Как сделать робота?

Если бы у вас был большой конструктор с достаточным количеством колес, зубчатых шестеренок, валов и других деталей, безграничный запас электронных компонентов, вы могли бы объединить все это в живого, дышащего, ходящего, говорящего робота так же хорошо, как человек во всех отношениях?

Это может звучать как один вопрос, но действительно из него вытекает много. Во-первых, возможно ли технически построить робота, который сравнится с человеком. Но есть и гораздо больший вопрос, почему вы хотите это сделать, и даже нужно ли это делать. Когда люди могут так легко воспроизводить себе подобных, почему мы хотим создать неуклюжие механические копии самих себя? И если существует на самом деле веская причина для этого, каков наилучший способ сделать это? В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое роботы, как они разработаны, и что они могут сделать для нас.

Закройте глаза и подумайте «робот». Какая картина бросается в глаза? Скорее всего, вымышленное существо, такое как R2-D2 или C-3PO из знаменитой серии фильмов, или Т-800, Т-1000 из апокалиптической серии фильмов о терминаторе, или гуманоид - человекоподобный робот с руками, ногами и головой из металла. Если вы не сталкивались с робототехникой, я сомневаюсь, что вы представили механическую змею или таракана, робота для утилизации бомбы или робота-пылесоса.

Другими словами, то, что вы изобразили, было основано, скорее всего, на научной фантастике, чем на факте, больше на воображении, чем на действительности. В научно-фантастических фильмах роботы, как правило, являются гуманоидами, реальные роботы, работающие в мире вокруг нас (например, роботизированные сварочные аппараты на заводе по сборке автомобилей), гораздо более функциональны и менее интересны. По какой-то причине, у писателей-фантастов есть одержимость роботами, которая является немного более чем ошибочной - жестянки, заменяющие людей. Возможно, это способствует лучшей читабельности, но на самом деле не отражает нынешнее состояние технологии роботов, которые могут работать вместе с людьми.

КАК ПОСТРОИТЬ РОБОТА

Если бы роботы фантастов действительно существовали, как бы их разработали? Что необходимо, чтобы сделать робота общего назначения похожим на человека?

Достаточно легко написать интересные рассказы об интеллектуальных роботах, контролирующих планету, но просто попробуйте самостоятельно разработать робота и посмотрите, как далеко вы продвинетесь. С чего же начать? На самом деле надо эту проблему разбить на более мелкие и более управляемые части. По сути, есть три проблемы, которые нам необходимо решить: как научить нашего робота

1) ощущать вещи (обнаруживать объекты в мире);

2) думать об этих вещах (более «умным» способом, что является сложной проблемой);

3) действовать на них (перемещать или иным образом физически реагировать на то, что он обнаруживает и о чем он думает).

В психологии (науке о человеческом поведении) и в робототехнике эти вещи называются восприятием (чувством), познанием (мышлением) и действием (движением). У некоторых роботов есть только одна или две такие способности. Например, сварочные роботы на заводах в основном касаются действий (хотя они могут иметь датчики), в то время как робот-пылесос в основном касается восприятия и действия и не имеют никакого представления о том, откуда взялся мусор и зачем его убирать именно сейчас. Как мы сейчас увидим, были долгие и оживленные дебаты о том, нужны ли роботы для познания, но большинство инженеров согласятся с тем, что машине необходимо как восприятие, так и действие, чтобы квалифицироваться как робот.

ВОСПРИЯТИЕ

Мы осознаем мир вокруг через наши пять чувств, но как насчет роботов? Как они чувствуют, что вокруг них?

ЗРЕНИЕ

Люди видят окружающие их вещи, воспринимают цвета, форму, размеры: оценки сильно различаются, но есть общее мнение, что около 25 - 60% коры головного мозга посвящено обработке изображений с наших глаз и построению их в трехмерную визуальную модель мира. Сейчас машинное зрение действительно довольно простое: все, что вам нужно сделать, чтобы дать роботу глаза, - это приклеить пару цифровых камер к голове. Но восприятие машины - понимание того, что видит камера (образец оранжевого или черного цвета), то, что она представляет (например, тигр), то, что означает это представление (возможность быть съеденным), и насколько это важно для вас в этот момент - почти бесконечно сложнее.

Как и другие проблемы в робототехнике, рассмотрение восприятия как теоретической проблемы (как робот видит и воспринимает мир?») гораздо сложнее, чем сделать это практически. Поэтому, если вы разрабатываете что-то вроде робота-пылесоса, вы можете потратить немало лет, мучительно глядя на то, как дать ему глаза, которые «видят» комнату и перемещают его вокруг объектов, которые она содержит. Или вы могли бы просто забыть все, о чем было сказано выше, и просто использовать чувствительный к давлению бампер. Пусть робот пробирается, пока бампер не наткнется на что-нибудь, затем остановите робота и скажите ему, чтобы он двигался в другом направлении.

Другими словами, восприятие не обязательно означает зрение. И это очень важный урок для амбициозных проектов, таких как самодвижущиеся (роботизированные) автомобили. Один из способов построить автомобиль с самообслуживанием - создать супер реалистичного робота-гуманоида и посадить его на водительское сиденье обычного автомобиля. Он будет двигаться, повторяя все те же действия, что и мы: глядя через лобовое стекло (глазами из цифровой камеры), интерпретируя то, что он видит, и управлять автомобилем своими руками и ногами. Но также можно построить самоходный автомобиль совершенно по-другому, без кого бы ни было на водительском сиденье, и именно так многие инженеры подошли к этой проблеме. Вместо глаз будем использовать такие вещи, как спутниковая навигационная система GPS , гидролокатор, радар и инфракрасные детекторы, акселерометры и любое количество других датчиков. Так создается совершенно другая картина о том, где находится автомобиль, как происходит движение по отношению к дороге и другим автомобилям, и что нужно сделать, чтобы машина была в безопасности. Водители видят своими глазами; самоходные автомобили видят своими датчиками. Мозг водителя строит движущуюся трехмерную модель дороги; автомобили с самостоятельным вождением имеют компьютеры, занимающиеся обработкой потока цифровых данных, в отличие от ментальной модели человека. Это не означает, что нет никакого сходства. Легко представить себе нейронную сеть (компьютерная модель взаимосвязанных клеток мозга, которые могут быть обучены распознавать закономерности), обрабатывающую информацию от датчиков самоходного автомобиля, чтобы распознавать ситуации, такие как, выявление надвигающейся чрезвычайной ситуации, когда дети играют в мяч рядом с дорогой и другие признаки опасности, которые автоматически распознают опытные водители.

СЛУХ

Подобно тому, как видение объектов является неправильным, когда дело доходит до машинного зрения, поэтому и другие человеческие чувства (слух, запах, вкус и прикосновение) не имеют точных копий в мире робототехники. В то время, когда человек слышит своими ушами, робот использует микрофон для преобразования звуков в электрические сигналы, которые могут обрабатываться в цифровой форме. Сравнительно просто преобразовать звуковой сигнал, проанализировать частоты, которые он содержит (например, используя математический трюк с дескремблированием, называемый преобразованием Фурье), и сравнить частоту со списком сохраненных образцов. Если частоты сигнала соответствуют образцу человеческого крика, значит, вы слышите крик, даже если вы робот и крик ничего не значит для вас.

Существует большая разница между прослушиванием простых звуков и пониманием того, что говорит вам голос, но даже эта проблема не находится за пределами возможностей машины. Компьютеры десятилетиями успешно превращают человеческую речь в узнаваемый текст; даже мой старый компьютер с простым, готовым к использованию программным обеспечением для распознавания голоса, может слушать мой голос и верно печатать мои слова на экране. Интерпретация смысла слов - это совсем другое дело - в первую очередь для начала превращаем звуки в слова.

ЗАПАХ

Вы можете подумать, что создание роботизированного носа — это скорее технический вызов, но это всего лишь вопрос создания правильного датчика. Запах представляет собой систему молекул разных химических элементов: молекулы пара из бекона, ароматных ирисов или летучих жидкостей духов дрейфуют в наши носы и связываются с рецепторами, стимулируя их электрохимически. Наш мозг делает все остальное.

У нас есть много машин, которые могут распознавать химикаты, в том числе масс-спектрометры и газовые хроматографы, но они сложны, дороги и громоздки. Тем не менее, ученые успешно создали более простые электрохимические детекторы, которые напоминают (по крайней мере, концептуально) то, как человеческий нос превращает запахи в электрические сигналы. После того, как эта работа будет выполнена, и датчик создаст образец цифровых данных, все, что у вас осталось, — это вычислительная проблема; то есть что представляет собой этот шаблон данных? Это похоже на наблюдение или слух: после того, как сигналы покинули ваши глаза, уши и достигли мозга, проблема заключается в простом распознавании образов.

ДРУГИЕ ЧУВСТВА

Осязание. Хотя у роботов уже более полувека есть оружие и примитивные манипуляторы, давая им что-то вроде рабочей человеческой руки, но реально все оказалось намного сложнее. Представьте себе робота, который может играть сонаты Бетховена, как пианист на концерте, выполнять высокоточную операцию на головном мозге, вырезать камень, как скульптор, или тысячу других вещей, которые мы, люди, можем делать помощью наших сенсорных рук. Создание робота с человеческим прикосновением неожиданно стало одной из самых интересных проблем в исследованиях робототехники.

Вкус тоже сводится просто к использованию соответствующих химических датчиков. Если вы хотите построить робота-дегустатора, то датчик pH станет хорошей отправной точкой, еще лучше в связке, с чем-то, способным измерить вязкость (как легко протекает жидкость). Опять же, если вы уже дали глаза и нос роботу, это преодолело бы долгий путь, чтобы научить его распознавать вкус, потому что в этом большую роль играет запах пищи.

Одна из вводящих в заблуждение вещей в попытке разработать робота-гуманоида заключается в том, чтобы пытаться скопировать только пяти основных человеческих чувств - и одна из великих вещей о роботах заключается в том, что они могут использовать любой датчик или детектор, который мы им встроим. Нет никакой необходимости в том, чтобы видение робота ограничивалось обычным видимым спектром света: роботы могли так же легко видеть рентгеновские лучи или инфракрасные. Роботы могут также перемещаться, как самонаводящиеся голуби, следуя за магнитным полем Земли или (еще лучше), используя GPS для отслеживания их точного положения с одного момента до другой. Зачем им передавать человеческие ограничения?

ПОЗНАНИЕ

Размышление о мышлении — это рецепт для того, чтобы совсем ничего не делать - кроме мышления; это профессиональная опасность философов. И если это звучит глупо, рассмотрите все книги и научные статьи, которые были опубликованы в области искусственного интеллекта. Британский ученый Алан Тьюринг разработал то, что теперь называется тестом Тьюринга (способ установить, является ли машина «умной») в 1950 году. С тех пор психологи, философы и ученые-компьютерщики борются с определениями «интеллекта». Но это не приблизило их к разработке интеллектуальной машины.

Как писал британский инженер Кевин Уорик около 20 лет назад в своей книге «Марш машин», «интеллект» — это человеческая концепция. У людей свои мысли и идеи, и мы уверены, что по-другому мир познавать нельзя, что по-другому обрабатывать информацию невозможно. Тесты человеческого интеллекта измеряют вашу способность хорошо выполнять тесты человеческого интеллекта и не обязательно переводятся на способность делать полезные вещи в реальном мире. Разработка компьютеров, управляемых компьютером, которые люди считают разумными, на самом деле не является целью современных исследований робототехники. Реальная задача состоит в том, чтобы производить миллионы машин, которые могут эффективно работать вместе с миллиардами людей, либо увеличивая наши способности, либо делая то, что мы просто не хотим делать; для этого нам не нужен интеллект. По мнению прагматичных инженеров, роботы должны базироваться на своих условиях в соответствии с конкретными задачами, для которых они предназначены, а не по какой-то нечеткой человеческой концепции интеллекта, предназначенной для того, чтобы льстить человеческой самооценке. Является ли робот умным? Кого это волнует, если он может выполнить поставленную задачу, может быть даже, лучше, чем человек.

ЭМОЦИОНАЛЬНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ

Независимо от того, считаются ли роботы интеллектуалами или нет, компьютеры и роботы являются практически логичными и рациональными в то время, как люди более эмоциональны и непоследовательны. Развивающиеся роботы, обладающие эмоциями, которые могут ощущать и реагировать на человеческие эмоции, - гораздо важнее, чем создание интеллектуальных машин. Вы бы предпочли, чтобы ваши коллеги были холодными, логичными, сверхразумными существами, которые могли решить любую проблему и никогда не ошибаться? Или дружелюбный, приятный человек? Большинство людей, вероятно, предпочли бы последнее, просто потому, что это располагает более эффективной совместной работе, и именно так большинство из нас обычно добивается успеха. Таким образом, разработка симпатичного робота, способного слушать, улыбаться, рассказывать анекдоты вокруг водяного кулера и сочувствовать, когда ваша жизнь ухудшается, возможно, столь же важна, как и умение. Действительно, одной из главных причин развития роботов-гуманоидов является не повторение человеческих эмоций, а создание машин, к которым люди не испытывают страха - и создание роботов, которые могут вызвать улыбку, - очень эффективный способ для этого.

Эмоции часто находятся в поле зрения наблюдателя, особенно когда речь идет о людях и машинах. Когда люди смотрят на автомобили, они склонны видеть лица (две фары как глаза, радиаторная решетка как рот) или связывают определенные эмоции с определенными цветами лакокрасочного покрытия (красный автомобиль яркий, черный темный и таинственный, серебристый один из элегантных и профессиональных). Точно так же люди проецируют чувства на роботов просто из-за того, как они выглядят или двигаются: у робота нет эмоций; эмоции, которые он вызывает, полностью в вашем уме. Робот не имеет ничего общего с человеческими эмоциями; он просто провоцирует подлинную эмоциональную реакцию у людей, и мы интерпретируем наши собственные чувства, как если бы робот тоже был эмоциональным. Другими словами, мы можем переопределить проблему создания эмоциональных роботов как создание машин, которые людей действительно волнуют.

ДЕЙСТВИЕ

Как робот движется и реагирует на мир, это самое главное. Интеллектуальные машины, которые чувствуют и думают, но не двигаются или не реагируют, вряд ли квалифицируются как роботы; они действительно просто компьютеры. Действие - гораздо более сложная проблема, чем может показаться, как у людей, так и машинах. У людей огромное количество мышц, сухожилий, костей и нервов в конечностях делают движения скоординированными, точными. Нет ничего проще, чем поднять руку, чтобы поцарапать нос - ваш мозг делает его легким, но если мы попытаемся воспроизвести такое поведение на машине, мы сразу поймем, насколько это сложно. Это одна из причин того, что до относительно недавнего времени практически все роботы передвигались на колесах, а не на ногах (колеса, как правило, быстрее и надежнее, но бесполезны при движении по пересеченной местности или лестнице).

Просто потому, что робот должен двигаться, не следует, что он обязан делать это, как человек. Заводские роботы разработаны вокруг гигантских электрических, гидравлических или пневматических рычагов, оснащенных различными инструментами, предназначенными для конкретных работ, таких как покраска, сварка или лазерная резка. Ни один человек не может поворачивать запястье на 360 градусов, но заводские роботы могут; просто нет веских оснований для введения человеческих ограничений. Действительно, нет причин, по которым роботы должны действовать (двигаться), как люди вообще. Практически любое другое животное, о котором вы можете думать, от саламандр и акул до змей и курицы, было воспроизведено в форме робота. Точно так же создание «эмоциональных роботов» (тех, к которым люди чувствуют эмоции) не обязательно должно означать создание гуманоидов.

Человеческое восприятие и познание трудны для подражания роботами, отчасти потому, что легко увязнуть в абстрактных и теоретических рассуждениях о том, что на самом деле означают эти термины. Действие - гораздо более простая проблема: нам не нужно беспокоиться об его определении так же, как мы волнуемся по поводу «интеллекта», например. По иронии судьбы, хотя мы восхищаемся замечательной грацией балерины, прыжками атлета мирового класса или кропотливой работой ремесленника, мы считаем само собой разумеющимся, что роботы смогут зацикливаться или делать вещи для нас с еще большей точностью. Как им это удается? Некоторые используют гидравлику. Большинство из них, однако, полагаются на относительно простые, гораздо более эффективные электрические шаговые двигатели и сервомоторы, которые позволяют роботу вращать свои колеса или качать его конечности с точным контролем. В отличие от людей, которые устают и совершают ошибки, роботы могут, не уставая выполнять точные действия.

Склеивание и сварка, размахивание и искрение - большинство роботов в мире — это мощные сооружения, подобные тем, которые можно увидеть на автомобильных заводах. Современные роботизированные руки имеют больше степеней свободы (их можно поворачивать по-разному), и гораздо точнее. Многие из роботов испытывают недостаток в восприятии или познании; они просто машины, которые повторяют предварительно запрограммированные действия.

Некоторые из машин, которые мы рассматриваем как роботы, не являются таковыми: они просто кажутся роботизированными (и интеллектуальными), потому что люди контролируют их удаленно. Это просто роботы с камерами и манипуляторами, которыми управляют джойстики.

НА ЧТО ПОХОЖИ РОБОТЫ

Реальные роботы делятся на две большие категории. Большинство из них - роботы, предназначенные для конкретных задач, для выполнения одной задачи и повторяющие ее снова и снова. Вряд ли есть роботы общего назначения, способные выполнять самые разнообразные задания (так, как люди - машины из плоти и крови общего назначения). Действительно, эти многоцелевые роботы по-прежнему в значительной степени ограничены лабораториями робототехники.

ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКИЕ РОБОТЫ

Если у вас есть робот в доме, скорее всего, это робот-пылесос или газонокосилка. Хотя эти машины создают впечатление, что они являются автономными и полуинтеллектуальными, они намного проще (и менее роботизированы), чем кажется. Когда вы включаете робота-пылесоса, он не имеет ни малейшего представления о комнате, которую он чистит, - насколько это важно, насколько грязно или где мебели. И, в отличие от человека, он не пытается построить себе ментальную модель комнаты. Он просто отскакивает от вещей беспорядочно и многократно, следуя идее, что если он будет делать это достаточно долго, то комната будет в итоге чистой. Есть несколько дополнительных небольших настроек, в том числе спиралевидный режим очистки на месте, который срабатывает, когда датчик обнаружения грязи обнаруживает концентрированный мусор и возможность следить за краями. Но, по сути, очищает наугад. Робот-газонокосилки работают несколько схожим образом (иногда с тросом, чтобы остановить их при удалении с заданного участка).

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ РОБОТЫ

Хотя продвинутые роботы, могут быть обучены делать много разных вещей, они по-прежнему по сути являются однодоменными машинами. Независимо от того, собирают ли они машины или перемещают ящики из одного места в другое, они предназначены только для работы на заводских полах. У нас до сих пор нет робота, который может сделать завтрак, отвезти детей в школу, поехать на работу в другое место, вернуться домой снова, убрать дом, приготовить обед.

Инженеры олицетворяют собой практический подход к робототехнике, где грандиозные планы откладываются, а роботы просто эволюционировали, поскольку их создатели выяснили лучшие способы создания с более продвинутым восприятием, познанием и действием. Это похоже на эволюцию робота снизу-вверх, то есть чтобы развить все более совершенных существ, мы начинаем с малого и далее дорабатываем и усложняем, чем подход сверху вниз, который подразумевает создание супер-робота.

БУДУЩЕЕ РОБОТОВ

Развитие роботов не остановить. Есть мнение, что люди и машины будут сливаться после того, как мы достигнем точки, называемой сингулярностью, когда мощные машины станут более умными, чем люди. Люди будут загружать свои мысли в компьютеры и жить в стальном и пластмассовом теле: машинное тело практически бессмертно.

Более прагматические, менее драматические ученые, видят более спокойную форму эволюции. Не будет революционного перехода от человека к роботу, а более умный, более плавный переход от плотских машин к гибридам, киборгам.

Будут ли роботы в итоге воевать против людей? Если мы будем создавать их на базе человеческих чувств, эмоций и интеллекта – то обязательно. Ведь в нас заложен природой эгоизм и превосходство над другими – были бы возможности. А у машины с неограниченными ресурсами они будут. Робот должен обладать собственными чертами, отличными от наших, с четким направлением функций. Просто немного более совершенный и точный инструмент для работы, тогда будет все нормально. А нам и войны с роботами ждать не надо, мы сами еще не научились жить мирно всем человечеством, поэтому говорить об этом не имеет смысла.