Текст книги "Создаем робота-андроида своими руками"

Нанотехнологии представляют собой исследования и создание объектов имеющих молекулярные или даже атомарные размеры. В настоящее время оказалось возможным создание электронных или механических компонентов на основе отдельных атомов. Подобные крошечные компоненты могут быть использованы для создания устройств размером с бактерию. Фирме IBM уже удалось создать транзисторы, проводники, рычажные механизмы и передачи на атомарном уровне.

Каким же образом можно манипулировать отдельными атомами? Для этой цели Гердом Биннигом и Хайнрихом Ререром был сконструирован специальный сканирующий туннельный микроскоп (STM), который позволил осуществить исключительно точное позиционирование области, имеющей атомарные размеры. В 1990 году инженерам IBM с помощью подобного микроскопа удалось написать название компании «IBM» на никелевой подложке с помощью всего 35 атомов ксенона. Фотография этой пластинки со словом «IBM», написанным атомами, стала мировой сенсацией и обошла страницы многих журналов и газет. Этим было положено начало эры нанотехнологий, и ее постоянное совершенствование находит все новые применения в производстве, исследованиях и медицине.

Медицинские нанороботы

Нанотехнологии могут оказать неоценимую помощь в создании нанороботов, т. е. роботов, имеющих микроскопические размеры. Представим себе робота, имеющего столь малые размеры, что он может быть непосредственно помещен в кровоток пациента. Перемещаясь по кровотоку, робот может достигнуть области сердца и начать удалять там холестериновые бляшки, восстанавливая полноценную циркуляцию крови. Другие роботы смогут отыскивать раковые опухоли и удалять в них все пораженные клетки. Некоторые пациенты, которые сейчас считаются неоперабельными, смогут быть излечены с применением нанотехнологий.

Другая надежда, возлагаемая на нанороботов, – борьба с процессами старения в организме. Интересные возможности откроются с появлением нанороботов, имеющих размеры вирусов, способных внедряться непосредственно в клетки и переводящих внутриклеточные «часы» на начало «отсчета».

Развитие нанотехнологий оказало существенное влияние на всю технологию производства роботов: как микроскопических, так и обычных, макроскопических, спектр возможностей которых неизмеримо расширился, начиная от задач уборки помещений и кончая автоматизированным производством продукции. С нанотехнологиями связаны большие надежды на производство новых высококачественных материалов и изделий с относительно низкими затратами.

Если государство оказывается вовлеченным в военный конфликт, то для достижения скорейшей победы при минимальных потерях использование роботов имеет исключительно важное значение, особенно в современных условиях. Например, использование беспилотной авиации позволяет вести наблюдение за расположением и перемещением сил противника.

Израильские военные нашли для беспилотной авиации остроумное применение. Беспилотный самолет был сконструирован так, чтобы представлять собой удобную цель для радаров. После запуска на вражескую территорию он, естественно, обнаруживался радарами, а израильтяне в свою очередь засекали местоположения этих радаров. После их уничтожения реактивные истребители могли беспрепятственно пролететь через эту территорию.

«Умные» бомбы и крылатые ракеты представляют собой другой пример «интеллектуализованных» вооружений. Мне очень нравятся три закона робототехники, придуманные Айзеком Азимовым, которые гласят, что робот никогда не может намеренно причинить вред человеку, но реальность с ее военными роботами именно такова.

В нашей мирной жизни устраиваются специальные соревнования – «войны роботов». Участники подобных соревнований создают специальных радиоуправляемых роботов разных весовых категорий и устраивают поединки один на один для определения лучшего «бойца».

Арена для подобных соревнований представляет собой ровную асфальтовую площадку размерами примерно 9 на 17 м, для безопасности болельщиков огороженную стенами высотой примерно 2,5 м. Более подробную информацию можно найти на сайте http://www.robotwars.com.

Сражения роботов оказались настолько популярными, что породили массу разновидностей подобных соревнований. Некоторые ссылки можно найти здесь:

Battlebots http://www.battlebots.com

Robotica http://tic.discovery.com/fansites/robotica/robotica.html

MicroBot Wars http://microbw.hypermart.net

Беспилотные автоматизированные летательные аппараты, как самолеты, так и дирижабли, разработанные для военного применения, могут использоваться в гражданской жизни для мониторинга уличного движения или обстановки в особо криминальных районах города. Подобные устройства могут иметь очень небольшие размеры, поскольку они не имеют пилотского места. По-видимому, использование беспилотных дирижаблей более оправдано, поскольку они являются более безопасными в эксплуатации. Понятно, что беспилотный самолет может находиться в воздухе только в движении, и ошибки в его пилотировании могут иметь катастрофические последствия, особенно в условиях плотной городской застройки. Дирижабль, в свою очередь, может перемещаться очень медленно или даже «зависать» в воздухе, обеспечивая лучшие условия для наблюдения за уличным движением, жилыми кварталами, индустриальными объектами и обстановкой в районах повышенной криминальности.

В домашнем хозяйстве роботы могут найти множество различных применений. С помощью роботов можно мыть окна и полы, делать мелкий домашний ремонт, чистить обивку мебели, стирать, готовить и выносить кошачьи экскременты. Здесь возникает интересный дискуссионный вопрос: можем ли мы считать уже присутствующие в домашнем хозяйстве посудомоечные машины, микроволновые печи, стиральные и сушильные машины роботами или они все же являются еще автоматическими машинами? Я думаю, что когда эти машины «научатся» автоматически «обеспечивать» себя работой, самостоятельно доставая продукты из холодильника для их приготовления или собирая по дому грязное белье для стирки, то они пройдут машинную стадию и превратятся в настоящих роботов.

Как принято говорить, особенно в сфере компьютерного матобеспечения, чтобы программный продукт «пошел» и приобрел популярность, необходимо найти его «убойное применение». В свое время таким компьютерным продуктом явилось создание текстовых редакторов и режима разделения страниц. Создание какого робота окажется «золотым», т. е. тем попаданием в «яблочко», которое побудит каждого к покупке такого робота, я не знаю. Но я знаю, что сфера использования роботов постоянно расширяется, и многие «экзотические» применения роботов в скором будущем станут вполне привычными с развитием их массового производства, отражающего развитие возможностей, надежд и запросов общества.

Невозможно уследить за всеми научными и технологическими разработками в области робототехники – все происходит чрезвычайно быстро. Для поиска необходимой информации лучше всего воспользоваться сетью Интернет.

Глава 2
Искусственная жизнь и искусственный интеллект

Развитие роботехники подходит к важнейшему этапу: возможности создания искусственной жизни и искусственного интеллекта.

Искусственный интеллект

Мечтой человечества является создание машины, снабженной искусственным интеллектом (ИИ), способной соперничать или даже превосходить интеллект человека. Как мне представляется, внедрение и развитие искусственного интеллекта (ИИ) в компьютерных системах наилучшим образом возможно через создание нейронных сетей. Это не совпадает с мнением других компьютерных специалистов, считающих экспертные системы и специальные системы правил под «задачу» (программы) потенциально более жизнеспособными.

Неоспоримым является тот факт, что «задачные» операционные системы (DOS, Windows, Linux и т. д.) и соответствующее им матобеспечение способны решать практически все известные на сегодня задачи. Не отрицая этого факта, замечу, что для реализации мечты о создании ИИ работа с нейронными сетями является наиболее многообещающей.

Еще совсем недавно было предсказано, что использование мощных параллельных процессоров в комбинации с нейронными сетями при использовании принципа нечеткой логики позволит смоделировать человеческий мозг в течение десяти ближайших лет. Прогноз оказался слишком оптимистичным, тем не менее определенных успехов в этом направлении удалось достичь. На рынке появилось уже второе поколение чипов, построенных по принципу нейронных сетей. Совсем недавно две компании (Intel Corp., Santa Clara, CA и Nestor Inc., Providence, RI) объединенными усилиями создали нейрочип Ni1000. Модель Ni1000, выпущенная в 1993 году, содержит 1024 искусственных нейрона. Эта интегральная схема содержит три миллиона транзисторов и способна производить 20 миллиардов двоичных операций в секунду.

Наличие сознания является проявлением внутренних процессов, протекающих в мозгу. Зарождение сознания у человека Homo sapiens явилось результатом эволюционного развития нейронных структур мозга как биологической системы. Миллиард лет назад наиболее развитой формой жизни на Земле были черви. Давайте на минуту представим себе этого доисторического червя и зададимся вопросом: мог ли зачаток (в смысле нейронной структуры) интеллекта породить некоторое рудиментарное «сознание»? Если это так, то такой «интеллект» и «сознание» оказываются похожими на работу искусственных нейронных сетей, используемых в современных суперкомпьютерах (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. График, показывающий возможности суперкомпьютера

Червь, несомненно, является живым существом, но может ли он осознавать «себя»? Или его нервная система представляет собой организованный ансамбль нейронов, воспроизводящих все ту же «начальную» запись, которая уже была заложена в нейронной структуре предков, осуществляя, таким образом, не более чем функциональный биологический автоматизм?

Такой вопрос включает в себя несколько: «Является ли интеллект сознанием?» и «Является ли сознание жизнью?» Представляется корректным говорить о том, что интеллект должен достичь определенной степени развития, «критической» массы и только в этом случае можно говорить о появлении сознания. В любом случае искусственные нейронные сети способны и в итоге достигнут уровня «сознания». Произойдет ли это через 10 лет, или через 1000 лет – это не имеет никакого значения; 1000 лет есть только миг в эволюционной истории. (Я все же надеюсь, что это произойдет через десяток лет, и мне удастся при жизни увидеть полноценный ИИ.) Интересно, когда искусственные нейронные сети обретут «сознание» и «самосознание», можно ли будет считать их живыми существами?

Искусственная жизнь

В создании искусственной жизни (ИЖ) можно выделить три основные направления исследований: создание «нейронных» роботов с автономным питанием, создание нанороботов (в том числе и с возможностью «размножения»), создание компьютерных программ (матобеспечение). Наиболее совершенным типом искусственной жизни на Земле на сегодняшний день являются компьютерные программы. Роботы, способные к самовоспроизводству, еще не изобретены, а ждать появления нанороботов придется еще достаточно долго. По этой причине остановимся сейчас только на компьютерных программах ИЖ.

В подобных программах «жизнь» существует исключительно в виде цепочек электрических импульсов, которые генерируются программой в памяти компьютера. Специалисты-компьютерщики создали массу различных программ ИЖ, моделирующих различные биологические процессы (выживание, рождение, смерть, развитие, движение, кормление, спаривание и т. д.). Некоторые из них называются «клеточная автоматизация» (кластеризация), другие имеют название «генетических» алгоритмов.

Программа клеточной автоматизации (КА) была использована для точного моделирования биологических систем и исследования характера распространения заразных заболеваний, таких как СПИД в человеческой популяции. Подобные программы также применялись для исследования эволюционных процессов, поведения колоний муравьев и пчел и множества других стохастических систем. Для генерации случайных процессов в программы были введены специальные стохастические алгоритмы. Одним из интересных применений было использование КА программ для оптимизации размеров нейронных сетей, использованных в головном компьютере. Есть надежда, что подобные программы помогут создать и «связать» большие нейронные сети для использования в суперкомпьютерах.

Генетические алгоритмы (ГА) функционируют в духе Дарвиновской теории выживания сильнейшего. Две конкурирующие ГА программы могут «встретиться» в памяти компьютера и перемешать свои двоичные коды для произведения «потомства». Если «потомок» окажется так же или более жизнеспособным по сравнению с «родителями», то, вероятнее всего, он выживет. Являются ли эти программы живыми – это, очевидно, зависит от определения жизни. Что если появятся программы, способные к саморазвитию и повышению собственного «программного» уровня? Что произойдет, когда подобные программы будут встроены в передвижных роботов? Как насчет роботов, научившихся производству себе подобных?

Наноробот представляет собой робота, имеющего размеры микроба. Фирме IBM удалось достичь определенных успехов в создании электронных и механических устройств (транзисторы и проводники), имеющих молекулярные или даже атомарные размеры. Подобные достижения вселяют уверенность в возможности создания предметов сколь угодно малых размеров, поэтому роботы размером с бактерию теоретически возможны.

Некоторые ученые предсказывают, что следующим эволюционным шагом будет возникновение жизни на основе кремния, которая заменит на планете углеродные формы жизни. То, что мы сейчас называем электронными устройствами и роботами, станут формами саморазвивающейся и саморазмножающейся силиконовой жизни.

Немного истории

Прогресс компьютерных технологий за последние пять с половиной десятилетий можно назвать ошеломляющим. Созданный в 1946 году компьютер ENIAC представлял собой целую гору электронного оборудования. При размерах 30 м в длину, 2,4 м в высоту и 0,9 м в ширину его вес доходил до 30 т. ENIAC содержал 18 тыс. электронных ламп, 70 тыс. резисторов, 10 тыс. конденсаторов, 6 тыс. переключателей и 1,5 тыс. электромагнитных реле. Производительность машины составляла 5 тыс. сложений, 357 умножений или 38 делений в секунду. Сегодня подобный компьютер образца 1946 года можно уместить на крошечной кремниевой пластинке площадью менее 5 кв. мм.

Физик Роберт Ястроу утверждал в журнале «The enchanted Loom» (New York, Simon&Shuster, 1981), что «компьютеры первого поколения были в миллиард раз «глупее» и неэффективнее человеческого разума. На сегодняшний день этот разрыв сократился более чем в тысячу раз».

Наука неослабевающими темпами стремится к созданию ИИ, и как я уже говорил, возможно, искусственный интеллект будет создан еще при нашей жизни. От точки создания ИИ всего несколько шагов до создания машинного «суперинтеллекта». Многие ученые скажут вам, что это только мечта, пытаясь удержать сладкую иллюзию о безусловном и окончательном превосходстве человеческого интеллекта. Не утешаясь подобными иллюзиями, я могу сказать, что прогресс создания ИИ непреклонно и с неослабевающим темпом становится реальностью.

Совершеннее, чем мы

Хотим ли мы как представители разумной расы создать интеллект, превосходящий наш собственный? Если думать над этой проблемой, то в долговременной перспективе он может потребоваться нам хотя бы для целей выживания. Подумайте о перспективах той страны, которая первой создаст ИИ с IQ порядка 300. Подобной машине ИИ можно поручать проблемы оздоровления национальной экономики, очистки окружающей среды, прекращения загрязнений, развития военных стратегий на случай конфликтов, осуществления медицинских и научных исследований и, конечно, создания более совершенных устройств ИИ. Возможно, что следующая теория развития Вселенной будет предложена не человеком (как в свое время это сделал Альберт Эйнштейн), а машинным ИИ.

Запертая клетка

Почему так важно создать суперинтеллект? Найдет ли человечество, в конце концов, решение этой волнующей проблемы? Возможно. Необходимость создания мощного ИИ можно проиллюстрировать одной историей, которую я услышал или прочитал. Боюсь только, что я не вспомню фамилии автора, за что приношу ему свои извинения. Если я немного исказил историю своим пересказом, то прошу прощения и за это.

В клетке находятся десять шимпанзе. Дверь клетки заперта. Чтобы догадаться, как отпереть замок и открыть дверцу клетки, требуется коэффициент интеллекта IQ порядка 90. Каждый шимпанзе, сидящий в клетке, был подвергнут тестированию и показал IQ порядка 60. Могут ли десять шимпанзе, объединив усилия, найти способ открыть дверцу клетки? Ответ однозначен – НЕТ. Интеллект не накапливается. Если бы 10 шимпанзе, действуя совместно, обладали бы суммарным интеллектом IQ равным 600, то этого было бы более чем достаточно, чтобы отпереть дверцу. Реально шимпанзе не могут этого сделать.

В реальной жизни мы сталкиваемся с проблемами, такими как загрязнение окружающей среды, экономика, заболевания, подобные раку и СПИДу, поиски долголетия, и разнообразными направлениями научного поиска, которые метафорически могут быть представлены как «сидение» в запертой клетке. С этой точки зрения создание сверхмощного ИИ представляется очевидным. Такой ИИ, возможно, найдет нужные ключи для «отпирания» подобных проблем, которые до настоящего времени остаются в принципе нерешенными. Я не думаю, что подобные возможности ИИ остаются вне сферы внимания различных государств. Возможно, что следующий «Манхэттенский проект», предпринятый в нашей стране, (я надеюсь) будет посвящен созданию суперИИ.

Мы как раса вряд ли будем довольны появлением машинного интеллекта, по сравнению с которым мы будем ощущать себя в роли шимпанзе. Научные фантасты уже в течение долгого времени описывают безумия суперкомпьютеров, имеющих ИИ. Таков компьютер HAL в романе А. Кларка «Космическая одиссея, 2001», таков центральный компьютер в «Терминаторе» и «Терминаторе II». Для всех будущих создателей ИИ, которые прочитали эту книжку, у меня есть предостережение «Не забывайте про выключатель!»

Биотехнологии

Успехи биотехнологий в скором будущем позволят нам изменять нашу генетическую основу. На основе этого станет возможным «модифицировать» наш мозг для увеличения его интеллектуальных способностей. Однако вполне возможно, что подобные генные модификации приведут к непредсказуемым последствиям для последующих поколений, которые могут быть катастрофическими. Создание суперинтеллекта на основе машины представляется более безопасным, по крайней мере, до поры до времени.

Нейронные сети – ожидания против реальности

Возможности нейронных сетей с самого момента появления были, пожалуй, излишне разрекламированы. Поэтому достаточно легко не принимать во внимание мои соображения насчет ИИ, ИЖ и нейронных сетей, собственно, как делают это многие в течение ряда лет. Хотя, правда и то, что появление «человекоподобного» интеллекта было предсказано.

Если развитие будет идти теми же темпами, что и в последние 50 лет, то, как я надеюсь, через полвека появятся системы ИИ, сравнимые с возможностями человеческого мозга.

Что такое нейронные сети?

Я описывал нейронные сети без точного определения. Сейчас я дам это определение. Нейронными сетями называются искусственные компьютерные системы (на базе аппаратного и программного обеспечения), которые функционируют и «обучаются» на основе моделей, созданных по аналогии с биологическими системами человеческого мозга. Такие сети могут быть созданы на базе аппаратно/программного обеспечения или быть чисто аппаратными. Моделирование по образцу биологических мозговых структур привело к успешному решению некоторых частных проблем, необходимых для создания ИИ, таких как машинное зрение, распознавание речи и вокализация. Нейронные сети могут быть «обучены» для осуществления распознавания образов. Они могут быть научены чтению или проверке качества продукции через визуальный контроль изделий. Одним таким примером является система Papnet, описанная в главе 1. Другие сети могут быть обучены распознаванию звуковых команд (распознавание речи) и речевому синтезу. Сети, использующие статистические методы, могут предсказывать поведение и вероятности событий в сложных нелинейных системах, основываясь на данных прошлого опыта. Такие системы способны давать динамику нефтяных цен, обеспечивать контроль электронных устройств самолета и предсказывать погоду. Нейронные системы могут также успешно применяться в анализе состояния рынка, оценивать кандидатов на ипотечные кредиты и страхование жизни, показывая лучшие результаты, чем традиционно используемые экспертные системы на основе стандартных решающих правил.