感知机

从例子里学

1957 年，在纽约州布法罗的康奈尔航空实验室，心理学家弗兰克·罗森布拉特提出一种「感知机」：它不靠程序，而是看一张张图，被告诉对错，自己调整，直到能把图分对。

1958 年他在《心理学评论》上写出了它的结构：感觉单元（S）接收图像，联想单元（A）随机地接在感觉单元上，响应单元（R）把联想单元的信号加权求和，给出回答。学习只改最后这一层的权重。

海军研究署出钱，项目叫 PARA。造好的机器叫 Mark I。

感觉单元 S → 联想单元 A（随机、固定）→ 响应单元 R（权重可调）

「计算机的胚胎」

1958 年 7 月，海军研究署公开展示感知机。那时 Mark I 还没造好：演示用的是一台 IBM 704 计算机上的模拟程序。它读入一张张穿孔卡片，试了 50 次之后，学会分出记号打在左边的卡片和打在右边的卡片。

第二天《纽约时报》的标题是「海军新装置边做边学：心理学家展示一台为阅读和变聪明而设计的计算机的胚胎」。报道里说，海军期望它将来能走路、说话、看、写、自我复制，并意识到自己的存在。

真机后来做的事要具体得多，也有限得多。

1958 年 7 月的演示：IBM 704 上的模拟，50 次后分出左右记号

四百个光电池

机器的眼睛是一台相机。黑板上一个白色字母，两盏灯照着；镜头把它投到相机后部一块 20 × 20 的光电池板上，每格一个硫化镉光电池，光越亮电阻越小。像是倒的，左右也反了，这对机器没有分别。

机柜最左边上方是感觉单元监视器，400 盏小灯一格对一格地亮出光电池看到的图；下面一扇门上有 400 个手动开关，不用相机也能直接拨出一张图。

20 × 20 = 400 个硫化镉光电池 · 监视器 400 盏灯 · 手动刺激开关 400 个

随机接线

两扇门后是一块大插线板：一边是光电池的插孔，一边是联想单元的插孔，中间垂着成团的跳线。每个联想单元接着若干个光电池。在罗森布拉特的设计里，有的连接推它发放（兴奋），有的拦着它（抑制）；兴奋的信号减去抑制的信号超过阈值，它就发放。

接哪几个是按随机数表插的，为的是不给机器预先埋下任何偏向。这层接线插好就不再动，机器学习时它一根也不改。

光电池 → 联想单元：按随机数表接线 · 学习时不改

会转的电位器

Mark I 有 512 个联想单元、8 个响应单元。每个联想单元到每个响应单元的权重是一只电位器，由一台小电动机带着转。

一个响应单元把所有正在发放的联想单元的权重加起来，和超过阈值就亮灯，回答「是」；不超过就不亮。8 个响应单元可以各管一个字母，也可以合起来组成一个二进制编码。右边的仪表盘显示这些和。

512 个联想单元 × 8 个响应单元 · 权重 = 电动机转动的电位器

答错了才转

训练时，操作员给机器看一张图，并告诉它对的回答。哪个响应单元答错了，就把这一刻正在发放的联想单元接到它的电位器各转一格：该亮没亮，往大转；不该亮却亮了，往小转。答对的不动，不发放的联想单元也不动。

这条规则叫误差校正。1962 年，诺维科夫证明：只要存在一组权重能把所有图分对，按这条规则训练，出错的次数一定有限，机器最后一定会分对。

错了：发放的单元，各转一格 · 对了：不动

拆开来看

从左往右：黑板和灯、相机和它的台座、感觉单元的监视器和开关、插线板、联想单元的柱子、响应面板、仪表面板。两个机柜加起来宽约 3.4 米，高约 2 米，深 64 厘米。

史密森尼博物馆按左右顺序记下了它：顶上标着 MARK I 的是插线板那一柜，标着 PERCEPTRON 的是电位器。

剖开相机

把相机剖开：镜头、皮腔、后部的光电池板。黑板上的白色字母落在板上是倒过来的一块亮斑，亮斑下的光电池电阻变小，信号沿电缆走进机柜。机器后面所有的计算，都只从这 400 个数开始。

镜头成倒像 · 400 个数是机器知道的全部

它学会了什么

实验由约翰·海主持。他教 Mark I 分辨字母 E 和 X：即使操作员故意报错三成，机器最后也分得全对。它学会了认八个字母，字母是大号的印刷体，出现在视野里的任意位置。

固定位置的 26 个字母，用 5 个响应单元组成二进制编码，也学会了；罗森布拉特写道，这差不多是 Mark I 的容量上限。同时认两种字体的 26 个字母，最好只到约 85%。

E 对 X：全对 · 八个字母、任意位置：学会 · 26 个字母、固定位置：学会 · 两种字体：约 85%

学不会的事

一个响应单元做的事，是在所有联想单元的信号上划一条线。线能划开的，它一定学得会；划不开的，怎么转电位器都没用。最简单的例子是「异或」：两个点只亮一个时回答是。直接接在两个点上的单个单元，永远学不会。

1969 年，明斯基和派珀特在《感知机》一书里证明：像「亮点的个数是奇数还是偶数」这样的问题，必须有联想单元同时看到整张视网膜的每一个点；判断图形是不是连成一片，要看的点数也随视网膜变大而增长。每个单元只接有限几个点的 Mark I 学不会它们。机器在这里练很久，见过的图仍有错，没见过的图只对一半，和猜一样。

能用一条线分开：一定学会 · 奇偶、连通：每个单元只看有限几个点时学不会

今天的网络

罗森布拉特知道问题出在中间那一层是随机的、不会学。1986 年，鲁梅尔哈特、辛顿和威廉斯发表了反向传播：把误差一层层往回传，所有层的权重都跟着调。今天的神经网络就是这样训练的，单元仍然是「加权求和、过一道门槛」，只是有几十上百层，权重从几千个变成几千亿个，存在内存里，不再靠电动机转。

Mark I 在 1967 年由海军研究署转给史密森尼，现在是国家美国历史博物馆的藏品，目前没有展出。罗森布拉特 1971 年在切萨皮克湾驾帆船时溺水，那天是他 43 岁生日。

1957 提出 · 1958 IBM 704 演示 · 1960 Mark I 手册 · 1969《感知机》· 1986 反向传播