Знакомьтесь - роботы!

Еще о механизмах интеллекта

Помните девушку, которая пришла с приятелем в компанию? Помните, как она быстро ориентировалась в многолюдном обществе, здоровалась со знакомыми, узнавала мало знакомых, почти забытых, о которых уже давно даже не вспоминала, и знакомилась с чужими ей людьми?

Как это ей удавалось так быстро и уверенно отличать мало знакомых от совершенно чужих? По каким таким признакам?

Как-то один ученый "средней известности" на следующий день после 10-минутного выступления в программе телевидения зашел в овощной магазин по соседству с домом. Он заходил в этот магазин и раньше, но не настолько часто, чтобы приобрести там какую-либо особую популярность. Тем не менее продавщица, отвесив ему полкилограмма изюма, заметила: "А вчера вы были в галстуке". На недоуменный вопрос: "А где я был вчера?" — она ответила: "Вы вчера выступали по телевизору перед очень интересным фильмом. Мы по ошибке включили телевизор на 15 минут раньше времени".

Как девушка из компании, продавщица из овощного магазина, как вы сами узнаете почти незнакомых людей, с которыми встречались где-то, когда-то, подчас, один-два раза в жизни? Вы не можете вспомнить имени, отчества или фамилии, обстоятельств, при которых произошла встреча, но одно вам ясно этого человека вы видели.

Конечно же, вы его узнали не по форме головы, не по цвету глаз, не по размерам мочек ушей. Об этих подробностях, каждой по отдельности и всех в совокупности, у вас сохранились самые смутные представления, но их оказалось достаточно, чтобы уверенно сказать:- "Я его видел, хотя понятия не имею, где именно", не умея объяснить, на чем зиждется такая уверенность. Оказывается, это действует механизм интеллекта, выполняющий задачу распознавания образов. Его возможности удивительны. Вы распознаете знакомого человека на расстоянии, на котором не можете видеть его лица, распознаете по походке, по позе, по звукам голоса. Различаете двух собак одной породы, вареную колбасу разных сортов, умеете прочитать письмо, написанное каракулями или очень неразборчивой скорописью, причем все это делаете очень быстро.

Процесс распознавания занимает доли секунды, он реализуется буквально на ходу. Можете двигаться вы или распознаваемый предмет, объект, прохожий — все равно взгляд почти сразу отличает знакомое от незнакомого, видит, чем отличается одно незнакомое от другого. Естественный механизм распознавания действует непрерывно; человек, хочет он того или нет, непрерывно его тренирует — это один из важнейших механизмов интеллекта, который активно используется человеком в процессе трудовой деятельности.

Когда вы посылаете в магазин за кефиром десятилетнего джентльмена, он крайне раздраженно реагирует на любые попытки подать ему полезный совет на тему, как наилучшим образом выполнить это поручение.

Он все знает сам и сам спланирует, что и как ему нужно сделать. Он знает, что, спускаясь по лестнице, нельзя прыгать через две ступеньки, поскольку можно разбить пустые бутылки и порезаться, что, переходя улицу, нужно дождаться разрешающего сигнала светофора и смотреть сначала налево, а потом направо, что нужно сначала сдать порожнюю посуду, а сдачу проверять, не отходя от кассы. Ему достаточно получить задание — все дальнейшие движения и действия он спланирует сам, первый раз, может быть, похуже, а в последующие — лучше; и траектории этих движений, и моменты остановок, и усилия, необходимые, чтобы нести пустые бутылки и бутылки с кефиром.

Он сам примет решение, в какую кассу стать, где короче очередь, решит, пройти ли мимо газетного киоска, где выставлены новые марки для коллекции, или сразу пересечь улицу и поглядеть на витрины книжного магазина, — одним словом, всю гигантскую программу 15-20-минутного трудового процесса он разработает "вдвоем" со своим "механизмом планирования и принятия решений" — другим важным механизмом интеллекта. Ему ведь уже десять лет. Он уже три года учится в школе, он ходит сам через улицу, он умеет читать и считать и иногда спускается по лестнице, не прыгая сразу через две ступеньки, он самостоятельно с утра до вечера принимает множество самых разных, важных решений, начиная с того, вставать ли сразу, когда его будят, или попытаться еще немножко поваляться в кровати.

Да, но ведь поручение сходить за кефиром он получил впервые. Что помогает ему спланировать программу выполнения этого задания? Ведь если попытаться представить себе, какую массу разных движений и действий ему придется выполнить, какое множество решений принять, то даже такое кажущееся простым задание будет выглядеть как чрезвычайно сложное, а короткое указание "Сходи, пожалуйста, за кефиром" предстанет лишь как смутный намек на то, что же в действительности нужно джентльмену сделать!

Возбужденный карапуз на полной скорости семенит в воду по отлогому берегу озера.

Обеспокоенная его смелостью мать кричит: "Федя, не лезь в озеро, вода еще очень холодная!"

В ответ слышится восторженный вопль: "Ничего, мама, не бойся, она уже остыла!"

Мама и весь берег расцветают улыбками. Почему?

Да потому, что всем все понятно. Понятно, что мальчик ошибся, сказал не то, что думал; понятно, что он думал сказать; и даже понятно, почему он сказал не то, что хотел. И каждый из тех, кто был на берегу, видел, что не только он, но и все другие все поняли.

А вы? Мы уверены, что вы тоже все поняли. Ведь вы по сравнению с карапузом прошли уже больший отрезок жизненного пути, не однажды пробовали слишком горячую кашу, дотрагивались до горячей кастрюли, вас не раз учили не трогать утюг.

Забавное происшествие на берегу мгновенно всколыхнуло вашу память и по ассоциации вызвало ряд чем-то похожих воспоминаний и представлений, как-то отражающих ваш личный опыт общения с горячими и холодными предметами и средами. И то, что весь берег расцвел улыбками, вас нисколько не удивило. Каждый в свое время обжигался горячей кашей и испытывал удовольствие от купанья в холодной воде. Вот и неудивительно, что всем все ясно!

В то самое время, когда вы в уме объясняете себе, почему вам и всем на берегу все понятно, действует еще один механизм человеческого интеллекта механизм так называемой ассоциативной памяти, который выстраивает неупорядоченные смутные кадры, вызванные из памяти диалогом мамы с карапузом, в стройную понятную "короткометражку".

Кстати, вы поняли, что мы имели в виду, говоря "берег расцвел улыбками"? Как это берег может расцвести? И вообще, как это можно цвести улыбкой?

Не один читатель, наверное, в этом месте поморщился: что, мол, за вольности такие, какая литературная отсебятина ученых мужей. И действительно, это предложение, если пытаться прочитать его прямолинейно, формально (вы понимаете, что мы имеем в виду), дает очень смутное представление о береге озера в летнее утро, о многочисленных свидетелях короткого диалога. Поморщился, но понял! Потому что действуют обычные механизмы интеллекта, обусловливающие образность, выразительность, краткость речи в общении людей между собой. В том числе механизмы распознавания образов, планирования и принятия решений, ассоциативной памяти.

То, что мы так четко их перечислили, не должно вас путать. Это не три отдельных механизма, это просто еще три грани человеческого разума, управляющего всеми нашими движениями, действиями и поступками, еще три функции человеческого мозга — материальной основы разума.

Вероятно, они всегда действуют совместно. Девушка, смутно распознавая знакомого, вынуждена покопаться в памяти, принять решение (да, я его знаю!) и спланировать свое поведение, встретив его взгляд, — приветливо улыбнуться. И всю эту процедуру, которая в действительности заняла время меньшее, чем нужно, чтобы прочитать этот абзац, конечно, нельзя разбить на сколько-нибудь четкие этапы.

Изучением механизмов интеллекта занимается психология — наука о функциях мозга, связанных с психической деятельностью человека, с ощущениями и восприятиями им явлений внешнего мира, с формированием представлений, с процессами мышления.

Это как раз тот самый круг вопросов, который нас сейчас интересует. Так вот, если вы спросите у психолога: как удавалось молодой девушке и юному джентльмену решать задачи распознавания, планирования, принятия решения? какими приемами и методами они при этом пользовались? — он, не задумываясь, ответит: эвристическими.

"Эврика!" — воскликнули: Архимед, открыв свой закон; "Молодая гвардия", придумав название для серии книг о науке в пестрых обложках, и многие другие открыватели и изобретатели.

Эвристика — красивое греческое слово, в переводе означающее "нахождение". Как видите, если это слово использовать в его точном значении, то ответ психолога нам может показаться несколько странным. Получается, что девушка и джентльмен решали все эти задачи, находя их решения? Но, наверное, вы уже догадываетесь, что это слово может иметь другое, не такое точное значение, может характеризовать другое понятие смутно очерченное, но понятное человеку, который натренирован в непрерывном жонглировании такими понятиями.

С четверть века тому назад, в самый разгар "кибернетической горячки", складывалось мнение о том, что создание мыслящих машин — дело близкого будущего. Именно тогда были сформулированы задачи программирования перевода с одного языка на другой, распознавания образов, доказательств теорем, игр в шашки и шахматы и др. Другими словами, были сформулированы задачи программирования таких процессов, которые ранее относили к категории чисто человеческих, интеллектуальных, творческих. Дело не ограничилось только формулированием подобных задач; были предложены новые подходы и идеи решения этих задач, получены первые интересные результаты.

Однако затем темп продвижения вперед резко замедлился. Машинный перевод с языка на язык возможен, но он пока груб и неточен, требует человеческого редактирования. Стихи, сочиненные машиной, не представляют художественной ценности. А что касается, например, того, чтобы создать программу, которая могла бы отличить Азу Лихитченко от Евгения Суслова — дикторов телевидения, обычно ведущих программу "Время", то об этом не было речи 25 лет назад, не заикаются об этом сегодня, и вряд ли это будет возможно в обозримом будущем.

Почему так затормозилось создание "настоящего" искусственного разума? Совсем не потому, что человек принципиально не может проникнуть в тайны собственного мозга, а проникнув в них, никогда не сумеет описать эти разгаданные тайны, достаточно глубоко изучить тот или иной механизм интеллекта, построить его модель, воспроизвести его действие! Ведь мы точно знаем, что границ человеческому познанию нет!

Вы, наверное, пробовали заглядывать внутрь телевизора, туда, где расположены все его коммуникации. Сотни проводов и проволочек в самых различных сочетаниях и переплетениях соединяют десятки электронных ламп и сотни других элементов, образуя сложнейшую перепутаницу, в которой неопытный взгляд не может обнаружить никакой закономерности, никакого смысла.

А теперь представьте себе, что размеры ящика, в котором помещается прибор, в десятки раз уменьшены, число его элементов вместо нескольких сотен штук достигает десятков миллиардов, количество проводов, проволочек и паек исчисляется тысячами миллиардов; причем все они окрашены в одинаковый цвет и разглядеть их можно только через микроскоп. Добавьте к этому, что никто вам не может точно сказать, с чем вы имеете дело: с телевизором, с вычислительным автоматом, с генератором идей и изобретений или с прибором для сочинения стихов или заявлений.

Учтите также, что ни в одной книжке (даже из числа тех, в которых, как дважды два — четыре, ясно доказано, что машина умнее человека) вы не найдете самого слабого намека на монтажную схему этого устройства (не говоря уже о том, что ни один владелец, как бы хорошо он к вам ни относился, ни за что не позволит вам его вскрыть из чистого любопытства).

Вот, примерно, те трудности, что возникают перед учеными, изучающими мозг человека, его нервную систему.

Не тонкий череп, а глухая стена противостоит каждой попытке продвинуться вперед. А если удается с превеликими трудами попытка на каком-то участке пробиться сквозь нее, то за этой стеной оказывается совсем небольшое свободное пространство, а за ним еще более глухая стена. Вот почему дело так медленно движется вперед!

Но движется! Одним из действенных инструментов этого продвижения являются эвристические методы. В их основе — глубокое изучение внешних проявлений интеллектуальной деятельности человека, наблюдение за тем, как он решает те или иные задачи, какие общие закономерности при этом действуют, попытки описать, пусть приблизительно, грубо, эти закономерности, применить их для решения самых простых задач, включающих самые элементарные интеллектуальные процедуры.

До понимания и тем более моделирования более сложных механизмов дело пока не дошло. Современная эвристика не говорит ни слова о постановке разумных целей и задач, о мотивах и движущих силах тех или иных действий и движений. Считается, что на одном из высших уровней смутные намерения, нечетко очерченные пожелания, вроде такого: "Что бы такое нужное мне сейчас сделать?" — превращаются (непонятно как!) в четко сформулированную задачу: "Надо взять заготовку, установить ее на станок, включить станок и т. д. и т. п.". А кроме того, считаются заданными все необходимые условия ее решения. Этих условий много, они все разные и определяются тем, насколько хорошо или плохо организована среда, в пределах которой задача должна быть решена, какие дополнительные действия и движения надо совершить, прежде чем перейти к ее непосредственному решению, и как их совершить наилучшим, как говорят, оптимальным образом.

Оптимизация

Некогда жареные пирожки продавались в булочных. Там они горячими хранились в большом металлическом оцинкованном ящике. Пять копеек пара пирожков — такова была цена невыразимого наслаждения. Но, как известно, счастье никогда не бывает полным, даже если вам ужасно повезло и вы стали обладателем пятака.

Целый пятак! Вот повезло так повезло! Зажав его в кулак, вы галопом мчитесь в булочную. Однако по мере приближения к цели возникает и начинает разрастаться проблема выбора. Внутрь вы входите медленным шагом и не спеша становитесь в короткую очередь, которая движется слишком быстро, не оставляя времени для размышлений.

Все дело в том, что в те времена пирожки имелись в широком ассортименте: с мясом и с повидлом, с капустой и с яблоками, с рисом и с творогом. Они были горячие и очень красивые, а главное, у кого бы из друзей ни спросили: "Какой пирожок вкуснее?" — ответ был всегда один и тот же: "Все вкуснее!" А за пять копеек можно получить лишь одну пару.

Конечно, если бы пятаки выдавались по желанию, то все было бы просто; а так, по внешнему виду, по запаху, по тому удовольствию, с каким их едят многочисленные счастливцы, или, наконец, по собственным отрывочным воспоминаниям, сохранившимся с давних пор (неделя, или месяц, или год прошел — не вспомнить!), этого вопроса не решить.

"Какой жадный мальчик! Никак не может расстаться с монетой", раздается сзади брюзжащий голос.

Если бы сзади стоял кто-нибудь из тех, кто любит при каждом случае подавать советы, то он бы сказал: "Что ты задумался, мальчик? Купи шесть пирожков, по одному пирожку каждого сорта, попробуй их, и все будет ясно!" Откуда ему было знать, что за монетка была зажата в кулаке и при каких обстоятельствах она мальчику досталась. Он ничего этого не знал, и ему очень просто было советовать.

Вот если бы в очереди нашелся кибернетик, то он сразу бы понял, в чем дело. Он бы всем объяснил, что мальчик решает очень сложную задачу задачу оптимизации, выбора наилучшего набора пирожков из множества возможных вариантов, или, как он сказал бы, альтернатив.

Он бы растолковал очереди, что число альтернатив в данном случае зависит от ассортимента пирожков и от того, сколько штук собирается купить мальчик. И, пошевелив губами и прикрыв на минуту глаза, быстро и точно подсчитал бы, что если мальчик собирается купить шесть пирожков, а пирожки продаются шести сортов, то получается больше четырехсот альтернатив. И даже если мальчик собирается купить всего лишь пару пирожков, то и тогда ему предстоит рассмотреть двадцать один вариант такой покупки.

Отсюда ясно, он бы сказал, что предложение предыдущего оратора — купить сразу шесть пирожков — вроде бы формально является надежным способом нахождения оптимального решения, но поскольку требует полного перебора, то оказывается практически неприемлемым в силу большого числа альтернатив.

Затем он успокоил бы очередь, сказав, что для отыскания оптимальных решений существуют специальные методы математического программирования, и, погладив мальчика по голове (чего обычно мальчики не любят), посоветовал бы ему хорошо учиться и стать кибернетиком. Но, предупредил бы он очередь, применять эти методы можно, только если известна строгая постановка задачи. А строгая постановка включает очень много: нужно точно знать так называемую целевую функцию, знать набор переменных, по которым строится эта функция, знать ограничения, наложенные на эти переменные. Он лично в качестве набора переменных назначил бы весь ассортимент пирожков. Если бы, скажем, в ящике оказалось в наличии всего лишь два пирожка с повидлом и пусть сколько угодно остальных, то, с его точки зрения, это было бы примером серьезного ограничения, наложенного на одну из переменных. Ограничения также могли бы возникнуть при нехватке мелких денег, но этот вариант он не рассматривает.

Сложнее всего, ему кажется, обстоит дело с формированием целевой функции, которая должна строго оговаривать, как мальчик оценивает достоинства различных пирожков и зачем хочет их приобрести. К сожалению, он, кибернетик, этого как раз не знает, об этом надо спросить непосредственно мальчика.

Что касается его лично, то он решил эту задачу оптимизации для себя еще до того, как стал кибернетиком. Лично он ест только пирожки с повидлом и уверен, что три пирожка являются для каждого интеллигентного человека оптимальным вариантом (многократно проверенным) в тех случаях, когда целевая функция характеризует желание легко перекусить на ходу.

Если бы в очереди за пирожками стоял кибернетик, то он, вероятно, мог бы рассказать еще много интересного о задачах оптимизации. Но в те годы совершенно не было кибернетиков. А в очереди стоял просто старый брюзга, который, остро завидуя аппетиту и возрасту мальчика, повторил: "Какой жадный! Цепляется за свою монетку!"

Каждый человек по одинаковым правилам решает задачи по алгебре и геометрии, физике и химии, все другие задачи, для решения которых существуют формальные правила, конечно, при условии, что его учили этим правилам и он их хорошо помнит и понимает. Однако задачи, для решения которых есть правила, — это капля в море тех задач, какие приходится решать людям, не имея четких правил и руководств, в том числе задач, связанных с поиском оптимальных решений. Эти задачи каждый человек решает по-своему, руководствуясь своими собственными критериями оптимальности либо критериями, подсказанными ему коллективом, обществом, решает по-человечески, эвристически.

Это означает, что к решению задач привлекаются интуитивные соображения, опирающиеся на предшествующий опыт решения в чем-то сходных задач, на аналогии и не вполне осознанные ассоциации, являющиеся продуктом деятельности механизмов интеллекта, на объективные и субъективные оценки и критерии "затрат" и "выигрышей".

Человек изо всех сил "шевелит мозгами", решая интеллектуальные задачи самого различного характера. Писатель, поэт и драматург, ученый, политик и дипломат, инженер, конструктор и технолог, редактор и модельер готового платья, одним словом, все, кто числится лицами умственного труда, стремятся выполнить свою работу оптимально, решают задачи оптимизации. А результат?

Каждый знает, насколько отличаются результаты деятельности разных людей при решении одних и тех же задач. Это потому, что "продукт" деятельности механизмов интеллекта сильно зависит от собственных свойств этих механизмов. Обычно их оценивают такими понятиями, как способность, талантливость, гениальность, изобретательность, инициативность, трудоспособность. Таких оценок множество, и сочетаются они каждый раз в таких различных пропорциях, что было бы очень странно, если бы вы в точности походили на вашего папу или кого-нибудь другого из четырех миллиардов человек, населяющих нашу планету. В силу этих удивительных свойств сын простого рыбака М. Ломоносов стал первым президентом Российской академии наук, Моцарт в пятилетнем возрасте сочинял музыку, а император Нерон, достав спички из кармана тоги, сжег, как говорят, свой родной город.

Что же касается критериев оптимальности, то и они применительно к деятельности человека могут формироваться самым различным образом. Наверное, про такие критерии оптимальности сочинена поговорка: "На вкус и на цвет товарища нет".

Кстати, чисто случайно мы знаем, какой набор пирожков выбрал мальчик, и можем объяснить, почему он его выбрал. Опыт научил его оценивать пищевые ощущения двумя критериями: сытно и вкусно; опыт и интеллект научили его понимать, что первый из этих критериев является решающим и в угоду ему надо жертвовать вторым. Проблема выбора его волновала чисто абстрактно, так, как может волновать владельца старого велосипеда нереальная мечта о новом автомобиле. Мальчик был рационалистом, он знал, что съест два пирожка с мясом, но ни старый брюзга, ни кибернетик не могли помешать ему на некоторое время стать мечтателем и заняться проблемой выбора.

Задачи оптимизации решают люди, они учат и машины решать эти задачи. Среди множества таких задач отдельное место занимают задачи оптимального управления, в том числе управления движением. Последние по понятным причинам интересуют робототехников в первую очередь. Особенность таких задач состоит в том, что время, которое отпускается для их решения, ограничено. Как правило, за пределами этого времени самое хорошее решение теряет смысл.

Первый опыт

Переходя к рассказам об опытах создания роботов уже не бесчувственных, а "очувствленных", или "интеллектуальных", или интегральных, или роботов второго и других поколений (любое из этих названий вы можете встретить в научной, технической, популярной литературе, и все они, в конечном счете, означают одно и то же), мы умышленно еще раз вернулись к механизмам и свойствам естественного интеллекта, к способам и методам, которые он использует при решении любых задач, в том числе и двигательных.

"Очувствленный" робот должен быть оснащен системой искусственного интеллекта. Только при этом условии он может полезно использовать эффект очувствления. Мы надеемся, что вы теперь сами сумеете сопоставить достигнутый в этих опытах уровень "интеллектуальности" робота с уровнем естественной интеллектуальности, сами увидите, насколько пока далеки копии от оригинала. И не будете этому удивляться, представляя себе всю сложность задач робототехники. Не будете удивляться тому, что хотя со времени первых опытов прошло уже 15–20 лет, до сих пор еще не существует тех настоящих роботов, которых, может быть, рисует ваше воображение.

В системе искусственного интеллекта нет пока места смутным понятиям и эвристическим, человеческим методам. Все действия робота подчинены железной логике и строгим алгоритмам. Это первое условие, которому должен удовлетворять железный интеллект. И второе, очевидное, условие состоит в том, что требования, предъявляемые интеллекту робота, должны быть согласованы с возможностями его системы очувствления. А теперь примеры.

Еще в 1958 году два американских математика и инженера — К. Шеннон, изучавший, в частности, "поведение" механических животных, и М. Минский, специалист в области так называемой интеллектроники, цель которой создание систем искусственного интеллекта, предложили построить автоматическую руку, взяв исполнительный механизм обычного копирующего манипулятора, очувствив его каким-либо образом и приспособив для управления им ЭВМ вместо оператора.

За реализацию этой идеи под руководством ее авторов взялся Г. Эрнст, аспирант Массачусетского технологического института. В конце 1961 года родился первый "очувствленный" робот, построенный на базе обычного копирующего манипулятора. В роботе Г. Эрнста манипулятором управляет уже не оператор, а автоматическая система. По командам ЭВМ включаются, изменяют скорость и выключаются семь двигателей, по одному для каждой из семи степеней подвижности механической руки.

Задавая эти команды, управляющая ЭВМ руководствуется не только сигналами программы, но и информацией, которую она получает непосредственно от руки, оснащенной датчиками — механическими "органами чувств", призванными хотя бы в самом скромном объеме заменить те естественные "датчики обратной связи", которые, объединяя в единую систему манипулятор с оператором, позволяли последнему наилучшим образом строить движения и дозировать усилия.

Рука Г. Эрнста оснащена двумя группами датчиков. Одну образуют датчики, установленные во всех подвижных сочленениях. Они посылают информацию о том, как выполняются сигналы, управляющие движениями руки. Это датчики внутренней обратной связи, действующей по обычной замкнутой схеме. В ней непрерывно сравниваются положения руки, которые задает управляющая машина, с положениями, которые рука занимает в действительности, и в соответствии с результатами сравнения ЭВМ непрерывно генерирует сигналы управления, устраняющие рассогласование, заставляя механическую руку занимать нужные положения и нужным образом менять их.

Вторая группа датчиков, очувствляющих руку, установлена на захвате. Именно эти датчики связывают ее с внешним миром.

Захват, как обычно, состоит из двух пальцев. Но теперь верхний, нижний и наружный торцы каждого пальца оснащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включен — выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочими участками. На внутреннем и передних торцах каждого пальца расположено еще по восемь датчиков. Они работают уже не в двоичном коде, а генерируют сигналы, величины которых пропорциональны силе нажатия на датчик. Шесть из них расположены на внутренних плоскостях захвата и генерируют информацию о том, какие части пальцев схватили объект и с какой силой его сжимают.

Два датчика, расположенные на передних торцах каждого из пальцев, регистрируют силу сопротивления движению захвата со стороны объекта. В случае, если рука с ним сталкивается в процессе движения, эти датчики позволяют получить информацию о протяженности и размерах этого объекта.

Таким образом, захват — его рабочие и нерабочие поверхности — снабжен подобием осязания и очувствлен по силе сжатия. Кроме того, на передних торцах пальцев между датчиками осязания помещено по "глазу" фотоэлементу, реагирующему на затенение: когда рука приближается передним торцом к какому-либо объекту, но еще не ударяется о него, ЭВМ посылает сигнал о приближающейся опасности и о необходимости снизить скорость.

Вся информация, собираемая рукой в процессе ее движения, передается в ЭВМ, где она обрабатывается и используется при реализации заданной программы, согласно которой рука должна, например, собрать рассыпанные в беспорядке кубики и сложить в коробку. Сбор кубиков для робототехники — "эталонная" задача, имеющая множество вариантов. В варианте, заданном руке Г. Эрнста, эта двигательная задача была описана следующей последовательностью сформулированных на машинном языке операций в программе, введенной в ЭВМ.

1. Рука начинает поисковые движения с целью найти коробку. Коробка выше и больше кубиков. Эти признаки должны помочь руке найти коробку, отличив ее от кубиков.

2. Найдя коробку, ЭВМ определяет ее абсолютное положение и размеры, а также положение руки, в котором она находится, отыскивая коробку. ЭВМ запоминает эту информацию, которая понадобится при складывании кубиков в коробку.

3. Затем рука отправляется на поиск кубиков. Наткнувшись на один из них, она определяет его положение и размеры, чтобы правильно ориентировать захват относительно кубика.

4. Рука схватывает кубик и несет его к месту расположения коробки: она движется до тех пор, пока не наткнется на коробку.

5. Определяется правильное расположение кубика относительно коробки, после чего кубик опускается в коробку.

6. Рука отправляется туда, где она нашла предыдущий кубик, и оттуда отправляется на поиск следующего кубика.

В процессе поиска кубиков рука периодически совершает контрольные движения, чтобы убедиться, что поиск ведется достаточно низко над столом. Если она в процессе поиска ударяется о стол, поиск прекращается, и рука выбирает правильное положение по вертикали.

В этом перечне не нашли отражения многие указания, которые в действительности оговорены в программе, чтобы предупредить недоразумения, могущие возникнуть в процессе действия руки. Так, в частности, при сборе кубиков она может неудачно зацепить кубик, столкнуть коробку, вторично натолкнуться на коробку и пр. В подобных случаях программа предусматривает различные специальные указания или команды на перевод руки на ручное управление, и тогда в управление роботом вмешивается оператор.

Сама программа, конечно, содержит гораздо больше подробностей, чем те, что перечислены под номерами 1, 2…6. В ней расписана процедура поиска, указан целесообразный порядок поиска, указано, что делать, когда замыкается тот или иной контакт, как в том или другом случае устанавливать или поворачивать захват. Другими словами, в программе сбора кубиков поведение руки и ее реакции при взаимодействии с внешним миром записаны с необходимой степенью подробности и, конечно, языком, понятным цифровой машине, то есть числами. Робот в процессе решения поставленной ему задачи будет "железно" следовать всем ее указаниям.

Третье поколение

Ребенку не представляет труда собрать кубики, на которых наклеены изображения цветов или грибов, поскольку он знает, что это такое. Ему достаточно показать изображение гаек, цифр, космических ракет, и он затем легко соберет кубики с такими изображениями. Мозг человека, как губка, впитывает картины внешнего мира и обладает поразительной способностью к запоминанию, различению и сопоставлению явлений двух миров: внешнего и внутреннего.

Сбор и складывание кубиков — элементарная задача для ребенка. Робот Шеннона — Минского — Эрнста решает только один из ее вариантов, но даже и для этого его пришлось снабдить собственным "внутренним миром", дающим ему представление, например, о том, чем должна отличаться коробка от кубика. Его интеллектуальные совершенства уже намного выше, чем у "версатрана", и он имеет больше оснований поетендовать на моделирование поведения живого существа, непосредственно взаимодействующего с внешним физическим миром. Можно уверенно причислить его к представителям второго поколения роботов, но его железным интеллектом следует восхищаться лишь умеренно, видя, как еще далеко второе поколение отстоит от нашего представления о настоящем роботе.

Рука Г. Эрнста работает с "завязанными глазами". Датчики, которыми она оснащена, собирают информацию вслепую "осязанием", на ощупь. Она не может отделить процесс сбора информации от процесса движения: сначала получить представление о ситуации, сложившейся во внешнем мире, и только затем начать действовать. Именно поэтому она не может просто собрать кубики, рассыпанные в беспорядке, а вынуждена искать их один за другим. Настоящий же робот должен иметь такие органы чувств, которые дали бы ему возможность предпослать процессу движения процесс сбора информации, чтобы в этом отношении быть антропоморфным, быть хотя бы немного "по образу и подобию".

Человек или животное могут собирать информацию, не трогаясь с места. Для этого им служат и зрение, и слух, и обоняние — эти "бесконтактные датчики", позволяющие живому существу планировать свои действия. Что-либо подобное необходимо и роботу для воспроизведения двигательных функций человека.

Так постепенно определились существенные черты роботов, которые мы можем условно отнести к третьему поколению. Во что это вылилось на практике, проследим на примере робота, разработанного в Массачусетском технологическом институте (МТИ).

В манипуляторах и полуроботах биотехническая система обслуживается телевизионной связью: в рабочее зоне устанавливается одна или несколько телекамер, а на пульте управления, около оператора, — телеэкраны.

Телевизионная система "удлиняет" визуальные возможности оператора. Такая телевизуальная обратная связь, как и обычная визуальная, обеспечивает оператору эффект присутствия, так необходимый для сбора информации и оценки ситуации.

Робот МТИ — это все та же механическая рука-манипулятор, но, кроме осязания (как в опытах Г. Эррста), он оснащен еще и зрением. Рабочая зона, в которой робот действует, осматривается телекамерой, но уже без оператора, который может быстро и легко, окинув взглядом увиденную картину, оценить сложившуюся ситуацию. Теперь эту картину и ситуацию "видит" — оценивает ЭВМ, и ту задачу, которую очень просто было поручить человеку, надо сделать хотя бы частично доступной автомату. Его интеллект должен иметь тот самый механизм, о котором мы говорили как о механизме распознавания образов. Но, конечно, у железного интеллекта свои механизмы.

Система, принятая в роботе МТИ, различает далеко не все, что видит человеческий глаз. Гигантское количество информации, доставляемое телеприемником, искусственно занижается специальным устройством, извлекающим из полученной картины только те характерные особенности, которые нужны для распознавания объектов с заранее известными свойствами. Такими объектами снова послужили кубики. А для кубиков характерно то, что на их ребрах происходят резкие изменения освещенности от одной грани к другой. Для ЭВМ, обрабатывающей оптическую картину, полученную с телекамеры, оказалась доступной задача выделить из этой картины и запомнить те зоны, где происходят резкие изменения освещенности.

Пока, как видим, задача выглядит очень скромно. Но даже и в этом случае процедура распознавания на этом не заканчивается. Ведь надо выделить то, что "знакомо" роботу, то, что он может "распознать". Информация, воспринятая из внешнего мира и обработанная по тому или иному способу, должна быть сопоставлена с информацией, которая служит роботу в качестве эталона "знакомого" объекта. Чтобы правильно взаимодействовать с внешним миром, роботу нужно задать этот эталон; нужно сформировать "внутренний мир" робота, сформулировать правила и критерии сопоставления, которыми он должен пользоваться для оценки собираемой информации.

В системе МТИ сведения об особых свойствах распознаваемых объектов (резко меняющейся освещенность) и их характеристиках заранее вводятся в машину, образуя ее внутренний мир. Тогда, сопоставляя особенности освещенности объектов на телеэкране с некоторыми наперед заданными признаками объекта, машина распознает кубики, фиксирует их положение и ориентацию — разбирается в обстановке и может действовать "с открытыми глазами" — не искать кубики, а, почти как человек, брать их и складывать в коробку или строить из них сооружение, то есть делать с ними то, что оговорено программой.

Сплошным потоком по цепям внутренних обратных связей от органов "осязания" и "очувствления", расположенных на захвате руки, и органов зрения в ЭВМ течет информация. В соответствии с этой информацией и с указаниями программы ЭВМ строит движения руки и дозирует развиваемые ею усилия. Так сходство действий робота с действиями живого организма получило дальнейшее развитие. Поэтому мы и сочли возможным отнести этот робот к следующему, третьему поколению.

Но почему робота? Пока это только рука! А где туловище, к которому можно присоединить такие руки?

Первый диалог с роботом

Американская программа робототехники наряду с другими включает исследования, проводимые в Стэнфордском институте под руководством математика Дж. Маккарти. Там разработана и изучается управляемая электронной вычислительной машиной модель, которая представляет собой тележку, снабженную колесным ходом с независимым электроприводом на каждое колесо. Авторы этой разработки оставили в стороне вопросы, связанные с конструкцией опорно-двигательного аппарата, с его проходимостью и т. п. Центральная задача состояла в том, чтобы создать систему, обладающую высокими информационными возможностями, достаточными для обеспечения ее автономного передвижения. С этой целью она снабжена четырьмя каналами, по которым собирает информацию из внешнего мира.

1. Органы осязания. Они представляют собой набор гибких проволок "кошачьих усов", — укрепленных на корпусе тележки и работающих в двоичном коде.

При соприкосновении усов с посторонними объектами сигналы об этом поступают одновременно к тормозным устройствам тележки, вызывая ее остановку, и в ЭВМ.

Остановка тележки при соприкосновении с посторонним объектом происходит как бы рефлекторно. Однако ЭВМ, получающая одновременно информацию о том, с какой стороны расположено ожидаемое препятствие, может подавить это рефлекторное действие и заставить тележку двигаться дальше или изменить направление движения. Примерно той же цели служит буферное устройство, которое снабжено датчиками, измеряющими силу взаимодействия тележки с препятствиями.

2. Чувство дистанции. Тележка снабжена дальномером, посредством которого ЭВМ определяет расстояние до препятствия или стен помещения. Дальномер расположен на специальной подвижной консоли, имеющей две степени свободы — она может автоматически подниматься или опускаться и поворачиваться вокруг вертикальной оси. Обзор обстановки производится периодически, по команде ЭВМ, путем перемещения дальномерной головки. Информация об измеренных расстояниях поступает в ЭВМ, которая, используя ее, строит грубую картину пространства, окружающего тележку.

3. Зрение и распознавание. На той же консоли, на которой установлен дальномер, расположена и телекамера. Собираемая ею информация обрабатывается по тому же способу, что и в системе зрения робота МТИ. Тележка, как и манипулятор, взаимодействует с объектами простых форм типа кубов, система ее зрения по прежнему выделяет из даваемого телекамерой изображения зоны с резкими переходами освещенности. О такой системе распознавания образов уже говорилось.

4. Чувство ориентации. Оно обеспечивается специальной навигационной системой. По существу, это система отсчета пройденного пути. Некоторая точка пола помещения, в пределах которого движется тележка, выбрана за начальную. От этой точки ведется непрерывный отсчет поворотов двух ведущих колес, по этим данным вычисляется положение и направление движения тележки. Кроме того, чтобы исключить влияние проскальзывания колес относительно пола, на последнем имеются дополнительные отметки для ориентирования.

Привод колес, как и привод консоли, несущей телекамеру и дальномер, осуществляется электродвигателями, получающими команды от ЭВМ. Тележка связана системой радиосвязи с ЭВМ, и пультом, где формируются программы. Команды на движение и на сбор информации вырабатывает ЭВМ в соответствии с программой "текущих действий". В свою очередь, эта программа приводится в действие программами более высокого уровня, которые задаются в ЭВМ оператором, печатающим свои указания в специальном коде на телетайпе пишущей машинке особой конструкции, установленной на посту управления.

В течение нескольких лет в Стэнфорде ведутся эксперименты с этим пока еще безруким роботом. С окружающим миром он взаимодействует только своим буфером, но и этого оказалось достаточно, чтобы продемонстрировать недюжинные "интеллектуальные" способности стэнфордского робота — еще одного представителя третьего поколения.

Поначалу задачи, которые перед ним ставились, сводились к обследованию незнакомой территории: ее обходу, осмотру, распознаванию обстановки, запоминанию ситуации. Затем исследователи добились того, что робот находил и своим буфером сдвигал кубы в заданное место. После реализации ряда подобных программ был проведен новый эксперимент, в процессе которого робот выполнил задание несравненно более трудное, чем сбор кубиков. Он "самостоятельно" решал, должен ли он или не должен использовать для выполнения поставленной задачи специальное орудие труда.

Вот к чему сводится эта задача. Робот находится в комнате, где стоит платформа, на которой установлен объект призматической формы. Задача робота состоит в том, чтобы отыскать этот объект и, толкая его буфером, доставить на определенное место. В другом углу комнаты находится передвижная наклонная плоскость. Будучи на колесном ходу, робот не может взобраться на платформу, где стоит призма, с какой бы стороны он к платформе ни подходил.

Чтобы выполнить задание, он должен прежде всего принять решение искать вспомогательное орудие труда — в данном случае передвижную наклонную плоскость. Приняв решение, он должен найти ее, правильно ориентировать и придвинуть к платформе. Только после этого он сумеет вкатиться вверх по наклонной плоскости на платформу, найти объект, столкнуть его с платформы, скатиться по наклонной плоскости с платформы, правильно установить объект и, толкая его, сдвинуть в заданное место.

Формулируя эту задачу, исследователи исходили из того, что с логической точки зрения она не менее сложна, чем классическая задача об обезьяне и бананах, которую используют психологи для оценки уровня интеллектуального развития животного. Обезьяна находится в комнате, к потолку которой подвешена гроздь бананов. Задача обезьяны состоит в том, чтобы достать бананы. В углу комнаты стоит стул. Для обезьяны решение задачи состоит в том, чтобы придвинуть стул к месту, где висят бананы, и влезть на него.

Перед роботом поставлена та же задача, что и перед обезьяной. Обе задачи двухступенчатые с логической точки зрения. В обоих случаях требуются дополнительные приспособления. Задача "обезьяна и бананы" многократно экспериментировалась, и установлено, что ее решение доступно только хорошо тренированному животному.

Создателям робота удалось обучить свое творение решению аналогичной задачи и тем самым доказать, что оно уже может вести себя если не человекоподобным, то хотя бы обезьяноподобным образом.

Робот может не только получать указания в напечатанном виде, но и печатать ответы на указания. Таким образом продемонстрирована возможность диалога робота с оператором в живой форме, не ограничивающей характер и содержание информации, которой они обмениваются. Типичный "сценарий", поставленный в Стэнфорде, сопровождался такой беседой.

Оператор. Придвиньте ко мне небольшой куб в 3 часа дня.

Робот. Имеются два небольших куба.

Оператор. Придвиньте мне меньший из двух.

Робот. Хорошо.

Оператор. Когда вы придвинете мне небольшой куб?

Робот. Я придвину его в 3 часа дня. (Время 3 часа 01 мин.) Я придвинул к вам небольшой куб.

Оператор. Спасибо.

Можно догадываться о том, сколько труда было затрачено на отладку каждой из таких программ, насколько "гладко" их удавалось выполнить роботу. Однако эти и подобные им догадки и соображения не должны закрывать от нас главного: возможности, квалификация и автономность роботов от поколения к поколению непрерывно возрастают.

Стэнфордская тележка по своим интеллектуальным совершенствам вполне подходит в качестве туловища для того, чтобы укрепить на ней механические руки.

А если еще вместо колесного хода это туловище снабдить ногами, то это будет уже совсем похоже на настоящего робота. Такие попытки делаются.

Английский профессор М. Тринг в серьезном техническом журнале обсуждает выгоды использования роботов в домашних условиях и формулирует краткие технические условия на такого механического "домашнего работника".

Обсуждение этого предложения другими учеными и инженерами касается не столько возможности построить такой робот, сколько целесообразности и эффективности его применения. А существо предложения уже не кажется совершенно невероятным.

Гармония

Представьте себе на миг, что в системе естественного интеллекта возникло небольшое отклонение от нормы: информация от органов чувств стала передаваться в мозг значительно медленнее обычного.

Все остальное остается по-прежнему: мы умеем быстро двигаться, быстро соображать, органы чувств воспринимают информацию из внешнего мира как обычно, но только в мозг она поступает с постоянным опозданием. Нетрудно себе представить, к чему неизбежно приведет такое отклонение от обычного, или, применяя медицинский термин, такая патология.

Переходя улицу, по которой едет автомобиль, вы идете совершенно спокойно: ваши глаза уже увидели автомобиль, уши услышали шум, но ведь ваш мозг пока еще ничего об этом не знает. Тревожные сигналы не спеша (как мы условились) движутся по нервам № 2 и № 8 (см. главу "Механизмы интеллекта"). И водитель автомобиля совершенно спокоен: он вас все еще не видит. Легко предсказать, чем эта совершенно спокойная ситуация может кончиться.

При такой патологии любые нормально развивающиеся события превратятся для нас в быстротекущие, мы их перестанем замечать; перестанем замечать движения автомобиля, как сейчас не замечаем смены кадров кинофильма. Чтобы в этих условиях "с толком" пользоваться органами чувств, нам надо будет двигаться очень медленно; иначе не успеть получить информацию, нужную для принятия решения.

Да и торопиться с решениями тоже потеряет смысл. Ведь они теперь принимаются применительно к ситуации, которая складывалась значительное время тому назад. С тех пор она могла значительно измениться. Быстро примешь решение, а оно в новой ситуации будет бесполезным, а то и того хуже.

Двигаться и мыслить со скоростью, нормальной для мира, в котором мы живем, станет просто опасно, а по другому в нем жить невозможно. Он ведь устроен нормальными людьми, рассчитан на то, что их чувственные восприятия, интеллектуальные возможности, двигательные способности, их, как говорят психологи, сенсопсихомоторные реакции, во-первых, развиты нормально, пропорционально одни другим, и, во-вторых, все они вместе могут действовать в темпе, какой им навязывают условия жизни.

А для существ с той "небольшой" аномалией, которую мы сейчас вообразили, пришлось бы построить другой мир, живущий значительно медленнее, позволяющий медленно не только чувствовать, но и думать, и двигаться. За нашим миром они успеть не могут, он не для них.

Можно на миг вообразить аномалию другого рода — например, запаздывание в работе механизмов интеллекта, занятых планированием и принятием решений. Пытаясь представить себе эффект замедления темпа мышления, сразу обнаружим последствия такой патологии.

Что толку чувствовать и двигаться по-прежнему, с нормальной скоростью, без задержек, если подолгу не знать, что делать с чувственными восприятиями, подолгу соображать, как и куда двигаться? Как неприятно, например, увидев движущийся на тебя автомобиль, не сообразить вовремя увернуться от нежелательной встречи!

Можно перебирать одну подобную патологию за другой, пытаться представить себе, к чему каждая из них может привести. Но если каждое рассуждение доводить до логического конца, то каждый раз неизбежно приходишь к выводу о необходимости гармоничного сочетания наших свойств и возможностей.

Любому живому существу свойственна своя гармония между чувственными, интеллектуальными и двигательными способностями. Эта гармония достигается и соблюдается в процессе эволюционного развития. Ненужные свойства и способности утрачиваются, новые приобретаются.

Человек превосходно понимает значение гармонии и стремится к ней во всех своих созданиях. Он не будет оснащать автомобиль двигателем мощностью в пять тысяч лошадиных сил, в ресторане вам не подадут котлету размером с поднос, для изготовления канцелярских кнопок не применяют пресс с усилием в 500 тонн.

Однако достигнуть гармонии непросто. В этой главе мы познакомили вас с некоторыми разработками, связанными с созданием "очувствленных" роботов.

Это, конечно, не все, что сейчас уже есть или что делается в этой области, но современный уровень робототехники приведенные примеры характеризуют достаточно точно.

Мы видим, каких трудов стоит в этой области продвижение на каждый шаг. Понимая это, называем каждый такой шаг продвижением на целое поколение, отдаем должное изобретательности, эрудиции, таланту людей, работающих в области робототехники.

Оснастить захват бесчувственного робота датчиками, позволяющими ему осуществлять взаимодействие с внешним миром, искусственно создать нечто подобное чувству осязания и нечто подобное механизму интеллекта, позволяющее роботу полезно использовать это чувство, — большой шаг вперед.

Оснастить его еще одним чувством, подобным чувству зрения, и еще одним механизмом интеллекта, позволяющим полезно применить это чувство, — тоже большой шаг вперед.

Шаг за шагом робототехника движется вперед!

Движется по всем направлениям. И в направлении повышения двигательных возможностей роботов, и в направлениях совершенствования устройств очувствления и развития систем их интеллекта. Направлений много, и, как обычно бывает, труднее всего добиться их гармоничного развития.

Телекамера видит много, а использовать ее возможности пока нельзя. Пока еще нет средств достаточно быстро сообщить искусственному интеллекту подробности того, что видит "телеглаз". Эти подробности не только нельзя использовать, они приносят вред. Ведь для того, чтобы исключить их из изображения, оставить только зоны резкого изменения освещенности, нужны дополнительные ухищрения, дополнительная техника, дополнительное время. Какая это гармония, если нужно потратить усилия, чтобы увидеть меньше, чем можно?

Робот предназначен для того, чтобы двигаться, а видеть он пока умеет только неподвижные объекты, хотя ЭВМ — материальная основа "очувствленных" роботов — "в уме" может решать очень сложные задачи и о движении спутников, и о движении ракет, и о движении роботов.

Очень трудно ученным и инженерам достигать гармонии в этих своих созданиях, хотя у них перед глазами всегда есть оригинал, в котором эта гармония доведена до совершенства. То, что естественно в биологической системе, невозможно воспроизвести в технической системе. Все нужно делать не так, по-новому, нужны новые средства, новые устройства, новые системы, каких не было ни в биологии, ни в технике. Необходимость в них остро чувствуется, но, пока их нет, неизвестно, как их построить, что они должны и что будут собой представлять.

Как тут не вспомнить четверостишие, которое написано поэтом Р. Гамзатовым будто специально по вопросу о будущем роботов.

Только с мыслью, выраженной второй строкой, согласиться никак нельзя. О судьбах робототехники надо судить сегодня, о них много судят. И не ждут того, чтобы сначала все сделать до конца, достичь в роботах полной гармонии, а потом только пускать их в дело.

Вот робот первого поколения. Казалось бы, какая в нем гармония? А уже работает в производстве. Почему? Да потому, что гармония роботу нужна не сама по себе. О том, достаточен или недостаточен ее уровень, можно судить, только зная, как устроен мир, в котором ему придется работать. Гармония должна соблюдаться в системе, включающей и робот, и его среду обитания. Их нужно строить и организовывать так, чтобы достигалась гармония всего комплекса в целом.

Бесчувственный робот не может приспосабливаться к среде? Ну что же, надо полностью организовать среду, чтобы ему не приходилось приспосабливаться. Раз выгодно, экономно, эффективно — то надо, "овчинка стоит выделки"!

Вы научили робот чувствовать, думать? Сделали шаг вперед? Воспользовавшись самыми свежими "плодами просвещения", изобрели ультразвуковые уши, лазерные глаза, разработали погремушку, с помощью которой искусственный интеллект робота решает сложнейшие двигательные задачи? Хорошо! Для такого робота дело обязательно найдется. Ведь параллельно естественному отбору роботов идет естественный отбор их применений. В робототехнике, как в природе, естественный отбор должен осуществляться комплексно, гармонично!

Такая всесторонняя гармония его собственных свойств и свойств среды обитания — важнейший закон робототехники. Руководствуясь этим законом, легче ориентироваться в робототехнике, легче судить о ее путях.