При решении значительного числа наиболее сложных задач, возникающих перед вычислительной техникой, в последние годы все чаще становится необходимым создание целых комплексов вычислительных машин. В частности, во многих случаях оказалось практически наиболее разумным создание комплексов из двух машин, работающих как единая система.
Для оптимального зрительного вывода информации из вычислительной машины на экран были разработаны подобные системы, представляющие собой двухмашинный комплекс. Потребность в наличии именно двух машин была обусловлена тем, что системы управления должны одновременно решать две существенно различные задачи: обработка и подготовка к выводу всей информации и реализация изображения на экране.
В двухмашинном комплексе (типа разработанного в Институте прикладной математики АН СССР) каждая из двух машин решает свою собственную задачу — более общую (планирование) и конкретную, связанную с манипуляциями в реальном пространстве — времени. Это характерно и для новейших роботехнических систем.
Хотя название «робот» было изобретено чешским писателем Чапеком более полувека назад (в пьесе «Р. У. Р.», описывающей роботов — искусственных слуг человека), их широкое применение начинается только в последние годы. Роботы используются прежде всего для работ опасных, вредных или малодоступных для человека, например в морских глубинах, куда опускают гидравлические манипуляторы (в частности, построенный в Институте океанологии АН СССР), или в космосе, где за автоматической станцией «Луноход-1» последовали робототехнические устройства для изучения разных планет. Автоматизация производства в таких индустриально развитых странах, ощущающих нехватку рабочей силы, как Япония, привела в последнее десятилетие к быстрому росту числа промышленных роботов: в мире их насчитывается уже более чем десять тысяч. Конструирование роботов более совершенных типов составляет сейчас практически едва ли не самую важную сторону работ по так называемому «искусственному интеллекту».
Технические достижения в области построения роботов в большой мере определяются знаниями о соответствующих физиологических системах у человека. Так, успешное построение шагающих роботов (в том числе человекоподобных — «внешних скелетов» — протезов, помогающих калекам передвигаться несмотря на неподвижность их собственных ног) и у нас, и за границей оказалось возможным, в частности, благодаря приложению идей замечательного физиолога Николая Александровича Бернштейна (1896—1966) —одного из предвестников кибернетики. Еще в 1935 г. Н. А. Бернштейн обосновал мысль о многоуровневом иерархическом построении движений, которая и была воплощена в системах шагающих и некоторых других роботов.
Динамические системы с таким большим числом степеней свободы, как человеческий организм (использующий около 800 мышц для различных движений), не могут управляться из одного-единственного центра. Существует целая иерархия соподчиненных друг другу центров разных уровней, каждый из которых в известной мере независим — в пределах, которые устанавливаются центром более высокого уровня. Эта точка зрения, намеченная Н. А. Бернштейном и развитая в кибернетических исследованиях И. М, Гельфанда и М. Л. Цетлина, привела двух последних ученых к выводу, согласно которому «сложная многоуровневая система управления рассматривается как совокупность подсистем, обладающих относительной автономией»,
Организм взаимодействует с внешней средой. Информация, из нее получаемая, также должна постоянно учитываться при построении и корректировке движений. Поэтому одной из важнейших проблем, вставших перед кибернетической физиологией и современной робототехникой, является выяснение того, как связанные друг с другом системы управления взаимодействуют с внешней средой.
Роботы должны манипулировать с реальными объектами. Поэтому управление аппаратурой робота должно производиться в реальном масштабе времени. Для этого требуются такие специфические устройства, которые могли бы производить текущее преобразование информации и частое прерывание манипуляций робота. Выполнение этих задач нецелесообразно соединять с процессом планирования и построения движений робота. Поэтому, как это и делается в двухмашинных комплексах (в СССР осуществленных, в частности, на основе соединения машин БЭСМ-6 и М-6000), решение первой задачи (управление в режиме реального времени) выделяется: его осуществляет отдельная вычислительная машина.
Примером двухмашинного комплекса этого типа может быть робот Эдинбургского университета Марк 1,5, обладающий «глазом» — телевизионной камерой и «рукой» (роботы такого типа носят название «система глаз—рука») (рис. 1). И «глаз», и «рука» робота присоединены к небольшой вычислительной машине (16-разрядной ЭВМ Хониуэлл-316), которая в известной мере независима от связанной с ней большой вычислительной машины (ICL-4130), работающей в режиме разделения времени.
Машины связаны между собой двумя каналами связи, по которым данные могут передаваться в двух противоположных направлениях: машины могут спрашивать друг друга и отвечать друг другу. Малая вычислительная машина управляет «рукой» робота и совершает грубую обработку изображений, полученных от «глаза», тогда как большая вычислительная машина осуществляет общее планирование всей работы робота и детально обрабатывает всю зрительную информацию, передаваемую ей малой машиной.
Аналогично устроена и система «глаз — рука», разрабатываемая и совершенствуемая на протяжении ряда лет в Стенфордском университете (США). На этапе, отраженном в публикациях 1971 г., в состав двухмашинного комплекса входила большая вычислительная машина (РДР-10), которая строила планы движения руки и обрабатывала информацию, полученную роботом с помощью телевизионной камеры, и малая вычислительная машина (PDP-6 с оперативной памятью 128 килослов), обслуживающая двигатели телевизионной камеры, управляющие устройства руки и другие аппаратные средства.
В более новом варианте Стенфордского робота, предназначенного для автоматизации процесса сборки заданного объекта из деталей, двухмашинный комплекс, управляющий двуруким роботом, состоит из большой вычислительной машины (PDP-10) и малой вычислительной машины (миникомпьютера PDP-11/45), обеспечивающей работу нескольких автоматических устройств (манипуляторов; в частности искусственных «рук») в режиме реального времени.
Рис. 1. Схема робототехнической системы «глаз» — «рука»
Р — рука; ТВ — «глаз»,
С — «среда», в которой работает робот;
м — малая вычислительная машина;
М — большая вычислительная машина,
с разделением времени;
F1, F2 и H1, H2— каналы связи между
вычислительными машинами и манипуляторами
Выделение особого «исполнительного» управляющего устройства, работающего в реальном пространстве — времени, представляет собой значительно более общий принцип, чем наличие специализированных систем управления для отдельных манипуляторов («рук») или воспринимающих органов («глаз») робота. В общих схемах роботов, основанных на аналогиях с мозгом позвоночных, уделялось достаточно внимания необходимости таких специализированных систем управления, как, например, решающие устройства разных уровней для обработки правого и левого изображений, получаемых бинокулярной телевизионной камерой.
Наличие подобных специализированных устройств, осуществляющих предварительную обработку информации из внешней среды и управляющих манипуляторами, признается характерной чертой всех разрабатываемых в настоящее время «интеллектуальных роботов». Но сопоставление принципов организации этих роботов и центральной нервной системы человека требует рассмотрения двух важнейших проблем. Во-первых, следует выяснить, как соотнесено в них деление на специализированные и общую системы управления 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», причём, 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).
Создатели Стенфордской системы объясняют этот принцип организации управления тем, что вычисление траектории «рук» двурукого робота требует длительного времени, но не критично по времени в отличие от обслуживания манипуляторов. Как и все сложные живые организмы, робот, работающий во внешней среде, испытывает цейтнот.
Нехватка времени для принятия решений у системы с большим числом степеней свободы ведет к необходимости выбора из двух возможностей: можно либо принять наудачу первое попавшееся решение (этим, между прочим, объясняется с кибернетической точки зрения роль гаданий для принятия важнейших решений в таких древних коллективах, как римское общество), либо разработать специальное устройство («исполнительный орган») для быстрого принятия необходимых решений на основе переработки текущей экспресс-информации. Такое разделение власти «исполнительной» — программ, управляющих манипуляторами в режиме реального времени,— и «законодательной» — общих планов работы робота — и проводится в новейших системах «глаз—рука».
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.)». 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, 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 выдвинутого Кюри: симметрия физического тела, находящегося в некотором пространстве, определяется симметрией этого пространства. Группа симметрии двух объектов, составляющих единое целое, является общей высшей подгруппой групп симметрии этих объектов.
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.
Рис. 2 Шагающий робот — «многоножка»
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 противопоставлением задней и передней части) минимально, но число степеней свободы в каждом из органов может быть значительным.
Рис. 3. Схема управления роботом с билатеральной симметрией
M1 — «левая» большая вычислительная машина;
M2 — «правая» большая вычислительная машина;
F1, F2 — каналы связи между вычислительными машинами;
MH1 и MH2— специализированные устройства для управления «правым» и «левым» манипуляторами;
M1-ТВ и M2-ТВ — специализированное устройство для управления движением «правой» и «левой» телевизионной камеры и обработки правого и левого изображения;
H1 — манипулятор (искусственная «правая рука»);
H2 — манипулятор (искусственная «левая рука);
a1, a1′, a2, a2′ — 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.
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 правой рукой) производит с ними нужные операции. 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 система (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 оказывается наиболее эффективным способом организации вычислительных 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. 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 выделенных 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 «исполнительная» — 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. 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.
