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.  

САМОСОЗНАНИЕ РОБОТОВ

Самосознание роботов и самосознание человека - достаточно разные вещи. Основной целью разработки роботов, наделенных самосознанием, является построение систем, способных самоидентифицировать свое устройство для обеспечения возможности наилучшего приспособления к среде функционирования даже в случае непредвиденных изменений собственной структуры или параметров среды.

Также важным качеством самосознающих машин является возможность собственной самоидентификации для эффективной работы в группе роботов.


"Морская звезда" Корнеллского университета


Рассказ о самосознании роботов стоит начать со вступления о молодом аспиранте Корнеллского университета (Cornell University) Викторе Зыкове. Родившись в Иванове, знаменитом "городе невест", он закончил Ивановский Государственный энергетический университет. Защитив в 2002 году диплом на кафедре электропривода, Виктор получил степень магистра по электромеханике. После института молодой человек успел сменить несколько мест работы, прежде чем обнаружил, что, несмотря на потребность в электрических машинах, аналогичной потребности в специалистах по ним не наблюдается.

Тоску молодого специалиста развеяла одна из научно-популярных передач канала "Дискавери", где Ход Липсон (Hod Lipson), кандидат наук израильского происхождения из частного массачусетского Университета Брэндайс, рассказывал о своей необычной CAD-программе, которая позволяла по нарисованному от руки наброску в виде проволочной модели восстанавливать законченную сложную трехмерную фигуру. Сообщалось также и о разработанных американцем технологиях автоматической сборки роботов из унифицированных элементов, а напоследок Липсон поделился результатами в области эволюционных алгоритмов.

Слева направо: Виктор Зыков, Джош Бонгард, Ход Липсон.
Слева направо: Виктор Зыков, Джош Бонгард, Ход Липсон.
Виктор, вдохновившись идеями американского ученого, написал ему письмо, в котором, в свою очередь, изложил свои мысли о робототехнике, и спросил, каким образом он мог бы принять участие в его научной деятельности. Липсон откликнулся на письмо ивановского электромеханика, посоветовав ему прислать свою заявку на место в аспирантуре Корнельского университета, где Ход к тому времени начал преподавать. Заявка Зыкова была одобрена, и в марте 2003 года Виктор получил приглашение на учебу в университете. Там он влился в коллектив лаборатории вычисляемого синтеза (Computational Synthesis Laboratory), где вместе с Ходом Липсоном и его бывшим студентом Джошем Бонгардом (Josh Bongard) из университета Вермонта (UVM) занялся исследованиями в области эволюционной робототехники. И одним из последних результатов работы явилось создание робота, обладающего "внутренним самосознанием".

По словам сотрудников лаборатории, их передвигающееся на 4-х конечностях детище способно самостоятельно оценивать причиненные ему повреждения и определять, как приспособиться для продолжения выполнения задания.

Возьмём для примера собаку, у которой вдруг оказалась перебитой одна лапа. Маловероятно, что пёс встанет как вкопанный или упадёт на землю. Скорее он, воспользовавшись тремя здоровыми лапами, убежит в безопасное место. А вот для большинства автономных роботов повреждение ноги смерти подобно. Большинство существующих роботов действуют в условиях не изменяющейся окружающей среды, но, если им предстоит оказаться полезными за ее пределами, то им надо научиться приспосабливаться к неожиданным переменам.

Морская звезда (Starfish) Корнеллского университета
Робот "Морская звезда" (Starfish) Корнеллского университета.
Новый робот, прозванный из-за своей формы "Морской звездой" (Starfish), "использует взаимосвязь "восприятие - приведение в действие", чтобы изучить своё собственное строение и впоследствии использовать эту "самомодель" для передвижения. А когда часть ноги удалена, робот приспосабливает свою модель для создания альтернативной "походки". Эта концепция может помочь в разработке новых сложных машин и пролить свет на "самомоделирование" у животных".

"Большинство роботов имеет фиксированную модель - программу, заложенную инженерами, - объясняет Липсон. - Мы же впервые показали, как модель может появиться внутри самого робота. Это делает машины адаптивными на новом уровне, потому что перед ними можно поставить задачу, не заботясь о создании программы для её выполнения. Мы надеемся, что это - выход роботов на следующую ступеньку познания".

"Если машина ломается, то она имеет тенденцию ломаться полностью",- говорит Джош Бонгард. - Главным достижением является то, что робот может приспособиться и продолжать действовать, несмотря на повреждения".

"Морская звезда" самостоятельно - без написанного человеком алгоритма - научилась передвигаться, пусть ее "походка" и выглядит нелепо. Передвигается робот, скорее, ползком, причем какими-то странными рывками. Но создателей "Морской звезды" это мало заботит. "У него и не было задания поднять свое тело над землей и ходить пешком. У него было задание передвигаться по плоскости по прямой, и робот эту задачу решил достаточно эффективно", - рассказывает Виктор Зыков. "Впервые в мире робот решил задачу не по заложенным в него людьми алгоритмам, а самостоятельно создав эти алгоритмы", - с гордостью добавляет Ход Липсон.

"Вначале, когда робот включается, он не ассоциирует себя как нечто обособленное. Человек смотрит на него и видит у него четыре конечности и небольшое туловище. Но робот этого не знает: он получит эту информацию во время работы, когда начнет изучать себя и окружающим мир", - говорит Липсон.

Сразу после включения "сознание" робота представляет собой почти что "чистый лист". У машины есть задача - двигаться по прямой. Кроме того, роботу известен набор элементов, из которых он состоит (за моторику отвечают 8 подвижных частей - по 2 на каждую конечность). Из этого набора данных он у себя в голове случайным образом строит сотню различных комбинаций-предположений о том, как управляться со всеми этими механизмами. После чего посылает сигнал на сервоприводы - и с помощью встроенных сенсоров проверяет результат. Из 100 моделей "первого поколения" 90% отсеиваются, а остальные слегка видоизменяются, "скрещиваются" друг с другом и заново проходят проверку на полезность для достижения задачи. По словам Зыкова, этот процесс похож на то, как маленький ребенок постигает мир, пытаясь, например, все объекты попробовать на вкус. Так и "Морская звезда" поначалу может пытаться проводить над собой эксперименты, которые не совсем логичны. Например, попытается стукнуть себя об землю. Потом она поймет, что если цель - двигаться вперед, то бить себя об землю неконструктивно, и больше так поступать не будет.

Спустя 16 циклов, в каждом из которых строится по 200 поколений виртуальных моделей. "Морская звезда", наконец, "осознает", как именно она устроена, и запоминает выбранную ею виртуальную модель. "На основе этой модели робот пытается добиться такого режима работы, при котором достигнет своей цели и при этом себя не разрушит, - рассказывает Виктор Зыков. По его словам, в первом же опыте их "Морская звезда" разработала такую систему управления ногами, что сдвинулась с места в правильном направлении с первой же попытки.



1.
После включения робот запускает процесс "самоопределения", пытаясь понять, как он устроен.

2.
Робот строит виртуальные модели последовательностей движений, которые позволили бы ему двигаться в заданном направлении.

3.
Робот учится ходить, построив собственную модель.
4.
"Поумневшему" роботу ученые отрывают одну ногу. Робот строит новую модель своего тела и учится ходить на трех ногах.




"У машины нет какой-то единой модели себя - у неё одновременно имеется множество вариантов, которые конкурируют друг с другом", - говорит Липсон. В итоге робот вырабатывает неловкую, но вполне функциональную походку, а самым эффективным вариантом пока является способ, при котором робот опирается на "живот", подтягивает своё тело, отталкивается "задними" ногами, переваливается, перекатывается.

После того как робот научился передвигаться с помощью четырех ног, ученые имитируют аварию: отключают робота, отрывают ему одну ногу и включают заново. При первом же шаге машина понимает, что старая, приспособленная для четырех ног виртуальная модель не соответствует реальным показаниям датчиков, и тут же останавливается. Тогда "Морская звезда" пускается в очередной виток эволюционных построений и вырабатывает новый алгоритм передвижения - для трех ног. Еще более нелепый с виду, но от того не менее эффективный.

Путь длиной в несколько метров занял у "Морской звезды" больше суток. Но эти десять уродливых "шагов" одного робота - огромный прорыв для всей робототехники.


Самый умный робот сделан из самых простых деталей.
Для эксперимента был построен робот о четырех щупальцах (размах 0,6 метра). На его борту разместился одноплатный микрокомпьютер PC-104 производства Advanced Digital Logic (на основе Celeron 266 МГц), обладавший нужным количеством сигнальных входов и оснащенный модулем беспроводной связи. Однако ученые возложили на этот контроллер лишь функцию непосредственного управления роботом, а вся вычислительная нагрузка для ускорения эксперимента была перенесена на принадлежащий университету многопроцессорный кластер. Несмотря на его высокую производительность, расчеты заняли около тридцати часов. При этом каждый из узлов кластера работал над всей задачей, и таким образом одновременно было получено несколько десятков независимых результатов. Это было необходимо для проведения статистического анализа и сравнения полученных вариантов. Виктор Зыков сообщил, что существует огромное множество вариантов воплощения эволюционных алгоритмов, и выбор какого-то конкретного тогда не имел слишком большого значения.

По словам советника директора ЦНИИ робототехники и технической кибернетики Александра Железнякова, эта разработка будет востребована немедленно, например, для создания роботов, работающих в экстремальных условиях, будь то кратер вулкана или поверхность другой планеты. "Впрочем, самое главное не это, а то, что на практике доказана сама возможность создания "думающих" механизмов. Одно дело строить адаптивные системы на словах, другое - заставить их работать", - говорит Александр Железняков. Поэтому такие аппараты гораздо интересней и полезней, чем все человекоподобные роботы, которых сегодня плодят в Японии, уверен специалист.

Основная цель исследования была в демонстрации работоспособности самой концепции самопознания, что и было с блеском осуществлено: робот смог не только самостоятельно оценить обстановку, построив собственную виртуальную модель, но и продолжал передвигаться после удаления любого из щупальцев. Кроме того, своим экспериментом научная группа Липсона доказала, что для комфортного существования в окружающем мире будущим роботам нет необходимости обладать детальной моделью своего тела.

Разумность робота "Морская звезда", его способность представлять себя и адаптироваться к самому себе выделяют его из числа себе подобных. "Мы не думаем, что это действительно самосознание, когда робот думает о себе, что он думает, - полагает Липсон. - Но я на самом деле считаю, что он находится на пути к сознанию, как кошка, - где-то на этом уровне".

Бонгард считает, что робот, в некотором смысле, "сознателен" на примитивном уровне, потому что он "думает о себе". Исследователи между тем признают, что робот сам по себе простой и успехи пока скромные, но основной алгоритм уже может быть применён в куда более сложных машинах, чтобы позволить им приспосабливаться к изменениям в окружающей среде и самостоятельно себя ремонтировать, заменяя детали.

"Роботы на других планетах должны быть в состоянии продолжить свою миссию без человеческого вмешательства в случае, если они повреждены и не могут сообщить о проблеме на Землю", - замечает Бонгард, и с ним трудно не согласиться.

Дополнение 2015 года
Группа разработчиков из Франции и США, возглавляемая Жаном-Батистом Море (Jean-Baptiste Mouret), разработала робота-гексапода, способного передвигаться даже после поломки конечности.
Шестиногий робот управляется системой, которая после выхода из строя конечности, способна быстро адаптировать робота к новому способу передвижения с использованием оставшихся конечностей. В памяти системы находится 13 000 образцов "походок", из которых выбирается наиболее подходящий способ.



Ролик, показывающий этапы построения внутренней модели "Морской звезды"
и примеры ее реализации.



Hod Lipson demonstrates how a robot can teach itself to walk without any knowledge of its form and function.


Самоидентифицирующийся робот университета Мейдзи


Робот, созданный Юничи Такено
Робот, созданный Юничи Такено.
Продолжая тему о самосознании роботов, перенесемся в японский университет Мейдзи (Meiji University). Группа исследователей, возглавляемая профессором Юничи Такено (Junichi Takeno), построила робота, который отличает собственное отражение в зеркале от отражения похожих на него роботов.

Для реализации данной возможности ученые оснастили электронный мозг робота искусственными нервными клетками. Технологии нейронных сетей позволяют роботу одновременно анализировать информацию о собственном поведении и сопоставлять ее с данными, полученными в результате работы органов восприятия. Примерно по тому же принципу работают механизмы самоидентификации, заложенные в человеческом организме.

"Что касается людей, то сознание, по существу, это состояние, в котором распознается поведение себя самого и прочих людей", - говорит Такено. Люди учатся вести себя во время познания и, наоборот, учатся думать в процессе "поведения", считает он. Чтобы создать динамическую модель этой цепочки, роботу необходима область в нейронной сети, которая способна обрабатывать информацию, связанную как с поведением, так и с познанием. Моделирование, по мнению Такено, это действие, которое требует как созерцания поведения другого робота, так и немедленной передачи его самому себе, и которое является лучшим свидетельством сознания.

Таким образом, японские разработчики наделили машину способностью признавать себя и других, основываясь на анализе движений увиденного образа и своих собственных. Команда Такено надеется, что её достижение в конечном счёте поможет создать роботов, способных выражать эмоции. Также эта работа - способ смоделировать то, что можно было бы назвать самосознанием, самоидентификацией в машине.

Робот располагает красными, синими и зелеными светодиодами, которые соединены с искусственной нервной системой и загораются при обработке различного рода данных. К примеру, два красных светодиода загораются, когда робот выполняет какие-либо действия, воспринимаемые им как собственное поведение. Два зеленых диода загораются при наблюдении за поведением других устройств. Мигание синего индикатора сигнализирует о том, что робот пытается имитировать наблюдаемое им поведение других роботов.

В одном из экспериментов робот, представлявший "себя", действовал с идентичным роботом, представлявшим "другого". Когда робот "сам" двигался вперед, останавливался или двигался назад, другой робот делал то же самое. Возбуждение нейроподобных элементов и соответствующее мигание голубого диода показало, что робот "сам" понимал, что другой робот имитировал его поведение.

В другом эксперименте исследователи помести робота "сам" перед зеркалом. В данном случае робот "сам" и его отражение (то есть нечто, что могло быть интерпретировано в качестве другого робота) двигались вперед и назад в одно и то же время. Хотя голубые диоды зажигались, это происходило гораздо реже, чем в других экспериментах.

"Способность имитации чужого поведения свидетельствует о том, что робот способен следить за действиями, выполняемыми другими электронными организмами и мгновенно изменять собственное поведение с учетом полученной информации, - резюмирует Такено. - Таким образом, мы с полной уверенностью можем говорить о наличии у робота самосознания".

Сконструированный японскими изобретателями робот с успехом прошел испытания и в 70 процентах тестов с уверенностью распознал собственное отражение в зеркале. В этом японский робот превзошел обезьян, которые вместо себя видят в зеркале незнакомцев и начинают проявлять в отношении к ним агрессию.

Следующий шаг - робот, не только узнающий себя и других в зеркале, но и испытывающий от этого радость. Поначалу робот будет испытывать эмоции - как трехмесячный ребенок, впервые узнавший себя в зеркале. Постепенно примитивные эмоции сменятся на более сложные чувства привязанности и нежности, страха и недоверия, симпатии и даже любви. "Таким образом, нам удастся доказать саму возможность создания не только искусственного интеллекта, но и искусственных эмоций, - говорит Такено. - А это означает серьезный прорыв в робототехнике: думающие и чувствующие машины - уже не фантастика".

Дополнение 2015 года
В политехническом институте Ренсслера (США) был проведен эксперимент по обнаружению задатков самосознания у роботов. В качестве основы для эксперимента был использован «Тест королевского советника» - классический тест самосознания. Считается, что данный тест является основополагающим в изучении наличия самосознания.
Двум из трех роботов отключили возможность говорить и сообщили, что двое из них получили "пилюли немоты". Кто получил эти "пилюли" роботам не сообщили. Всех трех роботов спросили, кто из них не получил таблетку. И все пытались ответить "Я не знаю", но только один был в состоянии сделать это. Услышав свой слышимый ответ, робот его изменил, заявив, что является тем, который не получил немую таблетку.



Эволюционное моделирование самосознания роботов


Рассмотрев две робототехнических системы, в которых подход к самосознанию роботов определяется с разных углов зрения, стоит задаться вопросом о том, что же рассматривать в качестве робота, обладающего самосознанием. В общем виде можно говорить, что робот обладает самосознанием, если он способен репрезентировать собственные мыслительные состояния и процессы, существенные для организации полноценного интеллектуального поведения. Конечно же, до создания машин, способных осознавать свое собственное субъективное Я и использовать его при восприятии внешнего мира, еще очень далеко, но первые шаги на пути к созданию таких роботов уже сделаны.

Одним из путей решения задачи по созданию самосознающих машин является конструирование нейронных сетей управления роботами, в которых в процессе эволюционной самоорганизации и должно возникнуть то, что принято называть самосознанием. Существует целое направление исследований - эволюционная роботика, в котором исследуется подходы к эволюционному моделированию нейронных схем управления роботами.

Интересным направлением в эволюционной роботике является исследование коллективного поведения роботов. При этом можно работать и с компьютерными моделями роботов, например такими, каких исследует профессор факультета кибернетики СПбГТУ Лев Александрович Станкевич и его группа при моделировании поведения команды виртуальных роботов-футболистов.

У таких роботов уже есть довольно сложная модульная "нервная система", архитектура которой включает три уровня:

  • физических действий,
  • индивидуального поведения,
  • координированного коллективного поведения.

    Отметим, что петербургская команда "Степ" под руководством Льва Александровича Станкевича, моделирующая виртуальных роботов, стала чемпионами мира в 2D симуляционной лиге футбола роботов на соревнованиях Robocup 2004 (Лиссабон, Португалия).

    Таким образом, есть серьезный задел исследований сложных блочных многоуровневых систем управления виртуальных и реальных роботов. И эти системы управления могут оптимизироваться путем эволюционной самоорганизации.

    На конференции Нейроинфоматика-2006 была представлена схема компьютерной модели эволюционного возникновения субъективного самосознания. Идея этой схемы возникла в процессе дискуссии на рабочем совещании "О проблеме сознания".

    Лев Александрович Станкевич и гуманоидный робот АрнЭо
    Лев Александрович Станкевич и гуманоидный робот АрнЭо.
    Краткая суть предложенной схемы заключается в следующем. Пусть есть несколько популяций роботов (для определенности - виртуальных, существующих в форме компьютерных программ). И пусть эти популяции существуют в сложной среде, в которой есть питательный ресурс роботов и те роботы, которые быстрее и эффективнее осваивают этот питательный ресурс, быстрее и размножаются. Популяции роботов могут конкурировать между собой: разные популяции существуют в одной и той же среде и могут бороться между собой за жизненный ресурс. "Нервная система" таких роботов - блочно-иерархическая и представляет собой развитие нервной системы роботов, аналогичных предложенным в работе Станкевича (Станкевич Л.А. Когнитивный подход к управлению гуманоидными роботами // От моделей поведения к искусственному интеллекту. Серия "Науки об искусственном" (под ред. Редько В.Г.). М.: УРСС, 2006. C. 386-443.).

    Далее, пусть в нервной системе части роботов в одной из популяций возникает блок, ответственный за субъективное Я. Пусть он сначала возникает случайно, путем мутаций из других блоков. Так как нервная система роботов достаточно нетривиальная, то возникновение такого блока вполне вероятно.

    Такой блок позволяет роботу с рассматриваемой нейронной сетью сказать: "Я - Робот". Этот блок позволяет данному роботу осознавать себя как личность и обеспечивает стремление стать важной личностью в своей популяции. Тогда такой робот может стать вожаком популяции и обеспечить единоначалие в принятии коллективных действий в данной популяции. Единоначалие и обусловленная им согласованность действий коллектива популяции, в свою очередь, обеспечивает селективное преимущество данной популяции перед другими популяциями, в которых у роботов нет блока, ответственного за субъективное. То есть существование субъективного Я, сопровождаемого стремлением стать вождем, обеспечивает селективное преимущество и эволюционно устойчиво.

    Понятно, что это только схема моделирования, которая вызывает множество вопросов. Но это схема вполне реального моделирования, показывающая, как эволюционно может возникнуть и закрепиться субъективное Я.

    * * *


    Возникновение осознания субъективного Я у роботов может привести к весьма неожиданным социальным и этическим проблемам, так главный научный консультант правительства Великобритании сэр Девид Кинг полагает, что через 50 лет может возникнуть необходимость дать роботам права, которыми до этого обладал только человек. 270-страничный Доклад Девида Кинга подготовлен в соавторстве с британской консалтинговой фирмой и социологической службой и посвящен проблемам взаимоотношений человека и машин. Авторы доклада предполагают, что при правильном устройстве нового мира через полвека наличие у роботов прав человека приведет к повышению производительности труда и всеобщему благополучию. На этом этапе государство будет обязано предоставлять машинам, наряду с правами, и социальные блага, включая справедливую оплату труда и предоставление жилища.

    Закончить же наш обзор, пожалуй, стоит ставшими широко известными словами директора центра роботехники технологического института штата Джорджия Хенрика Кристенсена. Он говорит: "Если мы будем делать роботов, обладающих самосознанием, они, вероятно, захотят иметь права. Наверное, следует им эти права предоставить".



    По материалам Cornell.edu (Robotic Introspection: Self Modeling), The Self-Aware Robot (PDF), Компьютерра, Newsweek, Мембрана, РобоКлуб, Софт@Mail.Ru, а также статьи В.Г. Редько. Как промоделировать сознание? (PDF)

    27.07.2007






  • Использованные иллюстрации:

    Self Modeling Robotics: Movies and Pictures.
    http://ccsl.mae.cornell.edu/research/selfmodels/morepictures.htm

    Junichi Takeno self-aware bot.
    http://www.rs.cs.meiji.ac.jp/junichi.html

    Robot sees itself in a mirror and recognizes itself. Junichi Takeno, Keita Inaba, Tohru Suzuki experiment.
    http://dsc.discovery.com/news/briefs/20051219/awarerobot_tec_zoom0.html

    Станкевич Лев Александрович.
    http://saiu.ftk.spbstu.ru/infolect?ind=9






    Copyright © myrobot.ru, 2005-2013


    OpenHosting