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材料1
人的大腦由大量的神經(jīng)元通過突觸連接在一起,構(gòu)成了極其復(fù)雜的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)。目前,通過模擬人腦神經(jīng)元信息處理機(jī)制的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為智能時(shí)代最為重要的建模方法。盡管已有的機(jī)器人經(jīng)常被稱為“智能機(jī)器人”,然而這些“智能機(jī)器人”能夠?qū)崿F(xiàn)的動(dòng)作及行為能力基本是通過預(yù)定義的規(guī)則實(shí)現(xiàn)的,而人類進(jìn)行動(dòng)作、行為的學(xué)習(xí)主要是通過模仿及與環(huán)境的交互實(shí)現(xiàn)的,此外,“智能機(jī)器人”目前還不具有類腦的多模態(tài)感知及基于感知信息的類腦自主決策能力。在運(yùn)動(dòng)機(jī)制方面,它們也不具備類人的外周神經(jīng)系統(tǒng),其靈活性和自適應(yīng)性與人類運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)還具有較大差距。
隨著人工智能、機(jī)器人和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,機(jī)器人已經(jīng)由傳統(tǒng)在線示教工作模式向智能工作模式方向發(fā)展,結(jié)合腦科學(xué)研究成果,機(jī)器人理論和應(yīng)用研究有望迎來新的突破,甚至可成功制造出類腦智能機(jī)器人。類腦智能機(jī)器人系統(tǒng)是融合了視覺、聽覺、思考和執(zhí)行等能力的綜合智能系統(tǒng),它能夠以類似于人腦的工作方式運(yùn)行。同時(shí),類腦智能機(jī)器人力圖將人的內(nèi)部機(jī)理融入機(jī)器人系統(tǒng),從而提高機(jī)器人的認(rèn)知、學(xué)習(xí)和動(dòng)作控制能力,通過融入對(duì)人的機(jī)理的探索,類腦智能機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)與人“共情”,從而產(chǎn)生更深度的交互與合作。
類腦智能機(jī)器人首先涉及的是機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)和感知控制,而仿肌肉驅(qū)動(dòng)器是其中的重要部分。這些仿肌肉驅(qū)動(dòng)器可以省卻齒輪,軸承,避免復(fù)雜的結(jié)構(gòu),同時(shí)減輕重量,具有更好的應(yīng)用效果。如Shahinpoor等人用4片重0.1g的人工肌肉材料IPMC作手指組成的機(jī)械手,在5V的電壓下提起了10.3g的石子,所需功率為25mW。如用傳統(tǒng)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)這個(gè)動(dòng)作,其機(jī)構(gòu)將非常復(fù)雜。
20世紀(jì)60年代以來,日本以及美國(guó)DRAPA等機(jī)構(gòu)不斷進(jìn)行仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的研究,但最近10年材料和新型傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展才真正實(shí)現(xiàn)一系列的突破。目前制作的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器可以分為材料類、機(jī)械類和生物類。材料的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器主要代表有形狀記憶合金、電致收縮聚合物、壓電陶瓷、磁致收縮聚合物、功能凝膠、液晶收縮聚合物等。此類仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的共同特點(diǎn)是模擬動(dòng)物肌肉收縮產(chǎn)生力這一工作特性,利用材料在不同的外部控制下,如電壓、電流、PH值等,材料內(nèi)部的成分發(fā)生物理變化,產(chǎn)生形變和力。機(jī)械類的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器,主要代表有氣動(dòng)人工肌肉、液壓人工肌肉、電致收縮器、磁致收縮器等,其中由波士頓動(dòng)力研制的Atlas類人機(jī)器人就采用了液壓人工肌肉。不同于材料類仿肌肉驅(qū)動(dòng)器,機(jī)械類仿肌肉驅(qū)動(dòng)器都是結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,產(chǎn)生收縮和力。生物類的仿肌肉驅(qū)動(dòng)器目前尚處于實(shí)驗(yàn)研制階段,主要是利用動(dòng)物活體細(xì)胞來充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器,美國(guó)DRAPA資助麻省理工學(xué)院研制的魚形仿生機(jī)器人,由活體肌肉驅(qū)動(dòng),最大速度45mm/s,而在類人機(jī)器人上尚未進(jìn)行類似的研究。在這些研究的基礎(chǔ)上,瑞士蘇黎世大學(xué)搭建了擁有“肌腱”和“骨頭”的機(jī)器人平臺(tái)ECCERobot,相關(guān)研究成果被美國(guó)Popular Mechanics報(bào)道,并入選當(dāng)年十大創(chuàng)新概念之首。此外,波士頓動(dòng)力還試圖研制一款更新型放生肢體,采用3D打印的方式,將所有的液壓元件直接打印到其機(jī)器人肢體的“骨頭”結(jié)構(gòu)中,使之更具有仿生元素,比如“類動(dòng)脈式的液壓管道布局”、看上去很像骨頭的支架等。
除了具有仿生結(jié)構(gòu)和仿生運(yùn)動(dòng)能力,類腦智能機(jī)器人還以腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的研究為基礎(chǔ),使機(jī)器人以類腦的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)外界的感知和自身的控制。人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉組成,相關(guān)的肌肉收縮或舒張由中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)同控制。以類腦的方式實(shí)現(xiàn)感知與控制的一體化,這將使得機(jī)器人能夠模仿外周神經(jīng)系統(tǒng)感知、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的輸出與多層級(jí)反饋回路,從而提高機(jī)器人從感知外界信息到自身運(yùn)動(dòng)的快速性和準(zhǔn)確性。
針對(duì)這項(xiàng)技術(shù),瑞士洛桑理工學(xué)院于2015年開發(fā)了一個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)仿真工具。在該仿真工具中。研究人員建立了一個(gè)數(shù)字化的老鼠大腦計(jì)算模型和虛擬老鼠身體模型。通過把這兩個(gè)模型結(jié)合起來,來模擬大腦和身體的相互作用的神經(jīng)機(jī)制,這為類腦機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)模擬提供了基礎(chǔ)。目前,他們已在模型中模擬出一只小白鼠完整大腦中約2100萬個(gè)神經(jīng)元中的3.1萬個(gè)。雖然,將神經(jīng)系統(tǒng)和仿生機(jī)器人相結(jié)合進(jìn)行研究尚處于初步階段,但已經(jīng)建立的腦網(wǎng)類型,以及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和各種運(yùn)動(dòng)控制上的一系列研究成果,已為類腦智能機(jī)人的感知與控制回路的進(jìn)一步研究奠定了很好的基礎(chǔ)。
與類腦智能機(jī)器人密切相關(guān)的技術(shù),如腦機(jī)接口,神經(jīng)假體等,近幾年取得了積極的進(jìn)展。腦機(jī)接口可以使計(jì)算機(jī)從大腦神經(jīng)活動(dòng)獲知人的行為意向,其關(guān)鍵在于神經(jīng)解碼,將大腦的神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)外部設(shè)備的控制信號(hào),其又分為侵入式腦機(jī)接口和非侵入式腦機(jī)接口,其中侵入式腦機(jī)接口能在癱瘓病人的大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)植入電極陣列,提取人的運(yùn)動(dòng)意向從而控制機(jī)械手臂的動(dòng)作,非侵入式腦機(jī)接口是用緊貼頭皮的多個(gè)電極采集大腦腦電圖信號(hào)從而控制機(jī)械臂或飛行器。而在腦神經(jīng)假體方面,美國(guó)DARPA正投資研發(fā)一種芯片,通過植入該芯片可以幫助腦部受傷的人恢復(fù)記憶,并干擾甚至消除一些不愉快的記憶(如戰(zhàn)爭(zhēng)記憶),此技術(shù)已在老鼠身上取得了不錯(cuò)的效果。此外,科研人員在視覺神經(jīng)假體、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)假體方面也均取得了很好的進(jìn)展,并已成功應(yīng)用,以幫助人們恢復(fù)部分視覺功能或部分替代四肢功能。雖然腦機(jī)接口和神經(jīng)假體等方面的研究還有很大的提升空間,但已有的研究成果為類腦智能機(jī)器人的研究提供了很多的借鑒。
在類腦智能機(jī)器人研究中,如何從根本上提升機(jī)器人的智能,是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。經(jīng)歷了長(zhǎng)期的發(fā)展過程,人們普遍認(rèn)為機(jī)器通常在動(dòng)力、速度、精巧性方面具有一定的優(yōu)勢(shì),而人類具有智能、感知、情感等機(jī)器部分具有或者不具有的能力和特點(diǎn),人們自然希望可以將二者各自的優(yōu)點(diǎn)融合在一起,實(shí)現(xiàn)“人機(jī)協(xié)作”。早在20世紀(jì)50年代,已有研究人員開展了相關(guān)的工作、從具體任務(wù)出發(fā)(如工業(yè)制造),研究離線狀態(tài)下的人機(jī)交互,讓機(jī)器人在人的指引下完成任務(wù)學(xué)習(xí)。20世紀(jì)90年代,人們開始研究實(shí)時(shí)交互問題,將服務(wù)機(jī)器人與人結(jié)合在一起,然而這種協(xié)作主要從功能角度使人和機(jī)器人共享智能,并不算真正意義上的融合,在這一過程中,人做一部分工作,機(jī)器人做一部分工作,二者分工完成同一任務(wù)。近年來,人們更加關(guān)注“認(rèn)知——合作”,機(jī)器人作為人的“同事”,和人在一起工作,智能人機(jī)協(xié)同需要計(jì)算機(jī)在陌生的環(huán)境通過對(duì)周圍環(huán)境的觀察以及周圍環(huán)境的反饋刺激、自主整合新舊知識(shí)、并進(jìn)行綜合智能決策,即要求計(jì)算機(jī)具有類腦的交互學(xué)習(xí)機(jī)制。隨著人工智能技術(shù)和新材料技術(shù)的興起,智能機(jī)器人行業(yè)將是未來“腦科學(xué)研究”和“腦認(rèn)知與類腦計(jì)算”研究成果的重要產(chǎn)出方向,在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合,新一代的機(jī)器人或者新型人工智能必須要具有通過交互從外界獲得知識(shí),并通過智能增長(zhǎng)的方式進(jìn)一步了解外部世界的能力,建立基于交互的從零學(xué)習(xí)及智能生長(zhǎng)認(rèn)知模型,能讓計(jì)算機(jī)像嬰兒一樣,在與人的交互過程中進(jìn)行錯(cuò)誤糾正與知識(shí)積累,實(shí)現(xiàn)模仿人類認(rèn)識(shí)外部世界的智能增長(zhǎng)。
在未來,人們希望可以將人的智能更深程度地引入機(jī)器人系統(tǒng),從機(jī)理上對(duì)人進(jìn)行模仿,使機(jī)器人能夠像人一樣思考,從而“配合”人的工作,共同完成任務(wù)。由于類腦智能機(jī)器人的研究既涉及到腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的最新研究成果,又和機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)與控制等內(nèi)容密切相關(guān),未來的研究迫切需要更多地借鑒類腦計(jì)算模型和仿人運(yùn)動(dòng)神經(jīng)機(jī)理,從而構(gòu)建新的機(jī)器人感知、交互和動(dòng)作計(jì)算模型,從根本上提高機(jī)器人的智能性,形成具有動(dòng)態(tài)立體視覺感知、快速自感知、多模態(tài)信息融合、運(yùn)動(dòng)自學(xué)習(xí)能力、協(xié)調(diào)人機(jī)協(xié)作、快速反應(yīng)和高精度操作的類腦智能機(jī)器人。其中,尤其需要解決3個(gè)問題:一是類人運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來的類腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制;二是人機(jī)融合環(huán)境帶來的機(jī)器人多模態(tài)信息融合、交互式學(xué)習(xí)控制;三是雙目可動(dòng)攝像頭帶來的攝像頭高速在線校準(zhǔn)。
材料2
材料3
水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是由傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù),計(jì)算機(jī)X用技術(shù)及配套專用分析軟件,通訊網(wǎng)絡(luò)所組成的一門綜合性技術(shù),監(jiān)測(cè)指標(biāo)能夠反映水體的水質(zhì)狀況,在一定范圍內(nèi)有各自相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)律。當(dāng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常波動(dòng)時(shí),通常會(huì)有兩種情況:
一是多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同一時(shí)段同步走高或走低,這種情況多為水體水質(zhì)異常造成,但還需從各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目間的關(guān)聯(lián)性、時(shí)間序的變化規(guī)律等方面進(jìn)一步分析判斷數(shù)據(jù)異常的原因。
二是只有一個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目發(fā)生變化,其他項(xiàng)目沒有同步變化。這種情況應(yīng)對(duì)出現(xiàn)異常的儀器進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)后自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常,可判斷是儀表故障;校準(zhǔn)后依舊異常,應(yīng)于河道采水系統(tǒng)斷面直接采集水樣進(jìn)行手工監(jiān)測(cè)比對(duì)確認(rèn)。手工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)偏差大于20%,可判定為儀表故障;相對(duì)偏差小于20%,可判定為污染事故。
2019年8月1日至31日,A省M地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站曾出現(xiàn)過的部分指標(biāo)數(shù)據(jù)變化情況如圖所示(圖中橫坐標(biāo)為日期;縱坐標(biāo)為濃度,單位mg/L):
材料4
2016年,美國(guó)科學(xué)家宣布首次探測(cè)到了由兩顆恒星級(jí)黑洞13億年前合并產(chǎn)生的引力波,引力波的發(fā)現(xiàn)為我們打開了研究宇宙的全新窗口,就好比人類以前以為自己只有一雙能夠看見外界的眼睛(電磁波探測(cè)),現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)自己還有一雙能夠聽見外界的耳朵(引力波探測(cè)),這是科學(xué)史上又一次具有劃時(shí)代意義的探測(cè)。
100年前,愛因斯坦提出了引力波的概念,因其難以被探測(cè)到而遭到當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家的質(zhì)疑,就連愛因斯坦也說:“這些數(shù)值是如此微小,它們不會(huì)對(duì)任何東西產(chǎn)生顯著的作用,沒人能夠去測(cè)量它們。”然而,科學(xué)家們?cè)趲资昀锝?jīng)歷多次挫折,不斷調(diào)整方案,改進(jìn)儀器,最終探測(cè)到了引力波。
每一個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn),都來自科學(xué)家對(duì)“真理”的大膽懷疑和不懈追求,都經(jīng)歷了從懷疑、被懷疑再到發(fā)現(xiàn)的漫長(zhǎng)而艱苦的過程。物理學(xué)家愛德溫·哈勃曾在加州理工學(xué)院的畢業(yè)典禮上說過,一個(gè)科學(xué)家要擁有“健康的懷疑、遲緩的判斷以及規(guī)范的想象”??茖W(xué)家們要接受:沒有什么是絕對(duì)定論的,所有的知識(shí)都只是目前我們能得到的最合理的解釋,與之矛盾的證據(jù)隨時(shí)可能出現(xiàn),哈勃說:“科學(xué)家是用不斷迭代,漸次逼近真理的方式解釋世界的?!?
下列有關(guān)類腦智能機(jī)器人的說法中,錯(cuò)誤的是:
下列有關(guān)仿肌肉驅(qū)動(dòng)器的說法中,正確的是:
下列類腦智能機(jī)器人中,運(yùn)用了仿肌肉驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的有:
根據(jù)文章內(nèi)容,下列說法正確的有:
請(qǐng)為本文寫一篇內(nèi)容摘要。
要求:全面、準(zhǔn)確,條理清楚,不超過250字。
【試題七】根據(jù)材料2,溶解氧,高錳酸指數(shù)、氨氮、總磷4個(gè)基本項(xiàng)目中哪一個(gè)項(xiàng)目從Ⅰ類到Ⅴ類的標(biāo)準(zhǔn)限值變化幅度最大?該項(xiàng)目在水體質(zhì)量提升的過程中,其標(biāo)準(zhǔn)限值的要求有何變化趨勢(shì)?(不超過25字)
【試題八】分析材料3中A省M地區(qū)水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)站公布的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷4個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù),概括說明這4個(gè)項(xiàng)目之間變動(dòng)的同步性規(guī)律。(不超過50個(gè)字)
【試題九】2019年8月9日和8月25日,A省M地區(qū)地表水是否符合Ⅱ類的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?為什么?(不超過25字)10分
【試題十】2019年8月,A省M地區(qū)地表水符合Ⅱ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的共有多少天?概括說明當(dāng)月該地區(qū)地表水質(zhì)量的總體變化情況。(不超過50字)
【試題十一】請(qǐng)根據(jù)給定材料,以“懷疑與堅(jiān)持——從引力波的發(fā)現(xiàn)談起”為題,寫一篇議論文。
要求:觀點(diǎn)明確,論證充分,邏輯嚴(yán)謹(jǐn),語(yǔ)言流暢,字?jǐn)?shù)800~1000字。
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