Pull to refresh

Познакомьтесь с кибернетической черепахой, предшественником Roomba

Reading time 6 min
Views 3.3K
Original author: Allison Marsh

При помощи лишь фотоэлемента, датчика прикосновения и двух электронных ламп робот-черепаха имитировал движения реальных животных



Нейрофизиолог Грей Уолтер собрал эту кибернетическую черепаху, чтобы объяснить функции мозга

В семейном древе роботов предками Roomba были, вероятно, Элмер и Элси – пара кибернетических черепах, изобретённых в 1940-м году нейрофизиологом Греем Уолтером. «Видеть» роботы могли благодаря вращающемуся фотоэлементу, направлявшему их к источнику света. Если свет становился слишком ярким, они отступали и начинали исследовать окружение в другом направлении. При столкновении с препятствием датчик прикосновения заставлял черепах сдать назад и изменить направление. Таким образом Элмер и Элси исследовали своё окружение.

Уолтер был одним из первых исследователей электроэнцефалографии (ЭЭГ) – техники считывания электрической активности мозга при помощи электродов, присоединяемых к коже головы. Среди его заметных клинических прорывов – первый диагноз опухоли мозга, сделанный благодаря ЭЭГ. В 1939 году он присоединился к недавно основанному Нейрологическому институту им. Бёрдена в Бристоле, Англия, в качестве главы департамента физиологии, и работал там до самого конца карьеры.

Кибернетическое движение Норберта Винера породило целый зоопарк кибернетических созданий


В конце 1940-х Уолтер попал в расширяющееся сообщество учёных, интересующихся кибернетикой. Основатель этой области Норберт Винер определил кибернетику как «научное изучение управления и взаимодействия в таких системах, как животные или машины». В первой волне кибернетики люди стремились собирать машины, моделирующие поведение животных. Клод Шеннон игрался с роботом-мышью по имени Тесей, способной проходить лабиринты. Уильям Росс Эшби создал "Гомеостат" – устройство, приспосабливающееся к входящим сигналам так, чтобы оставаться в стабильном состоянии.

Вкладом Уолтера в этот кибернетический зоопарк была электромеханическая черепаха, над которой он начал работать весной 1948 года в свободное время. Первые пробы были неэлегантными. В 1951 году У. Дж. Уоррен по прозвищу «Зайка», инженер-электротехник из института Бёрдена, собрал для Уолтера шесть более качественных черепах. Двое из них стали Элмером и Элси – эти имена Грей составил из неуклюжих акронимов: ELectro MEchanical Robots, Light Sensitive, with Internal and External stability [чувствительные к свету электромеханические роботы с внешней и внутренней стабильностью].


Таймлапс-фото 1950 года – Уолтер курит, пока одна из его кибернетических черепах гуляет по гостиной

Уолтер считал Элмера и Элси Адамом и Евой нового вида, Machina speculatrix [механизм изучающий]. Научное обозначение отражало изучающую или исследовательскую сущность роботов. У созданий был гладкий защитный корпус и вытянутая шея, поэтому Уолтер отнёс их к линнеевскому роду Testudo, то есть, к черепахам. Расширяя схему именования, он назвал мышь Шеннона, проходившую лабиринты, Machina labyrinthia, а гомеостат Эшби — Homestat Machina sopora (спящий механизм).

Демонстрировали ли кибернетические черепахи Грея Уолтера свободу воли?


Каждая черепашка двигалась на трёх колёсах посредством двух моторов, один из которых отвечал за передвижение, а второй – за рулевое управление. Мозг состоял из двух электронных ламп, которые, по словам Уолтера, являлись эквивалентом двух работающих нейронов.

Несмотря на ограниченность оборудования, по его заявлениям, черепашки демонстрировали свободу воли. В майском номере журнала Scientific American за 1950 год он описал, как фотоэлемент на конце шеи черепашки сканирует окружение в поисках источника света. Фотоэлемент соединялся с рулевым механизмом, и во время поисков черепашка двигалась кругами. Уолтер сравнил это с альфа-ритмом электрических импульсов мозга, проходящим по зрительным областям мозга и одновременно испускающим сигналы мышцам, заставляющие их двигаться.

В тёмной комнате черепаха бесцельно блуждала. Обнаружив свет, она двигалась прямо к его источнику. Но при превышении определённой яркости она отступала. При наличии двух источников она перемещалась туда и сюда между ними. «Как мотылёк, стремящийся на пламя», — писал Уолтер о черепахе, менявшей поведение между поиском и отступлением от света.

У черепашки был свой ходовой огонь, включавшийся при поиске источника света. Изначально он нужен был только, чтобы сообщать наблюдателям, какую команду обрабатывает робот, но у него появились неожиданные последствия. Если Элмер замечал себя в зеркале, он начинал приближаться к изображению, пока свет не становился слишком ярким, и тогда он отступал. В книге 1953 года «Живой мозг» Уолтер сравнил его с «неуклюжим нарциссом».

Если Элмер и Элси находились в одной комнате и видели свет друг друга, они начинали двигаться в сторону источника, и приближались, чтобы потом отвернуть в сторону, когда подойдут слишком близко. Уолтер, с лёгкостью описывавший поведение машин биологическими терминами, назвал это брачным танцем, в котором несчастные любовники никогда не смогут «реализовать свои ’желания’».



Оболочка черепашки нужна была не только для того, чтобы защитить её электромеханические внутренности. Если робот сталкивался с препятствием, датчик нажатия заставлял его включить задний ход и изменить направление. Таким образом робот мог изучать своё окружение, будучи, по сути, слепым.

M. speculatrix работала от аккумулятора для слухового аппарата и батарейки на 6 В. Заканчивая свои похождения из-за просевшего аккумулятора, она отправлялась в свою норку. Там она могла подключиться к контактам, отключить моторы и перезарядиться.

Элмер и Элси произвели фурор на британском фестивале 1951 года


Летом 1951 Элмер и Элси ежедневно выступали на научной выставке британского фестиваля 1951 года. Фестиваль проводился в нескольких точках по всему Соединённому Королевству, и привлёк миллионы посетителей. Черепашки приобрели огромную популярность. Посетители наблюдали за их любопытными действиями, когда те перемещались по своему загону, двигались по направлению к источникам света и от них, избегая препятствий на своём пути. Третья черепашка с прозрачным панцирем выставлялась на витрине, чтобы показать её внутреннее устройство и прорекламировать компоненты.

Пока M. speculatrix удивляла публику, Уолтер изучал следующее поколение этого вида. Элмер и Элси успешно продемонстрировали непредсказуемое поведение, которое можно было сравнить с простейшей реакцией животных на стимулы, но они не обучались на опыте. У них не было памяти, они не могли адаптироваться к окружению.

Следующую свою экспериментальную черепашку Уолтер назвал M. docilis, что на латыни значит «обучаемая», и попытался создать робота, способного имитировать условные рефлексы животных по Павлову. Русский психолог использовал собак, еду и звуки; Уолтер использовал кибернетических черепах, свет и свисток. Он обучил своих черепах M. docilis воспринимать звук свистка так же, как свет, и черепаха начинала двигаться на звук даже при отсутствии света.

Уолтер опубликовал свои открытия касательно M. docilis ещё в одной статье для Scientific American, "Обучающаяся машина". Во второй статье было много интересного для инженеров-электриков, в частности, принципиальные схемы и техническое обсуждение проблем, возникающих при создании роботов, к примеру, усиление звука свистка, необходимое из-за шума моторов.


Одна из черепашек возвращается в норку для перезарядки батарей

Мозгом M. docilis была схема CORA (COnditioned Reflex Analog, «аналог условных рефлексов»), распознававшая повторяющееся поступление одновременных сигналов по разным каналам – к примеру, свет и звук, распознаваемые одновременно. Зафиксировав определённое количество повторений, от 10 до 20 штук, CORA строила связи с итоговым поведением, которые Уолтер описывал, как условный рефлекс. CORA могла как научиться поведению, так и забыть о нём. Если оператор дразнил черепаху, не включая свет одновременно со звуком, CORA устраняла установленную связь между событиями.

В конце статьи Уолтер признал, что, хотя вполне реально провести будущие эксперименты с большим количеством схем и входных сигналов, ценой усложнения станет уменьшение стабильности. В итоге учёные поняли, что моделировать поведение и разбираться в реакциях на несколько стимулов – задача слишком сложная.

После создания CORA Уолтер прекратил эксперименты с роботизированными черепахами, и никто не стал продолжать его исследования. Как отметил историк Эндрю Пикеринг в своей книге 2009 года «Кибернетический мозг», «CORA остаётся неизученным ресурсом в истории кибернетики».

Наследие Уолтера живо в его черепахах. Рубен Хоггет собрал ценнейшую коллекцию архивных сведений о черепахах Уолтера, которую можно найти на его сайте "Кибернетический зоопарк". Трёх черепах с британского фестиваля продали на аукционе, и их новый владелец Вес Клаттербак дал им имена Сло, Мо и Шан. Две черепахи затем были уничтожены пожаром, но ту, у которой был прозрачный панцирь, семья Клаттербака пожертвовала Смитсоновскому институту. Вторая из доживших до наших дней черепах из первой шестёрки, созданной «Зайкой» Уорреном, хранится в Музее науки в Лондоне. Сейчас она выставляется в галерее «Сотворение современного мира».
Tags:
Hubs:
If this publication inspired you and you want to support the author, do not hesitate to click on the button
+11
Comments 2
Comments Comments 2

Articles