А теперь послушайте, каковы "технические характеристики" этого прибора. Приведем одни только сухие цифры, не нуждающиеся, по нашему мнению, в какомлибо "гарнире" из восхищения и восклицательных знаков.
Картинка размером 30X30 сантиметров, которая находится от вас на расстоянии 60 сантиметров, занимает на сетчатке вашего глаза площадочку в один квадратный миллиметр. Это изображение вместе с другой зрительной информацией, собираемой сетчаткой, после преобразования в совокупность электрических сигналов направляется в мозг по зрительному нерву.
Два круглых числа характеризуют, так сказать, "информационную мощность" одного глаза. Для сбора и предварительной обработки изображения он располагает ни много ни мало 100 миллионами рецепторов, а зрительный нерв (2-й по нашему списку) содержит 1 миллион нервных волокон.
На расстоянии 400 метров человек может отличить мужчину от женщины в толпе прохожих; невооруженным глазом может увидеть волосок диаметром в 0,5 микрона, то есть в 20 раз тоньше человеческого.
В течение 0,2 секунды глаз может увидеть свет слабой звезды. Порция энергии, которая при этом преобразуется на сетчатке в биоэлектрический сигнал, измеряется величиной в 3-5 квантов света. Если вам эта величина ничего не говорит, то знайте, что квант - это элементарное неделимое количество энергии, как атом - неделимое количество неживого вещества, а клетка - неделимая порция живого.
Квант энергии - много эго или мало?
Чтобы на чувствительной негативной фотопластинке появилась различимая засветка, необходимо от тысячи до 5 тысяч квантов. Чувствительность вашего глаза почти в тысячу раз больше.
При идеальных условиях глаз может различить 500 оттенков серого цвета и примерно столько же ступеней яркости чистых цветов. Невооруженным глазом человек может различить 26 тысяч цветов. Значит, в идеальном случае глаз может различить 13 миллионов цветов и оттенков. Практически эта величина снижается до 5 миллионов.
Любой объект мы обычно рассматриваем двумя глазами. Так как они расставлены (расстояние между зрачками равно 6-7 сантиметрам), го его видим одновременно под разными углами; при этом достигается эффект стереоскопичности восприятия, благодаря которому можем оценивать объемные свойства объекта и расстояния до него.
Вероятно, сказанного достаточно, чтобы по достоинству оценить зрение как наиболее эффективный источник информации о внешнем мире. Необходимо только еще помнить, что нас не смущает и динамичность этого мира. Наш глаз умеет видеть его в движении, а наш мозг умеет быстро различать и анализировать увиденное.
Что значит быстро? Во время теннисного матча шрок должен успеть увидеть и оценить действия противника, уследить за движением мяча и движениями противника до и после его удара по мячу. Только при этих условиях он может выкроить время, чтобы наметить план игры и нанести ответный удар, а игра может быть осмысленной, представлять интерес как для самих игроков, так и для зрителей.
Конечно, этот пример не служит прямым ответом на поставленный вопрос. Просто мы хотим подчеркнуть, что информационные и двигательные возможности живого организма развиты гармонично, информационные процессы протекают настолько быстро, насколько это необходимо, чтобы эффективно использовать его двигательный потенциал. Без этого он не может целесообразно действовать, не может существовать и выжить.
ИЗВНЕ И ИЗНУТРИ
Вы глубоко задумались, увлеченно следите за театральным действием, погружены в шахматную партию или в курс кибернетики - легкое прикосновение к в-ь шсму плечу, спине, ноге возвращает вас к событиям, от которых вам на время удалось отключиться. Прикосновение вы ощутили кожей, которая, можно сказать, отделяет и защищает вас от внешнего мира. Это кожа обладает тем, что называют чувством осязания, причем эго название, как мы сейчас увидим, далеко не"исчерпывает тех ощущений, какими она нас снабжает.
Чувство боли заставляет вас быстро отклониться, если наткнулись на гвоздь; ощутив ожог, вы отдергиваете руку от ручки кипящего чайника; в мороз кожа сигналит, что нужно одеться потеплее. Сотни тысяч рецепторов сообщают о потере тепла при соприкосновении с холодными предметами и о получении тепла от горячих.
В коже имеются специальные группы рецепторов, чувствительных к движениям воздуха, обдувающего тело, к прикосновениям и вибрациям, действующим на него. Их чувствительность чрезвычайно велика. Кожа покрыта пушком волос. Проведите пальцами руки, не касаясь самой кожи, по этому пушку - и почувствуете это движение пальцев. Каждый волосок передает давление на кожу, даже если оно измеряется величиной всего лишь в 0,03 грамма. Человек без особого труда ощущает разницу между гладкой поверхностью стекла и шероховатой, на которую нанесены царапины глубиной в 0,01 миллиметра. А прикрепив к ногтю иголку, может ощутить царапину или выступ размером меньше микрона. Прикасаясь пальцем к различным поверхностям, легко различает, какие они: твердые или мягкие, гладкие или грубые, сухие или влажные, скользкие или липкие. Специалисты на ощупь определяют качество тканей, бумаги. Кожа ладоней рук, ступней ног и особенно кончики пальцев необыкновенно чувствительны к вибрациям.
Самая большая кожная чувствительность к вибрациям у человека лежит в области слышимых звуков, где-то в диапазоне частот 100-200 колебаний в секунду. Проводились, причем довольно успешно, опыты с целью научить человека "слышать" кожей, то есть понимать слова и предложения, передаваемые только в виде колебаний на кончики пальцев, на грудь, на поверхность бедра.
Через кожу мы получаем такое большое количество таких различных ощущений, что было бы правильней говорить о десятке чувств осязания, чем об одном.
Звук - колебания воздуха. Слух, позволяющий человеку улавливать звуки, - такое же удивительное чувство, что и зрение и осязание. Ухо - прибор, преобразующий колебания воздуха в нервные сигналы Ухо не имеет, как глаз, радужной оболочки или века - устройств, которые бы регулировали поступление энергии во внутреннюю полость, в чувствительную область уха. Вместе с тем ухо может настраиваться на самую различную интенсивность звука.
Изображения, речь и музыка, запахи, прикосновения, царапины, синяки и шишки - непрерывный поток воздействий извне, из внешнего мира, воспринимается миллионами микроскопических приборов, связывающих с ним наш организм.
У вас заболело горло, колет где-то в боку или болит под лопаткой. Человек нагнулся и не может разогнуться, разогнулся - не может согнуться: больно!
Изнутри по своим каналам идут сигналы о нарушениях, непорядках в тех или иных системах, органах, о необходимости профилактики, защитных мер, защитных ограничений.
Да! Природа хорошо позаботилась о венце своего творения. Она оснастила человека богатым ассортиментом чувств и приборов, их обслуживающих. Их разнообразие, разрешающая способность и, главное, быстродействие таковы, что, когда нужно работать, двигаться, из-за них задержки нэ бывает. Они все время "включены" - еще до того, как вы начали двигаться, и когда движетесь, когда думаете и когда принимаете решения.
И напоследок еще несколько чисел. Наше осязание обслуживают 0,5 миллиона рецепторных клеток, болевые ощущения - 3 миллиона рецепторов, ощущение тепла - 10 тысяч, холода - 100 тысяч, обоняние - 10 миллионов, вкус - 10 миллионов. Включая зрение, насчитали около 300 миллионов чувствительных клеток, соединенных с мозгом тремя миллионами нервных волокон!
Извне и изнутри без перерыва (даже во сне вы иногда улыбаетесь или что-то говорите - нервная система полностью не выключается!) текут потоки сигналов s центральную нервную систему. Почему в ней не перепутываются цвета и запахи, музыка и царапины, зубная боль и впечатления от кинокомедии? Мы уже знаем почему. Каждое чувство имеет свой канал, свою "телеграфную линию", по которой оно передает информацию, и свою область в мозгу, куда эта информация поступает.
Ну а что там, в этой области? Увидев цветок, вы можете нагнуться и понюхать его. Информация, поступившая в глаз, вызвала мысль, спровоцировала движение, привела к получению новой информации. Отдельные участки мозга непрерывно взаимодействуют между собой. Почему там, где эти взаимодействия осуществляются, не происходит путаницы? Каков механизм мышления, механизм интеллекта, упорядочивающий его работу, позволяющий согласовывать, казалось бы, не поддающееся согласованию?
Этот механизм тоже изучен. Нервные сигналы, приходящие из всех органов чувств, из всех рецепторов и чувствительных нервных клеток, являются однотипными. Они представляют собой импульсы электрохимической природы, пробегающие по нерву с большой скоростью (100-150 метров в секунду, в зависимости от толщины нервного волокна). Каждый из таких импульсов имеет длительность порядка тысячной доли секунды. Если внешний раздражитель, воздействующий па нервную клетку, достаточно сильный, если этот раздражитель (свет, запах, звук, вкус...) действует непрерывно, меняясь или оставаясь неизменным, импульсы, оставаясь одними и теми же по величине, могут следовать по нервному волокну непрерывно, один за другим, с частотой до 300 импульсов в секунду. Если секундный промежуток разделить на 300 интервалов, то в пределах каждого интервала возможны два состояния: "есть сигнал", "нет сигнала". Можно сказать, что работа нервной системы основана на методе частотной модуляции, что по нервному волокну информация передается в дискретном двоичном коде.
В нервных клетках органов чувств осуществляется перекодирование самых различных раздражений в потоки однотипных, легко сопоставляемых между собой сигналов. Именно в этом состоит принцип действия одного из важных механизмов интеллекта живого существа.
Нам кажется, что мы мыслим полными смысла образами, а бесчисленные исследования показывают, что наш интеллект оперирует только биоэлектрическими сигналами. Ему не надо складывать вкус со звуком и цвет с запахом, и если вам иногда пытаются выдать черное за белое, то не следует думать, что это просто потому, что произошла путаница в описанном нами механизме интеллекта Хотя иногда бывает и так, но тогда путаницу называют нервным заболеванием.
Нервные клетки не только генерируют биоэлектрические сигналы. Они еще и поддаются электрическому раздражению. Свыше 30 лет назад было экспериментально доказано, что при раздражении различных участков кожи человека одними и теми же электрическими импульсами в мозгу возникают разные ощущения: тепла или холода, боли или легкого прикосновения, в зависимости от того, на какие нервные окончания оказываются воздействия, какова их интенсивность.
На вход системы подаются электрические импульсы, они системой перекодируются, посылаются в центральное устройство, там они некоторым образом обрабатываются и используются для управления исполнительными органами.
Не правда ли, прочитав эту фразу, нельзя однозначно понять, о чем здесь идет речь: о живом человеке, действиями которого управляет его естественный интеллект, или о роботе, очувствленном и управляемом искусственным интеллектом?
Какое увлекательное сходство механизмов получения, передачи и переработки информации двумя разными интеллектами - естественным и искусственным!
Какое обширное поле для смелых сопоставлений, сравнений, предложений, изобретений, фантазий! Засеянное ими, оно давало и продолжает давать самые разнообразные, подчас удивительные плоды, вплоть до фантастических рассказов, хорошо принимаемых широким кругом читателей, и предложений создать робот по образу и подобию человека.
Только, пожалуйста, не подумайте, что ЭВМ, станки с программным управлением, искусственные руки, управляемые биотоками мышц, цифровая техника - урожай, собранный на этой ниве. Сопоставления, обобщения, установления аналогий, формирование новых идей - все эти интеллектуальные категории не что иное, как продукты практики, опыта. Создание новой техники - жизненная потребность общества, ни в коей мере не следствие изящных аналогий, а причина их возникновения.
Но, конечно, когда аналогии установлены, когда правильно определены границы, в пределах которых они действуют, когда любование ими разумно сочетается с их практической апробацией - а это особенно важно, - тогда, и только тогда, аналогии, эти привлекательные плоды просвещения, оказываются действительно полезными. Особенно когда речь идет о создании робота по образу и подобию человека. Да и мы с вами на протяжении всей этой книжки обращались и будем дальше обращаться ко всяким аналогиям.
Однако сейчас нам все-таки нужно вернуться к тому важному вопросу, который был поставлен в начале этой главы: как человек строит движения и как управляет ими? Зная, как сконструированы и действуют устройства очувствления и связи, мы можем попробовать разобраться в системе управления движениями - важном механизме интеллекта.
КОЛЬЦО УПРАВЛЕНИЯ
Итак, изнутри и извне от чувствительных клеток "вверх", в мозг, текут потоки дискретных сигналов по той части нервной системы, которую называют сенсорной. А из мозга "вниз", к мышцам, также в форме дискретных сигналов, но по другой - моторной - части нервной системы текут программы управления живыми двигателями.
Система управления движениями не всегда действует по такой двухпоточной (вверх-вниз) схеме, а действуя по ней, не всегда включает в нее головной мозг. Функции, которые выполняет этот механизм интеллекта, чрезвычайно разнообразны. Поскольку мы сейчас подошли к обсуждению очень важного вопроса, не будем торопиться и прежде всего на нескольких примерах познакомимся, как этот механизм действует в различных "управленческих ситуациях".
Войдя в темную комнату, вы хотите повернуть выключатель, а вместо этого натыкаетесь на оголенные провода и мгновенно отдергиваете руку. Вы еще не успели сообразить, в чем дело, не успели подумать, как поступить, а система управления уже сработала. А что тут думать? Будешь думать, держась за оголенные провода, все равно ничего не придумаешь лучше, чем по возможности быстрее отдернуть руку!
Самое удивительное, что живая система автоматически действует именно так, как подсказал бы головной мозг, если бы до него дошел угрожающий сигнал. Но он до него не доходит, вернее, доходит, но уже после того, как совершилось действие. В спинном мозгу сенсорный тракт, по которому сигнал двигался "вверх", "закоротился" с моторным трактом, по которому возбуждение передалось "вниз", на мышцы руки, вызвало их сокращение, рука отдернулась.
Когда вы приходите на медицинский осмотр и попадаете в кабинет невропатолога, он велит вам сесть на стул и положить ногу на ногу. Затем берет небольшой молоточек и слегка ударяет им по колену. Даже если вы уже бывали в этом кабинете и знаете, что произойдет, все равно голень дернется раз и два; сколько раз ударят, столько раз дернется. Врач-невропатолог по известному уже вам способу проверяет, в порядке ли ваши рефлексы.
Если сигналы, приходящие из органов чувств, настолько просты, что нужная, например защитная, реакция организма не требует прямого участия мозга, то система управления срабатывает по варианту, обеспечивающему максимальное быстродействие: тревожный сигнал проходит по минимально необходимому пути (только до спинного мозга, а ведь он конструктивно расположен ниже головного, то есть ближе к "периферии", к мышцам, к двигательной системе), а главное, не тратится драгоценное время на обработку информации, принятие решения. Ведь в данном случае не ставится задача отдернуть руку на такое-то расстояние, с такой-то скоростью, в точно таком-то направлении и т. д. Единственно, что требуется сделать, причем самым срочным образом, это отдернуть руку - подальше и побыстрей.
Такие реактивные движения, совершающиеся без непосредственного участия головного мозга, выполняемые автоматически, называются рефлекторными.
Рефлекторные движения далеко не единственные, в процессе которых система управления действует автоматически. Дело в том, что работой многих мышц нашего тела мы вообще не можем распоряжаться по собственному произволу, они сокращаются и расслабляются автоматически, причем ими управляет специальная нервная система. Эти мышцы, образующие так называемую гладкую мускулатуру, обслуживают многие органы тела, а также кровеносные сосуды. Они периодически сужают и расширяют артерии, помогая сердцу проталкивать кровь, обеспечивают действие пищеварительного тракта, в общем, выполняют всю работу, требующую автоматических движений, управление которыми совершается по значительно более сложной схеме по сравнению с рефлекторными движениями.
Рассматривая устройство глаза, мы мельком упомянули, что происходит, когда меняется освещенность и в глаз поступает то много, то мало света. При этом меняется размер зрачка: много света - зрачок сужается, мало света - зрачок расширяется. Глаз приспосабливается, как говорят, адаптируется, к различным условиям освещенности. Как?
В радужную оболочку глаза "встроены" две мышцы, расширяющие и сужающие зрачок, который выполняет роль диафрагмы оптической системы. Система управления этими мышцами тоже действует автоматически, и это тоже не простые рефлекторные движения. Сужение и расширение зрачка точно согласовываются с освещенностью рассматриваемого объекта. Сигналом управления в этой системе служит разность между количеством света, поступающего в глаз, и тем его количеством, при котором изображение на сетчатке получается "самым хорошим" для его перекодирования и посылки в мозг. Конечно, выражение "самым хорошим"
не очень четко определяет характеристики управляющего сигнала. Но здесь мы не будем пытаться вникать во все тонкие вопросы работы живых механизмов. Иначе мы не скоро доберемся до того, что нас непосредственно интересует, до механизмов управления произвольными движениями.
Мы живем и работаем в динамичном мире, в котором непрерывно происходят самые разнообразные изменения. Свет сменяет тьму, тепло сменяет холод. Люди взбираются на горные вершины, летят в космос, опускаются в глубины океана, оказываются в самых различных условиях; а если они живут на одном месте, то и там часто меняются влажность воздуха, температура, атмосферное давление. Все эти изменения влияют на состояние и функционирование живого организма.
Конечно, цивилизация, обувь, одежда и зонтики, различные технические средства уменьшают эффект этих влияний, но не могут их устранить. И живой организм вынужден приспосабливаться, адаптироваться. Он буквально насыщен самыми различными адаптивными системами, реагирующими на изменения освещенности, температуры, атмосферного давления, на самые разные изменения, происходящие вне и внутри тела. Забота всех этих систем нацелена на одно - не допустить конфликта между организмом и окружающей средой, помочь организму приспособиться, адаптироваться к изменчивым внешним условиям, сохраняя на некотором постоянном уровне функционирование всех органов тела.
Любая адаптивная система, в том числе система, диафрагмирующая зрачок, работает по замкнутой схеме. Взаимодействие частей этой системы носит двусторонний характер: сокращение или расслабление мышцы изменяет величину потока света, поступающего в глаз, а изменение потока света, в свою очередь, воздействует на уровень возбуждения мышцы. Это известная в теории автоматического управления система с обратной связью, нашедшая широкое применение в самых разных технических устройствах, системах автоматизации, автоматах, роботах.
Опять аналогии, опять сходство между человеком и автоматом, теперь уже касающееся не того, как организованы потоки информации, а того, как они действуют вместе, в единой системе управления. Это сходство глубже, оно относится к более сложным механизмам интеллекта, и понятно, что к этим интересным, важным и полезным аналогиям надо относиться еще более серьезно и вдумчиво.
По подобной же схеме с обратной связью действует система управления произвольными движениями, теми движениями, программы которых мы намечаем в соответствии с нашими намерениями, желаниями, трудовыми обязанностями. Именно она нас интересует в первую очередь.
Водитель такси непрерывно следит за ситуацией, что складывается в пути, в соответствии с ней намечает наилучшую траекторию и скорость движения и управляет машиной так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. Мозг человека - руки - машина глаза - мозг - вот действующая в этом случае система управления, замкнутая в кольцо.
Половину этого кольца составляют мозг - руки - машина. Если вам кажется, что этой половины достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления, то попробуйте предложить самому опытному водителю проехать 200-300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину, чтобы компенсировать влияние на движение машины неровностей шоссе, неравномерности нагружения колес, колебаний машины и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые непрерывно возникают при движении машины
И водитель непрерывно сравнивает желаемое с действительным и непрерывно вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования. Нет, без второй половины кольца управления, которую образуют машина - глаз - мозг, обойтись нельзя!
ТАЙМ-АУТ
Мы опасаемся, что некоторые читатели будут несколько разочарованы содержанием этой главы.
"Ну вот, - скажут они, - назвали ее "Механизмы интеллекта", а о самом главном, самом интересном ничего так и не сказали. Нет, конечно, кое-что есть о механизмах интеллекта Мы это понимаем! Органы чувств - это приборы нашего интеллекта; механизмы их действия - это, конечно, механизмы интеллекта.
И дискретный биоэлектрический код, в котором передаются все сообщения из органов чувств в мозг, код, в котором работает центральная нервная система, в котором она формирует программы работы мышц и желез нашего тела, в котором эти программы направляются во все исполнительные органы, в котором исполнительные органы по обратным связям информируют мозг о выполнении программ. - это тоже очень важный механизм интеллекта. И системы управления: разомкнутые и замкнутые обратными связями, адаптивные и произвольные, подчиняющиеся нашим желаниям и намерениям, - это тоже механизмы интеллекта. Это понятно, но не об этом речь! Речь, извините, идет совсем о другом. Ведь в этой главе вы, авторы, до человека фактически не дошли или почти не дошли!
Если говорить об органах чувств, то ими оснащено любое животное! Причем по техническим характеристикам органы чувств животных подчас даже превосходят органы чувств людей. Например, не каждый человек обладает хорошим, музыкальным слухом, а..почти каждая дворняга им обладает в совершенстве, да еще умеет превосходно ориентировать свой слуховой аппарат. Найдите-ка человека, который умел бы так шевелить ушами, как это умеет любой щенок. Острота зрения птиц намного превосходит остроту человеческого зрения. И так далее. Тут царю природы нечем похвалиться или отличиться, тут не проявляются его особые человеческие качества.
Биоэлектрический код? В нем тоже нет ничего оригинального. Что любая живая ткань электрически активна, способна генерировать биоэлектричество, известно еще со времен Луиджи Гальвани, итальянского ученого, проживавшего без малого двести лет назад. Причем это свое известное открытие он сделал на основании изучения не человека а простой лягушки. В биоэлектрическом коде действуют все системы любого животного! Так чем здесь может похвастаться человек?
Наконец, системы управления. Ведь все системы, о которых шла речь в этой главе, можно обнаружить не только у человека, но и у любого другого животного.
Рефлексы свойственны любому таракану; адаптивные и приспособительные механизмы - неотъемлемые свойства интеллекта любого животного; внутри любого животного происходят автоматические процессы и движения, любое животное многими движениями управляет в определенном смысле произвольно. Значит, и здесь вы, авторы, ничего нового не рассказали?
А ведь ваша книжка посвящена робототехнике.
И вы сами все время утверждаете, что робот - это в каком-то смысле копия человека. Человека, а не рядового животного!
Вы сами сказали, что человеку свойственны три главные особенности, три главных умения, которые только и интересуют робототехнику, - умения двигаться, чувствовать и мыслить!
Вы нам рассказали о первых двух умениях, о том, как человек движется, и о том, как устроены и действуют приборы, обслуживающие его органы чувств. Это г.се нам было понятно и даже, может быть, интересно.
Но вот вы дошли до умения человека мыслить, до главных механизмов его интеллекта, и здесь почему-то ваш рассказ оказался сильно укороченным. Ведь мы надеялись дальше узнать о самом главном и интересном.
О наших человеческих чувствах и наших человеческих качествах. Не только о зрении, осязании, слухе, хотя мы понимаем, что для робототехники это важно! Мы ждали рассказа еще и о других чувствах, чисто человеческих, о чувствах добра и зла, любви и ненависти, мести и благодарности, зависти и ярости. Мы ждали рассказа о благородстве и порядочности, о находчивости и рассеянности, о рассудительности и гордости.
Картинка размером 30X30 сантиметров, которая находится от вас на расстоянии 60 сантиметров, занимает на сетчатке вашего глаза площадочку в один квадратный миллиметр. Это изображение вместе с другой зрительной информацией, собираемой сетчаткой, после преобразования в совокупность электрических сигналов направляется в мозг по зрительному нерву.
Два круглых числа характеризуют, так сказать, "информационную мощность" одного глаза. Для сбора и предварительной обработки изображения он располагает ни много ни мало 100 миллионами рецепторов, а зрительный нерв (2-й по нашему списку) содержит 1 миллион нервных волокон.
На расстоянии 400 метров человек может отличить мужчину от женщины в толпе прохожих; невооруженным глазом может увидеть волосок диаметром в 0,5 микрона, то есть в 20 раз тоньше человеческого.
В течение 0,2 секунды глаз может увидеть свет слабой звезды. Порция энергии, которая при этом преобразуется на сетчатке в биоэлектрический сигнал, измеряется величиной в 3-5 квантов света. Если вам эта величина ничего не говорит, то знайте, что квант - это элементарное неделимое количество энергии, как атом - неделимое количество неживого вещества, а клетка - неделимая порция живого.
Квант энергии - много эго или мало?
Чтобы на чувствительной негативной фотопластинке появилась различимая засветка, необходимо от тысячи до 5 тысяч квантов. Чувствительность вашего глаза почти в тысячу раз больше.
При идеальных условиях глаз может различить 500 оттенков серого цвета и примерно столько же ступеней яркости чистых цветов. Невооруженным глазом человек может различить 26 тысяч цветов. Значит, в идеальном случае глаз может различить 13 миллионов цветов и оттенков. Практически эта величина снижается до 5 миллионов.
Любой объект мы обычно рассматриваем двумя глазами. Так как они расставлены (расстояние между зрачками равно 6-7 сантиметрам), го его видим одновременно под разными углами; при этом достигается эффект стереоскопичности восприятия, благодаря которому можем оценивать объемные свойства объекта и расстояния до него.
Вероятно, сказанного достаточно, чтобы по достоинству оценить зрение как наиболее эффективный источник информации о внешнем мире. Необходимо только еще помнить, что нас не смущает и динамичность этого мира. Наш глаз умеет видеть его в движении, а наш мозг умеет быстро различать и анализировать увиденное.
Что значит быстро? Во время теннисного матча шрок должен успеть увидеть и оценить действия противника, уследить за движением мяча и движениями противника до и после его удара по мячу. Только при этих условиях он может выкроить время, чтобы наметить план игры и нанести ответный удар, а игра может быть осмысленной, представлять интерес как для самих игроков, так и для зрителей.
Конечно, этот пример не служит прямым ответом на поставленный вопрос. Просто мы хотим подчеркнуть, что информационные и двигательные возможности живого организма развиты гармонично, информационные процессы протекают настолько быстро, насколько это необходимо, чтобы эффективно использовать его двигательный потенциал. Без этого он не может целесообразно действовать, не может существовать и выжить.
ИЗВНЕ И ИЗНУТРИ
Вы глубоко задумались, увлеченно следите за театральным действием, погружены в шахматную партию или в курс кибернетики - легкое прикосновение к в-ь шсму плечу, спине, ноге возвращает вас к событиям, от которых вам на время удалось отключиться. Прикосновение вы ощутили кожей, которая, можно сказать, отделяет и защищает вас от внешнего мира. Это кожа обладает тем, что называют чувством осязания, причем эго название, как мы сейчас увидим, далеко не"исчерпывает тех ощущений, какими она нас снабжает.
Чувство боли заставляет вас быстро отклониться, если наткнулись на гвоздь; ощутив ожог, вы отдергиваете руку от ручки кипящего чайника; в мороз кожа сигналит, что нужно одеться потеплее. Сотни тысяч рецепторов сообщают о потере тепла при соприкосновении с холодными предметами и о получении тепла от горячих.
В коже имеются специальные группы рецепторов, чувствительных к движениям воздуха, обдувающего тело, к прикосновениям и вибрациям, действующим на него. Их чувствительность чрезвычайно велика. Кожа покрыта пушком волос. Проведите пальцами руки, не касаясь самой кожи, по этому пушку - и почувствуете это движение пальцев. Каждый волосок передает давление на кожу, даже если оно измеряется величиной всего лишь в 0,03 грамма. Человек без особого труда ощущает разницу между гладкой поверхностью стекла и шероховатой, на которую нанесены царапины глубиной в 0,01 миллиметра. А прикрепив к ногтю иголку, может ощутить царапину или выступ размером меньше микрона. Прикасаясь пальцем к различным поверхностям, легко различает, какие они: твердые или мягкие, гладкие или грубые, сухие или влажные, скользкие или липкие. Специалисты на ощупь определяют качество тканей, бумаги. Кожа ладоней рук, ступней ног и особенно кончики пальцев необыкновенно чувствительны к вибрациям.
Самая большая кожная чувствительность к вибрациям у человека лежит в области слышимых звуков, где-то в диапазоне частот 100-200 колебаний в секунду. Проводились, причем довольно успешно, опыты с целью научить человека "слышать" кожей, то есть понимать слова и предложения, передаваемые только в виде колебаний на кончики пальцев, на грудь, на поверхность бедра.
Через кожу мы получаем такое большое количество таких различных ощущений, что было бы правильней говорить о десятке чувств осязания, чем об одном.
Звук - колебания воздуха. Слух, позволяющий человеку улавливать звуки, - такое же удивительное чувство, что и зрение и осязание. Ухо - прибор, преобразующий колебания воздуха в нервные сигналы Ухо не имеет, как глаз, радужной оболочки или века - устройств, которые бы регулировали поступление энергии во внутреннюю полость, в чувствительную область уха. Вместе с тем ухо может настраиваться на самую различную интенсивность звука.
Изображения, речь и музыка, запахи, прикосновения, царапины, синяки и шишки - непрерывный поток воздействий извне, из внешнего мира, воспринимается миллионами микроскопических приборов, связывающих с ним наш организм.
У вас заболело горло, колет где-то в боку или болит под лопаткой. Человек нагнулся и не может разогнуться, разогнулся - не может согнуться: больно!
Изнутри по своим каналам идут сигналы о нарушениях, непорядках в тех или иных системах, органах, о необходимости профилактики, защитных мер, защитных ограничений.
Да! Природа хорошо позаботилась о венце своего творения. Она оснастила человека богатым ассортиментом чувств и приборов, их обслуживающих. Их разнообразие, разрешающая способность и, главное, быстродействие таковы, что, когда нужно работать, двигаться, из-за них задержки нэ бывает. Они все время "включены" - еще до того, как вы начали двигаться, и когда движетесь, когда думаете и когда принимаете решения.
И напоследок еще несколько чисел. Наше осязание обслуживают 0,5 миллиона рецепторных клеток, болевые ощущения - 3 миллиона рецепторов, ощущение тепла - 10 тысяч, холода - 100 тысяч, обоняние - 10 миллионов, вкус - 10 миллионов. Включая зрение, насчитали около 300 миллионов чувствительных клеток, соединенных с мозгом тремя миллионами нервных волокон!
Извне и изнутри без перерыва (даже во сне вы иногда улыбаетесь или что-то говорите - нервная система полностью не выключается!) текут потоки сигналов s центральную нервную систему. Почему в ней не перепутываются цвета и запахи, музыка и царапины, зубная боль и впечатления от кинокомедии? Мы уже знаем почему. Каждое чувство имеет свой канал, свою "телеграфную линию", по которой оно передает информацию, и свою область в мозгу, куда эта информация поступает.
Ну а что там, в этой области? Увидев цветок, вы можете нагнуться и понюхать его. Информация, поступившая в глаз, вызвала мысль, спровоцировала движение, привела к получению новой информации. Отдельные участки мозга непрерывно взаимодействуют между собой. Почему там, где эти взаимодействия осуществляются, не происходит путаницы? Каков механизм мышления, механизм интеллекта, упорядочивающий его работу, позволяющий согласовывать, казалось бы, не поддающееся согласованию?
Этот механизм тоже изучен. Нервные сигналы, приходящие из всех органов чувств, из всех рецепторов и чувствительных нервных клеток, являются однотипными. Они представляют собой импульсы электрохимической природы, пробегающие по нерву с большой скоростью (100-150 метров в секунду, в зависимости от толщины нервного волокна). Каждый из таких импульсов имеет длительность порядка тысячной доли секунды. Если внешний раздражитель, воздействующий па нервную клетку, достаточно сильный, если этот раздражитель (свет, запах, звук, вкус...) действует непрерывно, меняясь или оставаясь неизменным, импульсы, оставаясь одними и теми же по величине, могут следовать по нервному волокну непрерывно, один за другим, с частотой до 300 импульсов в секунду. Если секундный промежуток разделить на 300 интервалов, то в пределах каждого интервала возможны два состояния: "есть сигнал", "нет сигнала". Можно сказать, что работа нервной системы основана на методе частотной модуляции, что по нервному волокну информация передается в дискретном двоичном коде.
В нервных клетках органов чувств осуществляется перекодирование самых различных раздражений в потоки однотипных, легко сопоставляемых между собой сигналов. Именно в этом состоит принцип действия одного из важных механизмов интеллекта живого существа.
Нам кажется, что мы мыслим полными смысла образами, а бесчисленные исследования показывают, что наш интеллект оперирует только биоэлектрическими сигналами. Ему не надо складывать вкус со звуком и цвет с запахом, и если вам иногда пытаются выдать черное за белое, то не следует думать, что это просто потому, что произошла путаница в описанном нами механизме интеллекта Хотя иногда бывает и так, но тогда путаницу называют нервным заболеванием.
Нервные клетки не только генерируют биоэлектрические сигналы. Они еще и поддаются электрическому раздражению. Свыше 30 лет назад было экспериментально доказано, что при раздражении различных участков кожи человека одними и теми же электрическими импульсами в мозгу возникают разные ощущения: тепла или холода, боли или легкого прикосновения, в зависимости от того, на какие нервные окончания оказываются воздействия, какова их интенсивность.
На вход системы подаются электрические импульсы, они системой перекодируются, посылаются в центральное устройство, там они некоторым образом обрабатываются и используются для управления исполнительными органами.
Не правда ли, прочитав эту фразу, нельзя однозначно понять, о чем здесь идет речь: о живом человеке, действиями которого управляет его естественный интеллект, или о роботе, очувствленном и управляемом искусственным интеллектом?
Какое увлекательное сходство механизмов получения, передачи и переработки информации двумя разными интеллектами - естественным и искусственным!
Какое обширное поле для смелых сопоставлений, сравнений, предложений, изобретений, фантазий! Засеянное ими, оно давало и продолжает давать самые разнообразные, подчас удивительные плоды, вплоть до фантастических рассказов, хорошо принимаемых широким кругом читателей, и предложений создать робот по образу и подобию человека.
Только, пожалуйста, не подумайте, что ЭВМ, станки с программным управлением, искусственные руки, управляемые биотоками мышц, цифровая техника - урожай, собранный на этой ниве. Сопоставления, обобщения, установления аналогий, формирование новых идей - все эти интеллектуальные категории не что иное, как продукты практики, опыта. Создание новой техники - жизненная потребность общества, ни в коей мере не следствие изящных аналогий, а причина их возникновения.
Но, конечно, когда аналогии установлены, когда правильно определены границы, в пределах которых они действуют, когда любование ими разумно сочетается с их практической апробацией - а это особенно важно, - тогда, и только тогда, аналогии, эти привлекательные плоды просвещения, оказываются действительно полезными. Особенно когда речь идет о создании робота по образу и подобию человека. Да и мы с вами на протяжении всей этой книжки обращались и будем дальше обращаться ко всяким аналогиям.
Однако сейчас нам все-таки нужно вернуться к тому важному вопросу, который был поставлен в начале этой главы: как человек строит движения и как управляет ими? Зная, как сконструированы и действуют устройства очувствления и связи, мы можем попробовать разобраться в системе управления движениями - важном механизме интеллекта.
КОЛЬЦО УПРАВЛЕНИЯ
Итак, изнутри и извне от чувствительных клеток "вверх", в мозг, текут потоки дискретных сигналов по той части нервной системы, которую называют сенсорной. А из мозга "вниз", к мышцам, также в форме дискретных сигналов, но по другой - моторной - части нервной системы текут программы управления живыми двигателями.
Система управления движениями не всегда действует по такой двухпоточной (вверх-вниз) схеме, а действуя по ней, не всегда включает в нее головной мозг. Функции, которые выполняет этот механизм интеллекта, чрезвычайно разнообразны. Поскольку мы сейчас подошли к обсуждению очень важного вопроса, не будем торопиться и прежде всего на нескольких примерах познакомимся, как этот механизм действует в различных "управленческих ситуациях".
Войдя в темную комнату, вы хотите повернуть выключатель, а вместо этого натыкаетесь на оголенные провода и мгновенно отдергиваете руку. Вы еще не успели сообразить, в чем дело, не успели подумать, как поступить, а система управления уже сработала. А что тут думать? Будешь думать, держась за оголенные провода, все равно ничего не придумаешь лучше, чем по возможности быстрее отдернуть руку!
Самое удивительное, что живая система автоматически действует именно так, как подсказал бы головной мозг, если бы до него дошел угрожающий сигнал. Но он до него не доходит, вернее, доходит, но уже после того, как совершилось действие. В спинном мозгу сенсорный тракт, по которому сигнал двигался "вверх", "закоротился" с моторным трактом, по которому возбуждение передалось "вниз", на мышцы руки, вызвало их сокращение, рука отдернулась.
Когда вы приходите на медицинский осмотр и попадаете в кабинет невропатолога, он велит вам сесть на стул и положить ногу на ногу. Затем берет небольшой молоточек и слегка ударяет им по колену. Даже если вы уже бывали в этом кабинете и знаете, что произойдет, все равно голень дернется раз и два; сколько раз ударят, столько раз дернется. Врач-невропатолог по известному уже вам способу проверяет, в порядке ли ваши рефлексы.
Если сигналы, приходящие из органов чувств, настолько просты, что нужная, например защитная, реакция организма не требует прямого участия мозга, то система управления срабатывает по варианту, обеспечивающему максимальное быстродействие: тревожный сигнал проходит по минимально необходимому пути (только до спинного мозга, а ведь он конструктивно расположен ниже головного, то есть ближе к "периферии", к мышцам, к двигательной системе), а главное, не тратится драгоценное время на обработку информации, принятие решения. Ведь в данном случае не ставится задача отдернуть руку на такое-то расстояние, с такой-то скоростью, в точно таком-то направлении и т. д. Единственно, что требуется сделать, причем самым срочным образом, это отдернуть руку - подальше и побыстрей.
Такие реактивные движения, совершающиеся без непосредственного участия головного мозга, выполняемые автоматически, называются рефлекторными.
Рефлекторные движения далеко не единственные, в процессе которых система управления действует автоматически. Дело в том, что работой многих мышц нашего тела мы вообще не можем распоряжаться по собственному произволу, они сокращаются и расслабляются автоматически, причем ими управляет специальная нервная система. Эти мышцы, образующие так называемую гладкую мускулатуру, обслуживают многие органы тела, а также кровеносные сосуды. Они периодически сужают и расширяют артерии, помогая сердцу проталкивать кровь, обеспечивают действие пищеварительного тракта, в общем, выполняют всю работу, требующую автоматических движений, управление которыми совершается по значительно более сложной схеме по сравнению с рефлекторными движениями.
Рассматривая устройство глаза, мы мельком упомянули, что происходит, когда меняется освещенность и в глаз поступает то много, то мало света. При этом меняется размер зрачка: много света - зрачок сужается, мало света - зрачок расширяется. Глаз приспосабливается, как говорят, адаптируется, к различным условиям освещенности. Как?
В радужную оболочку глаза "встроены" две мышцы, расширяющие и сужающие зрачок, который выполняет роль диафрагмы оптической системы. Система управления этими мышцами тоже действует автоматически, и это тоже не простые рефлекторные движения. Сужение и расширение зрачка точно согласовываются с освещенностью рассматриваемого объекта. Сигналом управления в этой системе служит разность между количеством света, поступающего в глаз, и тем его количеством, при котором изображение на сетчатке получается "самым хорошим" для его перекодирования и посылки в мозг. Конечно, выражение "самым хорошим"
не очень четко определяет характеристики управляющего сигнала. Но здесь мы не будем пытаться вникать во все тонкие вопросы работы живых механизмов. Иначе мы не скоро доберемся до того, что нас непосредственно интересует, до механизмов управления произвольными движениями.
Мы живем и работаем в динамичном мире, в котором непрерывно происходят самые разнообразные изменения. Свет сменяет тьму, тепло сменяет холод. Люди взбираются на горные вершины, летят в космос, опускаются в глубины океана, оказываются в самых различных условиях; а если они живут на одном месте, то и там часто меняются влажность воздуха, температура, атмосферное давление. Все эти изменения влияют на состояние и функционирование живого организма.
Конечно, цивилизация, обувь, одежда и зонтики, различные технические средства уменьшают эффект этих влияний, но не могут их устранить. И живой организм вынужден приспосабливаться, адаптироваться. Он буквально насыщен самыми различными адаптивными системами, реагирующими на изменения освещенности, температуры, атмосферного давления, на самые разные изменения, происходящие вне и внутри тела. Забота всех этих систем нацелена на одно - не допустить конфликта между организмом и окружающей средой, помочь организму приспособиться, адаптироваться к изменчивым внешним условиям, сохраняя на некотором постоянном уровне функционирование всех органов тела.
Любая адаптивная система, в том числе система, диафрагмирующая зрачок, работает по замкнутой схеме. Взаимодействие частей этой системы носит двусторонний характер: сокращение или расслабление мышцы изменяет величину потока света, поступающего в глаз, а изменение потока света, в свою очередь, воздействует на уровень возбуждения мышцы. Это известная в теории автоматического управления система с обратной связью, нашедшая широкое применение в самых разных технических устройствах, системах автоматизации, автоматах, роботах.
Опять аналогии, опять сходство между человеком и автоматом, теперь уже касающееся не того, как организованы потоки информации, а того, как они действуют вместе, в единой системе управления. Это сходство глубже, оно относится к более сложным механизмам интеллекта, и понятно, что к этим интересным, важным и полезным аналогиям надо относиться еще более серьезно и вдумчиво.
По подобной же схеме с обратной связью действует система управления произвольными движениями, теми движениями, программы которых мы намечаем в соответствии с нашими намерениями, желаниями, трудовыми обязанностями. Именно она нас интересует в первую очередь.
Водитель такси непрерывно следит за ситуацией, что складывается в пути, в соответствии с ней намечает наилучшую траекторию и скорость движения и управляет машиной так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. Мозг человека - руки - машина глаза - мозг - вот действующая в этом случае система управления, замкнутая в кольцо.
Половину этого кольца составляют мозг - руки - машина. Если вам кажется, что этой половины достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления, то попробуйте предложить самому опытному водителю проехать 200-300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину, чтобы компенсировать влияние на движение машины неровностей шоссе, неравномерности нагружения колес, колебаний машины и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые непрерывно возникают при движении машины
И водитель непрерывно сравнивает желаемое с действительным и непрерывно вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования. Нет, без второй половины кольца управления, которую образуют машина - глаз - мозг, обойтись нельзя!
ТАЙМ-АУТ
Мы опасаемся, что некоторые читатели будут несколько разочарованы содержанием этой главы.
"Ну вот, - скажут они, - назвали ее "Механизмы интеллекта", а о самом главном, самом интересном ничего так и не сказали. Нет, конечно, кое-что есть о механизмах интеллекта Мы это понимаем! Органы чувств - это приборы нашего интеллекта; механизмы их действия - это, конечно, механизмы интеллекта.
И дискретный биоэлектрический код, в котором передаются все сообщения из органов чувств в мозг, код, в котором работает центральная нервная система, в котором она формирует программы работы мышц и желез нашего тела, в котором эти программы направляются во все исполнительные органы, в котором исполнительные органы по обратным связям информируют мозг о выполнении программ. - это тоже очень важный механизм интеллекта. И системы управления: разомкнутые и замкнутые обратными связями, адаптивные и произвольные, подчиняющиеся нашим желаниям и намерениям, - это тоже механизмы интеллекта. Это понятно, но не об этом речь! Речь, извините, идет совсем о другом. Ведь в этой главе вы, авторы, до человека фактически не дошли или почти не дошли!
Если говорить об органах чувств, то ими оснащено любое животное! Причем по техническим характеристикам органы чувств животных подчас даже превосходят органы чувств людей. Например, не каждый человек обладает хорошим, музыкальным слухом, а..почти каждая дворняга им обладает в совершенстве, да еще умеет превосходно ориентировать свой слуховой аппарат. Найдите-ка человека, который умел бы так шевелить ушами, как это умеет любой щенок. Острота зрения птиц намного превосходит остроту человеческого зрения. И так далее. Тут царю природы нечем похвалиться или отличиться, тут не проявляются его особые человеческие качества.
Биоэлектрический код? В нем тоже нет ничего оригинального. Что любая живая ткань электрически активна, способна генерировать биоэлектричество, известно еще со времен Луиджи Гальвани, итальянского ученого, проживавшего без малого двести лет назад. Причем это свое известное открытие он сделал на основании изучения не человека а простой лягушки. В биоэлектрическом коде действуют все системы любого животного! Так чем здесь может похвастаться человек?
Наконец, системы управления. Ведь все системы, о которых шла речь в этой главе, можно обнаружить не только у человека, но и у любого другого животного.
Рефлексы свойственны любому таракану; адаптивные и приспособительные механизмы - неотъемлемые свойства интеллекта любого животного; внутри любого животного происходят автоматические процессы и движения, любое животное многими движениями управляет в определенном смысле произвольно. Значит, и здесь вы, авторы, ничего нового не рассказали?
А ведь ваша книжка посвящена робототехнике.
И вы сами все время утверждаете, что робот - это в каком-то смысле копия человека. Человека, а не рядового животного!
Вы сами сказали, что человеку свойственны три главные особенности, три главных умения, которые только и интересуют робототехнику, - умения двигаться, чувствовать и мыслить!
Вы нам рассказали о первых двух умениях, о том, как человек движется, и о том, как устроены и действуют приборы, обслуживающие его органы чувств. Это г.се нам было понятно и даже, может быть, интересно.
Но вот вы дошли до умения человека мыслить, до главных механизмов его интеллекта, и здесь почему-то ваш рассказ оказался сильно укороченным. Ведь мы надеялись дальше узнать о самом главном и интересном.
О наших человеческих чувствах и наших человеческих качествах. Не только о зрении, осязании, слухе, хотя мы понимаем, что для робототехники это важно! Мы ждали рассказа еще и о других чувствах, чисто человеческих, о чувствах добра и зла, любви и ненависти, мести и благодарности, зависти и ярости. Мы ждали рассказа о благородстве и порядочности, о находчивости и рассеянности, о рассудительности и гордости.