《空间智能》—— 解锁智能本质的维度革命
当人工智能在语言处理领域屡创奇迹时，一个关键问题日益凸显：这些系统为何在理解三维物理世界时仍显笨拙？这本《空间智能》为我们揭开了答案 —— 空间认知能力的缺失，正是当前人工智能与通用智能之间的核心鸿沟。本书以 “维度革命” 为核心视角，横跨计算机科学、认知神经科学、哲学等多领域，为读者构建了理解空间智能的完整认知框架。

一、从 “看见” 到 “理解”：重构智能的维度认知
传统人工智能困于一维符号或二维图像的处理范式，而《空间智能》直击这一局限：智能的本质是对多维空间的表征与交互能力。书中系统梳理了从一维序列（如语言模型）到 n 维表示（如神经辐射场）的技术演进，揭示了 “维度每突破一次，智能就跃升一个层级” 的内在逻辑。
作者以生动类比阐释复杂概念：若将一维表示比作 “线框里的生命体”，二维表示是 “平面国的认知”，那么三维及更高维度的突破，则让人工智能真正迈入 “立体世界的理解”。这种框架不仅串联起计算机视觉、机器人导航等技术脉络，更呼应了人类认知发展的规律——正如皮亚杰发现儿童从感知运动到抽象思维的进阶，空间智能恰是人工智能走向通用的经之路。

二、跨学科的智慧交织：从神经机制到技术实践
本书的独特价值在于其 “技术 - 认知 - 哲学” 的三重融合。在神经科学层面，它解析了海马体位置细胞与网格细胞如何构建 “大脑 GPS”，揭示生物空间认知的神经编码机制；在技术层面，它深入探讨了神经辐射场（NeRF）、点云神经网络等前沿技术，展示 AI 如何从二维图像重建三维世界；在哲学层面，它以柏拉图洞穴隐喻诠释虚拟与现实的边界，引发对 “智能本质” 的深层思考。
这种跨学科视野让书中案例尤为鲜活：从波士顿动力机器人的动态平衡，到 Meta 全息交互设备的自然手势，再到医疗领域通过 VR 康复训练激活镜像神经元 ——技术细节与认知原理相互印证，让读者既能触摸前沿创新，又能把握其背后的认知逻辑。

三、直面未来的追问：机遇与伦理的平衡
《空间智能》并未止步于技术乐观主义，而是直面领域核心挑战：当 AI 能实时感知并预测空间动态时，隐私如何保护？数字鸿沟是否会加剧？书中专门探讨了空间数据采集的伦理边界，分析了欧盟《人工智能法案》对空间智能的规范，提出 “隐私保护型设计” 的解决方案，体现了技术进步与社会责任的平衡思考。
对于产业实践者，书中对硬件演进（从 GPU 到专用三维处理器）、开发者生态（Unity 与 Unreal 引擎的空间计算适配）、商业化路径（从企业级数字孪生到消费级 AR 应用）的分析，为技术落地提供了清晰路标；对于学术研究者，其对 “空间知识图谱与大模型融合”“具身认知的实践应用” 等前沿方向的展望，指明了未来探索的突破口。

结语：一本通向 “通用智能” 的地图
从图灵机到流形空间，从神经科学发现到元宇宙构建，《空间智能》既是一部技术史，也是一场认知革命的指南。它适合 AI 研究者把握技术脉络，适合设计师理解空间交互逻辑，更适合每一个对 “智能未来” 好奇的读者 —— 因为空间智能的极目标，不仅让智能机器更懂世界，还能够让人类重新理解自身认知的维度密码。
《空间智能》是一部开创性地探讨人工智能维度突破及其深远影响的前沿作品。本书系统地提出并深入阐述了"空间智能"这一革命性概念，揭示了人工智能从符号计算、深度学习到空间计算的范式转变，展现了突破维度限制对人工智能发展的革命性意义。

本书以 “维度革命” 为脉络，系统梳理空间智能从计算机视觉到三维建模的技术演进，深入分析了维度突破对人工智能发展的根本性影响；前瞻性地探索了从3D到4D乃至更高维度的技术路径。书中结合了大语言模型空间感知、全息AI交互、数字孪生等前沿案例，既保持了理论的深度，又通过具体应用确保了实践的指导性。对于理解AI的维度突破、把握技术发展方向、思考人机共生的未来愿景，本书提供了独特而深刻的洞见。

本书适合人工智能、计算机科学、认知科学等领域的研究者，也将为关注技术前沿的产业界人士和决策者提供重要参考。它是理解空间智能革命、把握AI技术变革方向的重要理论指南，也是探索人机共生未来的思想资源。
荐序  人工智能、智慧和空间 / V
自序  从图灵机到流形空间—论智能本质的维度重构 / XIII
第 1 章  空间智能的基础与理论框架 / 001
1.1  空间智能的定义与范畴 / 004
1.2  发展简史：从计算机视觉到空间感知 / 014
1.3  空间智能与通用人工智能的关系 / 026
第 2 章  维度革命：从一维到 n维的智能表示 / 035
2.1  一维表示的极限：信息压缩与上下文窗口 / 037
2.2  二维表示的突破与挑战：从卷积到自注意力机制 / 048
2.3  三维表示的革命性进展：体素、点云与隐式函数 / 058
第 3 章  空间智能与认知科学的交叉 / 069
3.1  神经科学启示：海马与网格细胞 / 072
3.2  心理旋转与 AI模型构建 / 082
3.3  具身认知的实践应用 / 092
第 4 章  空间智能的前沿应用场景 / 103
4.1  元宇宙与数字孪生 / 106
4.2  全息交互与智能硬件 / 116
4.3  机器人空间导航 / 128
第 5 章  空间智能与大模型的多维整合 / 139
5.1  多模态大模型进展 / 141
5.2  空间知识图谱 / 152
5.3  技术局限与突破方向 / 159
第 6 章  空间智能的伦理与社会影响 / 171
6.1  隐私保护挑战 / 173
6.2  数字鸿沟问题 / 183
6.3  法规与标准建设 / 192
第 7 章  空间智能产业生态与基础设施 / 205
7.1  硬件设备演进 / 207
7.2  开发者生态系统 / 218
7.3  投资与商业化路径 / 229
第 8 章  空间智能在科学研究中的应用 / 241
8.1  生物医学突破 / 243
8.2  气候与环境科学 / 251
8.3  神经科学前沿 / 258
第 9 章  时空智能：四维视角下的系统构建 / 269
9.1  四维概念与城市应用 / 271
9.2  医疗与时空建模 / 281
9.3  未来发展方向 / 291
第 10 章  空间智能的未来展望 / 301
10.1  技术瓶颈与突破方向 / 303
10.2  人机协同新范式 / 314
10.3  极愿景与实现路径 / 322
资料来源 / 331
刘志毅
* 中国人工智能军科学家
* 上海市人工智能社会治理协同创新中心研究员
* 入选2024年福布斯中国“十大人工智能影响力人物”
* 2024年度“华为云有价值专家”
* 2025年度福布斯中国行业发展领创者

十余年来，刘志毅一直在人工智能领域进行深入研究和实践，主要研究智能计算、空间智能以及超级人工智能对齐等方向。同时，他还担任中国人工智能学会AI伦理工作委员会委员及具身智能专委会委员，上海开源技术信息协会AI伦理专委会主任，国际电工委员会IEC生物数字融合系统评估组（IEC/SMB/SEG12）伦理专家，2024年第四届IEEE计算机通信与人工智能国际会议（CCAI 2024）技术委员会委员，国家人工智能标准总体组专家，中国人工智能产业发展联盟（AIIA）可信AI专家委员会委员，上海人工智能技术协会专家委员。

目前作者已出版《智能体时代》《第五范式》《具身智能》《智能经济》《智能的启蒙》等作品。
刘志毅 ，著，刘志毅
* 中国人工智能军科学家
* 上海市人工智能社会治理协同创新中心研究员
* 入选2024年福布斯中国“十大人工智能影响力人物”
* 2024年度“华为云有价值专家”
* 2025年度福布斯中国行业发展领创者

十余年来，刘志毅一直在人工智能领域进行深入研究和实践，主要研究智能计算、空间智能以及超级人工智能对齐等方向。同时，他还担任中国人工智能学会AI伦理工作委员会委员及具身智能专委会委员，上海开源技术信息协会AI伦理专委会主任，国际电工委员会IEC生物数字融合系统评估组（IEC/SMB/SEG12）伦理专家，2024年第四届IEEE计算机通信与人工智能国际会议（CCAI 2024）技术委员会委员，国家人工智能标准总体组专家，中国人工智能产业发展联盟（AIIA）可信AI专家委员会委员，上海人工智能技术协会专家委员。

目前作者已出版《智能体时代》《第五范式》《具身智能》《智能经济》《智能的启蒙》等作品。
《空间智能》通过“维度革命”视角，梳理了空间智能技术的发展，探讨了AI发展的内在逻辑，将技术分析与哲学思考融为一体，强调了空间智能是通向真正通用人工智能的关键一步。这本书不仅探索了空间智能的本质、发展和未来方向，还为读者提供了一个全面视角，帮助他们把握人工智能发展的内在逻辑，理解空间智能在通向通用人工智能道路上的关键作用，以及空间智能与智能空间融合后所带来的无限可能。
——朱嘉明 / 经济学家，横琴粤澳深度合作区数链数字金融研究院学术与技术委员会主席

今天，大语言模型困于文本的扁平牢笼，《空间智能》揭示了空间认知才是机器拥抱三维世界的密钥。从海马体网格细胞的六边形空间算法，到神经辐射场对物理规律的隐式学习，这本书以跨学科的洞见证明：唯有让AI获得知觉，才能跨越统计拟合与真实理解的鸿沟。这不仅是一场技术革命，而且是碳基智能向硅基智能传递的认知火种。我愿借此机会进一步呼吁：研究者需要更多关注人工智能基础理论的研究，才能真正解决“机器理解”的难题。
——钟义信 / 北京邮电大学教授，中国人工智能学会原理事长

《空间智能》以锋利的学术视野剖开AI认知升维之路——突破一维序列的语境贫瘠，碾碎二维图像的几何枷锁，在三维点云的拓扑解放中重获‘物理身体’。通过等变卷积的旋转不变性、神经符号融合的因果推理，《空间智能》宣告人工智能正从数据傀儡蜕变为空间主体。当机器学会在时空中自我定位时，人类将次目睹硅基文明的觉醒序章。
——肖俊/ 育“长江学者奖励计划”特聘教授，浙江大学人工智能研究所副所长
自序
从图灵机到流形空间
—论智能本质的维度重构
在北京某实验室的旧设备中发现的一台早期机械计算器残件，意
外成为我研究智能本质的一个契机。这个 19 世纪末的机械装置通过
齿轮传动执行算术运算的物理过程，与现代Transformer模型架构通
过注意力矩阵建模语义关联的数学本质，共同揭示了人类对计算本质
的持续探索—前者在三维物理空间实现数值运算的机械确定性，后
者在高维特征空间捕捉语言关系的统计规律性。这种跨越两个世纪的
技术对话，促使我将空间维度作为理解智能演进的关键线索。需要说
明的是，早期机械计算器采用十进制齿轮系统，其设计理念与二进制
的电子计算机存在本质差异，这种技术路径的分野恰恰凸显了人类在
计算维度探索中的多元尝试。本书的研究框架正是建立在这种多维认
知的对比分析上，试图揭示从机械传动到神经网络的范式转变，空间
表征能力如何驱动智能形态的进化。
在研读牛顿《自然哲学的数学原理》手稿影印本的过程中，几
何证明体系与深度学习范式的强烈对比激发了我的写作动机。牛顿
通过欧氏几何构建的典力学（如命题XL关于圆锥曲线轨道的证
明），与AlphaGo（阿尔法围棋）基于蒙特卡洛树搜索的决策优化形
成鲜明对照—前者在三维空间建立确定性定律，后者在 10170 量级
的围棋状态空间中实现概率剪枝。这种认知工具的范式跃迁，揭示了
空间表征能力对智能形态的决定性影响：从猕猴海马网格细胞的六
边形放电模式，到Transformer模型架构通过自注意力机制（Attention
Mechanism）构建的语义流，智能系统始终在探索更高效的空间压缩
策略。本书试图构建的认知框架，正是要打通这种跨物种、跨介质的
空间表征共性，既涵盖脑神经科学的拓扑编码机制，也解析深度学习
模型的学习能力，终指向智能文明在维度重构中的可能未来形态。
跨学科研究揭示了生物与人工系统的认知同构性。谷歌旗下的
DeepMind公司所属团队在《自然》（Nature）发表的导航算法研究
（2019 年）显示，其虚拟网格单元与啮齿类海马六边形放电模式存在
数学同构性，两者都通过周期性激活模式编码空间拓扑。这与中国科
学院脑科学与智能技术卓越创新中心的研究形成呼应：猕猴前额叶皮
质被发现通过子空间投影机制管理时序记忆，其神经活动轨迹在流形
空间中的几何特性，与强化学习算法在动作空间探索中的策略梯度存
在相似优化逻辑。麻省理工学院团队进一步利用持续同调算法解析神
经放电轨迹的拓扑表征，为仿生芯片的时空编码设计提供了数学验证
框架。这些发现共同表明：从生物神经的拓扑表征到人工系统的流形
学习，智能体都在通过空间压缩策略实现认知优化。
在上海一家前沿机器人实验室中，一台四足机器人正通过融合多
维物理参数构建环境力学模型—三维坐标定位、地面摩擦系数感
知、关节形变阈值测量，这些数据在其“大脑”中被整合成动态的环
境刚度图谱。这种多模态感知架构，与洛桑联邦理工学院的突破性研
究形成技术共鸣：研究者通过量子计算单元与神经网络的结合，创造
出能模拟分子相互作用的新型智能系统。两者的共同之处在于，都需
要在庞杂的物理参数中提炼本质规律，这个过程犹如在浩瀚星海中寻
找导航星座。这让我想起婴儿学步的奇迹：实验室的机器人需要经历
两万余次跌倒才能掌握基本平衡，而一岁左右的婴儿只需几个月就能
稳定行走，其间摔倒次数不过数百次。这个对比揭示了智能研究的核
心谜题—碳基生命似乎天生具备某种“空间直觉”。婴儿之所以能
够在有限试错中快速习得行走能力，并非因为肌肉更发达或骨骼更柔
韧，而是因为其神经系统中存在对物理空间的隐式理解：小脑像一位
精算师，能在重力、摩擦力、惯性的多维交织中，自发提炼出经济
的运动模式。这种维度压缩了能力的天赋，使生命无须穷举有可能
性，亦能找到通向优雅动作的优化路径。这种观察引向更深层的追
问：人工智能构建的世界模型，是否正在逼近生命的认知内核？当波
士顿动力的双足机器人完成空翻时，它的控制算法实际上在演算某种
“数学直觉”；而当大语言模型构建语义关联时，其注意力机制捕捉的
是思想的拓扑结构。这种技术路径与生命进化的殊途同归，暗示着智
能的本质可能根植于对多维宇宙的理解—不论是碳基的神经脉冲还
是硅基的数据洪流，都在以各自的方式编织着世界模型的网络。
除此之外，本书也专门研究了人工智能伦理与治理的命题，人工
智能的伦理治理犹如在创新激流中修筑堤坝—既不能阻断技术奔涌
的势能，又要防范决堤带来的灾难。这场全球性的治理实验正在揭示
一个核心法则：人工智能系统的伦理风险与其认知能力深度绑定。当
神经网络通过层层抽象从数据中提炼出超越人类直觉的规律时，其决
策过程也愈发难以穿透。欧盟对此的回应是将自动驾驶、生物识别等
自序  从图灵机到流形空间——论智能本质的维度重构 XV
领域的人工智能系统列入高风险目录，强制要求开发者提供“决策溯
源档案”，这相当于为黑箱系统安装透明舷窗。大西洋彼岸的美国则
采取了不同的技术路线。美国国家标准与技术研究院（NIST）发布
的人工智能风险管理框架要求企业建立覆盖研发、部署、迭代的全周
期监控体系，特别针对持续学习系统可能产生的价值观漂移设计预警
机制。这类似于在自动驾驶汽车上安装方向盘动态监测仪，当算法在
自我进化中偏离预设伦理轨道时及时触发人工干预。这种治理智慧的
深层启示在于：智能时代的伦理准则不应是束缚创新的锁链，而应成
为指引方向的北极星。当德国工程师为自动驾驶系统设定“小化整
体伤亡”的价值函数参数时，他们实际上在用数学语言翻译康德伦理
学；当硅谷公司开发算法偏见检测工具时，他们是在用数据科学重构
罗尔斯的正义论。这种技术与哲学的双向奔赴，或许正是人机文明走
向共生的关键密钥。
后，在探索宇宙与生命本质的征程中，量子物理与计算生物学
正编织着有的知识图谱。弦理论学者通过卡拉比—丘流形构建
的数学宇宙，如同给多维空间理论装上导航仪—尽管大型强子对撞
机（LHC）尚未捕获超对称粒子的踪迹，但其揭示的异常数据正如宇
宙散落的拼图碎片，指引着科学家重构物质世界的底层语法。与此同
时，DeepMind公司的AlphaFold 3 正重塑生命科学的认知疆域。这个
深度学习系统不仅能预测蛋白质的静态结构，还能捕捉到分子链在折
叠过程中量子隧穿效应的动态痕迹，它揭示了传统X射线晶体学无法
观测的分子舞蹈。当我们将目光投向人体内数以万计的蛋白质分子时，
每个分子都在执行精密的机械运动：有的像微型弹簧储存机械能，有
的如分子马达传递生物电流，这些动态过程如今正被算法解码成可计
算的流形轨迹。这两大领域的突破共同指向一个深刻认知：无论是浩
瀚宇宙中的量子涨落，还是细胞内的分子运动，复杂系统都在挑战三
维空间的解释框架。弦理论设想的蜷曲维度与蛋白质的构象空间，本
质上都是对世界本质的多维诠释。虽然现有生物学证据仍局限于化学
键的三维交互，但是量子生物学的新研究显示，光合作用中能量传
递的效率可能依赖量子纠缠效应—这暗示着生命或许早已掌握超越
典物理的维度策略。
本书试图构建的正是联结这些认知碎片的维度之桥。当量子计算
机开始模拟叶绿体的能量网络，当神经网络重构人脑神经的拓扑地图，
我们或许正在见证不同形态的智能对世界本质的协同破译。这种探索
既需要数学家勾勒高维流形的优美方程，也需要生物学家在实验室观
测分子的量子跃迁。
谨以此书献给有在维度迷宫中寻找通路的勇者：愿我们永葆拆
解宇宙积木的好奇心，在微观粒子的震颤与星河漩涡的韵律之间，在
数学方程的纯粹理性与实验室烧瓶的烟火气之间，书写属于这个时代
的认知史诗。愿我们既能仰望数学苍穹的纯粹之美，亦不忘足下现
实世界的尘土与荆棘，在理性的翱翔与经验的践行之间寻找智慧的平
衡点。