Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

В робототехнику его привело желание понять, как живой мозг реализует сложное поведение посредством своих компонент и взаимосвязей. Два сконструированных им черепахоподобных робота, Элмер — «Электромеханический робот» (ELectro-MEchanical Robot, ELMER) и Элси — «Электромеханический робот светочувствительный с внутренней и внешней стабильностью» (Electro-mechanical robot, Light-Sensitive with Internal and External stability, ELSIE), представляли собой, по существу, корпуса на колесах, каждый из которых был снабжен перископоподобным глазом. Число электрических компонент в каждой из черепах было очень небольшим: две радиолампы (играющие роль нейронов), одна из которых связана с датчиком света, а другая — с датчиком касания; два моторчика (один — для движения вперед, другой — для руления); и две батарейки. Вот описание самого Уолтера: «Число компонент в устройстве было сознательно ограничено двумя, чтобы понять, какую степень сложности поведения и независимости можно получить с минимальным числом элементов, соединенных в систему, обеспечивающую максимальное число взаимосвязей». Короче говоря, Уолтер предположил, что сложное поведение живых существ проистекает не столько из числа имеющихся нейронов, сколько из взаимосвязей и взаимодействий сенсорных органов и нейронов, и что довольно сложные реакции можно получить даже от «животного» всего с двумя нейронами.

Результаты экспериментов, по крайней мере тех, что Уолтер представил, произвели сильное впечатление. Светочувствительный «глаз» черепахи вращался до тех пор, пока не обнаруживал не слишком яркий источник света. Затем машина двигалась к этому источнику. Когда свет становился слишком ярким, машина переключалась в режим избегания света и отъезжала в сторону в поисках более гостеприимного места. Датчик касания, соединенный с корпусом, должен был заставить робота изменить курс после того, как было зафиксировано касание, что позволяло роботу в поиске источников света успешно объезжать небольшие стенки и даже зеркала. Что еще интереснее, у черепахи Элси была предусмотрена возможность подзарядки. Когда ее аккумуляторы разряжались в достаточной степени, способность избегать света снижалась, что заставляло робота искать более ярко освещенный участок, где автоматически включался процесс подзарядки.

Уолтер утверждал, что сложные и непредсказуемые движения черепахи напоминали нечто, похожее на свободу воли. В оправдание он сослался на философский парадокс, известный как история буриданова осла, который предложил в XIV в. французский философ Жан Буридан. В этом парадоксе голодного осла ставят точно посередине между совершенно одинаковыми копнами сена. Если осел — это просто механическое приспособление, то обе копны для него будут выглядеть одинаково приемлемыми, и, в принципе, осел умрет от голода, потому что не сможет выбрать ближайшую к себе, или «оптимальную», копну. Животное, обладающее свободой воли, следовало из рассуждений, без малейшего труда сделает этот, по существу произвольный, выбор.

Если Элмера или Элси поместить между двумя равноудаленными источниками света, то проблема решится почти тривиально, потому что светочувствительный датчик вращается в каком-то определенном направлении. Так что робот двинется к тому источнику света, который увидит первым. Это, по Уолтеру, есть механическая демонстрация того, как живые существа могли бы преодолеть парадокс: хотя источники света равноудалены в пространстве, во времени они разнесены, то есть наблюдаются в разные моменты времени. Проблема буриданова осла или, в более общем случае, проблема «застревания» роботов между множественными равножелаемыми целями может быть разрешена таким образом.

Черепахи Уолтера, которых он в шутку классифицировал как вид Machina speculatrix, были далеко не идеальны. Они достигали своих успехов в основном потому, что действовали в очень простой обстановке. Но это были первые роботы, созданные с опорой на биологические объекты, и они показали, как союз робототехники и биологии может привести к созданию удивительно сложных машин.

Слияние биологии и техники не ограничивалось роботами. В конце 1950-х гг. исследователи начали изучать биологические системы, стараясь при этом обращать внимание на возможности применить уроки эволюции при создании новых устройств и продуктов. Для стратегии, предполагавшей черпать вдохновение из природы, был предложен термин биомиметика; в 1960 г. Джек Стил из ВВС США пустил в обращение другой, более знакомый нам термин для это идеи — бионика. Один из первых продуктов, созданных на основе этой стратегии, — так называемая липучка, застежка Velcro, которую разработал в 1941 г. Жорж де Местраль, после того как нашел семена с крючочками в шерсти своей собаки, гулявшей на природе. Среди других примеров биомиметических продуктов можно назвать сухую клейкую ленту, созданную под влиянием лапок геккона, способных легко прилипать к стенам, и противоотражающие поверхности для стекла, на создание которых ученых вдохновили глаза и крылышки насекомых. Было даже высказано предположение, что имитация кошачьих когтей могла бы помочь в создании более качественных и более универсальных автомобильных покрышек. И как мы уже отмечали, умывальные привычки кошек уже вдохновляют ученых на создание новых технологий.

Некоторое время робототехника была сосредоточена исключительно на конкретных практических приложениях. Одной из значимых вех в процессе привлечения робототехники к практическому использованию стало создание первого промышленного робота под названием Unimate. Unimate (сокращенное от «универсальный автомат») стал первым роботизированным манипулятором с цифровым программным управлением. Он был построен с двумя основными целями. Первая цель — конструирование машины, которая могла бы выполнять рискованные задачи на заводах, где рабочие подвергаются действию токсичных субстанций и опасной техники. Создатель Unimate Жорж Деволь увидел возможность сделать рабочее место безопаснее, передав выполнение самых рискованных задач роботам. Второй целью было снижение вредных отходов, производимых устаревшими машинами. Если сделать роботизированный манипулятор программируемым, то его действия можно будет менять при изменении технологий, при необходимости. Для производства и продажи своих машин Деволь вместе с деловым партнером Джозефом Энгельбергером основал в 1962 г. компанию Unimation.

Unimate идеально приспособлен для выполнения тех работ, для которых создан, но это стационарный робот с фиксированной программой движения. Чтобы сделать роботов еще более универсальными, требовалось стабильное движение, и эта потребность в 1980-е и 1990-е гг. подстегнула активные разработки в сфере биоробототехники. Большинство первых исследователей в области автономных роботов конструировали управляющий центр — «мозг» и «нервную систему» робота — как блок, отдельный от самой машины. Так, к примеру, было у «Данте II»; его реакции на окружающую обстановку контролировались станцией, установленной на краю кратера и соединенной с машиной шлейфом. Однако роботам, способным правильно вести себя в кризисных обстоятельствах, необходимо иметь мозг при себе, чтобы их рефлекторные действия стали тесно связаны с их сенсорными и моторными операциями. Короче говоря, роботов будущего необходимо строить гораздо более похожими на живых существ.

Источники вдохновения для такого вопроса не ограничивались только наземными животными. Люди, к примеру, давно поняли, что рыбы куда более эффективны и маневренны, чем созданные человеком лодки. Рыба тратит меньше энергии на движение в толще воды, она может, преследуя добычу, достигать невероятных взрывных ускорений, а может, убегая от хищника, поворачивать легко и резко. Летом 1989 г., болтая с коллегами в Океанографическом институте в Вудс-Хоуле на полуострове Кейп-Код, братья Майкл и Джордж Триантафиллу поняли, что существует огромная потребность в эффективных роботах для исследования и освоения морских глубин. Принципы движения рыб, подумали они, могут дать толчок этим разработкам. Изучив множество рыб, от золотых рыбок до акул, братья обнаружили, что существует оптимальный метод взмахов хвоста, обеспечивающий поступательное движение. Опираясь на свои наблюдения, они сконструировали механического голубого тунца 125 cм длиной. Оказалось, что открытые биологические принципы прекрасно работают и для их механической модели. Замечательно, что в заключительных строках опубликованной ими статьи братья Триантафиллу поднимают некоторые глубокие вопросы о плавании рыб: