роботы
робототехника
микроконтроллеры
Главная
Новости
Спорт
Шаг за шагом
Статьи
Wiki
Форум
Downloads
Ссылки
Контакты
 

Обзор подходов к созданию роботов с элементами самосознания
Корнеллский робот. Робот университета Мейдзи. Эволюционное моделирование самосознания.

BEAM-РОБОТЫ
Создание BEAM-роботов - это не просто технологический процесс или увлекательное хобби. BEAM - это целая культура, со своей философией и эстетикой.  

Робот "Омнибот" на базе встраиваемого компьютера стандарта PC/104
Робот-теннисист разработан командой механико-математического факультета МГУ.  

ИСТОРИЯ РОБОТОТЕХНИКИ :: ЧЕРЕПАШКИ ГРЕЯ УОЛТЕРА

Черепаха Грея Уолтера Элзи


Своих знаменитых кибернетических "черепашек" английский нейрофизиолог и пионер робототехники Грей Уолтер (William Grey Walter) начал создавать в 1948 году и продолжал свои эксперименты с биоморфными роботами до 1951 года. Грей Уолтер называл их machina speculatrix, но в историю они вошли именно как "черепашки". "Черепашки" представляли собой самодвижущиеся электромеханические тележки, способные ползти на свет или от него, обходить препятствия, заходить в "кормушку" для подзарядки разрядившихся аккумуляторов. Автономные машины Грея Уолтера действительно напоминали черепашек своим внешним видом и медлительностью действий. Их основным отличием была способность действовать не только по "жесткой", заранее заданной программе, как действовало большинство создаваемых в то время роботов, но и с учетом условий, определяющихся обстановкой, окружающей средой.

Отец кибернетики Норберт Винер (Norbert Wiener) в своей знаменитой книге "Я математик" описывает работы Уолтера следующим образом: "Уловив приблизительно в то же время, что и я, аналогию между обратной связью в машине и нервной системой человека, Уолтер начал конструировать механизмы, которые повторяли бы некоторые особенности поведения животных. Я работал над созданием "мотылька", который автоматически полз бы на свет. Уолтер назвал свои автоматы "черепахами", включив в их репертуар более сложные номера. "Черепахи" были снабжены устройством, помогавшим им не сталкиваться друг с другом при движении, и, кроме того, приспособлением, благодаря которому, чувствуя "голод", т.е. истощение аккумуляторных батарей, они направлялись к специальному "месту кормления", где глотали электричество до тех пор, пока аккумуляторные батареи не перезаряжались".

Грей Уолтер за созданием machina speculatrix
Грей Уолтер за созданием machina speculatrix
(черепашки Элзи).
Всего Греем Уолтером было создано более 8 "черепашек". Первая из "черепашек" - Элмер (Elmer - электромеханический робот) - была выполнена в виде небольшой трехколесной тележки, на которой были установлены два электромотора, питаемых от аккумуляторов. Первый двигатель обеспечивал поступательное движение устройства, второй, расположенный на рулевой колонке, - изменял направление движения. Двигатели управлялись с помощью электромагнитных реле. Чувствительными элементами "черепашки" являлся фотоэлемент, расположенный на рулевой колонке, и механический контакт, замыкаемый при наезде на препятствие. Управление поведением осуществлялось с помощью электронной схемы с обратной связью, построенной всего на двух искусственных нейронах.

Несмотря на простое устройство, "черепашка" демонстрировала осмысленное и подчас очень забавное поведение, базирующееся на трех состояниях: поиск света ("голод"), поворот к свету, избегание яркого света и препятствий ("боль").

Грей Уолтер с черепахой возле кормушки
Грей Уолтер с черепахой возле "кормушки".

Пока аккумулятор черепахи был заряжен, она вела себя, как сытое животное: при слабом освещении или в темноте она медленно передвигалась по комнате, как будто что-то искала; при столкновении с каким-либо препятствием (буфетом, ножкой стола и пр.) она останавливалась, сворачивала в сторону и обходила это препятствие. Если в комнате появлялся яркий источник света, Эльмер вскоре "замечал" его и направлялся к свету (положительный тропизм). (О том, как сделать простейшего робота, реагирующего на свет, читайте в статье "Как сделать робота: Простейший робот на одной микросхеме".) Однако, подойдя к свету слишком близко, он отворачивался от него, "боясь" ослепления (отрицательный тропизм). Затем он двигался вокруг источника света, находя для себя оптимальные условия и непрерывно поддерживая их (гомеостазис). По мере разряда аккумулятора черепаха начинала проявлять все больший интерес к источнику света, так как он освещал "кормушку" - место для зарядки аккумулятора. Когда аккумулятор был разряжен настолько, что нуждался в подзарядке, черепаха смело направлялась к источнику света и подключалась к питающим контактам зарядного устройства. Получив "пищу" - новый запас электроэнергии, она отходила от зарядного устройства и вновь блуждала по комнате в поисках неосвещенного угла.

Другая черепаха - Элзи (Elsie - Electro-Light sensitiv - электросветочувствительный робот) - вела себя немного иначе: более активно реагировала на малейшие изменения освещенности, быстрее и больше двигалась, расходовала больше энергии и чаще посещала кормушку.

Между двумя источниками света "черепашки" совершали путешествия от одного к другому наподобие буриданова осла, который, как известно, умер от голода, находясь между двумя одинаковыми копнами сена, не будучи в состоянии выбрать, какая из них вкуснее. Две черепашки "видели" и "узнавали" друг друга по зажженной лампочке и ползли друг другу навстречу.

Схема робота machina speculatrix на электронных лампах.


Схема черепашки-робота на электронных лампах.


Еще более интересной была третья черепаха - Кора (Cora - Conditional Reflex Automat - автомат условного рефлекса). Этот кибернетический зверек обладал не только "зрением" и "осязанием", но еще и "слухом": к его органам чувств Грей Уолтер добавил микрофон. Кроме того, его можно было обучать, вырабатывая у него что-то вроде условного рефлекса (благодаря наличию элемента памяти в виде конденсатора, способного в течение некоторого времени сохранять накопленный электрический заряд).

Как известно, условный рефлекс - результат обучения, привычки. Недаром англичане называют его Learned reflex, т. е. наученный, выученный рефлекс. Если много раз повторять демонстрацию условного рефлекса, не подкрепляя его, т. е. не проводя время от времени совместного действия безусловного и условного раздражителей, то условный рефлекс затухает (забывается) и в конце концов исчезает совсем.

Уолтер вырабатывал у своей черепашки Коры условный рефлекс, обучая ее останавливаться перед препятствием и сворачивать в сторону по звуковому сигналу - свистку. Для этого он подавал сигнал (свисток) всякий раз, когда Кора при своем движении по комнате натыкалась на какую-либо преграду. Сначала черепашка не обращала внимания на свистки. Однако вскоре у нее вырабатывался условный рефлекс: по сигналу свистка она останавливалась, отступала назад и сворачивала в сторону, даже если перед ней никакого препятствия не было. Но выработанный таким образом условный рефлекс вскоре исчезал, если Кору часто обманывали, подавая сигнал свистка при отсутствии перед ней преграды.

Поведение, демонстрируемое роботами Грея Уолтера, придавало им большое сходство с настоящими живыми существами, отличительной особенностью которых является именно умение действовать целесообразно, с учетом окружающей обстановки. Взаимодействие между "нервной системой" его "черепашек" и средой создавало неожиданное и сложное поведение. "Черепашки" никогда точно не повторяли свое поведение, но всегда действовали в рамках общего поведенческого образца так, как это делают живые существа.




Траектории движения черепашек.


В дальнейшем подобные устройства, моделирующие поведение живых организмов, стали предметом пристального внимания и изучения. Широкую известность получили мышь, отыскивающая дорогу в лабиринте, которую построил американский математик и кибернетик Клод Шеннон (Claude Elwood Shannon); белка, собирающая орехи и относящая их в гнездо, созданная американцем Эдмуном Беркли (Edmund Berkeley); электронные лисицы Барбара и Джоб, изготовленные французским физиком Альбером Дюкроком (Albert Ducrocq), черепаха Эйхлера, которая могла реагировать на свет, звук и прикосновение (одновременное воздействие двух раздражителей - прикосновения и звука - вызывало возникновение условного рефлекса). Оригинальную черепаху построили сотрудники Института автоматики и телемеханики АН СССР Р.Р. Васильев и А.П. Петровский.

Также в этой области стоит отметить работы итальянского невролога и кибернетика Валентино Брайтенберга по синтезированию биологического поведения простешими схемами. Его книга "Машины: эксперименты с синтетической психологией" ("Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology", 1984) стала классикой, вдохновившей многих исследователей.

Созданием биоморфных роботов, базирующихся на принципах функционирования биологических систем, впоследствии занимались выдающиеся робототехники Родни Брукс (Rodney Brooks), директор MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, и Марк Тилден (Mark W. Tilden), создатель BEAM-технологии - новой парадигмы в современной робототехнике. Им принадлежат идеи создания робототехнических систем, базирующихся на рефлексах, реализованных на низком аппаратном уровне.

В 2006 году интересное мнение было высказано кембриджским ученым Ламбросом Малафурисом (Lambros Malafouris) в его статье "The Cognitive Basis of Material Engagement: Where Brain, Body, and Culture Conflate". По предположению Малафуриса, причина, по которой роботы-черепахи Грея Уолтера (Grey Walter) отлично работали уже в середине 1950-х годов (в то время как традиционный искусственный интеллект обычно не давал результатов) заключается в том, что для формирования сознания необходима цепь обратной связи мозг-тело-окружающая среда. Традиционный искусственный интеллект пытался изолировать сознание как "бесплотное привидение, обрабатывающее информацию". Автономная machina speculatrix Грея Уолтера была в меньшей степени основана на идеях Тьюринга, чем на идеях кибернетической обратной связи Норберта Винера (Norbert Weiner). Так что не стоит удивляться, что "черепахи" Уолтера демонстрировали такое неожиданное и разнообразное поведение, которое можно встретить в живой природе.

23.10.2007






Использованные иллюстрации:

William Grey Walter and Elsie.
http://www.frc.ri.cmu.edu/~hpm/book98/fig.ch2/p018.html

Machina speculatrix scheme.
http://www.dimi.uniud.it/~antonio/Robotica/2003/lessons/jan15.html

Tortoises tracks and other.
The Grey Walter Online Archive






Copyright © myrobot.ru, 2005-2013


OpenHosting