自然·通訊：當環(huán)境“說謊”時，智能體如何做出可靠決策？

導(dǎo)語

盡管智能體在實驗環(huán)境中表現(xiàn)亮眼，但一旦進入真實世界，只要訓(xùn)練條件與環(huán)境稍有不一致，就可能出現(xiàn)“翻車”——輕則性能下降，重則做出災(zāi)難性決策。如何讓智能體在未知、變化的環(huán)境中依然穩(wěn)定可靠，是實現(xiàn)實際部署的關(guān)鍵難題。

這篇論文提出了分布魯棒自由能模型（DR-FREE），將自由能原理與分布魯棒優(yōu)化相結(jié)合，把“應(yīng)對不確定性”的能力直接寫進智能體的決策機制中。實驗結(jié)果顯示，在存在噪聲和分布偏移（如高斯擾動）的環(huán)境下，DR-FREE 依然能夠順利完成任務(wù)，而多種當前主流方法卻難以應(yīng)對。這一工作不僅展示了智能體在現(xiàn)實不確定環(huán)境中的應(yīng)用潛力，也為理解自然智能體如何在極少甚至沒有訓(xùn)練的情況下適應(yīng)復(fù)雜世界，提供了新的視角。

關(guān)鍵詞：分布魯棒自由能（Distributionally robust free energy，DR-FREE），決策制定，魯棒性（Robustness），自主智能體（Autonomous agents），主動推理

郭瑞東丨作者

王璇丨審校

論文題目：Distributionally robust free energy principle for decision-making 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67348-6 發(fā)表時間：2025年12月17日 論文來源：Nature Communications

智能體在面對環(huán)境擾動時缺少魯棒性

近年來，人工智能在諸多領(lǐng)域取得了突破性進展，然而，即便是性能最先進的 AI 智能體，在策略魯棒性方面仍與人類存在明顯差距。人類往往能夠在幾乎沒有、甚至完全沒有訓(xùn)練的情況下，，在復(fù)雜和充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中正常行動；相比之下，AI 智能體一旦脫離訓(xùn)練條件，就很容易“失靈”。

造成這一差距的關(guān)鍵原因在于：AI 智能體學到的策略，通常高度依賴訓(xùn)練階段所假設(shè)的環(huán)境模型。一旦真實環(huán)境與訓(xùn)練模型之間存在哪怕很小的不匹配，策略性能就可能迅速下降，甚至完全失敗。例如，Atari游戲智能體假設(shè)訓(xùn)練期間與實際測試時環(huán)境一致，如果這個假設(shè)不成立，學習到的策略可能會失敗。

這篇2025年12月17日發(fā)表在Nature Communication的論文，提出了DR-FREE模型，通過引入分布魯棒自由能原理和相應(yīng)的求解引擎，可使得訓(xùn)練出的智能體具有訓(xùn)練/環(huán)境模糊性的魯棒性，從而在與訓(xùn)練數(shù)據(jù)不同的環(huán)境中仍然能高效運行。

方法核心：從自由能到分布魯棒自由能

DR-FREE 的核心創(chuàng)新，建立在對經(jīng)典自由能原理（Free Energy Principle）的擴展之上。經(jīng)典自由能原理認為，智能體中的自適應(yīng)行為源于變分自由能的最小化，其中智能體基于其可用環(huán)境模型通過最小化自由能獲得策略。然而，這一框架隱含了一個強假設(shè)——智能體的內(nèi)部模型與真實環(huán)境是匹配的。在現(xiàn)實場景中，這一假設(shè)往往并不成立。DR-FREE 正是針對這一問題，對自由能原理進行了分布魯棒化擴展。

而DR-FREE中，自由能不再只針對單一的訓(xùn)練模型進行最小化，而是在一個圍繞訓(xùn)練模型的“模糊性集合”中進行優(yōu)化。這一集合刻畫了訓(xùn)練模型周圍所有“可能但不完全可信”的環(huán)境，其大小由模型的統(tǒng)計復(fù)雜性所決定。智能體需要在這些可能環(huán)境中，找到在最壞情況下依然表現(xiàn)穩(wěn)健的策略。

圖1：傳統(tǒng)方法和DR-FREE的對比。圖1a描繪了傳統(tǒng)智能體的決策流程框架。智能體在隨機環(huán)境中導(dǎo)航，目標是到達目的地同時避開障礙物。在特定時間步k-1，智能體基于其對環(huán)境的模型以及觀察結(jié)果/信念（統(tǒng)稱為狀態(tài)Xk?1）來確定動作。圖1b揭示了訓(xùn)練模型與智能體實際環(huán)境之間存在的不匹配問題，這種不匹配被定義為訓(xùn)練/環(huán)境模糊性。圖1c展示了經(jīng)典自由能最小化智能體的工作原理。在不考慮訓(xùn)練/環(huán)境模糊性的場景中，智能體所處的環(huán)境與其內(nèi)部模型完全匹配，智能體通過從最優(yōu)策略中采樣來確定策略。與之對比的圖1d描述了DR-FREE的分布魯棒自由能原理。該方法將經(jīng)典自由能原理擴展以考慮模型模糊性，通過在所有環(huán)境（屬于模糊性集合）上最小化最大自由能來識別魯棒策略。

圖2：DR-FREE的求解引擎。圖2a為DR-FREE原理的數(shù)學表述，其優(yōu)化的目標函數(shù)分為統(tǒng)計復(fù)雜性項與期望損失項，這樣設(shè)計的目標函數(shù)，使之能夠在無限維概率空間中進行貝葉斯最優(yōu)的不確定性和模糊性處理。圖2b詳細闡述了DR-FREE通過雙層優(yōu)化方法，用于計算DR-FREE原理導(dǎo)出策略的求解方法。在給定當前狀態(tài)xk?1，求解引擎首先使用生成模型和損失函數(shù)，在所有模糊性集合中的可能環(huán)境上計算最大自由能，在獲得模糊性成本后，引擎在策略空間中最小化變分自由能，產(chǎn)生最優(yōu)策略和成本函數(shù)。圖2c揭示了DR-FREE策略的具體生成機制和函數(shù)形式，展示了如何從數(shù)學原理轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的決策規(guī)則。其中策略中的指數(shù)核包含三個關(guān)鍵成本組分，分別是動作成本：，直接懲罰不同動作的代價；模糊性半徑ηk(xk?1,uk），量化對訓(xùn)練模型置信度的缺乏；模糊性成本：c(xk?1,uk），表示跨所有可能環(huán)境的最大自由能。

DR-FREE求解引擎的核心突破在于將原本的無限維自由能最大化問題轉(zhuǎn)化為標量凸優(yōu)化問題，這使得算法可通過現(xiàn)有工具求解。

實驗驗證：從機器人導(dǎo)航到復(fù)雜環(huán)境測試

研究團隊在涉及真實機器人的實驗測試平臺上評估了DR-FREE（圖3a展示了實驗的物理平臺和智能體配置），這些機器人被訓(xùn)練要求在避免障礙物的同時到達期望目的地的任務(wù)。為了驗證DR-FREE在測試與訓(xùn)練數(shù)據(jù)不一致時的魯棒性，可用的訓(xùn)練模型是從有偏實驗數(shù)據(jù)中學習得到的，這些數(shù)據(jù)沒有充分捕捉真實環(huán)境并引入了模糊性。圖3b對應(yīng)導(dǎo)航任務(wù)中設(shè)計的非凸狀態(tài)獎勵函數(shù)。

圖3.DR-FREE在導(dǎo)航場景下的表現(xiàn)。

實驗表明，在模型存在顯著偏差的挑戰(zhàn)下，DR-FREE 是唯一能可靠完成導(dǎo)航任務(wù)的智能體，而忽視模糊性的傳統(tǒng)方法則普遍失?。▓D3c）。這一優(yōu)勢在真實機器人平臺上得到了直觀驗證（圖3d）。

研究進一步揭示，DR-FREE 的決策邏輯具有可解釋的權(quán)衡機制：模糊性半徑如同一個“保守度”調(diào)節(jié)旋鈕。當模型可信時，策略會平衡目標與風險；當模型不確定時，策略則優(yōu)先規(guī)避認知風險，甚至可能忽略物理障礙（圖3e）。

此外，DR-FREE 的數(shù)學形式還支持從行為反推其決策邏輯，能夠根據(jù)觀測數(shù)據(jù)重建出智能體內(nèi)在遵循的代價函數(shù)（圖3f），這為理解和解釋智能體行為提供了新工具。”

“所有模型都是錯誤的，但有些是有用的?！盌R-FREE 正是對這一觀點的直接回應(yīng)。通過放松對訓(xùn)練階段精確建模的依賴，DR-FREE 使原本因偏差而“不可用”的模型重新具備決策價值。進一步地，將DR-FREE與深度強化學習相結(jié)合，可在多智能體架構(gòu)中引入更魯棒的異構(gòu)智能體。憑借魯棒自由能最小化原理和求解引擎，DR-FREE的框架讓智能體可以從因為環(huán)境改變或觀測帶有誤差而表現(xiàn)較差的模型中恢復(fù)魯棒策略。

總結(jié)與未來方向

總體來看，DR-FREE支持貝葉斯信念更新，隨著模糊性增加，DR-FREE會降低了智能體可用模型在模糊性上的權(quán)重。其提供的策略，不止適用于人工智能體，也可能被自然選擇挑中用于生命應(yīng)對異變且觀測模糊的環(huán)境，理論細菌可以在未知環(huán)境中導(dǎo)航，這種對生存至關(guān)重要的能力可在幾乎沒有訓(xùn)練的情況下實現(xiàn)的?？紤]到模糊性是跨心理學、經(jīng)濟學和神經(jīng)科學等領(lǐng)域的關(guān)鍵主題，DR-FREE可能為生物學上合理的神經(jīng)解釋奠定基礎(chǔ)，解釋自然智能體如何在沒有或幾乎沒有訓(xùn)練的情況下在挑戰(zhàn)性環(huán)境中魯棒地運行。

自由能原理與強化學習讀書會

自由能原理被認為是“自達爾文自然選擇理論后最包羅萬象的思想”，它試圖從物理、生物和心智的角度提供智能體感知和行動的統(tǒng)一性規(guī)律，從第一性原理出發(fā)解釋智能體更新認知、探索和改變世界的機制，從而對人工智能，特別是強化學習世界模型、通用人工智能研究具有重要啟發(fā)意義。

集智俱樂部聯(lián)合北京師范大學系統(tǒng)科學學院博士生牟牧云，南京航空航天大學副教授何真，以及驥智智能科技算法工程師、公眾號 CreateAMind 主編張德祥，共同發(fā)起「」，希望探討自由能原理、強化學習世界模型，以及腦與意識問題中的預(yù)測加工理論等前沿交叉問題，探索這些不同領(lǐng)域背后蘊含的感知和行動的統(tǒng)一原理。讀書會已完結(jié)，現(xiàn)在報名可加入社群并解鎖回放視頻權(quán)限。

詳情請見：

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