Грей Уолтър. Жив мозък. Роботизираните костенурки на Грей Уолтър Живият мозък на Грей Уолтър pdf
Английският кибернетик, неврофизиолог и психиатър Грей Уолтър е роден през 1910 г. Той започва да създава своите роботизирани костенурки или, както създателят ги нарича, machina speculatrix, през 1948 г. и продължава да експериментира с тях до 1951 г. Те бяха механични колички, които можеха да се движат към или далеч от светлината, както и да стигнат до източници на презареждане на батерии, избягвайки различни препятствия. Те бяха наречени костенурки поради тяхната бавност и външен вид. За разлика от повечето роботи от онези години, които се движеха по предварително определен модел, „костенурките“ на Грей Уолтър можеха да реагират на промените във външната среда.
Бащата на кибернетиката, Норберт Винер, описва роботите на Грей Уолтър по следния начин:
„След като осъзна, приблизително по същото време като мен, аналогията между обратната връзка в машината и човешката нервна система, Уолтър започна да проектира механизми, които биха възпроизвели някои от поведението на животните. Работех върху създаването на "молец", който автоматично да пълзи към светлината. Уолтър нарече машините си „костенурки“, добавяйки по-сложни числа към техния репертоар. „Костенурките“ били снабдени с устройство, което им помагало да не се сблъскват една с друга при движение, а освен това и устройство, благодарение на което, когато почувстват „глад“, т.е. Когато батериите се изтощиха, те се насочиха към специално „място за хранене“, където поглъщаха електричество, докато батериите се презаредят.
Грей Уолтър създаде 8 версии на роботи костенурки. Така "костенурката" Елмър изглеждаше като количка с три колела, оборудвана с два електрически мотора, които се захранваха от батерии. Единият двигател осигурява движението на количката напред, а вторият променя посоката на движение. Двигателите могат да се управляват с помощта на електромагнитни релета. Благодарение на фотоклетка, разположена на кормилната колона на количката, роботът можеше да разпознава препятствията.
По същество роботът костенурка може да работи според три модела: движение към светлината, обръщане към светлината и избягване на препятствия. Ако батерията е заредена и осветлението в стаята е слабо, роботът бавно се придвижва из стаята в търсене на източник на светлина, а при среща с препятствия коригира посоката на движение. Съответно, ако в стаята се появи източник на ярка светлина, роботът костенурка се движеше в неговата посока. В същото време, достигайки източника на светлина, той се обърна от него, сякаш се „страхуваше“ да не бъде заслепен, след което се движеше около този източник, намирайки оптималната позиция за себе си. Когато батерията му започна да се разрежда, роботът се приближаваше все по-близо и по-близо до източника на светлина, а когато нивото на батерията беше ниско, роботът се приближаваше до този източник и се свързваше със зарядното устройство. След като зареди батерията, роботът отново се отдалечи от източника на светлина.
Друг робот, Елси, реагира по-активно на промените в светлината. Ако в стаята имаше два източника на светлина, роботът се премести първо към едната лампа, а след това към другата. Освен това роботите можеха да се разпознават по светещата електрическа крушка и се движеха един към друг.
Роботът костенурка Кора успя да реагира не само на промените в светлината, но и на звука. Кора „чу“ благодарение на микрофона. В допълнение, наличието на кондензатор, който задържа електрически заряд за известно време, гарантира, че този робот има нещо като условен рефлекс. Така Кора може да бъде обучена.
Британците наричат условния рефлекс заучен рефлекс - learned reflex. Рефлексът се развива, когато същото действие се повтаря без това, условният рефлекс изчезва. В случая с костенурката робот Кора, стимулът, който задейства условния рефлекс, беше звукът на свирка. Когато Кора се натъкваше на едно или друго препятствие, се чуваше свирка. Първоначално роботът-костенурка не реагира на звука на свирката, след това, като чу свирката, смени посоката на движение, дори и да няма препятствие пред нея. Ако Уолтър даваше на Кора звукови сигнали твърде често при липса на бариери, тя губеше този условен рефлекс.
Когато експериментираше с Кора, Уолтър винаги се опитваше да усложни нейното поведение. Тъй като английските полицейски свирки бяха двуцветни, ученият използва това обстоятелство. Ученият използва втория тон на свирката, за да създаде втора слухова верига за своя робот, свързвайки го с появата на нов източник на светлина в стаята. Първият тип свирка прозвуча, когато костенурката достигна следващото препятствие, а вторият - преди светването на светлината.
В тази връзка Уолтър се чудеше как костенурката-робот Кора би реагирала на два звука на свирка, прозвучали едновременно. На свой ред роботът костенурка реагира на тази ситуация като живо същество. След като обработи получената информация, Кора се скри в тъмен ъгъл, за да се възстанови от сензорното претоварване. След известно време тя се върна към нормалното функциониране и отново започна да търси източник на светлина.
По този начин роботите, създадени от Грей Уолтър, показват елементи на развитие, присъщи на живите същества, коригирайки моделите на поведение в зависимост от външните обстоятелства. Експериментите с външната среда и „нервната система“ на роботизираните костенурки доведоха до интересни резултати: поведението на роботите никога не се повтаряше, но техните действия винаги попадаха в рамките на определен поведенчески модел, както се случва при живите същества.
Изобретенията на Грей Уолтър привлякоха интереса на световната научна общност и вдъхновиха други учени да създадат роботи от този вид. Например американецът Едмънд Бъркли изобретил катерица, която събирала ядки и ги носела в гнездото, мишка, създадена от Клод Шанън, знаела как да намери пътя си в лабиринт, електронните лисици Барабара и Джоб, проектирани от френския физик Албер Дюкро , реагира на допир, светлина и звук, като в същото време появата на светлина и звук предизвика появата на условен рефлекс. В Съветския съюз също е създаден робот, който реагира на външни стимули: такъв робот костенурка е построен от служители на Института по автоматика и телемеханика на Академията на науките на СССР A.P. Петровски и Р.Р. Василиев.
Също така, развитието на рефлексите в роботите е повлияно от работата на италианския невролог и кибернетик Валентино Брейтенбург, посветен на синтеза на биологичното поведение с помощта на най-простите схеми. Така книгата му „Машини: Експерименти със синтетична психология“, написана през 1984 г., се превърна в класика.
През 2006 г. американският учен Ламброс Малафурис написа статия „Когнитивната основа на материалната ангажираност: където мозъкът, тялото и културата се смесват“, в която твърди, че тайната за успешното функциониране на роботите се крие във връзката мозък-тяло-среда. Именно благодарение на тази връзка, костенурките-роботи на Грей Уолтър проявиха поведение, характерно за живите организми.
Експериментите с изкуствения интелект продължават и до днес. Роботите започнаха да се справят много по-добре с възложените задачи, но съвременните учени дължат голяма част от успеха си на Грей Уолтър.
Проблемът за човешките способности винаги е предизвиквал истински интерес сред всички хора. Откъде кадърни и неможещи, талантливи и бездарни? Защо не всяко дете-чудо става гений, а гениите във всички области на човешката дейност са толкова редки? Кой не си е задавал подобни въпроси? Но ако преди тези въпроси не излизаха извън рамките на любопитството и не се нуждаеха наистина от разрешаване, сега проблемът със способностите се превръща в основен социален проблем. Защо?
Ускоряването на научно-техническия прогрес, безпрецедентно в историята на човечеството, лавинообразното нарастване на знанията ни за света и необходимостта от неговото овладяване вече поставиха редица трудни задачи пред учителите и психолозите. Училището на всичките си нива – основно, средно и висше – изостава от изискванията на живота в това отношение, като изоставането не само че няма тенденция да намалява, а напредва все по-осезаемо.
За всеки, който е запознат със състоянието на нещата в училище, е ясно, че е невъзможно да се компенсира това изоставане чрез увеличаване на продължителността на обучението или чрез попълване на програмите с нов материал. Продължителността на училищното обучение вече е достигнала онези крайни граници, в които с голяма тежест все още може да се счита за разумна и неслучайно се задържа на това ниво повече от едно десетилетие. Прави се втори опит за въвеждане на единадесети клас в училището. Въпросът за претоварването на училищните програми не излиза от нашия дневен ред от много години и силно се усеща, дори само във факта, че работният ден на ученик в гимназията надвишава продължителността на работния ден на възрастните, гарантирана от Конституцията, и заплашва не само физическото, но и психическото здраве на нашите деца. Ако имахме в ръцете си обективни критерии за измерване на мярката както на здравето, щяхме да говорим за това отдавна и с по-голямо безпокойство, отколкото сега.
Вярно, има и друг начин - радикално подобряване на самия образователен процес в училище - съчетаване на ученето с продуктивна работа, когато работата и ученето ще бъдат равни по права и децата ще почиват половин ден от досадното и неестествено монотонно обучение по книги и по този начин запазват свежестта и лекотата на детското възприятие и високите темпове на развитие. Но това време, очевидно, няма да дойде скоро, тъй като училищната реформа от 1984 г. предвижда разпределението дори не на работа, а само на трудово обучение на малка част от учебното време (10-15%).
Други мерки, като програмираното обучение и преминаването към нови програми (които също се оказаха далеч от съвършенството), не оправдаха възлаганите надежди. Всичко това, разбира се, са стъпки напред, но стъпките просто не са съизмерими с мощния темп на научно-техническия прогрес.
Проблемът се усложнява допълнително от факта, че той далеч не се изчерпва с непрекъснато нарастващ обем от знания. Оказва се, че дори обширните познания сами по себе си вече не са достатъчни за пълноценното обучение на съвременни работници в областта на науката, технологиите и производството. Имаме нужда от все повече хора, които са не само знаещи, но и способни на творческа дейност, специалисти с висок творчески потенциал. Нито средните, нито висшите училища все още са се фокусирали върху техния подбор и подходящо обучение. Откъде да ги вземем? Учителите и психолозите, за съжаление, не бързат да разрешат този проблем. Но животът не чака.
И сега математици, кибернетици, а след тях физици и химици вече създават специални училища и търсят за тях способни ученици. Дълга, трудна задача. Талантите, като диамантите, сега са доста редки и не са лесни за полиране, но засега това е единствената възможност.
Проблемът с творческите способности сега се превърна в истинска загриженост за работещите в науката и технологиите, но несъмнено скоро ще се превърне в проблем и за много други. И ако вземем предвид факта, че „животът” на знанието се скъсява, че знанието започва да остарява все по-бързо и се нуждае от постоянно „обновяване”, че пред очите ни едни професии умират и се раждат други професии, че делът на умствения труд и творческата дейност на хората в почти всички професии има тенденция да расте и да се ускорява, това означава, че творческите способности на човек трябва да се признаят за най-значим дял от неговия интелект и задачата за тяхното развитие е една от най-важните задачи при възпитанието на личността на бъдещето.
Възможно е всичко казано да е познато и разбираемо за хората, които следят тревогите на нашата социална мисъл, но бих искал към тревогите да се добавят и тревогите; по един или друг начин насочени към решаване на проблема. Не само държавата се интересува от неговото решение: почти всеки учител и родител се интересуват от развитието на способностите на децата, включително творческите.
Но тук, по пътя към решаването на проблема, наред с другите препятствия, има едно много важно - съвременната хипотеза за способностите. Защо тя е пречка?
Водени от една или друга хипотеза, хората действат. и тези действия могат в някои случаи да ги доближат до целта, а в други да ги отдалечат от нея или, както се казва, „ще бъдат водени за носа дълго време“, докато нови факти не ги принудят да се откажат от неправилна хипотеза. Някои хипотези поставят човек в активна позиция, принуждават го да търси, изследва, експериментира, други, напротив, казват, че това явление не е подчинено на нас, че всичко или почти всичко зависи от природата, от наследствеността.
Този вид хипотеза е хипотезата за способностите, съществуващи в психологията и педагогиката. Можете да разберете същността му от дефинициите на три основни понятия: способности, наклонности и надареност.
„СПОСОБНОСТИТЕ са индивидуалните характеристики на човек, от които зависи успехът при извършване на определени видове дейности... Способностите не са дадени от природата в готов вид... Способностите са от голямо значение за тяхното развитие, но в крайна сметка способностите могат да се формират само при определени условия на живот и дейности..."
"УМИТЕ са вродени анатомични и физиологични характеристики, сред които най-важни са характеристиките на нервната система и процесите, протичащи в нея, са важни за развитието на способностите." Това определение е дадено от Педагогическия речник (том 1, стр. 388). А „Педагогическата енциклопедия” (изд. 1966 г.) директно ги нарича „естествени предпоставки за развитие на организма”, „органична основа на способностите” (том 2, стр. 62).
„НАДАРОВЕНОСТ - (според определението на Педагогическия речник, том 11, стр. 35) - набор от естествени наклонности като едно от условията за формиране на способности“ и според определението на Педагогическата енциклопедия (том 3, стр. 186) - „високо ниво на развитие на способностите на човек, което му позволява да постигне особен успех в определени области на дейност“.
Объркването в определението за надареност очевидно не е случайно: то отразява объркването, което наистина съществува в психологическата наука по въпроса за способностите. Но все пак от тези определения може да се види, че основните условия за формиране на способности се считат за естествени наклонности и условия на живот и дейност. Ако първото и второто са налице, тогава способностите могат да бъдат формирани, но ако поне една липсва, тогава те няма да бъдат формирани. Наличието на наклонности в детето не може да се определи по никакъв начин. Какво могат да направят родителите, детските градини и училищата? Очевидно, създайте условия, благоприятстващи развитието на способностите и изчакайте. Изчакайте, докато вашите способности започнат да се „проявяват“. Ами ако не се „проявят“? Това означава, че няма наклонности или сте създали условия, които не са подходящи за наклонностите, които детето има.
Опитайте се да го разберете! Накратко, хората са поставени в пасивна позиция от подобна хипотеза.
Сега за същността на заложбите. „Ако тази концепция е анатомична и физиологична, тогава за психолога тя има смисъл само като препратка към област, в която той не е ангажиран. В същото време това е предположение, че след като има способности, значи нещо трябва да съществува преди това тяхната поява е нещо и има вродени предпоставки - Такова разбиране не дава нищо на психологията и няма опора във фактическите данни", казва член-кореспондентът на Академията на педагогическите науки, проф. В. Н. Мясищев и добавя: "В многобройни изследвания. относно физиологията на висшата нервна дейност на детето, няма нито едно изследване, което да повдигне въпроса за онези физиологични характеристики, които са свързани с понятието способност" (подчертано от мен. B.N.). С други думи, съществуващата хипотеза за способностите все още е спекулативна.
В различно време от различни факти са се раждали различни предположения. Смятало се е например, че способностите зависят от обема на мозъчната материя, тъй като при много талантливи и блестящи хора обемът на мозъка надвишава обичайната за човека норма от 1400 см3 и достига 1800 см3 (за писателя И. С. Тургенев). Но имаше факти наблизо, когато гениален човек имаше мозък от 1200 cm3 или дори живееше с една половина от мозъка, като Пастьор, който след мозъчен кръвоизлив имаше само едно функциониращо полукълбо и такава хипотеза не можеше да ги обясни. След това те се обърнаха към структурата на мозъчните клетки, особено към кората, и установиха, че блестящите хора понякога имат разлики от обичайната структура, но кои от тези разлики са решаващи, остава загадка.
Предполагаше се също, че първото дете в семейството е талантливо. И тази хипотеза имаше привърженици, докато статистиката не дойде на помощ. От 74-те световноизвестни блестящи и талантливи хора, от чиито биографични данни е възможно да се установи какъв род е бил, само пет са първите - Милтън, Леонардо да Винчи, Г. Хайне, Брамс, А. Рубинщайн.
А Франклин беше 17-ото дете в семейството,
Менделеев - 17-ти
Мечников - 16-ти
Шуберт - 13-ти
Вашингтон - 11-ти
Сара Бернхард - 11-та
Карл Вебер - 9-ти
Наполеон - 8-ми
Рубенс - 7-ми и т.н.
Това означава, че въпросът не е какво дете е родено в семейството, а нещо друго.
Хипотезата за унаследяването на способностите се оказа много издръжлива. Изобилието от противоречиви факти не смущава поддръжниците му. В пет поколения на семейство Бах, освен Йохан Себастиан, има 56 (според други източници - 15) талантливи музиканти. И същото нещо може да се наблюдава, макар и в по-малка степен, в други семейства на талантливи хора. Но тогава има диаметрално противоположни факти, например семейство Шуман. От 136-те членове на това семейство в четири поколения имаше... само един музикант - Роберт Шуман, съпругата му Клара също беше талантлива пианистка, но нито едно от осемте им деца не стана музикант. Защо? Защо само Лев Николаевич се оказва гений в семейството на Толстой?
Трудно е да се отговори на тези въпроси, и то убедително. Ето защо съвременната хипотеза предпочита да отминава подобни въпроси с мълчание. В същото време е необходимо да се има предвид, че способностите са доста стабилни характеристики, които се променят малко през живота на човека. Ако детето има затруднения с математиката в началното училище, това качество остава с него във всички старши класове. Въпреки целия труд, ефективност, точност и други достойнства, не можете да направите такъв ученик способен, казват учителите. И в по-голямата част от случаите това е вярно; изключенията са изключително редки.
„Вродената интелигентност“ е начинът, по който не само буржоазните учени обясняват това явление. „Талантът и дарбата, да речем, в областта на математиката, физическите експерименти и проектирането на нови инструменти са дадени от природата във всичко“, казва академик А. Колмогоров. Ако сме съгласни с това твърдение, тогава е естествено да приемем, че „естественият талант“ например за научна дейност може да се намери само сред народи, които отдавна са излезли от дивото състояние и следователно са придобили в продължение на дълъг период от време. период от историческото им развитие, някои качества за научна дейност . Но тогава как да обясним този вид факт: „Мари Ивоин, момиче, което беше донесено от дълбините на горите на Централна Америка от експедицията на Велар (на възраст от няколко месеца), беше от племето Гуаякил, най-много назад по цялото земно кълбо, но във Франция тя се превърна в интелигентна и културна жена - учен по професия."
Генетиците, направили големи открития в областта на наследствеността през последните години, също не са единодушни. С. Ауербах, професор по генетика в Единбургския университет в Шотландия, заявява: „Всичко, което е вярно по отношение на свойствата на тялото, е вярно и за чертите на ума и емоциите, нивото на умствено развитие, специалните способности, личността всички качества са резултат от взаимодействието на генетични фактори и фактори на околната среда. А ректорът на Чикагския университет, лауреат на Нобелова награда Джордж У. Бийдъл разделя „биологичната“ наследственост от „културната“. Разликата между човека и неговите най-близки родственици от животинския свят е огромна... Централната нервна система на човека, под въздействието на културната среда, се развива по изключително специфичен начин.
Нашият мозък, подобно на мозъците на видовете, които са ни предхождали и са били свързани с нас, съдържа „вродена информация“, която регулира такива функции на тялото като дишане, кръвообращение, инстинктивно поведение и т.н. Но освен тази информация, човешкият мозък, за разлика от животинският мозък съдържа огромно количество „възприета информация“, която е културно наследство... За разлика от биологичното наследство, културното наследство, придобито от човек, се подновява във всяко ново поколение. По този начин мънистото оставя много малко на наследствеността и много на образованието.
Нашият генетик Н. П. Дубинин още по-ясно отдели „биологичното наследство“ от „социалното“. „Идеалното (т.е. социалното) съдържание, което изпълва психиката по време на формирането на личността, не е записано в генетичната програма на човека. Така че този колосален потенциал е задача на образованието.“
Тази сравнително сложна формулировка се обяснява донякъде с втората: „Няма гени за духовното съдържание на човека; чертите на човешката психика се формират с помощта на социалната и практическата дейност на хората. Разбирането на това открива огромни перспективи за педагогиката и за формирането на нов човек тук остава много неизползвано, това се отнася по-специално за развитието на личността в ранна възраст (до две години).“
За съжаление, статията на Н. П. Дубинин е публикувана по-късно (през 1980 г.), отколкото е формулирана „хипотезата за способностите“, което прави цялата работа по проблема много по-трудна и сложна. Трябваше да решавам всички проблеми без тази фундаментална теоретична подкрепа. Ето защо търсенето е сложно, затова има толкова много въпроси.
Как можем да обясним тази поредица от факти от гледна точка на старата хипотеза: много често децата в предучилищна и начална училищна възраст удивляват възрастните с ранната си проява на творчески способности. Но годините минават, децата растат и... не се оказват нито талантливи, нито дори гениални хора. Къде отиват техните способности и наклонности? Защо, например, огромното мнозинство от децата, отгледани в сиропиталища и сиропиталища, са със сериозно забавяне в развитието на речта и след това се представят зле в училище? Това отдавна е отбелязано от изследователи в много европейски страни. Не са ли тези деца същите като всички останали и лишени от наклонностите, които позволяват да се развие способността за говорене и учене в училище?
Защо ученици от няколко „специални“ училища в Московска област всяка година влизат в московските математически училища чрез конкурс?
Защо сред руските студенти около една трета нямат музикален слух, а сред виетнамските няма такъв?
Защо някои смятат, че само 1-2% от момчетата и момичетата (акад. А. Колмогоров) могат да бъдат учени в областта на математиката, докато други смятат, че 60-80% (учителят К. Скороход)?
Има много подобни въпроси, на които съществуващата хипотеза за способности не може да даде задоволителен отговор.
Английският неврофизиолог и пионер на роботиката създава прочутите си кибернетични „костенурки“ Грей Уолтързапочва да създава през 1948 г. и продължава експериментите си с биоморфни роботи до 1951 г. Грей Уолтър ги нарече machina speculatrix, но те останаха в историята като „костенурки“. „Костенурките“ бяха самоходни електромеханични колички, способни да пълзят към или далеч от светлината, да избягват препятствията и да влизат в „корито за хранене“, за да презаредят изтощените батерии. Автономните машини на Грей Уолтър наистина приличаха на костенурки по външния си вид и бавното действие. Основната им разлика беше способността да действат не само според „твърда“, предварително зададена програма, както действат повечето роботи, създадени по това време, но и като се вземат предвид условията, определени от ситуацията и околната среда.
Бащата на кибернетиката Норберт Винер в известната си книга „Аз съм математик“ описва работата на Валтер по следния начин: „След като схванах, почти по същото време като мен, аналогията между обратната връзка в машината и човешката нервна система , Уолтър започна да проектира механизми, които да повтарят някои от поведението на животните, които да изпълзят автоматично в светлината, включително по-сложни номера в техния репертоар. Костенурките" бяха оборудвани с устройство, което им помагаше да не се сблъскват помежду си, когато се движат, и освен това устройство, благодарение на което, когато почувстваха "глад", т.е. батериите бяха изтощени, те отиваха в специален " място за хранене”, където са поглъщали електричество, докато се заредят батериите.
Общо Грей Уолтър създаде повече от 8 „костенурки“. Първата от „костенурките“ - Елмър (Елмър - електромеханичен робот) - е направена под формата на малка количка с три колела, на която са монтирани два електрически мотора, захранвани от батерии. Първият двигател осигури движението на устройството напред, вторият, разположен на кормилната колона, промени посоката на движение. Двигателите се управляваха с помощта на електромагнитни релета. Чувствителните елементи на „костенурката“ бяха фотоклетка, разположена на кормилната колона, и механичен контакт, който се затваряше при удар в препятствие. Поведението се контролира с помощта на електронна верига за обратна връзка, изградена само върху два изкуствени неврона.
Въпреки простото устройство, „костенурката“ демонстрира смислено и понякога много забавно поведение, базирано на три състояния: търсене на светлина („глад“), обръщане към светлината и избягване на ярка светлина и препятствия („болка“).
Докато батерията на костенурката беше заредена, тя се държеше като добре охранено животно: при слаба светлина или на тъмно тя бавно се движеше из стаята, сякаш търсеше нещо; когато се изправи пред някакво препятствие (шведска маса, крак на маса и т.н.), тя спря, обърна се настрани и заобиколи това препятствие. Ако в стаята се появи ярък източник на светлина, Елмър скоро ще го „забележи“ и ще се придвижи към светлината (положителен тропизъм). (За информация как да направите прост робот, който реагира на светлина, прочетете статията „Как да направите робот: Най-простият робот на един чип.“) Въпреки това, когато се приближи твърде близо до светлината, той се обърна от то, „страхувайки се“ от ослепяване (отрицателен тропизъм) . След това се движи около източника на светлина, като намира оптимални условия за себе си и непрекъснато ги поддържа (хомеостаза). С разреждането на батерията костенурката започва да проявява все по-голям интерес към източника на светлина, тъй като осветява „хранилката“ - мястото за зареждане на батерията. Когато батерията беше толкова разредена, че имаше нужда от презареждане, костенурката смело тръгна към източника на светлина и се свърза към захранващите контакти на зарядното устройство. След като получи „храна“ - ново захранване с електричество, тя се отдалечи от зарядното устройство и отново се скиташе из стаята в търсене на неосветен ъгъл.
Друга костенурка - Елси (Elsie - Electro-Light sensitiv - електро-светлочувствителен робот) - се държеше малко по-различно: тя реагира по-активно на най-малките промени в осветеността, движеше се по-бързо и повече, изразходваше повече енергия и посещаваше хранилката по-често .
Между два източника на светлина „костенурките“ пътуваха от единия към другия като магарето на Буридан, което, както е известно, умря от глад, докато се намираше между две еднакви купи сено, без да може да избере коя е по-вкусна. Две костенурки се „видяха“ и „разпознаха“ по светещата крушка и запълзяха една към друга.
Схема на роботизирана костенурка, използваща вакуумни тръби.
Още по-интересна беше третата костенурка - Кора (Cora - Conditional Reflex Automat - машина за условен рефлекс). Това кибернетично животно притежаваше не само „зрение“ и „докосване“, но и „слух“: Грей Уолтър добави микрофон към сетивата си. Освен това той може да бъде обучен чрез развиване на нещо като условен рефлекс в него (благодарение на наличието на елемент на паметта под формата на кондензатор, способен да поддържа натрупания електрически заряд за известно време).
Както знаете, условният рефлекс е резултат от учене, навик. Не напразно британците го наричат Learned reflex, т.е. научен, научен рефлекс. Ако многократно повтаряте демонстрацията на условен рефлекс, без да го подсилвате, т.е. без да извършвате комбинирано действие на безусловни и условни стимули от време на време, тогава условният рефлекс избледнява (се забравя) и в крайна сметка изчезва напълно.
Уолтър разви условен рефлекс в своята костенурка Кора, като я научи да спира пред препятствие и да се отклонява настрани, когато получи звуков сигнал - свирка. За да направи това, той дава сигнал (свирка), когато Кора, докато се движи из стаята, се натъкне на някакво препятствие. Отначало костенурката не обърна внимание на свирките. Въпреки това, тя скоро разви условен рефлекс: при сигнала на свирката тя спираше, отстъпваше назад и се обръщаше настрани, дори и да нямаше препятствие пред нея. Но условният рефлекс, развит по този начин, скоро изчезна, ако Кора често се заблуждаваше, като дава сигнал със свирка при липса на препятствие пред нея.
Поведението, което демонстрираха роботите на Грей Уолтър, им придаваше голяма прилика с реални живи същества, чиято отличителна черта е способността да действат целесъобразно, като се съобразяват с околната среда. Взаимодействието между „нервната система“ на неговите костенурки и околната среда създава неочаквано и сложно поведение. „Костенурките“ никога не са повтаряли точно поведението си, а винаги са действали в рамките на общ модел на поведение, точно както живите същества.
Траектории на костенурки.
Впоследствие такива устройства, които симулират поведението на живи организми, станаха обект на внимателно внимание и проучване. Мишката, намираща пътя си в лабиринт, построен от американския математик и кибернетик Клод Елууд Шанън, стана широко известна; катерица, която събира ядки и ги отнася в гнездото, създадено от американеца Едмънд Бъркли; електронни лисици Барбара и Йов, направени от френския физик Албер Дюкрок, костенурка на Айхлер, която може да реагира на светлина, звук и докосване (едновременното излагане на два стимула - допир и звук - предизвиква появата на условен рефлекс). Оригиналната костенурка е построена от служители на Института по автоматика и телемеханика на Академията на науките на СССР R.R. Василиев и А.П. Петровски.
Също така в тази област си струва да се отбележи работата на италианския невролог и кибернетик Валентино Брайтенберг за синтезиране на биологичното поведение с прости схеми. Книгата му Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology (1984) се е превърнала в класика, вдъхновила много изследователи.
Създаването на биоморфни роботи, базирани на принципите на функциониране на биологичните системи, впоследствие беше извършено от изключителни роботици Родни Брукс, директор на лабораторията за компютърни науки и изкуствен интелект на MIT, и Марк У. Тилдън, създател на технологията BEAM - нова парадигма в съвременната роботика. Те излязоха с идеята за създаване на роботизирани системи, базирани на рефлекси, реализирани на ниско хардуерно ниво.
През 2006 г. ученият от Кеймбридж Ламброс Малафурис направи интересна точка в статията си „Когнитивната основа на материалната ангажираност: където мозъкът, тялото и културата се смесват“. Малафурис спекулира, че причината роботизираните костенурки на Грей Уолтър да са работили толкова добре в средата на 50-те години на миналия век (докато традиционният изкуствен интелект като цяло се е провалил) е, че е необходима верига за обратна връзка за формиране на връзки между мозъка, тялото и околната среда. Традиционният изкуствен интелект се е опитал да изолира съзнанието като „безплътен призрак, обработващ информация“. Автономната machina speculatrix на Грей Уолтър се основаваше не толкова на идеите на Тюринг, колкото на идеите за кибернетична обратна връзка на Норберт Уайнър. Така че не би трябвало да е изненадващо, че „костенурките“ на Уолтър показаха неочаквано и разнообразно поведение, което може да се намери в природата.
Архивни статииПрез 50-те години на миналия век британски невролог проектира роботи, за да изучава проблемите на свободата на избора, саморегулацията и социалното поведение в машините.
Технологичният прогрес е вектор, насочен към бъдещето. Количеството знание, натрупано от човечеството, подобно на мощен двигател, насочва изследователите на настоящето към нови технологични пробиви. И само ако се приближите достатъчно близо до този вектор, ще забележите, че той представлява спирала, чиито завои често са повторения на минали изобретения, базирани на възможностите на настоящето.
Тази идея беше подтикната от посещение на уебсайта "Modular Robotics", където приятелски екип от учени от водещи американски университети разработва истинска глезотия - електронни кубчета, от които лесно можете да създавате различни версии на роботи.
Забавление за деца? Несъмнено. Но и нещо повече: популяризиране на научните постижения, желанието да се запознаят хората, далеч от роботиката и информационните технологии, с напредналите разработки в тези области.
Децата, които си играят с кубчета на снимката, ми напомниха за снимка от преди шестдесет години. Той показва дете, което си играе с ELSIE, роботизирана костенурка, едно от няколкото невероятни творения на британския неврофизиолог Грей Уолтър.
В началото на петдесетте години на миналия век електромеханичните "костенурки" на д-р Уолтър, които той разработи, за да изучава рефлексите и поведенческите механизми на живите същества, предизвикаха истинско вълнение сред обикновените хора, запознавайки обикновените хора с понятията "кибернетика", „изкуствен интелект“ и „изкуствен живот“ и разкриващи За тях хоризонтите на науката са безгранични.
Грей Уолтър. Неврофизиолог с ръце на механик
1951 г Британският научен фестивал е мащабна изложба на научните постижения на английски учени на южния бряг на Темза. Целта на изложбата е да покаже на хората, които току-що са преживели ужасите на войната, че прогресът не стои неподвижен и научните постижения на настоящето ще направят възможно изграждането на прекрасен свят на бъдещето.
Многобройни посетители на изложбата неизменно се тълпят около павилиона с роботизирани костенурки - механични същества, които въпреки това се държат като живи. Въртейки единственото си перископно око, костенурките уверено се придвижват към източника на светлина - тяхната „храна“ и когато се натъкнат на някакво препятствие, усърдно го избягват.
Плакатът на Британския научен фестивал от 1951 г. включва "костенурки" на ELSIE
Вестниците развълнувано описват интересни факти, свързани с костенурките роботи. И така, тези същества харесват жените повече от мъжете, те се придържат към краката си. „Гладни“, роботизираните костенурки се втурват към светлината, към къщата си, където има зарядно за батериите им. Но ако стаята е твърде ярка или светкавиците на камерата изчезнат, тези същества се губят и започват да се втурват в търсене на подслон.
Демонстрацията на роботизирани костенурки на изложбата е извършена от техния създател, тридесет и осем годишният д-р Грей Уолтър. Освен това „доктор“ не означава научна степен: Грей Уолтър е неврофизиолог.
През 1951 г. д-р Грей Уолтър оглавява отдела по неврофизиология в Института Бурдейн
През 1951 г. д-р Уолтър е водещ изследовател в Бристолския неврологичен институт Бурдейн, пионер в областта на електроенцефалографията на мозъка - най-новото направление в изследването на висшата нервна дейност при човека.
Грей Уолтър, син на британски журналист и американска журналистка, които се срещат в Италия по време на Първата световна война, е роден в Канзас Сити, но прекарва целия си живот в Англия. През 1928 г., след като завършва Кингс Колидж, Кеймбридж със степен по физиология, Уолтър продължава да работи върху дисертация върху психофизиологията на нервната дейност и рефлексите.
Интересът на Грей Уолтър към тази област не е случаен. Докато е още студент, той посещава Русия, в лабораторията на нобеловия лауреат Иван Петрович Павлов. Резултатите от изследванията на великия руски физиолог, свързани с рефлексната дейност, определят посоката на по-нататъшните изследвания на д-р Валтер.
Изучавал електроенцефалография на мозъка (ЕЕГ) в Института Бурдейн, Грей Уолтър се проявява не само като брилянтен неврофизиолог, открил например делта и тета ритъма на мозъка, но и като... отличен механик. Повечето от инструментите, необходими за изследване (ЕЕГ), той изработва сам в малък металообработващ цех към института.
По време на Втората световна война знанията и опитът на Грей Уолтър са фокусирани върху лечението и рехабилитацията на хора с травматични мозъчни наранявания. След приключването му той подновява изследванията, свързани с рефлексното поведение и работата на „градивните елементи” на мозъка – невроните.
Възприемайки мозъка като сложна система за управление, Уолтър иска да демонстрира, че поведението на живите същества е свързано с постоянна обработка на информация, идваща отвън, и вземане на решения за по-нататъшни действия, които се предават на изпълнителните механизми - мускулите.
Тогава д-р Уолтър имаше желание да симулира нервна дейност, да създаде „изкуствен живот“. Тук са полезни уменията му на механик и електроинженер, развити по време на проектирането на първите електроенцефалографи.
ЕЛМЪР, ЕЛСИ, КОРА, ИРМА и... Винер
Струва си да се признае: електромеханичните механизми със сензорна обратна връзка са създадени преди творенията на Уолтър. И така, през 1928 г., демонстрирайки тогавашните постижения на радиоелектрониката, концернът Philips Radio пусна Philips Radio Dog или накратко Philidog. Специална характеристика на тази електромеханична играчка беше използването на фотокатод като сензор за светлина. Благодарение на него радио кучето Philips следваше източник на светлина, като фенерче в ръката на собственика.
Поведението на Филидог трудно може да се нарече съзнателно. По-скоро това беше картечница, опакована в кутия за играчки.
Грей Уолтър планира да моделира съзнателно поведение въз основа на обширните си познания по неврофизиология. И той го направи! Първото му творение е ELMER (съкратено от ElectroMechanical Robot). Изграден буквално от всичко, което е под ръка, Elmer беше триколесна количка с електрическо предно колело, чието движение и въртене се контролираха от два „неврона“ - вериги, базирани на лампов усилвател и реле.
Междувременно Грей Уолтър усложняваше дизайна на своите роботизирани костенурки. Следващото му творение, CORA (за Conditioned Reflex Analogue), беше експериментално произведение и не получи толкова публично признание, колкото ELSIE. Междувременно CORA удиви собствения си създател, демонстрирайки началото на непрограмирано поведение. Целта на създаването на CORA беше да симулира развитието на условен рефлекс.
И ако Уолтър нарече ELMER и ELSIE Machina Speculatrix (изследователска машина), тогава името Machina Docilis - машина, способна да учи - беше напълно подходящо за CORA.
В допълнение към фотосензора и сензора за докосване, CORA имаше микрофон, настроен на определена честота на звука. И неговата „невронна“ верига беше сложна, получавайки нещо като краткотрайна памет. Когато костенурката срещна препятствие, изследователят подсили това събитие, като издуха полицейска свирка (третият усилвател CORA беше настроен на неговата честота). Разграничаването на две сензорни въздействия беше запомнено от робота под формата на една реакция - избягване на препятствието.
„Чудото“ се случи, след като изследователят премахна препятствието. Свирката накара CORA да заобиколи несъществуващ стол, като по този начин демонстрира развитието на условен рефлекс.
Междувременно Грей Уолтър се опита да усложни поведението на CORA. Той се възползва от факта, че английските полицейски свирки са двуцветни. Към втория тон на свирката Уолтър настрои друга слухова верига CORA, свързвайки я с търсенето на източник на светлина. Сега той обучи CORA, като издаде един вид свирка, преди костенурката да докосне препятствието, и друг, преди да открие светлината.
Но какво се случва, ако зададете две дупки наведнъж, произвеждайки два тона едновременно? Отговорът на CORA на тази дилема беше много подобен на този на живо същество. В резултат на обработката на такава противоречива информация костенурката се скри в тъмен ъгъл, нервно се движеше в него, сякаш успокояваше сензорното претоварване. И едва с течение на времето контурите й се нормализираха и тя отново намери спокойствие и възможност да търси „хранилка“.
Д-р Уолтър е посветил значително време на изследване на поведението на CORA. По-специално, той се опита да я научи да преодолее лабиринта.
Последната роботизирана костенурка, създадена от Уолтър, беше IRMA (аналог на вроден освобождаващ механизъм). Използвайки няколко копия на IRMA, неврологът се опита да проучи аспекти на поведението на живи същества в група от себеподобни. Особеност на IRMA беше адаптирането на поведението му в групата по време на съвместно търсене на източник на светлина.
Днес ние наричаме такива механизми автономни агенти или „анимати“, но по времето на Уолтър кибернетиката едва си стъпваше на краката. И английският неврофизиолог неволно стана негов апологет във Великобритания.
Благодарение на широката обществена слава на своите роботи костенурки, той привлече вниманието както на отвъдморските кибернетици в лицето на Норберт Винер, така и на сънародници - учени, работещи върху адаптивни системи за управление в интерес на военното ведомство, в лицето на Кенет Крейк.
Благодарение на последното Грей Уолтър влезе в „затворения клуб“ Ratio Club - общност от учени, работещи по кибернетика в Обединеното кралство. Клубът Ratio съществува от 1949 до 1955 г.; В допълнение към Крейк, неговите членове включваха неврохирурга Джон Бейтс, който работи с Крейк върху автоматични сервоприводи за оръжейни стойки на системи за противовъздушна отбрана, Уилям Ашби и Алън Тюринг, които изпълняваха правителствени поръчки за дешифриране на нацистки радиосъобщения.
Ratio Club имаше тесни връзки с американската кибернетична общност. Толкова здраво, че веднъж Уолтър успя да направи електроенцефалограма на мозъчната активност на Норберт Винер, който имаше склонност да заспива спонтанно в най-неадекватната среда (например по време на лекции), и установи, че мозъкът на бащата на кибернетиката по време на такъв сън е в будно състояние и е в състояние адекватно да обработва информация.
Обществената слава на Грей Уолтър и неговите костенурки-роботи не се харесваше на членовете на клуба Ratio, които обсъждаха проблемите на отбранителната способност на страната на срещи, но д-р Уолтър погледна по-широко на проблемите на адаптивното поведение на техническите системи и беше убеден, че популяризирането на постиженията на кибернетиката е ключът към техническия прогрес само на една нация, а на цялото човечество.
Спиралата на технологичното развитие е невероятно нещо. Работата на Грей Уолтър в клуба Ratio и срещата му с Норберт Винер доведоха до рационализирането на първоначално невропсихологичните мисли на учения до една единствена кибернетична основа. Но работата му оказва значително влияние и върху развитието на кибернетиката. Вдъхновени от роботизираните костенурки на Уолтър, американските кибернетици развиват идеите му и продължават заложените от него принципи за популяризиране на науката. Зад следващия завой на технологичната спирала стоеше Едмънд Бъркли, създателят на електромеханичния мозък и теорията за „живите роботи“. Но това е съвсем различна история.
Уилям Грей Уолтър е един от пионерите в две научни области – неврофизиология и роботика. Той е един от първите в Обединеното кралство, който използва метода електроенцефалография и установява, че чрез определени параметри на електроенцефалограмата може да се определи в коя част на мозъка е нарушено функционирането на нервните клетки и как точно е нарушено. В допълнение, Грей Уолтър беше член на интердисциплинарнияклубСъотношение , чиито жители обсъждаха новата тогава наука кибернетика. Уолтър, използвайки знанията си по невронаука, създаде няколко робота, които могат да променят своето „поведение“ в зависимост от това, което се случва около тях. И въпреки че мнозина вярваха, че машините на Грей Уолтър не са нищо повече от занаяти за забавление и основно обучение по роботика, „костенурките“ на Уолтър (както ги нарече дизайнерът) се основават на интересни биологични принципи.
Родителите на Грей Уолтър, журналисти от САЩ, се срещнаха в Италия. Синът им е роден в САЩ, но двойката решава, че ще отгледа сина си във Великобритания. Грей Уолтър завършва Кингс Колидж в Кеймбридж, но не успява да получи позиция като изследовател в университета, поради което е принуден да провежда неврофизиологични изследвания в лондонски клиники в продължение на няколко години откри Institute Burden Neurological Institute, понастоящем несъществуващ, където работи до инцидента си през 1970 г.
По ирония на съдбата инцидентът, довел до оставката на Уолтър, е пряко свързан с областта на неговите изследователски интереси: това е мозъчна травма, получена при пътнотранспортно произшествие. (За съжаление, ученият никога не се възстановява напълно от тази травма и умира през 1977 г. на 67-годишна възраст.) Грей Уолтър е първият, който свързва определени модели на мозъчна активност, видими на електроенцефалограмата, с неврологични и психиатрични патологии.
Електроенцефалография
Електроенцефалограмата (ЕЕГ) е запис на общата електрическа активност на мозъчните клетки с помощта на електроди, монтирани върху скалпа и смазани с електропроводим гел. Броят на електродите може да варира; съвременните устройства обикновено използват 64-128 броя. Електродите се монтират симетрично според определена система. Най-известната от тези системи се нарича "10-20"; тези числа представляват проценти от разстоянието между две крайни точки на черепа. Има няколко вида ритми в мозъчната дейност, обозначени с буквите на гръцката азбука: алфа, бета, гама, делта, мю, сигма, тета и капа ритми. По същество това са вълни, които се различават една от друга по честота и амплитуда. Някои от тези ритми се случват с отворени очи, други със затворени. Делта ритъмът е нормален при спящите хора, а тета ритъмът е нормален при хора, които са уморени или готови да заспят. Освен това повечето ЕЕГ ритми се появяват нормално само в определени специфични области на мозъка, а появата им в други области може да е сигнал за проблеми с функционирането на нервната система.
Грей Уолтър не само открива връзката между „мозъчните вълни“ и нервните патологии, но и пръв записва някои ЕЕГ ритми. Уолтър е един от първите, които като цяло използват метода електроенцефалография във Великобритания. Ученият се интересува от електрофизиология, след като през 1935 г. посещава немската лаборатория на Ханс Бергер, изследователят, който първи записва електроенцефалограма от повърхността на човешката глава. Самият Бергер използва само два електрода, на челото и на тила, и успява да регистрира само алфа ритъма. (Както се оказа по-късно, алфа-ритъмът е характерен предимно за тилната област.) Немските колеги на Бергер го смятаха за ексцентрик, а методът, който използваше, се смяташе за необещаващ.
За разлика от германските скептици, Грей Уолтър е вдъхновен да изучава „мозъчните вълни“. Връщайки се в родината си, той проектира свой собствен електроенцефалограф, като взема за основа апарата на Бергер и го усложнява. Година по-късно, през 1936 г., Уолтър доказва връзката между необичаен ритъм на ЕЕГ и шизофрения при един от пациентите в неврологичната клиника. Оказа се, че туморните клетки на пациента проявяват необичайна активност и местоположението на тази активност на електроенцефалограмата съвпада точно с данните за местоположението на тумора, получени с други методи. Известно време по-късно Грей Уолтър установи, че много пациенти с епилепсия често проявяват делта ритъм по време на будност, докато обикновено това е характерно за дълбокия сън.
В края на 40-те години на миналия век Уолтър излезе с идеята: може би ритмите на ЕЕГ не само отразяват общото състояние на човек, но и как мозъкът „сканира“ пространството около своя собственик, получавайки различни сензорни стимули? Освен това през 1960 г. ученият открива така наречения потенциал на готовност, чието съществуване, между другото, поставя под съмнение наличието на свободна воля у хората. Потенциалът за готовност възниква в премоторната кора на мозъчните полукълба, преди човек да направи каквото и да е движение и, най-важното, преди субектът да осъзнае, че дори ще направи това движение.
"Костенурки" от Уолтър
Грей Уолтър започва да конструира различни единици като дете заедно с баща си. В зряла възраст това хоби не изчезна и Уолтър продължи да създава движещи се коли. Едва сега той имаше познания за устройството на нервната система и постиженията на кибернетиката. В младостта си Грей Уолтър симпатизира на идеите на Иван Петрович Павлов за условните рефлекси и дори отива да учи в лабораторията на нобеловия лауреат в Санкт Петербург. Въпреки това Уолтър все още се интересуваше повече от изучаването на това как работи мозъкът като цяло, а не как са подредени отделните рефлексни дъги. Според учения голям брой връзки между няколко логически елемента биха могли да осигурят сложно поведение не по-лошо от много подобни, но слабо свързани помежду си „неврони“. Освен това той вярваше, че изкуственият интелект трябва да се създава на базата на аналогови елементи, а не на цифрови (използването на последните беше застъпено по-специално от Алън Тюринг, колегата на Уолтър в клуба Ratio).
Уолтър многократно е подчертавал, че използва предимно биологични принципи при създаването на своите роботи. Поради тяхната бавност и клекнал външен вид, Грей Уолтър нарече своите роботи костенурки и освен това даде имена на всяка единица. Първите образци бяха наречени Elmer (ELMER: ELEctro-MEchanical Robot) и Elsie (ELSIE: Electro-mechanical robot, Light-Sensitive with Internal and External stability). Общото име на роботите е конструирано на същия принцип като имената на видовете живи организми: Елмър и Елси принадлежат към „вид“ Машинаспекулатрикс.
« Костенурки"има възможно най-проста структура: три колела, два двигателя, две релета, два кондензатора и една фотоклетка. Всичко това беше сглобено от части от стари електрически уреди и часовници и покрито с „черупка“ - обтекаема обвивка. Простият дизайн е предназначен да моделира важни форми на поведение - изследване на околното пространство, търсене и постигане на цели. Фотоклетка на "главата" на робота. Освен това Елмър и Елси работеха безжично и идваха да се зареждат сами в специална кутия с крушка вътре. В същото време „индивидите“ Машинаспекулатриксможеха да заобикалят различни препятствия - например огледала, в които самите те се отразяваха заедно с източници на светлина. Вярно, че роботите известно време „танцуваха“ пред огледалата, сякаш се чудеха какво да правят по-нататък. В някои от бележките на Уолтър той споменава това поведение като пример за саморазпознаване, което е малко вероятно да е вярно.
По-късните версии на "костенурките" биха могли да предпочетат един от двата идентични източника на светлина. В допълнение, Грей Уолтър непрекъснато подобрява скоростта и траекториите на търсене на обекти. И един от най-новите модели на роботите на Walter, Irma (IRMA: Analogue на вроден освобождаващ механизъм), е проектиран да променя своето „поведение“ в зависимост от сигналите, дадени от друг робот. Така двете Ирми можеха да съобразят действията си с "действията" на другия.
Последователите на Уолтър разработиха "костенурки" дори след като самият изследовател прекрати дейността си. Новите модели роботи реагираха не само на светлина, но и на звуци. Впоследствие „костенурките“ започват да се свързват с компютри, които дават на роботите сигнали за действие. Такива машини се основават на малко по-различни принципи от тези на Грей Уолтър.
