[Solano]

МАШИНКИ БРАЙТЕНБЕРГА -
АВТОМАТЫ С СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПСИХОЛОГИЕЙ

Пользуясь лишь элементарными механизмами и электрическими устройствами, управляемыми простейшими схемами, можно имитировать поведение, в котором, по мнению Брайтенберга, проявляется любовь, агрессия, страх и предвидение.

Интерес к нейронным моделям как в плане имитации живых существ, так и в плане изучения их возможностей как вычислительных систем остается по прежнему устойчивым.


Широкая равнина жужжит сотнями машинок с моторчиками. Одни скапливаются у основания гигантских лампочек, другие ищут себе места потемнее или же нерешительно слоняются между светом и тенью. Что это за страна, какой безумный мир?

Этот мир можно назвать миром синтетической психологии. Изобрел его Валентино Брайтенберг (Valentino Braitenberg), пофессор Института биологической кибернетики им. Макса Планка в Тюбингене (Max Planck Institute for Biological Cybernetics). Тезис Брайтенберга о том, что биологическое поведение легче синтезировать, чем анализировать, наглядно иллюстрируется машинками, населяющими широкую равнину. Пользуясь лишь элементарными механизмами и электрическими устройствами, управляемыми простейшими схемами, можно имитировать поведение, в котором, по мнению Брайтенберга, проявляется любовь, агрессия, страх и предвидение. Полное описание эксперимента Брайтенберга можно найти в его небольшой занятной книжке под названием "Машинки: эксперименты по синтетической психологии" (V. Braitenberg "Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology", A Bradford Book / The MIT Press, 1984).

Но перед тем как отправиться в мир машинок Брайтенберга, я хотел бы рассказать свою собственную историю, которая также иллюстрирует его тезис. Один профессор принес как-то раз на занятия по искусственному интеллекту любопытный предмет. Это был золотистый шар, который, как он заявил (конечно, в шутку), выпал прямо на его глазах из НЛО утром, как раз когда он направлялся в университетский городок. Повернувшись спиной к аудитории, он что-то покрутил, и шар начал жужжать. Когда профессор положил его на гладкий пол, шар внезапно пришел в движение и покатился, как бы по своей воле. Натолкнувшись на какое-нибудь препятствие, например ножку стула, он на мгновение останавливался, затем, объехав препятствие, продолжал свой путь. Один раз шар даже выкатился за открытую дверь. Пожужжав и потолкавшись с минуту в углу, он внезапно снова выкатился из тупика, как будто удовлетворенный результатами проведенного исследования. Читателям, возможно, будет интересно поразмыслить о том, какая таинственная сила управляла шаром, каким образом ему удавалось объезжать препятствия. Ответ будет дан через месяц, в следующем номере нашего журнала [1].

У машинок Брайтенберга есть одно общее свойство с описанным золотым шаром; лишь посвященным известно, как они работают, остальные могут только в недоумении пожимать плечами. Я взял на себя смелость несколько упростить и формализовать игру Брайтенберга, так чтобы читатели смогли присоединиться к посвященным и принять участие в приключениях.

Машинку Брайтенберга можно себе представить как игрушечный автомобиль с двумя независимыми задними ведущими колесами и двумя ведомыми передними наподобие обычных роликов (см. рисунок). Разница в скорости вращения задних колес определяет направление, в котором движется машинка.


Стандартная модель машинки.
Колеса прикреплены к платформе в виде сплошного параллелепипеда. К боковым ее граням можно прикрепить различные датчики. Электрические цепи, соединяющие датчики с задними колесами, завершают конструкцию машинки. Соединительные проводники располагаются на верхней грани платформы подобно печатной схеме. В конструкцию машинки можно включить еще одну деталь - прямоугольную крышку, закрывающую электронную схему на верхней грани. Крышка служит не для того, чтобы защитить мозг машинки от дождя (у природы синтетической психологии нет плохой погоды), а чтобы скрыть ее от любопытных глаз посторонних. Нам не хочется, чтобы все видели, как просты на самом деле наши миниатюрные схемы. Пусть непосвященные наблюдатели дадут свободу своему воображению и переберут самые фантастические версии относительно того, что "на уме" у машинок и как они работают. Не будем портить им удовольствия.

У машинки стандартной модели имеются два "глаза", или фоторецептора, с широким углом зрения, которые установлены на передней грани платформы. Каждый рецептор направлен немного в сторону от продольной оси; при таком расположении рецепторов световой источник, расположенный впереди и слева от машинки, подействует на левый рецептор сильнее, чем на правый.

Рецепторы электрически соединены с моторчиками, приводящими в движение задние колеса. Сигналы, передаваемые по соединительным линиям, представляют собой последовательности дискретных электрических импульсов. Чем больше света падает на данный рецептор, тем больше импульсов он посылает по своей выходной линии. При низких уровнях освещенности передается всего несколько импульсов в секунду. При высокой освещенности количество импульсов велико. Будем считать, что в обоих случаях импульсы посылаются с равными промежутками. На другом конце линий последовательности импульсов преобразуются в команды, управляющие работой моторчиков. Чем больше импульсов в секунду прибывает на данное колесо, тем быстрее крутит его моторчик.

В простейшей модели глаза машинки непосредственно соединяются двумя линиями с задними колесами. Возможны два варианта: либо проводники перекрещены, либо - нет. В последнем случае каждый проводник соединяет глаз с колесом, находящимся по ту же сторону от продольной оси. Что произойдет, если поставить такую машинку посреди бесконечной темной равнины, местами освещенной ярко горящими лампочками? Если машинка окажется поблизости от одной из лампочек и будет ориентирована передом к ней, она сразу придет в движение и немедленно начнет поворачивать в сторону от света, как бы напуганная его яркостью. Такая "боязливая" машинка, постепенно замедляясь, убежит в темноту; далее она будет медленно ползать по равнине, избегая ярко освещенных мест. Когда машинка окажется между двумя близко расположенными лампочками, она стремительно разгонится и, подобно испуганному кролику, поспешит выйти из этого неприятного и опасного места.

Такое поведение машинки, возможно, озадачит постороннего наблюдателя, однако оно имеет очень простое объяснение. Если впереди по ходу машинки, например слева, появляется источник света, ее левый глаз получит больше света, чем правый. Следовательно, левый моторчик будет вращаться быстрее, чем правый: машинка начнет разворачиваться вправо, удаляясь от источника света. Если источник света появится справа, машинка повернет влево, в сторону от источника. Как только источник света пропадает из поля зрения машинки, она тут же замедляет движение и ее скорость уже регулируется средней освещенностью, создаваемой удаленными источниками.

Прямые (слева) и перекрещивающиеся (справа) соединения приводят к разному поведению.

Ну а как будет вести себя машинка с перекрещенными проводниками? Ее поведение будет противоположным. Если поставить такую машинку на большом удалении от всех лампочек, она начнет медленно двигаться по направлению к той лампочке, свет которой доминирует в ее поле зрения. По мере приближения к лампочке машинка будет двигаться все быстрее и быстрее. Наконец, на самой высокой скорости она врежется в лампочку и разобьет ее. Не покажется ли постороннему наблюдателю, что машинка с перекрещенными проводниками ведет себя агрессивно?

В отсутствие каких-либо электронных устройств между рецепторами и моторами эти две описанные машинки фактически исчерпывают весь доступный репертуар поведения. Чтобы добиться более сложного поведения, нужно ввести устройство, подобное так называемому абстрактному нейрону. Назовем его нейродом, чтобы не путать с настоящим нейроном.