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人类究竟凭什么，竟能够制造出会像自己一样思考、行动和工作的机器？这要归功于一门博大精深的现代应用数学理论，那就是“控制论”（Cybernetics），它揭示了人和动物的行为奥秘，并奠定了机械自动化的理论和技术基础。
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2.维纳从捡铅笔得到启示
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1948年，美国数学家维纳（Norbert Wiener，1894—1964，图9.5.2）发表了他的划时代著作《控制论：关于在动物和机器中控制和通信的科学》，标志着控制论这门学科的正式诞生。其中“控制论”这一词的英文名称Cybernetics，系维纳借用了希腊文单词Kυβερνήτης（原意是指“舵手”和“管理”等）而自造，以表明这是一门崭新的学科。
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维纳这部著作的内容极其广泛，以致看上去有点像在东拉西扯，却真实记录了控制论的思想是如何在实践中产生并发展起来的。书中不仅使用了群论、微分方程、数值计算、统计学、随机过程和信息论等数学工具，还涉及电子科学技术、通信论、计算机科学、生物学、医学生理学、社会学和哲学等学科知识。但始终围绕着一个核心概念，那就是——“反馈”（feedback）。维纳举了一个捡铅笔的例子。假定一个人要弯腰去捡地上的一支铅笔。为实现这一意图，他不需要、也不可能有意识地让身上每块肌肉有条不紊地进行必要的伸缩运动，以完成捡铅笔的动作。
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▼ 图9.5.1 卡斯帕罗夫和“深蓝”的人机大战
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▶ 图9.5.2 青年时期的维纳
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实际上完成动作的方式会是这样的：当他有了捡铅笔的意图，其眼睛就会盯着地上的铅笔，身体肌肉会自然地进行相应的动作，让手接近铅笔，而眼睛随时通过神经向头脑汇报手与目标之间的误差，头脑命令肌肉调整运动，使手更靠近目标，直至捡到了铅笔。
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这里，眼睛通过神经系统向头脑汇报手和铅笔的位置，就是一个“反馈”过程，它使得人能够有效地调节肌肉运动，不断地缩小误差，最后完成捡铅笔的动作。
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这一简单的例子里包含了一个控制系统的基本要素，那就是：输入、对象或过程、输出、测量元件、反馈过程与控制器（图9.5.3）。其中任何一个环节发生问题，都有可能影响系统实现其既定目标。例如维纳与他的同事发现，一些梅毒病患者因其脊髓神经受到破坏而影响了运动感觉信号的传递，即“输入”和“反馈”过程出现故障，导致出现“运动失调”症状，因而不能顺利地完成“捡铅笔”之类的动作。
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人和动物的许多动作过程都可以通过这样的控制系统来描述。另一方面，如果系统中的各要素用机械装置来部分或全部实现，我们就得到了半自动化或全自动化的机械系统。比如说，维纳为美国军队设计的“防空火炮射击系统”就是一个半自动的控制系统，其控制对象是火炮，输出的是射向敌机的炮弹，测量器件是雷达和人眼的结合，反馈的信息是敌机的飞行轨迹及其与炮弹的最近距离，控制器则是一台微分运算分析机。
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▲ 图9.5.3 控制系统的基本结构图
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“反馈”机制对于一个控制系统中的重要性在于，它使系统保持了与外界的通信联系，并通过获得外界信息来有效地调整自己的行动。维纳在此引入了通信理论和信息论来研究反馈过程。由于在通信过程中会产生大量的干扰有效信息的噪声，维纳又提出了“滤波器”（filter）的机制，以过滤噪声。维纳还发现反馈量的过大或过小将会影响到系统目标的实现以及系统的稳定性。
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反馈机制不仅能用于调节已知控制系统的行动，还可以用来预测未知系统的行为模式。因为从某种意义上讲，这种行为模式也是信息。比如说，维纳设计的“防空火炮射击系统”可以通过观察敌机不断地躲避炮火的动作来预测其将来的行为，从而提高炮火击中它的概率。为了能很好地完成预测的任务，维纳运用统计学和随机过程等知识，发展了从“时间序列”的数据中识别出所需信息的有效方法。由此产生了控制论的另一个研究领域，那就是系统辨识：给定一个内部结构未知的控制系统——维纳称之为“黑箱”——要通过分析它的输入输出数据，来重建这一系统的结构，即要建一个有着相同的输入输出关系的“白箱”。系统辨识在现实生活中有着广泛的应用。
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反馈机制还可以使系统形成一种重要的能力，即学习的能力。因为所谓学习就是获取知识，而知识也是一种信息。维纳指出，学习能力是生命系统特有的一种现象。但他设想可以让机器也具有学习的功能。他预见到可以设计一种下象棋的机器，它能够通过每次对局进行学习，不断提高自己的棋艺。维纳的预见现在已经实现。事实上目前许多计算机弈棋软件，包括前述战胜了国际象棋世界冠军的IBM“深蓝”计算机所使用的软件，都具有很强的学习能力。
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维纳就这样创建了控制论。这一理论已经在工业、军事、生物学、医学生理学、心理学、教育学和社会学等领域得到广泛的应用，并促使人类改变对世界和对本身的认识。
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3.机器人成为现实
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由控制论带来的工业自动化能够使生产效率大幅度提高。例如，钢铁企业在实现了全面自动化后，可以使生产能力提高数倍到数十倍，生产人员却大大减少；现代汽车制造几乎都已在自动化流水线上完成。而根据控制论原理制造出来的机器人已能够代替人类下煤矿开采，入深海作业，上火星探险。日本大阪煤气公司制作的机器人可以钻进煤气管道，检查煤气泄漏。科学家相信，人类不久将有能力运用纳米技术制造机器人，它甚至可以进入人体血管内，直接进行药物治疗或手术，等等。正如维纳所说的，工业自动化带来了第二次工业革命。
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然而，维纳同时指出，新的工业革命是一把双刃刀，它可以用来为人类造福，也可以毁灭人类。确实，自动化提高了工作效率，节省了人类的时间和精力，但它同时也带来了一系列问题：全面实行自动化是否会造成大规模的失业？那些因自动化而失去原有工作的人群将怎么安排？如果所有的事情都可以让机器人来做，而且做得比人还要好，那么人的存在还有什么意义？
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特别是机器人与人类的关系问题，正在日益受到关注：如果机器人有了情感，并且有了自我意识，那么，它们是否该做人类合法的奴隶？还是允许它们与人类平等相处并享有“人”权？抑或它们竟会反过来，成为人类的主人？有关机器人与人类之间可能会有的各种关系，给科学幻想小说和电影带来了无穷的灵感和想象。一些以此为主题的电影，如《星球大战》、《终结者》以及《黑客帝国》等，曾经吸引了无数的观众。
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幸好就目前来说，机械自动化所引起的失业问题还不是很严重。按照现在的科技水平，尚不可能造出思维和行动都全面胜过人类、而且带有情感和自我意识的机器人来。也许永远都做不到。即使有一天真的做到了，相信人类也会有足够的智慧来解决与机器人和谐相处、共同发展的问题。著名的科幻作家阿西莫夫（Isaac Asimov，1920—1992），曾经在20世纪50年代提出过关于机器人行为的约法三章，即
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（1）机器人不可伤害人类，或听凭人类被伤害而无动于衷；