Цифровой журнал «Компьютерра» № 112

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.

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.

Именно ELSIE суждено было стать знаменитостью, демонстрируемой на фестивале британской науки в 1951 году. И, кстати, её любовь к женским ножкам, так эмоционально расписанная газетчиками, стала результатом её более продвинутой светочувствительной схемы. Привлекали ELSIE, конечно, не ножки, а блики света на капроновых чулках. Повинуясь своему исследовательскому инстинкту, ELSIE и льнула к этим «кормушкам».

Ещё один интересный эксперимент выполнялся с несколькими ELSIE, когда у каждой на «носу» зажигали лампочку. Робочерепахи немедленно находили себе подобных и начинали исполнять сложные па, то приближаясь, то отдаляясь друг от друга. Помогали им в этом датчики прикосновений, обеспечивающие обратный ход при столкновении с себе подобными. Поставив перед ELSIE с горящей на носу лампочкой зеркало, можно было наблюдать подобие ритуального танца, словно робочерепаха пыталась познакомиться со своим отражением.

Между тем Грей Уолтер усложнял схему своих роботизированных черепах. Его следующее творение CORA (от Conditioned Reflex Analogue) было экспериментальным образцом и не получило такого широкого признания публики, как ELSIE. Между тем именно CORA поразила собственного создателя, продемонстрировав зачатки не запрограммированного заранее поведения. Целью создания CORA было моделирование выработки условного рефлекса.

И если ELMER и ELSIE Уолтер называл Machina Speculatrix (машина-исследовательница), то для CORA вполне подходило название Machina Docilis — машина, способная обучаться.

В дополнение к фотосенсору и датчику прикосновения CORA имела микрофон, настроенный на звук определённой частоты. А её «нейронная» схема была усложнена, получив подобие кратковременной памяти. Когда черепаха натыкалась на препятствие, исследователь закреплял это событие, дуя в полицейский свисток (именно на его частоту и был настроен третий усилитель CORA). Дифференциация двух сенсорных воздействий запоминалась роботом в виде единой реакции — объезда препятствия.

"Чудо" происходило после того, как исследователь убирал препятствие. Свисток заставлял CORA объезжать несуществующую табуретку, демонстрируя тем самым выработку условного рефлекса.

Между темё Грей Уолтер попытался усложнить поведение CORA. Он использовал то обстоятельство, что английские полицейские свистки являются двухтональными. Именно на второй тон свистка Уолтер и настроил ещё один слуховой контур CORA, связав его с поиском источника света. Теперь он тренировал CORA, выдавая один вид свиста прежде, чем черепаха касалась препятствия, а другой — прежде чем она обнаруживала свет.

Но что произойдёт, если задать сразу два отверстия, выдав одновременно два тона? Реакция CORA на эту дилемму была очень похожа на реакцию живого существа. В результате обработки такой противоречивой информации черепаха забилась в тёмный угол, нервно передвигаясь в нём, словно бы успокаивая сенсорную перегрузку. И только по прошествии времени её контуры пришли в норму и она вновь обрела покой и способность искать «кормушку».

Доктор Уолтер посвятил исследованию поведения CORA много времени. В частности, пытался обучить её преодолевать лабиринт.

Последней робочерепахой, созданной Уолтером, была IRMA (Innate Releasing Mechanism Analogue). С помощью нескольких экземпляров IRMA нейрофизиолог пытался исследовать аспекты поведения живых существ в группе себе подобных. Особенностью IRMA была адаптация её поведения в группе в ходе совместного поиска источника света.

Сегодня подобные механизмы мы называем автономными агентами, или "аниматами", но во времена Уолтера кибернетика только-только становилась на ноги. И английский нейрофизиолог невольно стал её апологетом в Великобритании.

Благодаря широкой публичной известности своих роботов-черепах он привлёк внимание как заокеанских кибернетиков в лице Норберта Винера, так и соотечественников — учёных, занимающихся адаптивными управляющими системами в интересах военного ведомства, в лице Кеннета Крейка.

Именно благодаря последнему Грей Уолтер попал в «закрытый клуб» Ratio Club — сообщество учёных, занимающихся вопросами кибернетики в Великобритании. Ratio Club просуществовал с 1949 по 1955 год; в его состав, кроме Крейка, входили нейрохирург Джон Бейтс, работавший с Крейком над автоматическими сервоприводами орудийных установок систем ПВО, Уильям Эшби и Алан Тьюринг, выполнявшие заказы правительства по дешифровке нацистских радиограмм.

Ratio Club имел тесные связи с американским кибернетическим сообществом. Настолько тесные, что Уолтеру удалось однажды снять электроэнцефалограмму деятельности мозга Норберта Винера, который имел склонность к спонтанному засыпанию в самой неадекватной обстановке (например, при проведении лекций), и выяснить, что мозг отца кибернетики во время такого сна находится в бодрствующем состоянии и способен адекватно обрабатывать информацию.

Публичная известность Грея Уолтера и его роботов-черепах была не по душе членам Ratio Club, обсуждавших на заседаниях вопросы обороноспособности страны, но доктор Уолтер смотрел на проблемы адаптивного поведения технических систем более широко и был убеждён, что популяризация достижений кибернетики — ключ к техническом прогрессу не только отдельной нации, но и всего человечества.

Спираль развития технологий — удивительная штука. Работа Грея Уолтера в рамках Ratio Club и его встреча с Норбертом Винером привели к упорядочению нейропсихологических поначалу мыслей учёного, к единому кибернетическому базису. Но и его работы оказали существенное влияние на становление кибернетики. Вдохновлённые роботами-черепахами Уолтера, американские кибернетики развили его идеи и продолжили заложенные им принципы популяризации науки. За следующим витком технологической спирали стоял Эдмунд Беркли — создатель электромеханического мозга и теории «живых роботов». Но это — совсем другая история.

К оглавлению