системы управления
13
с делением на "исполнительное" управление в реальном пространстве --
времени и планирование. Во-вторых, необходимо установить, как соединяются
вместе разные специализированные устройства.
Рассмотрим принципиальную схему такого робота, который снабжен двумя
телевизионными камерами (как, например, эдинбургский Марк 1,5) и двумя
руками (как стенфордская система "глаз -- рука"). Управление роботом,
который должен манипулировать объектами с помощью двух "рук", в простейших
случаях (в разрабатываемых роботах для автоматической сборки) осуществляется
последовательно. Вычислительная машина поочередно управляет каждой из двух
"рук", причем, закончив операцию управления одной "рукой", система дает
сигнал внутреннего прерывания.
Это временное решение, идущее по традиционному пути последовательных
операций, вероятно, сменится в недалеком будущем построением параллельно
работающих вычислительных систем. Работа каждой из двух рук может
управляться одновременно функционально разнородными, но неразделимыми
вычислительными системами (предполагается, что именно такие системы и станут
основными в четвертом поколении вычислительных машин).
Ограничение на число телевизионных камер -- "глаз" и манипуляторов--
"рук" накладывается, по-видимому, не столько соображениями
человекоподобности, существенными только для определенного класса роботов
(типа шагающих "внешних скелетов" -- медицинских протезов, приспособленных к
особенностям человеческого тела), сколько другими причинами. Прежде всего, в
структуре новейших роботов, как и живых организмов, моделями которых они
являются, сказываются простые принципы симметрии, во многом определившие
строение растений и животных в ходе эволюции.
Согласно формулировке акад. М. С. Гилярова "все активно передвигающиеся
животные имеют наружную двустороннюю симметрию, как билатерально симметричны
и все наши средства транспорта (лодка, самолет, автомобиль и т. д.)" [13, с.
70]. И двусторонняя (билатеральная или зеркальная) симметрия тел животных, и
сосредоточение пространственного анализа в головном мозге, что ведет в
дальнейшем к разобщению переднего мозга на два парных полушария [14],
выводятся из основных характеристик поведения животных и внешней среды.
В зеркальной симметрии животных и построенных' человеком
передвигающихся технических устройств можно видеть проявление принципа
сохранения симметрии, впервые выдви 14
ннутого Кюри: симметрия физического тела, находящегося в некотором
пространстве, определяется симметрией этого пространства [15]. Группа
симметрии двух объектов, составляющих единое целое, является общей высшей
подгруппой групп симметрии этих объектов [16, с. 14].
Соображениями симметрии может быть мотивирована четность числа органов
животных и манипуляторов активных передвигающихся роботов (в отличие от
"одноруких" неподвижных роботов первого поколения). Но само число органов и
манипуляторов этим не задается; теоретически роботы могут быть многорукими,
как древнеиндийские или древнемексиканские боги, и многоглазыми, как
мифологические чудища античности или древнего Китая.
На примере уже частично осуществленных роботов -- "многоножек" (рис. 2)
можно видеть, как развитие роботов в известной мере параллельно
биологической эволюции. При увеличении числа "ног" робота могут возрастать
трудности управления им, связанные с числом степеней свободы в каждой из
конечностей. И биологическая эволюция, и развитие техники делают выбор из
двух возможностей. На ранних этапах эволюции возможны системы, состоящие из
очень значительного числа органов (например, конечностей) с относительно
небольшим числом степеней свободы в каждом из них (так упрощенно можно
описать структурный тип морфологии членистоногих). На высших этапах эволюции
(у позвоночных) число органов (в пределах, заданных билатеральной симметрией
и противопостановлением задней и передней части) минимально, но число
степеней свободы в каждом из органов может быть значительным.
Очень упрощая, можно было бы сказать, что для робота, передвигающегося
в вертикальном положении, четырех или трех "ног" много, а одной --
недостаточно. Число "рук" (и прямо с ними соотнесенных глаз) определяется
прежде всего характером задач, ставящихся перед роботом. Например, для
автоматизации сложных процессов типа сборки объекта из деталей и манипуляций
с различными инструментами необходимо взаимодействие двух манипуляторов,
один из которых (по функции сходный с левой рукой) удерживает детали в
заданном положении, а другой (функционально сходный с пра 1S
Рис. 2. Шагающий робот -- "многоножка"
вой рукой) производит с ними нужные операции [17, с. 92].Ї При
увеличении числа степеней свободы каждой из рук и при возрастании требуемой
точности обработки зрительных изображений для управления роботом могут
потребоваться не большая и малая вычислительные машины (как в уже
осуществленных к настоящему времени машинных комплексах), | а две большие
вычислительные машины примерно одного класса, снабженные специализированными
устройствами.
Будущего робота, характеризующегося билатеральной симметрией, можно
себе представить как двурукого и двуглазого, Каналы передачи информации от
глаза и руки к вычислительной системе могут перекрещиваться по типу
организации каналов информации в центральной нервной системе (рис. 3). Если
две вычислительные машины, управляющие таким роботом, решают также и задачи
ввода и вывода языковой информации и осмысления фраз на устном языке, то в'
подобном двухмашинном комплексе можно было бы видеть модель двух полушарий
головного мозга человека.
Сопоставление системы двух полушарий головного мозга, с комплексом
вычислительных машин (в частности, с двучленным комплексом) может
представить интерес и для работ по "искусственному интеллекту", и для
изучения мозга. Такое сопоставление в какой-то степени проясняет
универсальность причин, по которым именно двухмашинный комплекс оказывав
ется наиболее эффективным способом организации вычислив тельных систем.
Всякая кибернетическая система (автомат или комплекс автоматов) решает
конкретные задачи в определенной среде. Поэтому различие самой системы и
среды предполагает необходимость выделения в системе такой подсистемы,
которая ответственна за ориентацию в данной конкретной среде или за решение
данной конкретной задачи. Наряду с таким текущим решением неотложных задач
всякая кибернетическая система занята планированием своего поведения в
целом.
Одной из ведущих идей кибернетической физиологии активности, созданной
Н. А. Бернштейном, было наличие у каждого живого организма планов его
будущего поведения [18]. По этой именно причине организм нельзя описать
простыми схемами, включающими только его память (прошлое системы) и реакции
на внешние стимулы (настоящее системы). Живая система всегда в какой-то мере
обращена к будущему. А включение планирования будущего как важнейшего
составного звена управления предполагает выделение соответствующей
подсистемы. Поэтому и неизбежно наличие хотя бы двух выв деленных подсистем:
одной, решающей текущие задачи
и ориентирующейся в реальном пространстве -- времени, и другой,
планирующей будущее поведение всей системы.
Этому не противоречит то, что каждая из подсистем -- и
"законодательная" (планирующая) часть, и часть "исполни![]()
height=463 src="http://lib.ru/NTL/KIBERNETIKA/IWANOW_W/odd_even_010.jpg">
Рис. 3. Схема управления роботом с билатеральной симметрией:
M1 -- "левая" большая вычислительная машина; М2 -- "правая" большая
вычислительная машина; F1, F2 -- каналы связи между вычислительными
машинами: MHl и Мh2 -- спецализированные устройства для управления "правым"
и "левым" манипуляторами; М1-- ТВ и М2-ТВ -- специализированное устройство
для управления движением "правой" и пулятор лелевизионной камеры и обработки
правого и левого изображения: Н1 -- манипулятор (искусственная "правая
рука"). Н2 -- манипулятор (искусственная "левая рука"); а1, а1', а2, а2' --
каналы передачи информации между большими вычислительными машинами и
специализированными устройствами, b1, b1', b2, b2' -- каналы передачи
оптической информации и сигналов, управляющих движениями телевизионных
камер; с1, с2 -- каналы управления манипуляторами; С -- среда, в которой
работает робот; е -- объекты с которыми работает робот
тельная" -- может, в свою очередь, иметь при себе подсобные
специализированные устройства (в том числе -- в случае вычислительной
системы -- и особые машины). Сходным образом и каждое полушарие мозга имеет
ряд специализированных отделов (затылочный, теменной, височный, лобный),
каждый из которых ведает различными функциями. Двучленность комплекса (как
машинного, так и состоящего из двух полушарий) нисколько не исчерпывает его
описания (даже на уровне общей структуры или "макроструктуры"), но дает
исходную схему для описания.
Предположение о том, что работу головного мозга можно в определенном
смысле моделировать именно двухмашинным комплексом, было высказано автором
настоящей книги в 1962 г. [19, с. 92]. Реальность такой модели
подтверждается в настоящее время как кибернетическими работами по созданию
двухмашинных комплексов, так и нейрофизиологическими экспериментами
последних лет, полностью перевернувшими взгляды на соотношение двух
полушарий мозга.
ДВА ПОЛУШАРИЯ
Согласно традиционным выводам нейрофизиологии, у взрослых людей (в
подавляющем большинстве случаев -- правшей) левое полушарие считается
доминантным -- главным. Оно управляет движениями главной -- правой -- руки и
речью (как будет видно из дальнейшего изложения, некоторые важные функции,
связанные с речью, исполняет другое полушарие; в этом смысле термин
"доминантный" несколько условен). Функции правого полушария, которое у
правшей ведает левой рукой, до последних лет оставались неясными, хотя
удивительная для того времени догадка о них, теперь подтвердившаяся, была
высказана английским неврологом X. Джексоном еще 100 лет назад. Джексон
полагал, что правое полушарие занято прежде всего наглядным восприятием
внешнего мира -- в отличие от левого полушария, которое преимущественно
управляет речью и связанными с ней процессами. Что же касается звуковой
речи, правое полушарие, по Джексону, может производить только такие
словесные формулы, которые как бы не членятся на части, а целиком служат
автоматически произносимым обозначением целой ситуации. "Здравствуйте!",
"Пожалуйста!", "Простите!". Проверка и уточнение этой гипотезы оказались
возможными лишь недавно благодаря материалу, накопленному при
нейрохирургических операциях над мозгом, в частности при рассечении двух
полушарий мозга (ср. [149]).
18
Левое ("доминантное" -- в традиционной терминологии) полушарие
соединено с правым несколькими соединительными путями (рис. 4). Основным из
них является мозолистое тело, состоящее из волокон, которые соединяют кору
двух полушарий. Кроме мозолистого тела, есть и другие соединительные тракты
-- комиссуры (передняя комиссура, задняя комиссура, зрительный перекрест --
хиазма). Исследование этих соединительных связей, и их расположения может
представлять значительный интерес с точки зрения общей кибернетической
теории.
Рис. 4. Соединительные связи между полушариями головного мозга: 1 --
мозолистое тело; 2 -- промежуточная масса; 3 -- передняя комиссура; 4 --
зрительный
перекрест (хиазма); 5 -- задняя комиссура
Геометрическое строение мозга, как предположил еще около 20 лет назад
акад. А. Н. Колмогоров, приближается к такому идеальному типу, который может
быть теоретически рассчитан для любого комплекса автоматов. Такие автоматы,
обменивающиеся между собой информацией, должны распо лагаться на поверхности
шара, тогда как середина шара должна быть занята соединительными связями
между ними. Рас положение нейронов и их комплексов в коре головного мозга в
некотором приближении соответствует этой идеальной модели
(рис 5).
Следует заметить, что сама по себе эта кибернетическая
проблема значительно шире, чем вопрос о геометрии мозга
Сходные принципы обнаруживаются при исследовании челове ческих
поселений -- от древнейших до современных "сверхгоро 19
дов" (мегаполисов). Величайший архитектор XX века Ле Корбюзье всю свою
жизнь стремился к созданию строгой науки о градостроительстве -- о геометрии
города. Он подчеркивал значение "радиальноконцентрических форм" города для
решения проблемы кризиса городов в машинный век [20, с. 275]. Реальность
предложенных Корбюзье проектов больших городов (рис. 6) (начиная с его
известного плана трехмиллионного города) подтверждается тенденциями
современного строительства сверхгородов.
Эти мысли Корбюзье близки и к тем идеям математиков об идеальной
геометрии коллектива автоматов, которые согласуются со структурой
человеческого мозга. Понимая под бионикой ту родственную кибернетике (если
не входящую в кибернетику) область современного знания, которая ищет в живых
системах модель для технических решений, можно было бы сказать, что в духе
бионики мозг человека оказывается моделью для сверхгородов будущего.
Пользуясь этими архитектурными сопоставлениями, можно сказать, что
ближайшую аналогию к головному мозгу человека (как бы срез его модели на
плоскости) представляют селения первобытных племен: в них (как у индейцев
бороро в Бразилии) круг, образуемый хижинами на периферии, делит
Рис. 5Ї Расположение автоматов на поверхности шара:
-- == -- == связи между автоматами (нейронами) на поверхности; -- == --
-- внутренние соединительные связи
Рис. 6. План "идеального" города по Корбюзье
ся пополам между двумя половинами племени, тогда как в центре находится
место встреч членов обеих половин (рис.7). В человеческом мозге роль такого
места встреч играют соединительные пути между двумя полушариями -- такие,
как мозолистое тело.
Если вернуться к аналогии с двухмашинным комплексом и использовать
терминологию теории вычислительных систем, то можно сказать, что мозг в
норме представляет собой неразделимую систему из двух функционально
разнородных "машин"-- полушарий. Разделение этих полушарий, исключительно
важное для выявления функций каждого из них, оказалось возможным при
операциях, когда для лечения эпилепсии перерезались соединительные тракты
между полушариями (рис. 8).
При этом был открыт поразительный факт: два полушария начинали вести
себя как две независимые друг от друга системы или как "два мозга" по
формулировке Газаниги -- одного из крупнейших исследователей, проводивших
эти операции.
Рис. 7. План селения индейцев бороро в Бразилии:
-- мужской дом; 1 -- высший брачный класс внутри клана; 2 -- средний
брачный внутри клана; 3 -- низший брачный класс внутри клана
21
Рис. 8. Два полушария головного мозга, разделенные нейрохирургом для
лечения эпилепсии:
1 -- мозолистое тело; 2 -- передняя комиссура, 3 -- комиссура
гиппокампа
Рис. 9. Эксперимент, позволяющий определить функции двух полушарий
мозга
Всего нагляднее это обнаружилось в поведении одного больного, который
левой рукой начал в ярости трясти свою жену, а правой рукой (в буквальном
смысле не знавшей, что и зачем творит левая) помогал жене усмирить свою же
левую руку.
Большинство больных, перенесших операцию рассечения мозолистого тела и
других соединительных трактов (комиссур), ведет себя как нормальные люди.
Более того, было обнаружено, что некоторые люди рождаются с разъединенными
полушариями, что не мешает им жить. Исследование таких больных позволило
немецкому неврологу X. Липману еще до первой мировой войны выявить некоторые
характерные особенности каждого полушария. В то время на эти работы не было
обращено должного внимания Лишь много позднее вновь было установлено, что
разъединение полушарий позволяет поставить такие эксперименты, которые
проясняют функции каждого из двух полушарий [21, 22].
Эксперименты основаны на том, что в норме правая половина поля зрения
проецируется в левое полушарие мозга, а левая половина -- в правое
полушарие. Если у больного рассечен зрительный перекрест, где встречаются
зрительные волокна, ведущие от глаз к мозгу, то правое полушарие будет
связано только с левым глазом и получать информацию только от него, тогда
как левое полуша
рие будет получать информацию только от правого глаза (рис. 9). Когда
на экране для левого глаза (для правого полушария) вспыхивает изображение
ложки, больной должен найти ложку среди других предметов за экраном, что он
может сделать левой рукой, управляемой правым полушарием. Эту задачу он
решает легко. Но назвать ложку "ложкой" он не может, потому что называние
предметов относится к функциям левого полушария.
В последнее время проведена большая серия экспериментов того же типа
над людьми с нерасщепленными полушариями, которая в целом дала сходные
результаты и привела к выводу о еще более слабых языковых возможностях
правого полушария в норме [23]. Клинические данные о функциях каждого из
двух полушарий извлекаются также из наблюдений над больными с
травматическими поражениями одного из полушарий. Это давно уже позволило
определить связь доминантного полушария с речью при дальнейшем подразделении
функций разных отделов коры доминантного полушария: одни .отделы отвечают за
анализ звуков речи, другие -- за их синтез. Связь левого полушария с
анализом речи, а правого -- с решением пространственных задач у нормальных
людей (правшей) подтверждается также посредством электроэнцефалографических
данных (при нескольких электродах, установленных на поверхности каждого
полушария) и регистрации движений глаз [24]. Эти же результаты подтверждены
при кратковременном выключении одного из полушарий (с помощью
электросудорожного шока), в частности при лечении психических болезней [25].
У нормального взрослого человека (с нерасщепленными полушариями) правое
полушарие (или "правый мозг") можно считать почти совершенно немым: оно
может издавать лишь нечленораздельные звуки, подобные реву и визгу. Правое
полушарие в очень небольшой степени может понимать обращенную только к нему
речь -- -- преимущественно лишь отдельные существительные и словосочетания и
самые простые предложения (не членящиеся на элементы, как "Спасибо"), Но при
этом именно правое полушарие хранит в себе такие сведения, которые позволяют
толковать смысл слов: оно понимает, что стакан -- -- это "сосуд для
жидкости", а "спички" "используются для зажигания огня" [23].
Если воспользоваться принятым в семиотике (науке о знаках, системах
знаков и текстах) выделением в словах -- знаках естественного языка -- их
"означающей стороны" (звучания) и "означаемой стороны" (значения), то можно
сказать, что правое полушарие преимущественно занято означаемой стороной
знаков (рис. 10).
Когда у глухонемого человека страдает левое полушарие
23
мозга, правое сохраняет образный язык жестов (каждый из которых
передает особое значение как отдельное слово), а способность пользоваться
пальцевой азбукой (в которой каждый знак соответствует букве письменного
языка) и устным языком, которому обучен глухонемой, теряется. Из этого
видно, что в правом полушарии смысл слов ("означаемая сторона" знаков или их
значения) хранится в такой форме, которая не зависи, от их звуковой
оболочки. Этот вывод подтверждается и резулъ
Рис. 10. Означаемая и означающая стороны знака и полушария мозга
татами поражения левого полушария у японцев. Грамотные японцы
пользуются одновременно иероглификой -- понятийным словесным письмом, в
котором каждое значение передается особым иероглифом, и слоговой азбукой,
записывающей звучание слов, но не их смысл. При поражении левого полушария у
японцев страдает слоговое письмо (хирагана и катакана) но не иероглифика
[26, 151] (рис. 10, 11).
То, что правое полушарие занимается значениями слов а не их звучаниями
в естественном языке, хорошо согласуется с данными о других его функциях.
Больные с нарушениями нормальной работы правого полушария не могут разложить
картинки так, чтобы получить связный рассказ (т. е. сделать именно то, что
необходимо для пользования иероглификой!)
Поражение правого полушария делает невозможным запоминание (как бы
"впрок") бессмысленных рисунков и незнакомых лиц [27, с. 257-- 258] и
узнавание знакомых лиц, даже членов собственной семьи [28, с. 462-463].
Это расстройство зрительных образов связано главным образом с
поражением височной доли правого полушария. Когда в той же области этого
полушария возникает активное поле, связанное с эпилептическим припадком,
больной видит зрительные галлюцинации. Их можно вызвать и стимулируя мозг
больного в том же участке правого полушария электродами.
Соответствующие области левого полушария специализированы именно на
обработке речевых звуков. Это полушарие участвует и в различении других,
неречевых звуков, но достаточно сложным образом: при восприятии звуков,
различающихся по высоте, у правшей восприятие высокого тона связано с правым
ухом, т. е. с левым (доминантным -- речевым) полу
Рис. 11. Расстройстве слогового письма при афазии (поражении речевой
зоны Брока) у японца.
шарием, а восприятие низкого тона -- с правым (неречевым) полушарием.
То обстоятельство, что это определенным образом зависит от доминантности
полушария, видно из опытов, судя по которым у левшей -- ситуация обратная;
при исследовании этих музыкальных иллюзий, по-видимому, выявляются более
сложные классификационные функции левого полушария, отличающиеся от простого
частотного анализа. Предполагается, что восприятие высоких тонов соотнесено
с тем полушарием, которое занимается обработкой звуковых сигналов
естественного языка [29].
Возможно, что специализированные устройства в левом полушарии мозга
используются одновременно как для частотного анализа звуков речи [30, с.
241, 337], так и для анализа
определенного типа неречевых звуков (высоких тонов). Что же касается
сложных неречевых звуков, их восприятие у правшей преимущественно
осуществляется правым (неречевым) полушарием [25; 29, с. 103], которое
управляет и интонацией (высотно-мелодической стороной) устной речи. Оно же в
основном ведает и высшими творческими музыкальными способностями, потому что
амузия (потеря этих способностей) наблюдается при поражении правого
(неречевого) полушария.
А. Р. Лурия и его сотрудники описали случай, когда известный композитор
после кровоизлияния в левом полушарии с нарушением кровообращения в системе
левой средней мозговой артерии потерял дар речи и затем восстановил его
частично, но при этом вполне сохранил способность к музыкальной композиции
(трудности вызывало у него лишь сочинение вокальной музыки, в которой
существенным компонентом является звучащая речь). Этому соответствовало то,
что левая рука сохраняла всю свою подвижность, тогда как правая была
парализована. Смысл слов был понятен больному, если ему показывали
зрительные изображения. Примечательно, что письмо у него было затруднено, но
техника музыкальной записи была безупречной [31]. Ранее была описана сходная
история болезни композитора Равеля.
Наблюдения над многими музыкально одаренными людьми в норме позволили
прийти к выводу, что правое полушарие ведает музыкальным творчеством, тогда
как левое может анализировать музыку с помощью словесных и буквенных
обозначений [32, с. 102-- 105; 150].
К числу функций правого (неречевого в норме у правшей) полушария, кроме
восприятия таких конкретно-пространственных образов, как лица людей,
понимание смысла слов, сочинение музыки, относится и управление многими
сложными действиями: одеванием, пользованием ножницами, складыванием
кубиков. Очень упрощая, можно было бы сказать, что в программах исполнения
команд робота из Лаборатории искусственного интеллекта Стенфордского
университета, который поднимает кубики и может поставить их один на другой
[17], моделируются некоторые из функций правого полушария.
Правое полушарие занимается управлением движениями человека в
конкретном времени и в конкретном пространстве Если воспользоваться
кибернетической аналогией с двухмашинным комплексом, то можно сказать, что
правое полушарие напоминает машину, работающую в режиме реального времени.
При поражении задней теменной области правого полушария больные теряют
восприятие левой стороны своего тела и прилегающей части пространства.
Исследования последних лет позволяют предположить, что эта особенность
правого полушария восходит к самым ранним этапам эволюции предков человека.
13
с делением на "исполнительное" управление в реальном пространстве --
времени и планирование. Во-вторых, необходимо установить, как соединяются
вместе разные специализированные устройства.
Рассмотрим принципиальную схему такого робота, который снабжен двумя
телевизионными камерами (как, например, эдинбургский Марк 1,5) и двумя
руками (как стенфордская система "глаз -- рука"). Управление роботом,
который должен манипулировать объектами с помощью двух "рук", в простейших
случаях (в разрабатываемых роботах для автоматической сборки) осуществляется
последовательно. Вычислительная машина поочередно управляет каждой из двух
"рук", причем, закончив операцию управления одной "рукой", система дает
сигнал внутреннего прерывания.
Это временное решение, идущее по традиционному пути последовательных
операций, вероятно, сменится в недалеком будущем построением параллельно
работающих вычислительных систем. Работа каждой из двух рук может
управляться одновременно функционально разнородными, но неразделимыми
вычислительными системами (предполагается, что именно такие системы и станут
основными в четвертом поколении вычислительных машин).
Ограничение на число телевизионных камер -- "глаз" и манипуляторов--
"рук" накладывается, по-видимому, не столько соображениями
человекоподобности, существенными только для определенного класса роботов
(типа шагающих "внешних скелетов" -- медицинских протезов, приспособленных к
особенностям человеческого тела), сколько другими причинами. Прежде всего, в
структуре новейших роботов, как и живых организмов, моделями которых они
являются, сказываются простые принципы симметрии, во многом определившие
строение растений и животных в ходе эволюции.
Согласно формулировке акад. М. С. Гилярова "все активно передвигающиеся
животные имеют наружную двустороннюю симметрию, как билатерально симметричны
и все наши средства транспорта (лодка, самолет, автомобиль и т. д.)" [13, с.
70]. И двусторонняя (билатеральная или зеркальная) симметрия тел животных, и
сосредоточение пространственного анализа в головном мозге, что ведет в
дальнейшем к разобщению переднего мозга на два парных полушария [14],
выводятся из основных характеристик поведения животных и внешней среды.
В зеркальной симметрии животных и построенных' человеком
передвигающихся технических устройств можно видеть проявление принципа
сохранения симметрии, впервые выдви 14
ннутого Кюри: симметрия физического тела, находящегося в некотором
пространстве, определяется симметрией этого пространства [15]. Группа
симметрии двух объектов, составляющих единое целое, является общей высшей
подгруппой групп симметрии этих объектов [16, с. 14].
Соображениями симметрии может быть мотивирована четность числа органов
животных и манипуляторов активных передвигающихся роботов (в отличие от
"одноруких" неподвижных роботов первого поколения). Но само число органов и
манипуляторов этим не задается; теоретически роботы могут быть многорукими,
как древнеиндийские или древнемексиканские боги, и многоглазыми, как
мифологические чудища античности или древнего Китая.
На примере уже частично осуществленных роботов -- "многоножек" (рис. 2)
можно видеть, как развитие роботов в известной мере параллельно
биологической эволюции. При увеличении числа "ног" робота могут возрастать
трудности управления им, связанные с числом степеней свободы в каждой из
конечностей. И биологическая эволюция, и развитие техники делают выбор из
двух возможностей. На ранних этапах эволюции возможны системы, состоящие из
очень значительного числа органов (например, конечностей) с относительно
небольшим числом степеней свободы в каждом из них (так упрощенно можно
описать структурный тип морфологии членистоногих). На высших этапах эволюции
(у позвоночных) число органов (в пределах, заданных билатеральной симметрией
и противопостановлением задней и передней части) минимально, но число
степеней свободы в каждом из органов может быть значительным.
Очень упрощая, можно было бы сказать, что для робота, передвигающегося
в вертикальном положении, четырех или трех "ног" много, а одной --
недостаточно. Число "рук" (и прямо с ними соотнесенных глаз) определяется
прежде всего характером задач, ставящихся перед роботом. Например, для
автоматизации сложных процессов типа сборки объекта из деталей и манипуляций
с различными инструментами необходимо взаимодействие двух манипуляторов,
один из которых (по функции сходный с левой рукой) удерживает детали в
заданном положении, а другой (функционально сходный с пра 1S
Рис. 2. Шагающий робот -- "многоножка"
вой рукой) производит с ними нужные операции [17, с. 92].Ї При
увеличении числа степеней свободы каждой из рук и при возрастании требуемой
точности обработки зрительных изображений для управления роботом могут
потребоваться не большая и малая вычислительные машины (как в уже
осуществленных к настоящему времени машинных комплексах), | а две большие
вычислительные машины примерно одного класса, снабженные специализированными
устройствами.
Будущего робота, характеризующегося билатеральной симметрией, можно
себе представить как двурукого и двуглазого, Каналы передачи информации от
глаза и руки к вычислительной системе могут перекрещиваться по типу
организации каналов информации в центральной нервной системе (рис. 3). Если
две вычислительные машины, управляющие таким роботом, решают также и задачи
ввода и вывода языковой информации и осмысления фраз на устном языке, то в'
подобном двухмашинном комплексе можно было бы видеть модель двух полушарий
головного мозга человека.
Сопоставление системы двух полушарий головного мозга, с комплексом
вычислительных машин (в частности, с двучленным комплексом) может
представить интерес и для работ по "искусственному интеллекту", и для
изучения мозга. Такое сопоставление в какой-то степени проясняет
универсальность причин, по которым именно двухмашинный комплекс оказывав
ется наиболее эффективным способом организации вычислив тельных систем.
Всякая кибернетическая система (автомат или комплекс автоматов) решает
конкретные задачи в определенной среде. Поэтому различие самой системы и
среды предполагает необходимость выделения в системе такой подсистемы,
которая ответственна за ориентацию в данной конкретной среде или за решение
данной конкретной задачи. Наряду с таким текущим решением неотложных задач
всякая кибернетическая система занята планированием своего поведения в
целом.
Одной из ведущих идей кибернетической физиологии активности, созданной
Н. А. Бернштейном, было наличие у каждого живого организма планов его
будущего поведения [18]. По этой именно причине организм нельзя описать
простыми схемами, включающими только его память (прошлое системы) и реакции
на внешние стимулы (настоящее системы). Живая система всегда в какой-то мере
обращена к будущему. А включение планирования будущего как важнейшего
составного звена управления предполагает выделение соответствующей
подсистемы. Поэтому и неизбежно наличие хотя бы двух выв деленных подсистем:
одной, решающей текущие задачи
и ориентирующейся в реальном пространстве -- времени, и другой,
планирующей будущее поведение всей системы.
Этому не противоречит то, что каждая из подсистем -- и
"законодательная" (планирующая) часть, и часть "исполни
Рис. 3. Схема управления роботом с билатеральной симметрией:
M1 -- "левая" большая вычислительная машина; М2 -- "правая" большая
вычислительная машина; F1, F2 -- каналы связи между вычислительными
машинами: MHl и Мh2 -- спецализированные устройства для управления "правым"
и "левым" манипуляторами; М1-- ТВ и М2-ТВ -- специализированное устройство
для управления движением "правой" и пулятор лелевизионной камеры и обработки
правого и левого изображения: Н1 -- манипулятор (искусственная "правая
рука"). Н2 -- манипулятор (искусственная "левая рука"); а1, а1', а2, а2' --
каналы передачи информации между большими вычислительными машинами и
специализированными устройствами, b1, b1', b2, b2' -- каналы передачи
оптической информации и сигналов, управляющих движениями телевизионных
камер; с1, с2 -- каналы управления манипуляторами; С -- среда, в которой
работает робот; е -- объекты с которыми работает робот
тельная" -- может, в свою очередь, иметь при себе подсобные
специализированные устройства (в том числе -- в случае вычислительной
системы -- и особые машины). Сходным образом и каждое полушарие мозга имеет
ряд специализированных отделов (затылочный, теменной, височный, лобный),
каждый из которых ведает различными функциями. Двучленность комплекса (как
машинного, так и состоящего из двух полушарий) нисколько не исчерпывает его
описания (даже на уровне общей структуры или "макроструктуры"), но дает
исходную схему для описания.
Предположение о том, что работу головного мозга можно в определенном
смысле моделировать именно двухмашинным комплексом, было высказано автором
настоящей книги в 1962 г. [19, с. 92]. Реальность такой модели
подтверждается в настоящее время как кибернетическими работами по созданию
двухмашинных комплексов, так и нейрофизиологическими экспериментами
последних лет, полностью перевернувшими взгляды на соотношение двух
полушарий мозга.
ДВА ПОЛУШАРИЯ
Согласно традиционным выводам нейрофизиологии, у взрослых людей (в
подавляющем большинстве случаев -- правшей) левое полушарие считается
доминантным -- главным. Оно управляет движениями главной -- правой -- руки и
речью (как будет видно из дальнейшего изложения, некоторые важные функции,
связанные с речью, исполняет другое полушарие; в этом смысле термин
"доминантный" несколько условен). Функции правого полушария, которое у
правшей ведает левой рукой, до последних лет оставались неясными, хотя
удивительная для того времени догадка о них, теперь подтвердившаяся, была
высказана английским неврологом X. Джексоном еще 100 лет назад. Джексон
полагал, что правое полушарие занято прежде всего наглядным восприятием
внешнего мира -- в отличие от левого полушария, которое преимущественно
управляет речью и связанными с ней процессами. Что же касается звуковой
речи, правое полушарие, по Джексону, может производить только такие
словесные формулы, которые как бы не членятся на части, а целиком служат
автоматически произносимым обозначением целой ситуации. "Здравствуйте!",
"Пожалуйста!", "Простите!". Проверка и уточнение этой гипотезы оказались
возможными лишь недавно благодаря материалу, накопленному при
нейрохирургических операциях над мозгом, в частности при рассечении двух
полушарий мозга (ср. [149]).
18
Левое ("доминантное" -- в традиционной терминологии) полушарие
соединено с правым несколькими соединительными путями (рис. 4). Основным из
них является мозолистое тело, состоящее из волокон, которые соединяют кору
двух полушарий. Кроме мозолистого тела, есть и другие соединительные тракты
-- комиссуры (передняя комиссура, задняя комиссура, зрительный перекрест --
хиазма). Исследование этих соединительных связей, и их расположения может
представлять значительный интерес с точки зрения общей кибернетической
теории.
Рис. 4. Соединительные связи между полушариями головного мозга: 1 --
мозолистое тело; 2 -- промежуточная масса; 3 -- передняя комиссура; 4 --
зрительный
перекрест (хиазма); 5 -- задняя комиссура
Геометрическое строение мозга, как предположил еще около 20 лет назад
акад. А. Н. Колмогоров, приближается к такому идеальному типу, который может
быть теоретически рассчитан для любого комплекса автоматов. Такие автоматы,
обменивающиеся между собой информацией, должны распо лагаться на поверхности
шара, тогда как середина шара должна быть занята соединительными связями
между ними. Рас положение нейронов и их комплексов в коре головного мозга в
некотором приближении соответствует этой идеальной модели
(рис 5).
Следует заметить, что сама по себе эта кибернетическая
проблема значительно шире, чем вопрос о геометрии мозга
Сходные принципы обнаруживаются при исследовании челове ческих
поселений -- от древнейших до современных "сверхгоро 19
дов" (мегаполисов). Величайший архитектор XX века Ле Корбюзье всю свою
жизнь стремился к созданию строгой науки о градостроительстве -- о геометрии
города. Он подчеркивал значение "радиальноконцентрических форм" города для
решения проблемы кризиса городов в машинный век [20, с. 275]. Реальность
предложенных Корбюзье проектов больших городов (рис. 6) (начиная с его
известного плана трехмиллионного города) подтверждается тенденциями
современного строительства сверхгородов.
Эти мысли Корбюзье близки и к тем идеям математиков об идеальной
геометрии коллектива автоматов, которые согласуются со структурой
человеческого мозга. Понимая под бионикой ту родственную кибернетике (если
не входящую в кибернетику) область современного знания, которая ищет в живых
системах модель для технических решений, можно было бы сказать, что в духе
бионики мозг человека оказывается моделью для сверхгородов будущего.
Пользуясь этими архитектурными сопоставлениями, можно сказать, что
ближайшую аналогию к головному мозгу человека (как бы срез его модели на
плоскости) представляют селения первобытных племен: в них (как у индейцев
бороро в Бразилии) круг, образуемый хижинами на периферии, делит
Рис. 5Ї Расположение автоматов на поверхности шара:
-- == -- == связи между автоматами (нейронами) на поверхности; -- == --
-- внутренние соединительные связи
Рис. 6. План "идеального" города по Корбюзье
ся пополам между двумя половинами племени, тогда как в центре находится
место встреч членов обеих половин (рис.7). В человеческом мозге роль такого
места встреч играют соединительные пути между двумя полушариями -- такие,
как мозолистое тело.
Если вернуться к аналогии с двухмашинным комплексом и использовать
терминологию теории вычислительных систем, то можно сказать, что мозг в
норме представляет собой неразделимую систему из двух функционально
разнородных "машин"-- полушарий. Разделение этих полушарий, исключительно
важное для выявления функций каждого из них, оказалось возможным при
операциях, когда для лечения эпилепсии перерезались соединительные тракты
между полушариями (рис. 8).
При этом был открыт поразительный факт: два полушария начинали вести
себя как две независимые друг от друга системы или как "два мозга" по
формулировке Газаниги -- одного из крупнейших исследователей, проводивших
эти операции.
Рис. 7. План селения индейцев бороро в Бразилии:
-- мужской дом; 1 -- высший брачный класс внутри клана; 2 -- средний
брачный внутри клана; 3 -- низший брачный класс внутри клана
21
Рис. 8. Два полушария головного мозга, разделенные нейрохирургом для
лечения эпилепсии:
1 -- мозолистое тело; 2 -- передняя комиссура, 3 -- комиссура
гиппокампа
Рис. 9. Эксперимент, позволяющий определить функции двух полушарий
мозга
Всего нагляднее это обнаружилось в поведении одного больного, который
левой рукой начал в ярости трясти свою жену, а правой рукой (в буквальном
смысле не знавшей, что и зачем творит левая) помогал жене усмирить свою же
левую руку.
Большинство больных, перенесших операцию рассечения мозолистого тела и
других соединительных трактов (комиссур), ведет себя как нормальные люди.
Более того, было обнаружено, что некоторые люди рождаются с разъединенными
полушариями, что не мешает им жить. Исследование таких больных позволило
немецкому неврологу X. Липману еще до первой мировой войны выявить некоторые
характерные особенности каждого полушария. В то время на эти работы не было
обращено должного внимания Лишь много позднее вновь было установлено, что
разъединение полушарий позволяет поставить такие эксперименты, которые
проясняют функции каждого из двух полушарий [21, 22].
Эксперименты основаны на том, что в норме правая половина поля зрения
проецируется в левое полушарие мозга, а левая половина -- в правое
полушарие. Если у больного рассечен зрительный перекрест, где встречаются
зрительные волокна, ведущие от глаз к мозгу, то правое полушарие будет
связано только с левым глазом и получать информацию только от него, тогда
как левое полуша
рие будет получать информацию только от правого глаза (рис. 9). Когда
на экране для левого глаза (для правого полушария) вспыхивает изображение
ложки, больной должен найти ложку среди других предметов за экраном, что он
может сделать левой рукой, управляемой правым полушарием. Эту задачу он
решает легко. Но назвать ложку "ложкой" он не может, потому что называние
предметов относится к функциям левого полушария.
В последнее время проведена большая серия экспериментов того же типа
над людьми с нерасщепленными полушариями, которая в целом дала сходные
результаты и привела к выводу о еще более слабых языковых возможностях
правого полушария в норме [23]. Клинические данные о функциях каждого из
двух полушарий извлекаются также из наблюдений над больными с
травматическими поражениями одного из полушарий. Это давно уже позволило
определить связь доминантного полушария с речью при дальнейшем подразделении
функций разных отделов коры доминантного полушария: одни .отделы отвечают за
анализ звуков речи, другие -- за их синтез. Связь левого полушария с
анализом речи, а правого -- с решением пространственных задач у нормальных
людей (правшей) подтверждается также посредством электроэнцефалографических
данных (при нескольких электродах, установленных на поверхности каждого
полушария) и регистрации движений глаз [24]. Эти же результаты подтверждены
при кратковременном выключении одного из полушарий (с помощью
электросудорожного шока), в частности при лечении психических болезней [25].
У нормального взрослого человека (с нерасщепленными полушариями) правое
полушарие (или "правый мозг") можно считать почти совершенно немым: оно
может издавать лишь нечленораздельные звуки, подобные реву и визгу. Правое
полушарие в очень небольшой степени может понимать обращенную только к нему
речь -- -- преимущественно лишь отдельные существительные и словосочетания и
самые простые предложения (не членящиеся на элементы, как "Спасибо"), Но при
этом именно правое полушарие хранит в себе такие сведения, которые позволяют
толковать смысл слов: оно понимает, что стакан -- -- это "сосуд для
жидкости", а "спички" "используются для зажигания огня" [23].
Если воспользоваться принятым в семиотике (науке о знаках, системах
знаков и текстах) выделением в словах -- знаках естественного языка -- их
"означающей стороны" (звучания) и "означаемой стороны" (значения), то можно
сказать, что правое полушарие преимущественно занято означаемой стороной
знаков (рис. 10).
Когда у глухонемого человека страдает левое полушарие
23
мозга, правое сохраняет образный язык жестов (каждый из которых
передает особое значение как отдельное слово), а способность пользоваться
пальцевой азбукой (в которой каждый знак соответствует букве письменного
языка) и устным языком, которому обучен глухонемой, теряется. Из этого
видно, что в правом полушарии смысл слов ("означаемая сторона" знаков или их
значения) хранится в такой форме, которая не зависи, от их звуковой
оболочки. Этот вывод подтверждается и резулъ
Рис. 10. Означаемая и означающая стороны знака и полушария мозга
татами поражения левого полушария у японцев. Грамотные японцы
пользуются одновременно иероглификой -- понятийным словесным письмом, в
котором каждое значение передается особым иероглифом, и слоговой азбукой,
записывающей звучание слов, но не их смысл. При поражении левого полушария у
японцев страдает слоговое письмо (хирагана и катакана) но не иероглифика
[26, 151] (рис. 10, 11).
То, что правое полушарие занимается значениями слов а не их звучаниями
в естественном языке, хорошо согласуется с данными о других его функциях.
Больные с нарушениями нормальной работы правого полушария не могут разложить
картинки так, чтобы получить связный рассказ (т. е. сделать именно то, что
необходимо для пользования иероглификой!)
Поражение правого полушария делает невозможным запоминание (как бы
"впрок") бессмысленных рисунков и незнакомых лиц [27, с. 257-- 258] и
узнавание знакомых лиц, даже членов собственной семьи [28, с. 462-463].
Это расстройство зрительных образов связано главным образом с
поражением височной доли правого полушария. Когда в той же области этого
полушария возникает активное поле, связанное с эпилептическим припадком,
больной видит зрительные галлюцинации. Их можно вызвать и стимулируя мозг
больного в том же участке правого полушария электродами.
Соответствующие области левого полушария специализированы именно на
обработке речевых звуков. Это полушарие участвует и в различении других,
неречевых звуков, но достаточно сложным образом: при восприятии звуков,
различающихся по высоте, у правшей восприятие высокого тона связано с правым
ухом, т. е. с левым (доминантным -- речевым) полу
Рис. 11. Расстройстве слогового письма при афазии (поражении речевой
зоны Брока) у японца.
шарием, а восприятие низкого тона -- с правым (неречевым) полушарием.
То обстоятельство, что это определенным образом зависит от доминантности
полушария, видно из опытов, судя по которым у левшей -- ситуация обратная;
при исследовании этих музыкальных иллюзий, по-видимому, выявляются более
сложные классификационные функции левого полушария, отличающиеся от простого
частотного анализа. Предполагается, что восприятие высоких тонов соотнесено
с тем полушарием, которое занимается обработкой звуковых сигналов
естественного языка [29].
Возможно, что специализированные устройства в левом полушарии мозга
используются одновременно как для частотного анализа звуков речи [30, с.
241, 337], так и для анализа
определенного типа неречевых звуков (высоких тонов). Что же касается
сложных неречевых звуков, их восприятие у правшей преимущественно
осуществляется правым (неречевым) полушарием [25; 29, с. 103], которое
управляет и интонацией (высотно-мелодической стороной) устной речи. Оно же в
основном ведает и высшими творческими музыкальными способностями, потому что
амузия (потеря этих способностей) наблюдается при поражении правого
(неречевого) полушария.
А. Р. Лурия и его сотрудники описали случай, когда известный композитор
после кровоизлияния в левом полушарии с нарушением кровообращения в системе
левой средней мозговой артерии потерял дар речи и затем восстановил его
частично, но при этом вполне сохранил способность к музыкальной композиции
(трудности вызывало у него лишь сочинение вокальной музыки, в которой
существенным компонентом является звучащая речь). Этому соответствовало то,
что левая рука сохраняла всю свою подвижность, тогда как правая была
парализована. Смысл слов был понятен больному, если ему показывали
зрительные изображения. Примечательно, что письмо у него было затруднено, но
техника музыкальной записи была безупречной [31]. Ранее была описана сходная
история болезни композитора Равеля.
Наблюдения над многими музыкально одаренными людьми в норме позволили
прийти к выводу, что правое полушарие ведает музыкальным творчеством, тогда
как левое может анализировать музыку с помощью словесных и буквенных
обозначений [32, с. 102-- 105; 150].
К числу функций правого (неречевого в норме у правшей) полушария, кроме
восприятия таких конкретно-пространственных образов, как лица людей,
понимание смысла слов, сочинение музыки, относится и управление многими
сложными действиями: одеванием, пользованием ножницами, складыванием
кубиков. Очень упрощая, можно было бы сказать, что в программах исполнения
команд робота из Лаборатории искусственного интеллекта Стенфордского
университета, который поднимает кубики и может поставить их один на другой
[17], моделируются некоторые из функций правого полушария.
Правое полушарие занимается управлением движениями человека в
конкретном времени и в конкретном пространстве Если воспользоваться
кибернетической аналогией с двухмашинным комплексом, то можно сказать, что
правое полушарие напоминает машину, работающую в режиме реального времени.
При поражении задней теменной области правого полушария больные теряют
восприятие левой стороны своего тела и прилегающей части пространства.
Исследования последних лет позволяют предположить, что эта особенность
правого полушария восходит к самым ранним этапам эволюции предков человека.