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".
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").
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 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.
Уильям Грей Уолтер (William Grey Walter) входил в число пионеров сразу в двух научных областях — в нейрофизиологии и робототехнике. Он одним из первых в Великобритании применил метод электроэнцефалографии и установил, что по определенным параметрам электроэнцефалограммы можно определить, в каком участке мозга нарушена работа нервных клеток и как именно она нарушена. Кроме того, Грей Уолтер был членом междисциплинарного клуба Ratio , резиденты которого обсуждали новую тогда науку кибернетику. Уолтер, пользуясь своими знаниями о нейробиологии, создал несколько роботов, способных изменять свое «поведение» в зависимости от того, что происходит вокруг. И хотя многие считали, что машины Грея Уолтера — не более чем поделки для развлечения и начального обучения робототехнике, в основе уолтеровских «черепах» (так их называл конструктор) лежат интересные биологические принципы.
Родители Грея Уолтера, журналисты из США, познакомились в Италии. Их сын родился в Соединенных Штатах, но пара решила, что воспитывать сына они будут в Великобритании. Грей Уолтер закончил Королевский колледж в Кембридже (King"s College, Cambridge), однако не смог получить место исследователя в университете, из-за чего вынужден был несколько лет проводить нейрофизиологические изыскания в лондонских клиниках. В 1939 Уолтер получил работу в только что открывшемся Институте неврологии Бердена (Burden Neurological Institute , в настоящее время не существует), где проработал вплоть до несчастного случая в 1970 году.
По иронии судьбы, происшествие, послужившее причиной отставки Уолтера, напрямую касалось области его исследовательских интересов: это была травма мозга , полученная в ходе дорожного происшествия. (К сожалению, ученый так и не оправился полностью от того ранения и умер в 1977 году в возрасте 67 лет.) Грей Уолтер был первым, кто связал определенные формы активности мозга, различимые на электроэнцефалограмме, с неврологическими и психиатрическими патологиями.
Электроэнцефалография
Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — запись суммарной электрической активности клеток мозга с помощью электродов, установленных на коже головы и смазанных электропроводящим гелем. Число электродов может быть различным; современные приборы используют обычно 64-128 штук. Электроды устанавливают симметрично по определенной системе. Самая известная из таких систем носит название «10-20» ; эти числа обозначают проценты от расстояния между двумя крайними точками на черепе. В активности мозга выделяют несколько типов ритмов , обозначаемых буквами греческого алфавита: альфа-, бета-, гамма-, дельта-, мю-, сигма-, тета- и каппа-ритмы. По сути, это волны, которые отличаются друг от друга частотой и амплитудой. Некоторые из этих ритмов проявляются с открытыми глазами, некоторые — с закрытыми. Дельта-ритм в норме бывает у спящих людей, а тета-ритм — у уставших или готовых заснуть. Кроме того, большинство ритмов ЭЭГ проявляется в норме только в каких-то конкретных областях мозга, а их появление в других участках может быть сигналом проблем с работой нервной системы.
Грей Уолтер не только открыл связь «мозговых волн» с нервными патологиями — он впервые зарегистрировал некоторые ритмы ЭЭГ. Уолтер был одним из первых, кто вообще применил метод электроэнцефалографии в Великобритании. Ученый увлекся электрофизиологией после посещения в 1935 году германской лаборатории Ганса Бергера — исследователя, который впервые снял электроэнцефалограмму с поверхности головы человека. Сам Бергер использовал всего два электрода, на лбу и на затылке, и сумел зарегистрировать лишь альфа-ритм. (Как выяснилось позже, альфа-ритм характерен в первую очередь как раз для затылочных областей.) Германские коллеги Бергера считали его чудаком, а используемый им метод рассматривали как бесперспективный.
В отличие от немецких скептиков, Грей Уолтер загорелся идеей исследовать «мозговые волны». Вернувшись на родину, он сконструировал собственный электроэнцефалограф, взяв за основу аппарат Бергера и усложнив его. Уже через год, в 1936, Уолтер доказал связь необычного ритма ЭЭГ и шизофрении у одного из пациентов неврологической клиники. Оказалось, что ненормальную активность проявляют клетки опухоли больного, и место проявления этой активности на электроэнцефалограмме точно совпало с данными о локализации опухоли, полученными другими методами. Еще через некоторое время Грей Уолтер установил, что у многих больных эпилепсией во время бодрствования нередко проявляется дельта-ритм, меж тем как в норме он характерен для глубокого сна.
В конце 1940-х годов Уолтер пришел к мысли: а может, ритмы ЭЭГ не только отражают общее состояние человека, но и то, как мозг «сканирует» пространство вокруг его обладателя, получая различные сенсорные стимулы? Кроме того, в 1960 году ученый обнаружил так называемый потенциал готовности , существование которого, кстати, ставит под сомнение наличие у человека свободной воли. Потенциал готовности возникает в премоторной коре больших полушарий перед тем, как человек совершает какое-нибудь движение, и, что самое главное, до того как испытуемый осознает, что вообще собирается это движение совершить .
«Черепахи» Уолтера
Грей Уолтер начал конструировать различные агрегаты еще в детстве на пару с отцом. В зрелом возрасте это увлечение не пропало, и Уолтер продолжил создавать движущиеся машины. Только теперь он обладал знаниями об устройстве нервной системы и о достижениях кибернетики. В молодости Грей Уолтер симпатизировал идеям Ивана Петровича Павлова об условных рефлексах и даже ездил на обучение в лабораторию нобелевского лауреата в Санкт-Петербург. Однако Уолтеру все же было интереснее изучать, как работает мозг в целом, а не как устроены отдельные рефлекторные дуги. По мнению ученого, большое количество связей между несколькими логическими элементами могло обеспечить сложное поведение не хуже, чем множество однотипных, но слабо связанных между собой «нейронов». Кроме того, он считал, что искусственный интеллект нужно создавать на основе аналоговых элементов, а не цифровых (за использование последних ратовал, в частности, Алан Тьюринг, коллега Уолтера по клубу Ratio).
Уолтер неоднократно подчеркивал, что использует в первую очередь биологические принципы при создании своих роботов. За медлительность и приземистый вид Грей Уолтер называл своих роботов черепахами, а кроме того, давал имена каждому агрегату. Первые образцы назывались Элмер (ELMER: ELectro-MEchanical Robot) и Элси (ELSIE: Electro-mechanical robot, Light-Sensitive with Internal and External stability). Общее название роботов было построение по тому же принципу, что и видовые названия живых организмов: Элмер и Элси принадлежали к «виду» Machina speculatrix .
«Черепахи » имели настолько простое строение, насколько это возможно: три колеса, два моторчика, два реле, два конденсатора и один фотоэлемент. Все это было собрано из деталей от старых электроприборов и часов и накрыто «панцирем» — кожухом обтекаемой формы. Незамысловатая конструкция была призвана смоделировать важные формы поведения — исследование окружающего пространства, поиск и достижение цели. Фотоэлемент на «голове» робота . Кроме того, Элмер и Элси работали без проводов, а на подзарядку самостоятельно приезжали в специальную коробку, внутри которой горела лампочка. При этом «особи» Machina speculatrix могли огибать разнообразные препятствия — например, зеркала , в которых отражались они сами вместе с источниками света. Правда, роботы некоторое время «плясали» перед зеркалами, будто бы раздумывая, что делать дальше. В некоторых заметках Уолтер упоминает такое поведение как пример самоузнавания, что вряд ли соответствует действительности.
Более поздние версии «черепах» могли отдавать предпочтение одному из двух одинаковых источников света. Кроме того, Грей Уолтер постоянно улучшал их скорость и траектории поиска объектов. А одна из последних моделей уолтеровских роботов, Ирма (IRMA: Innate Releasing Mechanism Analogue), был сконструирован так, чтобы изменять свое «поведение» в зависимости от сигналов, которые подавал другой робот. Таким образом, две Ирмы могли адаптировать свои действия к «поступкам» друг друга.
Последователи Уолтера разрабатывали «черепах» и после того, как сам исследователь прекратил свою деятельность . Новые модели роботов реагировали не только на свет, но и на звуки. Впоследствии «черепах» стали соединять с компьютерами, которые и подавали роботам сигналы к действию. В основе таких машин лежали уже несколько иные закономерности, чем у Грея Уолтера.
Архив СтатьиВ пятидесятые годы прошлого столетия британский нейрофизиолог конструировал роботов, чтобы изучать вопросы свободы выбора, саморегуляции и социального поведения машин.
Прогресс технологий - вектор, нацеленный в будущее. Сумма накопленных человечеством знаний, сродни мощному движителю, устремляет исследователей настоящего к новым технологическим прорывам. И только если приблизиться к этому вектору достаточно близко, можно заметить, что он представляет собой спираль, витки которой - зачастую повторения прошлых изобретений на основе возможностей настоящего.
На эту мысль меня натолкнуло посещение сайта "Modular Robotics ", на котором дружная команда учёных из ведущих вузов США разрабатывает сущее баловство - электронные кубики (cubelets), из которых играючи можно создавать различные варианты роботов.
Развлечение для детей? Безусловно. Но также и нечто большее: популяризация научных достижений, стремление приобщить людей, далёких от робототехники и информационных технологий, к передовым разработкам в этих областях.
Дети, играющие на фото с cubelets, напомнили мне фотографию шестидесятилетней давности. На ней ребёнок играет с ELSIE - роботом-черепахой, одним из нескольких удивительных творений британского нейрофизиолога Грея Уолтера.
В начале пятидесятых годов прошлого столетия электромеханические "черепахи" доктора Уолтера, разработанные им для исследования рефлексов и поведенческих механизмов живых существ, вызвали настоящий ажиотаж среди обывателей, приобщая обычных людей к понятиям "кибернетика", "искусственный интеллект" и "искусственная жизнь" и раскрывая для них необозримые горизонты науки.
Грей Уолтер. Нейрофизиолог с руками слесаря
1951 год. Британский фестиваль науки - масштабная выставка научных достижений английских учёных на южном берегу Темзы. Цель выставки - показать людям, только-только пережившим ужасы войны, что прогресс не стоит на месте и научные достижения настоящего позволят построить прекрасный мир будущего.
Многочисленные посетители выставки неизменно толпятся возле павильона с роботами-черепахами - механическими созданиями, которые тем не менее ведут себя так, словно они живые. Вращая единственным глазом-перископом, черепахи уверенно движутся к источнику света - своей "пище", а наткнувшись на какое-либо препятствие, старательно обходят его.
На плакате британского фестиваля науки 1951 года изображены именно "черепахи" ELSIE
Газеты взахлёб описывают интересные факты, связанные с роботами-черепахами. Так, этим созданиям женщины нравятся больше мужчин, они так и льнут к их ногам. "Проголодавшись", роботы-черепахи стремятся на свет, в свой домик, где имеется зарядное устройство для их аккумуляторов. Но если в помещении слишком светло или срабатывают вспышки фотоаппаратов, эти создания теряются и начинают метаться в поисках убежища.
Демонстрацией роботов-черепах на выставке занимался их создатель - тридцативосьмилетний доктор Грей Уолтер. Причём "доктор" означает не научную степень: Грей Уолтер - врач-нейрофизиолог.
В 1951 году доктор Грей Уолтер возглавлял отделение нейрофизиологии в институте Бурдена
В 1951 году доктор Уолтер - ведущий исследователь бристольского Неврологического института Бурдена, пионер в области электроэнцефалографии мозга - новейшем направлении исследования высшей нервной деятельности человека.
Грей Уолтер, сын журналистки из Британии и журналиста из США, познакомившихся в Италии во время Первой мировой войны, родился в Канзас-Сити, но всю свою сознательную жизнь провёл в Англии. В 1928 году, закончив Королевский колледж в Кембридже по направлению "физиология", Уолтер продолжает работать над диссертацией, посвящённой психофизиологии нервной деятельности и рефлексам.
Интерес к этой области у Грея Уолтера неслучаен. Ещё будучи студентом колледжа, он побывал в России, в лаборатории нобелевского лауреата Ивана Петровича Павлова. Результаты исследований великого русского физиолога, связанные с рефлекторной деятельностью, и определили направление дальнейших исследований доктора Уолтера.
Занявшись в институте Бурдена электроэнцефалографией мозга (ЭЭГ), Грей Уолтер проявляет себя не только как блестящий нейрофизиолог, открыв, к примеру, дельта- и тета-ритмы мозга, но и как... отличный слесарь. Большинство приборов, необходимых для исследования (ЭЭГ), он изготавливает самостоятельно в небольшой слесарной мастерской института.
Во время Второй мировой войны знания и опыт Грея Уолтера направлены на лечение и реабилитацию людей с черепно-мозговыми травмами. После её окончания он возобновляет исследования, связанные с рефлекторным поведением и работой "кирпичиков" мозга - нейронов.
Воспринимая мозг как сложную систему управления, Уолтер хочет продемонстрировать, что поведение живых существ связано с постоянной обработкой поступающей извне информации и принятием решения о дальнейших действиях, которое передаётся исполнительным механизмам - мышцам.
Именно тогда у доктора Уолтера и возникает желание смоделировать нервную деятельность, создать "искусственную жизнь". Здесь-то и пригождаются его навыки слесаря и электротехника, закреплённые в ходе проектирования первых электроэнцефалографов.
ELMER, ELSIE, CORA, IRMA и... Винер
Стоит признать: электромеханические механизмы с сенсорной обратной связью создавались и до творений Уолтера. Так, в 1928 году, демонстрируя тогдашние достижения радиоэлектроники, концерн Philips Radio выпустил Philips Radio Dog, или, сокращённо, Philidog. Особенностью этой электромеханической игрушки было использование фотокатода в качестве сенсора освещённости. Благодаря ему радиопёс Philips следовал за источником света, например фонариком в руке владельца.
Вряд ли поведение Philidog можно назвать осознанным. Скорее, это был автомат, упакованный в игрушечный корпус.
Грей Уолтер же планировал смоделировать осознанное поведение, основываясь на своих обширных познаниях в нейрофизиологии. И у него это получилось! Первым его творением стал ELMER (сокращение от ElectroMechanical Robot). Собранный в буквальном смысле из того, что было под рукой, Elmer представлял собой трёхколесную тележку с электроприводом переднего колеса, управление движением и поворотом которого выполняли два "нейрона" - схемы на основе лампового усилителя и реле.
Между тем Грей Уолтер усложнял схему своих роботизированных черепах. Его следующее творение CORA (от Conditioned Reflex Analogue) было экспериментальным образцом и не получило такого широкого признания публики, как ELSIE. Между тем именно CORA поразила собственного создателя, продемонстрировав зачатки не запрограммированного заранее поведения. Целью создания CORA было моделирование выработки условного рефлекса.
И если ELMER и ELSIE Уолтер называл Machina Speculatrix (машина-исследовательница), то для CORA вполне подходило название Machina Docilis - машина, способная обучаться.
В дополнение к фотосенсору и датчику прикосновения CORA имела микрофон, настроенный на звук определённой частоты. А её "нейронная" схема была усложнена, получив подобие кратковременной памяти. Когда черепаха натыкалась на препятствие, исследователь закреплял это событие, дуя в полицейский свисток (именно на его частоту и был настроен третий усилитель CORA). Дифференциация двух сенсорных воздействий запоминалась роботом в виде единой реакции - объезда препятствия.
"Чудо" происходило после того, как исследователь убирал препятствие. Свисток заставлял CORA объезжать несуществующую табуретку, демонстрируя тем самым выработку условного рефлекса.
Между темё Грей Уолтер попытался усложнить поведение CORA. Он использовал то обстоятельство, что английские полицейские свистки являются двухтональными. Именно на второй тон свистка Уолтер и настроил ещё один слуховой контур CORA, связав его с поиском источника света. Теперь он тренировал CORA, выдавая один вид свиста прежде, чем черепаха касалась препятствия, а другой - прежде чем она обнаруживала свет.
Но что произойдёт, если задать сразу два отверстия, выдав одновременно два тона? Реакция CORA на эту дилемму была очень похожа на реакцию живого существа. В результате обработки такой противоречивой информации черепаха забилась в тёмный угол, нервно передвигаясь в нём, словно бы успокаивая сенсорную перегрузку. И только по прошествии времени её контуры пришли в норму и она вновь обрела покой и способность искать "кормушку".
Доктор Уолтер посвятил исследованию поведения CORA много времени. В частности, пытался обучить её преодолевать лабиринт.
Последней робочерепахой, созданной Уолтером, была IRMA (Innate Releasing Mechanism Analogue). С помощью нескольких экземпляров IRMA нейрофизиолог пытался исследовать аспекты поведения живых существ в группе себе подобных. Особенностью IRMA была адаптация её поведения в группе в ходе совместного поиска источника света.
Сегодня подобные механизмы мы называем автономными агентами, или "аниматами ", но во времена Уолтера кибернетика только-только становилась на ноги. И английский нейрофизиолог невольно стал её апологетом в Великобритании.
Благодаря широкой публичной известности своих роботов-черепах он привлёк внимание как заокеанских кибернетиков в лице Норберта Винера, так и соотечественников - учёных, занимающихся адаптивными управляющими системами в интересах военного ведомства, в лице Кеннета Крейка.
Именно благодаря последнему Грей Уолтер попал в "закрытый клуб" Ratio Club - сообщество учёных, занимающихся вопросами кибернетики в Великобритании. Ratio Club просуществовал с 1949 по 1955 год; в его состав, кроме Крейка, входили нейрохирург Джон Бейтс, работавший с Крейком над автоматическими сервоприводами орудийных установок систем ПВО, Уильям Эшби и Алан Тьюринг, выполнявшие заказы правительства по дешифровке нацистских радиограмм.
Ratio Club имел тесные связи с американским кибернетическим сообществом. Настолько тесные, что Уолтеру удалось однажды снять электроэнцефалограмму деятельности мозга Норберта Винера, который имел склонность к спонтанному засыпанию в самой неадекватной обстановке (например, при проведении лекций), и выяснить, что мозг отца кибернетики во время такого сна находится в бодрствующем состоянии и способен адекватно обрабатывать информацию.
Публичная известность Грея Уолтера и его роботов-черепах была не по душе членам Ratio Club, обсуждавших на заседаниях вопросы обороноспособности страны, но доктор Уолтер смотрел на проблемы адаптивного поведения технических систем более широко и был убеждён, что популяризация достижений кибернетики - ключ к техническом прогрессу не только отдельной нации, но и всего человечества.
Спираль развития технологий - удивительная штука. Работа Грея Уолтера в рамках Ratio Club и его встреча с Норбертом Винером привели к упорядочению нейропсихологических поначалу мыслей учёного, к единому кибернетическому базису. Но и его работы оказали существенное влияние на становление кибернетики. Вдохновлённые роботами-черепахами Уолтера, американские кибернетики развили его идеи и продолжили заложенные им принципы популяризации науки. За следующим витком технологической спирали стоял Эдмунд Беркли - создатель электромеханического мозга и теории "живых роботов". Но это - совсем другая история.
Английский кибернетик, нейрофизиолог и психиатр Грей Уолтер родился в 1910 году. Своих роботов-черепах или, как их называл создатель, machina speculatrix, он начал создавать в 1948 году и продолжал эксперименты с ними до 1951 года. Представляли они собой механические тележки, которые могли двигаться на свет или от него, а также добираться до источников подзарядки аккумуляторных батарей, обходя различные препятствия. Черепахами их прозвали благодаря медлительности и внешнему виду. В отличие от большинства роботов тех лет, двигающихся согласно заранее заданной схеме, «черепахи» Грея Уолтера могли реагировать на изменения внешней среды.
Отец кибернетики Норберт Винер описал роботов Грея 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 создал 8 вариантов роботов-черепах. Так, «черепаха» Элмер выглядела как трёхколесная тележка, оснащенная двумя электромоторами, которые питались от аккумуляторов. Один двигатель обеспечивал поступательное движение тележки, второй – изменял направление её движения. Двигателями можно было управлять при помощи электромагнитных реле. Благодаря фотоэлементу, который располагался на рулевой колонке тележки, робот мог распознавать препятствия.
По сути, робот-черепаха мог действовать в соответствии с тремя схемами: движение к свету, поворот к свету и избегание препятствий. Если аккумулятор был заряжен, а освещение в помещении было слабым, робот медленно передвигался по комнате в поиске источника света, при столкновениях с препятствиями он корректировал направления движения. Соответственно, если в помещении появлялся источник яркого света, тр робот-черепаха двигался в его направлении. При этом, достигнув источника света, он отворачивался от него, как бы «боясь» ослепления, после чего он двигался вокруг данного источника, находя для себя оптимальное положение. Когда его аккумулятор начинал разряжаться, робот все ближе приближался к источнику света, а при низком уровне заряда аккумулятора робот вплотную приближался к данному источнику и подключался к зарядному устройству. После зарядки аккумулятора робот снова отдалялся от источника света.
Более активно на изменения света реагировал другой робот – Элзи. В случае наличия двух источников света в помещении робот двигался то к одной лампе, то к другой. Кроме того, роботы могли узнать друг друга по зажженной лампочке и двигались друг к другу навстречу.
Не только на изменения света, но и на звук умел реагировать робот-черепаха Кора. «Слышала» Кора благодаря микрофону. Кроме того, наличие конденсатора, сохранявшего некоторое время электрический заряд, обеспечивало наличие у данного робота чего-то вроде условного рефлекса. Таким образом, Кору можно было обучать.
Англичане называет условный рефлекс learned reflex – выученный рефлекс. Рефлекс вырабатывается в случае повторения одного и того же действия, без этого условный рефлекс пропадает. В случае робота-черепахи Коры раздражителем, вызывающим условный рефлекс, был звук свистка. Когда Кора натыкалась на то или иное препятствие, звучал свисток. Вначале робот-черепаха не реагировала на звук свистка, затем, услышав свисток, она меняла направление движения, даже если препятствия перед ней не было. Если же Уолтер слишком часто подавал Коре звуковые сигналы при отсутствии преград, то у неё пропадал данный условный рефлекс.
Экспериментируя с Корой, Уолтер всегда пытался усложнить её поведение. Так как английские полицейские свистки были двухтональными, ученый использовал данное обстоятельство. Ученый использовал второй тон свистка для создания второго слухового контура своего робота, связав его с появлением в помещении нового источника света. Первый вид свистка звучал, когда черепаха достигала очередного препятствия, а второй – перед тем, как загорался свет.
В связи с этим Уолтер задался вопросом о том, как робот-черепаха Кора отреагировать на два тона свистка, прозвучавших одновременно. В свою очередь, робот-черепаха отреагировал на эту ситуацию подобно живому существу. Обработав полученную информацию, Кора забилась в темный угол для того, чтобы восстановить силы после сенсорной перегрузки. Через некоторое время она вернулась к нормальному функционированию и снова начинала искать источник света.
Таким образом, роботы, созданные Греем Уолтера, проявляли элементы развития, присущие живым существам, корректируя модели поведения в зависимости от внешних обстоятельств. Эксперименты с внешней средой и «нервной системой» роботов-черепах привели к интересным результатам: поведение роботов никогда не повторялись, однако их действия всегда укладывалось в рамки определенного поведенческого образца, как это происходит у живых существ.
Изобретения Грея Уолтера заинтересовали мировое научное сообщество и вдохновили других ученых на создание роботов подобного рода. Например, американец Эдмунд Беркли изобрел белку, собирающую орехи и относящую их в гнездо, мышь, созданная Клодом Шенноном, умела находить дорогу в лабиринте, электронный лисицы Барабара и Джоб, сконструированные французским физиком Альбером Дюкроком, реагировали на прикосновение, свет и звук, а одновременное возникновение света и звука вызывало появление условного рефлекса. В Советском Союзе также был создан робот, реагирующий на внешние раздражители: такого робота-черепаху построили сотрудники института автоматики и телемеханики АН СССР А.П. Петровский и Р.Р. Васильев.
Также на развитие рефлексов у роботов повлияли работы итальянского невролога и кибернетика Валентино Брайтенбурга, посвященные синтезированию биологического поведения простейшими схемами. Так, классическлй стала его книга «Машины: эксперименты с синтетической психологией», написанная в 1984 году.
В 2006 году американский ученый Ламброс Малафурис написал статью «The Cognitive Basis of Material Engagement: Where Brain, Body, and Culture Conflate», в которой утверждалось, что секрет успешного функционирования роботов заключается в связи мозг-тело-окружающая-среда. Именно благодаря этой связи роботы-черепахи Грея Уолтера демонстрировали поведение, присущее живым организмам.
Эксперименты с искусственным интеллектом происходят и по сей день. Роботы стали гораздо более качественно справляться с поставленными задачами, однако во многом современные ученые обязаны своими успехами Грею Уолтеру.
Проблема человеческих способностей всегда и у всех людей вызывала неподдельный интерес. Откуда берутся люди способные и неспособные, талантливые и бездарные? Почему не всякий вундеркинд становится гением, а гении во всех областях человеческой деятельности столь редки? Кто не задавал себе подобных вопросов? Но если раньше эти вопросы не выходили за рамки любознательности и не слишком нуждались в разрешении, то теперь проблема способностей вырастает в крупную социальную проблему. Почему?
Невиданное еще в истории человечества ускорение научно-технического прогресса, лавинообразное нарастание наших познаний о мире и необходимость овладевать ими уже поставили перед педагогами и психологами ряд труднейших задач. Школа на всех ее ступенях - начальная, средняя и высшая - отстает в этом отношении от требований жизни, и отставание не только не имеет тенденции к сокращению, но прогрессирует все заметнее.
Каждому, кто знаком с положением дел в школе, ясно, что компенсировать это отставание путем увеличения сроков обучения либо путем пополнения программ новым материалом невозможно. Длительность школьного обучения уже дошла до тех предельных границ, где с натяжкой ее можно считать еще разумной, и не случайно уже не одно десятилетие держится на этом уровне. Делается вторая попытка ввести одиннадцатый класс в школе. Вопрос о перегрузке школьных программ не сходит у нас с повестки дня уже много лет и настоятельно дает о себе знать хотя бы в том факте, что рабочий день школьника в старших классах превышает гарантированную Конституцией длительность рабочего дня взрослых и угрожает не только физическому, но и психическому здоровью наших детей. Будь у нас в руках объективные критерии для измерения меры того и другого здоровья, мы бы говорили об этом давно и с большей тревогой, чем сейчас.
Правда, есть еще один путь - коренное усовершенствование самого учебного процесса в школе - соединение обучения с производительным трудом, когда труд и учеба будут уравнены в правах и дети будут отдыхать полдня от утомительного и противоестественного однообразия книжной учебы и тем сохранят свежесть и легкость детского восприятия и высокие темпы развития. Но это время наступит, видимо, не скоро, так как реформа школы 1984 года предусматривает выделение даже не на труд, а только на трудовое обучение крохотной части учебного времени (10-15%).
Другие же меры, подобные программированному обучению и переходу на новые программы (оказавшиеся к тому же далекими от совершенства), не оправдали возлагавшихся на них надежд. Все это, конечно, шаги вперед, но шаги просто не соизмеримые с мощной поступью научно-технического прогресса.
Проблема усложняется еще и тем, что она далеко не исчерпывается одним непрерывно растущим объемом знаний. Оказывается, одних даже обширных знаний уже недостаточно для полноценной подготовки современных работников в области науки, техники и производства. Нужно еще больше и больше не только знающих, но н способных к творческой деятельности людей, специалистов высокого творческого потенциала. Ни средняя, ни высшая школа пока не направлены на их отбор и соответствующую подготовку. Откуда их брать? Педагоги и психологи, к сожалению, не очень спешат решить этот вопрос. А жизнь не ждет.
И вот математики, кибернетики, а за ними физики, химики уже создают специальные школы и ищут для них способных учеников. Долгое, трудное дело. Таланты, как и алмазы, сейчас довольно редко встречаются, да и шлифовать их нелегко, но пока это единственная возможность.
Проблема творческих способностей сейчас вплотную стала перед работниками науки и техники, но, несомненно, она скоро станет и перед многими другими. И если считаться с тем, что у знаний сокращается "срок жизни", что знания все быстрее начинают стареть и требуют постоянного "подновления", что на наших глазах умирают одни и рождаются другие профессии, что доля умственного труда и творческой деятельности людей почти всех профессий имеет тенденцию роста, и роста ускоренного, то это значит, что творческие способности человека следует признать самой существенной долей его интеллекта и задачу их развития - одной из важнейших задач в воспитании человека будущего.
Возможно, что все сказанное знакомо и понятно людям, следящим за тревогами нашей общественной мысли, но хотелось бы, чтобы к тревогам присоединились еще и заботы; в той или в иной мере направленные на решение проблемы. В ее решении заинтересовано не только государство: почти каждого учителя и родителя интересуют вопросы развития способностей у детей, и творческих в том числе.
Но здесь на пути решения проблемы, среди других препятствий, стоит одно, очень существенное - современная гипотеза способностей. Почему она является препятствием?
Руководствуясь той или иной гипотезой, люди действуют. и эти действия могут в одних случаях приближать их к цели, а в других удалять от нее, или, как говорят, "долго будут водить за нос", пока новые факты не заставят отказаться от неверной гипотезы. Одни гипотезы ставят человека в активную позицию, заставляют искать, исследовать, экспериментировать, другие, наоборот, говорят о том, что это явление нам не подчиняется, что все или почти все зависит от природы, от наследственности.
Такой примерно гипотезой и является существующая в психологии и педагогике гипотеза способностей. Понять ее сущность можно из определений трех главных понятий: способности, задатки и одаренность.
"СПОСОБНОСТИ - индивидуальные особенности человека, от которых зависит успешность выполнения определенных видов деятельности... Способности не даны от природы в готовом виде... большое значение для их развития имеют ЗАДАТКИ, однако в конечном счете способности могут сформироваться лишь в определенных условиях жизни и деятельности..."
"ЗАДАТКИ - врожденные анатомо-физиологические особенности, среди которых наибольшее значение имеют особенности нервной системы и протекающих в ней процессов. Задатки имеют важное значение для развития способностей". Такое определение дает "Педагогический словарь" (т. 1, стр. 388). А "Педагогическая энциклопедия" (изд. 1966 г.) прямо называет их "природными предпосылками развития организма", "органической основой способностей" (том 2, стр. 62).
"ОДАРЕННОСТЬ - (по определению "Педагогического словаря", т. 11, стр. 35) - совокупность природных задатков как одно из условий формирования способностей", а по определению "Педагогической энциклопедии" (т. 3, стр. 186) - "высокий уровень развития способностей человека, позволяющий ему достигнуть особых успехов в определенных областях деятельности".
Путаница в определении одаренности, видимо, не случайна: она отражает путаницу, которая действительно есть в психологической науке в вопросе о способностях. Но все-таки из этих определений можно видеть, что главными условиями формирования способностей считаются природные задатки и условия жизни и деятельности. Если есть первое и второе, то могут сформироваться способности, а если нет хотя бы одного, то не сформируются. Наличие же задатков у ребенка определить никакими средствами нельзя. Что же остается делать родителям, детскому саду и школе? Видимо, создавать условия, благоприятствующие развитию способностей, и ждать. Ждать, пока начнут "проявляться" способности. А если они не "проявляются"? Значит, нет задатков или вы создали условия не для тех задатков, которые есть у ребенка.
Попробуй разберись! Короче, люди ставятся такой гипотезой в пассивную позицию.
Теперь о существе задатков. "Если это понятие анатомо-физиологическое, то для психолога это имеет смысл лишь как ссылка на ту область, которой он не занимается. Это вместе с тем и допущение того, что раз есть способности, то нечто должно быть до их появления. Это нечто и есть врожденные предпосылки - задатки. Такое понимание ничего не дает психологии и не имеет оснований в фактических данных", - говорит член-корреспондент Академии педагогических наук профессор В. Н. Мясищев и добавляет: "В многочисленных исследованиях по физиологии высшей нервной деятельности ребенка нет ни одного исследования, которое поставило бы вопрос о тех физиологических особенностях, которые связаны с понятием способности" (подчеркнуто мною. Б. Н.). Иначе говоря, существующая гипотеза способностей пока умозрительна.
В разное время из разных фактов рождались различные предположения. Считали, например, что способности зависят от объема мозгового вещества, так как у многих талантливых и гениальных людей объем мозга превышал обычную человеческую норму в 1400 см3 и достигал 1800 см3 (у писателя И. С. Тургенева). Но рядом стояли такие факты, когда гениальный человек имел мозг в 1200 см3 или даже жил с одной половинкой мозга, как Пастер, у которого после кровоизлияния в мозг функционировало только одно полушарие, а такая гипотеза не могла их объяснить. Тогда обращались к структуре клеток головного мозга, особенно его коры, и находили, что у гениальных людей иногда есть отличия от обычной структуры, но, какие из этих отличий имеют решающее значение, оставалось загадкой.
Предполагалось, например, также, что талантливым бывает первый ребенок в семье. И эта гипотеза имела приверженцев, пока не пришла на помощь статистика. Из 74 всемирно известных гениальных и талантливых людей, из биографических данных которых можно было установить, каким по счету он родился, первыми оказались только пять - Мильтон, Леонардо да Винчи, Г. Гейне, Брамс, А. Рубинштейн.
А Франклин был - 17-м ребенком в семье,
Менделеев - 17-м
Мечников - 16-м
Шуберт - 13-м
Вашингтон - 11-м
Сара Бернар - 11-м
Карл Вебер - 9-м
Наполеон - 8-м
Рубенс - 7-м и т. д.
Значит, дело не в том, каким по счету ребенок родился в семье, а в чем-то другом.
Очень живучей оказалась гипотеза о наследовании способностей. Обилие противоречивых фактов не смущает ее сторонников. В пяти поколениях рода Бахов, кроме Иоганна Себастьяна, было 56 (по другим данным - 15) талантливых музыкантов. И то же самое можно наблюдать, пусть в меньшей степени, в других семьях талантливых людей. Но тут же и диаметрально противоположные факты, например, род Шумана. Из 136 членов этого рода в четырех поколениях был... только один музыкант - Роберт Шуман, его жена Клара также была талантливой пианисткой, но никто из восьми их детей не стал музыкантом. Почему? Почему в роду Толстых один Лев Николаевич оказался гениальным?
Ответить на эти вопросы, и ответить убедительно, трудно. Современная гипотеза поэтому предпочитает обходить молчанием такие вопросы. При этом ведь надо учесть, что способности - довольно стойкие особенности, мало изменяющиеся в течение самой жизни человека. Если малышу с трудом дается математика в начальной школе, то это качество сохраняется за ним во всех старших классах. При всем трудолюбии, работоспособности, аккуратности и прочих добродетелях способным такого ученика не сделаешь, говорят учителя. И для подавляющего большинства случаев это действительно так, исключения крайне редки.
"Врожденный интеллект" - так объясняют это явление не только буржуазные ученые. "Талант, одаренность, скажем, в работе в области математики, физического эксперимента, конструирования новых приборов даны от природы во всем. Никакой упорный труд не может заменить эту природную одаренность", - говорит академик А. Колмогоров. Если согласиться с этим утверждением, то естественно предположить, что "природная одаренность", например, к научной деятельности может быть лишь у народов, давно вышедших из дикого состояния и, значит, приобретших за длительный период своего исторического развития какие-то качества для научной деятельности. Но тогда как объяснить такого рода факт: "Мари Ивоин, девочка, которую привезла из глубины лесов Центральной Америки экспедиция Веляра (в возрасте нескольких месяцев), была родом из племени гваякилов, самого отсталого на всем земном шаре, но во Франции она превратилась в интеллигентную и культурную женщину - научного работника по профессии".
Генетики, сделавшие в последние годы крупные открытия в области наследственности, тоже не едины в мнениях. Профессор-генетик Эдинбургского университета Шотландии Ш. Ауэрбах утверждает: "Все, что правильно в отношении свойств тела, справедливо и для черт ума и эмоций. Уровень умственного развития, особые способности, личные качества - все это результат взаимодействия генетических факторов и факторов среды". А ректор Чикагского университета, лауреат Нобелевской премии Джордж У. Бидл отделяет "биологическую" наследственность от "культурной". Пропасть между человеком и его ближайшими родственниками из животного мира огромна... Центральная нервная система человека под влиянием культурной среды развивается чрезвычайно специфически.
Наш головной мозг, как и мозг предшествовавших и родственных нам видов, содержит "врожденную информацию", которая регулирует такие функции организма, как дыхание, кровообращение, инстинктивное поведение и т. д. Но, кроме этих сведений, мозг человека в отличие от мозга животного содержит огромное количество "воспринятой информации", которая и является культурным наследием... В отличие от биологической приобретаемая человеком культурная наследственность возобновляется в каждом новом поколении. Бидл, таким образом, очень немногое оставляет на долю наследственности и очень многое на долю воспитания.
Еще более четко отделил "биологическое наследование" от "социального" наш ученый-генетик Н. П. Дубинин. "То идеальное (т. е. социальное) содержание, которое наполняет психику в ходе становления личности, не записано в генетической программе человека. Мозг обладает безграничными возможностями для восприятия разносторонней социальной программы, обеспечивает универсальную готовность новорожденного подключиться к общественной форме движения материи. Реализовать должным образом этот колоссальной значимости потенциал - задача воспитания".
Эта сравнительно сложная формулировка несколько поясняется второй: "Никаких генов для духовного содержания человека не существует, черты человеческой психики формируются с помощью общественно-практической деятельности людей. Понимание этого открывает громадные перспективы для педагогики и для формирования нового человека. Многое остается здесь еще не использованным, это касается, в частности, развития личности в раннем возрасте (до двух лет)".
К сожалению, статья Н. П. Дубинина вышла позже (в 1980 г.), чем была сформулирована "гипотеза способностей", и это намного затруднило и усложнило всю работу над проблемой. Приходилось решать все задачи, не имея этой фундаментальной теоретической поддержки. Вот почему усложнены поиски, вот почему столько вопросов.
Как объяснить с позиций старой гипотезы такой ряд фактов: очень часто малыши-дошкольники и младшие школьники поражают взрослых ранним проявлением творческих способностей. Но идут годы, дети вырастают, и... ни талантливых, ни тем более гениальных людей из них не получается. Куда деваются их способности и задатки? Почему, например, подавляющее большинство детей, воспитывающихся в приютах и домах ребенка, сильно отстает в развитии речи, а потом плохо учится в школе? Это давно отмечают исследователи многих государств Европы. Разве эти дети не такие же, как все, и лишены задатков, дающих возможность развить способность к речи и школьной учебе?
Почему в математические школы Москвы попадают по конкурсу каждый год ученики в основном из нескольких "особых" школ Московской области?
Почему среди студентов-русских около одной трети не имеют музыкального слуха, а среди студентов-вьетнамцев таких нет?
Почему одни считают, что научными работниками в области математики могут быть только 1-2% юношей и девушек (академик А. Колмогоров), а другие - 60-80% (учитель К. Скороход)?
Подобных вопросов, на которые существующая гипотеза способностей не может дать удовлетворительного ответа, очень много.