Вадим Мацкевич - Занимательная анатомия роботов

Исследования мегамира связаны со сверхдальними космическими полётами. Для таких полётов потребуется время, превышающее длительность человеческой жизни. Спрашивается: есть у человека способ исследовать мегамир? Да, имеется. Это создание кибернетической системы – робота, управляемого искусственным интеллектом и рассчитанного на длительное функционирование в мегамире. Такой робот может достичь самых дальних районов Вселенной.

Неизвестность сред, в которых придётся функционировать системе, непредвиденность и сложность конкретных задач, которые придётся ей решать, исключают возможность построения системы управления робота с заданным алгоритмом, сколь бы широкий круг задач в нём не был предусмотрен. Управлять системой можно будет, только моделируя творческое мышление человека. Система должна быть саморазвивающейся, причём это касается и саморазвития искусственного интеллекта (рис. 9). Искусственный интеллект должен уметь решать такие частные, но важные проблемы, как формирование языка, распознавание образов, построение гипотез, выбор критериев успеха, самообучение.

Подобно человеку, автономная система робота – астронавта с искусственным интеллектом не сможет моделировать реальный мир, если не пройдёт обучения такому моделированию в известных человечеству средах и если переход от известных сред к неизвестным не будет для этой системы постепенным.

Проблема создания автономно функционирующего робота – астронавта, управляемого искусственным интеллектом и предназначенного для сбора полезной человечеству информации в мегамире, сегодня стоит на рубеже научных исследований дальнего поиска.

Что же нам делать?

Роботизация. Роботы и робото-технические системы. Это все очень серьёзно. Именно поэтому мы начали книгу со всестороннего обзора основных проблем роботизации.

В последующих разделах мы перейдём к вопросам моделирования различных систем роботов, будем думать, как изготовить ту или иную систему или даже целого робота.

Каждый может внести свой вклад в эту важнейшую государственную проблему. Вы сами видите, как велико здесь поле деятельности и как интересна любая задача.

На занятиях кружка радиоэлектроники автор этой книги задал ребятам вопрос: если бы мы с вами занялись конструированием человекоподобного робота, то какими электронными системами вы бы его оснастили? И вот пятеро мальчиков ответили, что кроме общепринятых систем зрения, слуха, осязания они бы оснастили робота следующими устройствами:

1. Аварийной системой, останавливающей все механизмы робота при появлении тревожного возгласа «Аи»! или «Ой»!

2. Системой «веди меня» – если робота взять за руку и потянуть, он пойдёт за вами.

3. Системой различения команд, подаваемых голосом: «Иди», «Стой», «Здравствуй», реагирующей на звучание букв «и», «о», «а», отличающихся своими частотами.

4. Системой поворачивания головы робота на появившийся звуковой сигнал.

5. Системой «кивок» – робот доброжелательно кивает, когда с ним кончают говорить.

6. Системой движения губ робота и изменения свечения ламп во рту робота в такт с его речью.

7. Инфракрасными локаторами, предохраняющими робота от столкновения с препятствием.

8. Системой, обеспечивающей физкультурную зарядку робота – цикл различных движений по определённой программе.

9. Системой «настроение робота», изменяющей активность его движений, издающей «смех», когда он доволен, и «унылое ворчание» – когда недоволен.

10. Игрой в «крестики и нолики» на груди – экране робота.

11. Системой танца робота от низкочастотного ритма или различного сочетания музыкальных тонов.

12. Кроме игры в «крестики и нолики» на груди робота можно установить бегущие огни, загорающиеся в такт с музыкой.

Ребята тут же набросали структурные схемы предлагаемых ими систем робота и даже позаботились о микроэлектронном выполнении всех предлагаемых устройств. Они, конечно, фантазёры, эти ребята, но если задуматься, то среди их предложений – экспромтов есть кое – что любопытное и, возможно, полезное и для самых настоящих промышленных роботов.

Разве не заслуживает внимания «аварийная система», останавливающая робота при возгласах «Ой» и «Аи». Ведь современный робот – манипулятор – это далеко не безопасный объект. А физзарядка робота по определённой программе – в ней тоже есть рациональное зерно. Такую зарядку есть смысл проделывать и настоящим роботам в порядке контроля жизнедеятельности и чёткости работы всех его систем перед тем, как приступить к настоящей работе. Это как бы встроенная система контроля роботоспособности всех систем робота.

Разве это не интересно! Вы чувствуете, какое поле деятельности открывается перед каждым, кто заинтересуется, а ещё лучше – увлечётся проблемой роботизации.

Итак, переходим к главной части нашей книги – моделированию различных робототехнических систем и пожелаем читателям больших творческих успехов в этой интереснейшей и важной области деятельности.

2. Бионика и кибернетика – теоретические основы роботостроения

Бионика – стержень робототехники

Если роботы первою поколения, похожие на бесчувственные часовые механизмы, известны человечеству с давних времён, то роботы второго и третьего поколений смогли появиться лишь в XX веке, вслед за выдающимися достижениями современной науки и техники. Своим существованием они обязаны бионике и кибернетике. Эти науки создали научный фундамент для построения мыслящих машин высших поколений.

Необходимость приспособления (адаптации) роботов к изменяющимся условиям внешней среды потребовала разработки для них органов чувств, аналогичных человеческим: слуха, зрения, осязания. Здесь конструкторы вынуждены были обратиться за консультацией к природе, создавшей у живых существ самые разнообразные органы чувств.

Цель бионики (так называется эта сравнительно новая наука) – перенесение в технику принципов действия систем, управляющих живыми организмами.

За время развития жизни на Земле в процессе естественного отбора природа создала массу замечательных образцов живых «инженерных систем». Многие изобретения природы заимствовались людьми для создания конструкций ещё в древности. Так, древние арабские врачи, изучая глаз человека, создали линзы – подобие хрусталика глаза. Великий русский учёный Н. Е. Жуковский, исследовав полет птиц, разработал теорию подъёмной силы крыла и современную аэродинамику. Таких примеров – множество.

Учёным – бионикам принадлежит идея использования биоэлектрических сигналов мышц для управления. С давних времён люди искали способы вернуть руку тем, кто её лишился. И это удалось сделать нашим советским учёным. Они использовали биотоки мышц. Известно, что, когда человек двигает рукой или ногой, в его мышцах возникают биотоки. Появляющиеся в мышцах биопотенциалы можно снять с помощью электродов и усилить. Первую модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, изготовили в СССР в 1957 году. В 1960 году в Москве на Конгрессе по автоматическому управлению 15 – летний мальчик, у которого не было кисти руки, взял протезом кусок мела и написал на доске ясно и чётко: «Привет участникам Конгресса!». Протезом его кисти управляли биотоки мышц.

Искусственная рука, созданная советскими учёными, вернула к труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. Глава английских медиков доктор Р. Джонс сказал: «Русские достигли огромного прогресса в электронной физиологии». Приобрела лицензию на советскую биоэлектрическую руку и Канада. Писатель Дж. Олдридж назвал это изобретение уроком гуманизма, который оставит глубокий след во многих сердцах.

Итак, несмотря на слабость биотоков, усилитель мышечной энергии можно наделить богатырской силой.

Проблема «человек–машина»

С возникновением машин, облегчивших человеческий труд, перед бионикой появилась проблема взаимоотношений человека и машины.

Здесь выявилось очень много интересного. Так, было установлено, что во многих производственных процессах (например, при управлении автомобилем или самолётом) полная замена человека автоматическим устройством либо невыгодна, либо невозможна. Следовательно, встаёт проблема оптимального распределения обязанностей между человеком и машиной. Интересно сравнить характеристики человека и технических устройств, в частности сопоставить эффективность их работы в различных условиях.

В процессе биологической эволюции физиологическая и психологическая конституция человека приспособилась к условиям земного существования. Довольно узкий диапазон изменения температуры и давления воздуха и постоянство его состава, земное притяжение и лучевая энергия, падающая на поверхность Земли, – вот характеристики окружающей среды, в которой проходит жизнь человека. Выход в космос насильственно ставит человека в совершенно новую, непривычную среду. Это может привести к временным или даже необратимым нарушениям в организме человека.