Грей Уолтер – выдающийся исследователь человеческого мозга, он около 30 лет возглавлял Международную федерацию электроэнцефалографии (ЭЭГ) и клинической нейрофизиологии. Еще будучи молодым исследователем, Уолтер усовершенствовал технику ЭЭГ, открыл и описал дельта- и тета-ритмы человеческого мозга и внес огромный вклад в развитие современной нейрофизиологии.

Изучая человеческий мозг и механизмы управления поведения человека, Грей поставил и успешно решил задачу построения простой электромеханической модели, которая имитировала поведение живого существа. 

«Модель должна напоминать животное не по внешнему виду, а по действию, – объяснял он, – и поэтому в той или иной мере обладать следующими свойствами: способностью к исследованию, любознательностью, свободой воли в смысле невозможности предсказать ее поведение, способностью отыскивать цель… Она должна обладать и элементами социального приспособления. Такова жизнь!»

Черепашка по имени Элмер

Вторая мировая война принесла чудовищные разрушения в Европе, однако дала и мощный толчок развитию новых технологий в области управления сложными социо-техническими системами. Ноберт Винер в 1948 году опубликовал «Кибернетику» и новая наука начала победное шествие, объединяя специалистов в различных областях знаний. Молодые энтузиасты кибернетики не могли остаться в стороне и в Университет Кембриджа был создан неформальный клуб Ratio Club, который объединил 22 молодых ученых в области психологии, психиатрии, нейрофизиологии, математики и электроники. Многие участники семинаров Ratio Club стали знаменитыми учеными, сформировали важнейшие направления современной науки.

Одним из организаторов и активных участников клуба стал Грей Уолтер. Его интересовали нейрофизиологические механизмы поведения животных. Как животное реагирует на внешнюю среду и как принимает решения? Для решения этой проблемы он решил построить кибернетическую модель – черепашку, которая сама находила путь к свету, объезжая препятствия, и самостоятельно могла найти зарядные устройство для своей батареи. Это был первый мобильный автономный робот, который получил имя Элмер, т.е. просто ЭЛектроМЕханический Робот. Весной 1949 года была построена его подруга Элси. Трехколесный аппарат, покрытый сверху защитным металлическим панцирем как черепаха, из которого наверху выступал датчик света, приводился в движение двумя электродвигателями, которыми управляли электрическая схема из двух радиоламп и реле. 

Схема моделировала работу двух взаимосвязанных нейронов. В качестве органов чувств у робота был фотоэлемент, реагирующий на освещение и контактный выключатель, посылающий сигнал о столкновении с препятствием и необходимости изменения направления движения черепашки. Эта простая электронная модель привела к возникновению нескольких сложных поведенческих патернов робота. При низкой освещённости черепашка двигалась по дуге и фотоэлемент сканировал окружающее пространство. В случае обнаружения источника света черепашка начинала двигаться к нему и демонстрировала фототропическое поведение. При обнаружении слишком яркого источника света черепашка включала поворотный двигатель и изменяла направление движения, избегая приближаться к нему и показывая в этом случае фотофобный патерн поведения. При столкновении с препятствием черепашка начинала последовательно изменять направление движения до тех пор, пока не будет успешно преодолено препятствие. На передней части панциря установлена сигнальная лампа, которая зажигалась или тухла в зависимости от состояния нейронов черепашки.

Имитация жизни

Эти два робота стали первыми представителями огромного семейства автономных роботов, которых их создатель классифицировал как Machina Speculatrix, потому что эти аппараты, подобно животным, исследовали свое окружение активно, настойчиво и систематически. Грей Уолтер исследовал их поведенческие патерны, экспериментируя со своими двухнейронными черепашками и их модификациями. Он показал, что для случая двух нейронов возможны семь типов поведения, однако с ростом числа нейронов число возможных патернов поведения экспоненциально растет. Так переход от 10 к 11 нейронам мозга черепашки увеличивает число возможных типов поведения в миллион раз!

Интерес ученых и широкой публики к роботам-черепашкам и экспериментам с ними Грея Уолтера был очень велик и уже в мае 1950 года в ведущем научно-популярном журнале Scientific American была опубликована его статья «Имитация жизни». Автор указывает на экономность модели – для двух нейронов существуют разнообразные формы поведения, которые не могут быть заранее предсказаны. Черепашки демонстрируют способность разведывать окружающий мир, их привлекает свет, но они не бросаются подобно мотылькам на яркое пламя. Сигнальная лампа на панцире позволяла черепашкам опознавать друг друга и демонстрировать коллективные формы поведения. 

Следует отметить характерное поведение черепашки перед зеркалом, которое Уолтер рассматривал как доказательство определенной степени самопознания черепашек. В 1953 году вышла научно-популярная книга Уолтера «Живой мозг», которая связала кибернетику и нейрофизиологию и вызвала интерес к роботостроению у широкой молодежной аудитории. Спустя 13 лет книга была переведена на русский язык и вышла в издательстве «Мир». Особенностью черепашек Уолтера было использование электрической аналоговой схемы для двухнейронной модели. Это задавало размеры черепашки, которая по площади занимала лист бумаги формата А4. Поэтому изучение коллективного поведения стада черепашек Уолтера из 100 голов создавало большие технические трудности. Поэтому перед исследователями коллективного поведения автономных многонейронных агентов стала задача поголовной цифровизации черепашек. Эта задача была успешно решена только через 17 лет Сеймуром Пейпертом, одним из основоположников теории искусственного интеллекта. Но об этом мы расскажем в следующей заметке.​

Александр Ильинский, 

научный руководитель факультета МЭО, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации

Источник​