在科学的基础之上，以幻想性情景或假设为背景，在此基础上展开叙事的电影。

所以科幻电影跟科学之间其实是有密不可分的联系。我们一般情况下认为科学幻想是大开脑洞，更加写意，是对未来的幻想，而科学研究一般来说非常严谨，更加写实，这两者之间好像是矛盾，但我们更应该知道，很多科学幻想跟科学的发展有着非常密切的关系。

当年的很多的科学幻想，在今天都已经成为了现实。就拿我刚才举的例子，《霹雳五号》中的很多人工智能技术，包括当时它可以自如地跟人类进行对话，可以很快速的学习，通过眼睛观看视频，能够识别物体、人、道路等，现如今我们身边的智能化的音箱、智能监控的设备、智能导航等都可以实现。

所以科学幻想其实是对科学研究的发展方向起到很好的引领作用，当然科学研究的成果其实也是科学幻想的重要基础。

InfoQ：您出版的《科幻电影中的科学》系列手绘得到了非常广泛的关注，能否跟大家聊聊书中选择的解读电影是否有标准？创作的过程是怎样的？

王元卓：说到创作契机，其实是一个非常偶然的机会，我本人一直从事科学研究工作，包括会指导博士、硕士研究生，会做产业化科学技术转移方面的工作以及科学管理工作。

在 2019 年的时候，我和爱人带着两个女儿去电影院观看《流浪地球》这部经典科幻电影，看完之后为了给女儿们讲解当中的一些科学知识，画了几张简单的手绘图。手绘图被朋友们发在了网上之后，引起了比较大的关注，当时有超过 1.5 亿的网友朋友们进行观看，有几万留言，其中就有网友朋友们留言道王老师能不能用给女儿们通过手绘讲解科学知识的手段，让更多的孩子都能够从中学习到科学知识。这也就是《科幻电影中的科学》系列书创作的起因。

从 2019 年开始创作，到去年 6 月份正式出版第一本书《科幻电影中的科学之科学家奶爸》，其中选择了《流浪地球》、《星际穿越》和《火星救援》三部我个人非常喜欢的描写宇宙空间、时空旅行的科幻电影。每个电影选择了 10 个知识点来通过手绘的方式为大家介绍，当时也是得到了非常多的网友朋友们的关注和认可。

今年这本书也是获得了一系列的大奖，不止收获了网友朋友们关注和认可，而且得到了很多专家院士及专业人士们的很高评价。

本系列的第二本书，跟今天要讲的内容相关。在这本书当中我们选择了三个科幻电影：第一个科幻电影是《钢铁侠》。我们通过它来讲解人工智能中的知识图谱、图灵测试以及深度学习、机器学习等科学知识；

第二个科幻电影是《阿凡达》。我们通过它来讲解脑机接口、异体控制、群体智能等科学知识；

第三个科幻电影是《头号玩家》。如果对科技关注很多朋友们会发现现在元宇宙在网上非常多的热评，什么是元宇宙？

其实《头号玩家》中通过技术游戏化的手段来实现的一系列的场景，就是元宇宙的雏形，包括如何去实现这种虚拟化的社交，如何通过眼镜、衣服运动的设备等穿戴，实现我们在虚拟空间中的人与人之间的交流。

所以这本书不但可以给青少年看，也可以给很多成年人看。在这里面选择介绍的 30 个知识点，都是在我的专业领域里面经过精细的选择而设定的，同时这本书也得到了包括中国计算机学会梅宏理事长等多位院士的推荐。希望这本书里面的人工智能知识能激发大家对人工智能的更多关注。

人工智能发展现状

InfoQ：目前人工智能处在什么阶段以及有哪些应用场景（可举一些例子）？

王元卓：人工智能并不是一个新的概念，上世纪五六十年代，随着电子计算机的兴起，当时很多科学家认为人工智能的时代将来临，从最早期的人工智能的程序可以去下简单的棋类游戏，包括后面通过基于规则的方式，去实现简单的人机对话等都是人工智能在历史上发展的里程碑式事件。

比如说当年很多人印象深刻的，超级电脑“深蓝”跟卡斯帕罗夫在国际象棋上的对弈，标志着人工智能可以战胜人类棋手。近年来人工智能重回巅峰一个标志性的事件，就是 AlphaGo 在围棋上战胜人类顶级高手李在石。

人工智能在近些年得以快速的发展，其实是有三个重要条件：第一，近年来随着互联网的尤其是移动互联网的大规模应用，网络上出现了大量的数据，这也就是为什么在 2012 年前后有了大数据这样的概念，有了大量的数据后可以让机器学习模型去做训练和学习，比如下棋，比如去做更精准的模型识别等；

第二，随着深度学习模型的提出，我们在过去研究人工神经网络的基础上，引入深度学习的这种设计理念，让模型的识别的准确率得到极大的提升；

第三，就是计算能力的提高，处理器芯片，计算机的效能达到了前所未有的高度，可以让我们在很低成本就可以获得非常高的计算能力，可以让深度学习模型得以快速训练，也得以让大量人工智能应用，可以在很多终端设备上有非常好的运行。

这三个条件也是促进近些年人工智能快速发展的很重要的条件。

如果谈到应用，我们每个人在生活当中都有或多或少的体会，我举一个例子，我的小女儿现在上二年级，她现在每天早上起来第一句话就是“小度小度，今天几度？” 然后根据小度的回答，她可以自己去选择怎么穿衣服，这也能体现出人工智能现阶段已经渗透在我们生活、学习、工作的方方面面，但是它还没有真正实现沉浸式一些场景。

总而言之我认为我们各个方面都在向智能化发展，从早期的信息化到数字化，再到现在智能化的初级阶段，很多应用都开始逐渐的智能，让我们可以花更少的代价去获得更优的选择和结果，但我们也要看到当前的人工智能还是弱人工智能。

现阶段的人工智能也只能在某些领域里面达到超出人们预期的水平，比如说前面讲到的下象棋，玩某些电脑游戏等，当然这是个不断探索的过程，比如智能驾驶等其实都是人工智能在工业上非常吸引人的应用，目前我们的学者也在积极探索中。

而所谓强人工智能，指的是未来有一天我们的生活当中充斥着大量的人工智能，人可能会被人工智能取代或者会被人工智能威胁等。我觉得这些未来也许会出现，但可能不是我们现阶段作为科研工作者去考虑的。

InfoQ：在《钢铁侠》中，智能大脑贾维斯和钢铁侠的交互实际上正是人工智能中的人机交互技术，目前人机交互的发展方向都有哪些？与电影中的场景相比，还有哪些差距？

王元卓：漫威电影中有很多英雄，其中钢铁侠是一个非常科幻的角色。它之所以能够跟众多玄幻英雄比肩且不落下风，靠的就是我们所说的智能大脑。智能大脑，可以分为两部分：一部分是智能大脑的中枢处理中心，先后有四代，其中第一代贾维斯最为出名；另一部分就是战甲，战甲可以跟智能大脑之间做良好的互动，通过数据的传输，做更好的判断、更精准的打击、更好的防御，这也是钢铁侠能够战无不胜的重要基础。那么它用我们现有的科技手段能实现吗？

其实在我们的书中，已经回答了这个问题，如果要去实现智能大脑的话，会分为以下步骤：

第一，拥有大数据获取的能力。大数据获取能力分为两方面：一方面是在智能物端的获取能力，换句话说就是智能物联网，包括图像数据、环境数据、气候数据、位置数据等，第二方面是互联网数据，众所周知大数据这个概念最早提出就是因为有像 Facebook 等社交媒体在互联网上产生了大量的数据；

第二，需要快速理解数据含义，并有效地转化为结构知识，也就是通常所说的知识图谱。如何把这种半结构化、非结构化等来源的异构数据转化成结构化、计算机算法可以理解的知识图谱非常的关键；

第三，需要将结构化知识进行有效地存储和管理，我们可以称之为数据大脑或者大数据处理引擎。主要探究如何在过亿甚至过百亿规模的知识中实现秒级甚至毫秒级查询。用电影中场景举例，钢铁侠飞到一个地方，需要迅速判断多大范围内有威胁，就需要从大量的数据中心判断有价值数据，如果数据不能实时响应，很可能过程中被敌人击败，因此大数据处理引擎对于大数据的实时响应非常有必要；

第四，需要快速计算和分析。计算和分析往往是需要建立在强大的计算能力的基础上，所以我们希望出现超高性能计算机，能够做到让大规模的计算能够实时响应；

第五，需要让智能算法在计算机上运行，也就是拥有算得更快更聪明的设备。在这些设备上可实现人机对话、自然语言处理、生物信息计算等；

第六，还需要远程传输这个重要“武器”，这个“武器”可能会是 5G 或者是未来的 6G，来进行语音通信或者其他命令式通信，最终实现智能铠甲与智能大脑间的通信。

InfoQ：说到《头号玩家》，不得不提到今年大火的概念“元宇宙”，您认为元宇宙是否还很遥远，实现元宇宙首要解决的技术难点有哪些？

王元卓：首先元宇宙还不是一个严格意义上的学术概念，或者说，在科研领域里，它还并不是一个被确定的研究方向，只能说是人类发展的一个愿景。

元宇宙它是一个虚拟现实的世界，类似于我们的平行空间，与我们生活的空间一样，它可以有人、家、小区等等场景，人们在平行空间里面也可以正常的生活交流，做各种各样的社交行为。

要达到这样的一个平行空间：第一，需要很高水平的场景渲染技术，可以让我们在其中通过各种方式来设定长相、家庭、技能水平等，提供一个更加沉浸式场景；第二，需要好的体感设备，能让我们感知冷热、酸甜苦辣等各种感觉；第三，需要能捕捉我们的各种表情并实时同步在元宇宙中。

这就需要一系列技术手段，无论在硬件的装备、软件的算法以及传输方面等都需要增强，除此之外还有重要的两点：第一，需要有足够多的人在上边交流，才能形成“宇宙”的概念，足以让我们有沉浸式的体验；第二，一旦形成元宇宙，就成为一个社会，意味着需要遵循法律、秩序等，所以需要做各个方面的管理及有效机制的制定。

因此，总的来说，我认为元宇宙不仅仅只是一个技术手段问题，更是一个方方面面的载体。大家可以看到《头号玩家》中的虚拟游戏设定已经很科幻了，但其实其中的场景也只是所谓元宇宙的初级阶段，如果真的要实现元宇宙的愿景，我们还要解决技术、社会、法律等各方面的问题。

InfoQ：电影《阿凡达》中所展现的利用意念操控阿凡达，实际上是脑机接口技术，目前脑机接口研究到了怎样的水平，脑机接口实现工业应用面临怎样的难题？

王元卓：我和大家聊聊我个人的理解。脑机接口有很多种方式：第一，可以通过佩戴头盔来采集脑电波，然后将脑电波通过某个装置传输出去，脑电波的变化情况可以去实现某些操控。比如可以采集脑电波的特定情境下的数据，在我们冥想一个红苹果的情况下，就可以记录此时的脑电波模式和特征，通过对模式和特征的学习可以控制远处的装置，甚至操控一些简单的设备；第二，通过脑波控制。一方面脑波控制还需要比较全的脑电波的采集，单纯带一些小型采集器可能是不够的，需要全头部的触点采集，这是一种侵入式的采集，会令人感到不舒服，另一方面，它具有非常多的不确定性，目前还没有办法去实现精准控制，因此它的应用领域相对会受到很大的限制。但是据我的了解，目前一些行动不便的人可以通过脑电波对轮椅轮椅做一些初步控制，这是已经实现了的。

我也相信，通过脑波来进行人工智能的控制，包括一些更复杂的控制，加以一些辅助手段，在不久的将来是会应用到很多特定领域里的。

InfoQ：在科研的角度来看，目前电影里哪些场景实际已经实现了，而哪些场景可能会在未来现实生活中实现？

王元卓：以《阿凡达》为例说一下，在电影中，我想大家还记得那棵灵魂树，它可以通过触须收集大量数据，潘多拉星球的动植物都可以通过这棵树的触须，将他们看到的信息以及感受到的数据都上传到灵魂树中，包括漫威人，他们可以通过自己身体的毛发去接触树的触须来实现数据的下载。

所以大家由此场景联想到现在很多城市都在做的智慧城市。现在很多的城市都会建大数据管理局，大数据管理局的关键作用，就是希望能够把城市当中的各种数据都能够统一起来，统一存储、管理、分发，就能获得更多有价值的信息，同时也能够让更多的用户用起来。

比如说我们很多终端的老百姓，现在就可以通过手机的客户端里面的一些功能来实现很多基本的操作。比如办子女入学、养老社保，包括道路查询、政务服务、信息服务、应急避险救灾等，都可以通过终端来实现。

其实这就是电影在十几年前一个很好的前瞻性的预示，我们现在可能还是需要手机来做，但未来数据的获取会更加便捷，比如我们想了解周边饭店，可能并不需要更多的设备，只需要通过手触摸一下某一个物体，比如树、墙，或者都不需要触摸，只需要产生这个想法，信息就会自动进入到我们意识中，这种也是我们所说的未来的智慧城市。人类城市的发展，包括人类文明进一步进化之后，可能会出现这种形式的载体，这不仅预示了未来智慧城市发展的一个方向，也对我们很多智能化的场景的设定给予了很好的指引。

科学普及需要全民化

InfoQ：作为一个科研工作者，您坚持去做科普手绘，动力是什么？

王元卓：首先，近年来，从国家层面多次都在强调科学研究和科学普及要两翼齐飞，因此作为一个科研工作者，我们可以深刻感受到全民科学素质对科学研究的价值。我们每年都会面试很多学生，在这些学生中我们发现可能有很多人分数很高，但是他们对很多最基本的科学知识以及一些最基本的科学思维方式，都没有得到过系统的培养和训练。

所以我们希望通过科学普及实现我个人的两个期待：

第一，我希望能有更多的人关注科学，希望全社会都能够去关注科学、热爱科学、讨论科学，只有这样，全民的科学素养才能够有提升。去年我们发布了全民科学素养的纲要，从中发现在这方面我们还有很大的提升空间，作为创新型社会，其实还要有很多工作要做。

在这个层面上，我也希望有更多的科研人员能够加入到科学传播、科学普及的工作中来，当然不会影响我们的主业，而是把我们对问题的深入浅出的理解讲给大众，这就是我的第一个期待；

第二，我希望孩子们有更多的时间能够去了解科学知识。科学知识并不是为了应试而学，包括我有两个女儿，我也很希望她们在家里会看跟科学相关的书籍，包括看科幻电影，以及平时去做一些科学实验，能有更多机会来获得计算机相关领域或者大数据人工智能方面的知识。虽然我并不强求女儿未来一定会做相关的工作，但是培养这种相关的科学思维和科学素养，能够让她们在面对问题时有更好的分析问题、解决问题的能力。

所以我同样希望有更多的孩子们都能有良好的科学素养和科学思维的能力，也希望更多青少年们能够对计算机相关的科学技术感兴趣，作为计算机相关的从业者，我也希望在这个领域中的后备军能够有更好的素养，所以这也是我一直在做《科幻电影中的科学》系列手绘的原因。

我计划在未来，完成十部经典科幻电影的科学知识讲解，通过这十部科幻电影的讲解，能让大家触类旁通，打开脑洞，让更多青少年能够了解计算机相关的知识，让他们对计算机感兴趣，也许他们将在上大学的时候选择相关专业，这可以说是我作为计算机领域从业者的一个私心。

InfoQ：本次您受邀出席中国计算机大会唯一面向青少年和大众群体的科普分论坛，给大家介绍下分论坛有哪些亮点值得关注？

王元卓：中国计算机学会去年正式成立科学普及工作委员会，我本人担任工作委员会的首任主任，从去年开始也一直致力于推动中国科学计算机相关领域的科学传播和科学普及工作。

第一，我们的工作委员会有五个工作组，其中有一个群星计划组。群星计划组希望能够在全国范围内培养和吸引聚集更多愿意从事计算机相关领域的科学传播普及的专家学者，包括研究生，只要在某些方面有独到见解，或者比较好的表达能力，都希望能够吸纳进群星计划组的一员；

第二，科普视频的制作。从去年开始我们就在发起并且组织中国计算机学会的科普视频大赛，今年已经是第二届，在今年的科普论坛上我们也会做最终的评选并进行颁奖和展映；

第三，科普图书的创作。我们也在推动中国计算机学会推荐科普阅读的书目，并希望每年都会遴选出优秀的科普图书来推荐给大众去阅读。同时也会组织创作一系列的科普书籍，包括我本人现在发起并且策划的《计算的三部曲》，讲计算机发展的历程、计算的世界以及计算在当前生活工作学习中方方面面的应用，包括计算的未来，我们可以通过科幻的方式来讲解刚才我们说到的在近未来甚至远未来场景下面，人工智能或计算机技术可能会有怎样的发展。相关活动也都会在我们中国计算机大会两个科普论坛上去做展示。

同时我们也邀请了面向大众的计算机相关领域的科普专家来做报告，希望广大没有计算机基础的大众，包括青少年孩子们都可以从中收益，能了解到非常有趣的知识。所以也希望更多的朋友们能够关注科普分论坛，大家可以在今天的视频之后关注我们的官网，届时通过我们的直播链接观看，希望在当天与大家在线上相会。

InfoQ：本次中国计算机大会主题为“计算赋能加速数字化转型”，对于主题您的理解是什么？实现数字化转型还需要从哪些方面共同推进？

王元卓：近些年大家比较关注的数字经济以及数字化转型，都是说如何让传统的产业能融入更多的数字化手段。如何实现产业数字化和数字产业化，是我们在推动数字经济发展当中非常重要的目标。

从各个角度来说，目前我国其实都需要更多数字化效益，通过引入更多人工智能大数据，更多数字相关的技术，通过引入新基建，5G 这样的应用，能够推动更多产业化的发展，让更多的产业能够转到互联网上，通过它为载体，推动更多的产业的发展。

近些年，很多科学技术都经历了快速的发展，其中计算机相关技术或者我们前面所说的数字相关技术得到了迅猛的发展，信息社会，未来数字社会甚至发展到智能化阶段，都可能会有大量产业经济转移到数字空间上来。

所以我们本次大会会有各个方面论坛，包括一些院士专家会从宏观角度去做报告和讲述，也有很多产业化专家，学术专家从数字化相关的各个领域去讲述，当然也有面向大众的、科普化的传播和讲述，衷心希望大家能够关注中国计算机大会，也能够从中国计算机大会中获得不同角度的内容。