Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 112

Компьютерра

12.03.2012 - 18.03.2012

Статьи

Черепахи Грея Уолтера: в поисках искусственной жизни

Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 15 марта 2012 года

Прогресс технологий — вектор, нацеленный в будущее. Сумма накопленных человечеством знаний, сродни мощному движителю, устремляет исследователей настоящего к новым технологическим прорывам. И только если приблизиться к этому вектору достаточно близко, можно заметить, что он представляет собой спираль, витки которой — зачастую повторения прошлых изобретений на основе возможностей настоящего.

На эту мысль меня натолкнуло посещение сайта "Modular Robotics", на котором дружная команда учёных из ведущих вузов США разрабатывает сущее баловство — электронные кубики (cubelets), из которых играючи можно создавать различные варианты роботов.

Развлечение для детей? Безусловно. Но также и нечто большее: популяризация научных достижений, стремление приобщить людей, далёких от робототехники и информационных технологий, к передовым разработкам в этих областях.

Дети, играющие на фото с cubelets, напомнили мне фотографию шестидесятилетней давности. На ней ребёнок играет с ELSIE — роботом-черепахой, одним из нескольких удивительных творений британского нейрофизиолога Грея Уолтера.

В начале пятидесятых годов прошлого столетия электромеханические «черепахи» доктора Уолтера, разработанные им для исследования рефлексов и поведенческих механизмов живых существ, вызвали настоящий ажиотаж среди обывателей, приобщая обычных людей к понятиям «кибернетика», «искусственный интеллект» и «искусственная жизнь» и раскрывая для них необозримые горизонты науки.

1951 год. Британский фестиваль науки — масштабная выставка научных достижений английских учёных на южном берегу Темзы. Цель выставки — показать людям, только-только пережившим ужасы войны, что прогресс не стоит на месте и научные достижения настоящего позволят построить прекрасный мир будущего.

Многочисленные посетители выставки неизменно толпятся возле павильона с роботами-черепахами — механическими созданиями, которые тем не менее ведут себя так, словно они живые. Вращая единственным глазом-перископом, черепахи уверенно движутся к источнику света — своей «пище», а наткнувшись на какое-либо препятствие, старательно обходят его.

Газеты взахлёб описывают интересные факты, связанные с роботами-черепахами. Так, этим созданиям женщины нравятся больше мужчин, они так и льнут к их ногам. «Проголодавшись», роботы-черепахи стремятся на свет, в свой домик, где имеется зарядное устройство для их аккумуляторов. Но если в помещении слишком светло или срабатывают вспышки фотоаппаратов, эти создания теряются и начинают метаться в поисках убежища.

Демонстрацией роботов-черепах на выставке занимался их создатель — тридцативосьмилетний доктор Грей Уолтер. Причём «доктор» означает не научную степень: Грей Уолтер — врач-нейрофизиолог.

В 1951 году доктор Уолтер — ведущий исследователь бристольского Неврологического института Бурдена, пионер в области электроэнцефалографии мозга — новейшем направлении исследования высшей нервной деятельности человека.

Грей Уолтер, сын журналистки из Британии и журналиста из США, познакомившихся в Италии во время Первой мировой войны, родился в Канзас-Сити, но всю свою сознательную жизнь провёл в Англии. В 1928 году, закончив Королевский колледж в Кембридже по направлению «физиология», Уолтер продолжает работать над диссертацией, посвящённой психофизиологии нервной деятельности и рефлексам.

Интерес к этой области у Грея Уолтера неслучаен. Ещё будучи студентом колледжа, он побывал в России, в лаборатории нобелевского лауреата Ивана Петровича Павлова. Результаты исследований великого русского физиолога, связанные с рефлекторной деятельностью, и определили направление дальнейших исследований доктора Уолтера.

Занявшись в институте Бурдена электроэнцефалографией мозга (ЭЭГ), Грей Уолтер проявляет себя не только как блестящий нейрофизиолог, открыв, к примеру, дельта- и тета-ритмы мозга, но и как... отличный слесарь. Большинство приборов, необходимых для исследования (ЭЭГ), он изготавливает самостоятельно в небольшой слесарной мастерской института.

Во время Второй мировой войны знания и опыт Грея Уолтера направлены на лечение и реабилитацию людей с черепно-мозговыми травмами. После её окончания он возобновляет исследования, связанные с рефлекторным поведением и работой «кирпичиков» мозга — нейронов.

Воспринимая мозг как сложную систему управления, Уолтер хочет продемонстрировать, что поведение живых существ связано с постоянной обработкой поступающей извне информации и принятием решения о дальнейших действиях, которое передаётся исполнительным механизмам — мышцам.

Именно тогда у доктора Уолтера и возникает желание смоделировать нервную деятельность, создать «искусственную жизнь». Здесь-то и пригождаются его навыки слесаря и электротехника, закреплённые в ходе проектирования первых электроэнцефалографов.

Стоит признать: электромеханические механизмы с сенсорной обратной связью создавались и до творений Уолтера. Так, в 1928 году, демонстрируя тогдашние достижения радиоэлектроники, концерн Philips Radio выпустил Philips Radio Dog, или, сокращённо, Philidog. Особенностью этой электромеханической игрушки было использование фотокатода в качестве сенсора освещённости. Благодаря ему радиопёс Philips следовал за источником света, например фонариком в руке владельца.

Вряд ли поведение Philidog можно назвать осознанным. Скорее, это был автомат, упакованный в игрушечный корпус.

Грей Уолтер же планировал смоделировать осознанное поведение, основываясь на своих обширных познаниях в нейрофизиологии. И у него это получилось! Первым его творением стал ELMER (сокращение от ElectroMechanical Robot). Собранный в буквальном смысле из того, что было под рукой, Elmer представлял собой трёхколесную тележку с электроприводом переднего колеса, управление движением и поворотом которого выполняли два «нейрона» — схемы на основе лампового усилителя и реле.

Базовая схема всех роботов-черепах Грея Уолтера была проста. Датчик света, датчик прикосновений и два ламповых «нейрона»

Один из нейронов был подключен к «глазу» ELMER — фотоэлектрическому элементу. Второй обеспечивал обработку реакции на прикосновение к корпусу. В первом варианте ELMER роль датчика прикосновения выполнял обыкновенный телеграфный ключ. Целевой функцией первой робочерепахи было движение к источнику света, который она искала, целенаправленно поворачивая свой корпус. Датчик прикосновения использовался для обнаружения препятствия и заставлял ELMER давать задний ход. Дифференцирование сигналов от двух датчиков приводило к тому, что ELMER с большим успехом объезжал препятствия и добирался до своей лампочки-кормушки.

Таким образом, черепаха ELMER весьма успешно демонстрировала поведение, напоминающее поведение живого организма, и была фактически первым роботом, основанным на тех же принципах, которым следуют простейшие биологические механизмы.

Между тем у Грея Уолтера были более грандиозные планы. С помощью своих электромеханических роботов он собирался исследовать не только физиологические аспекты поведения живых организмов, но и их психологию. Его интересовали такие понятия, как свобода выбора, саморегуляция, предотвращение дилемм поведения, ассоциативная память и даже зачатки социального поведения.

Что будет, если заставить ELMER решить дилемму буриданова осла и зажечь два источника света? Простейший поведенческий механизм заставлял ELMER колебаться, решая бесконечную задачу выбора из двух равноценных вариантов.

А вот его младшая сестра ELSIE (от Electromechanical robot, Light-Sensitive with Internal and External stability) с лёгкостью разрешала любые буридановы дилеммы. Благодаря поворотному механизму своего фотоэлектрического «глаза» и способности отличать сильный источник света от слабого, ELSIE не только обнаруживала оба источника света, но и выбирала тот, который, по её мнению, был более ярким. После его исследования она находила другие источники и ехала рассматривать их.