CROSS плюс ROADS это будет DANGER
о
В
S плюс S
-15
—16 Должно равняться R
И
R тогда будет равно двум S
•21
•23
•24
•25
•26
•28
A S плюс D
тоже должно равняться £
Тогда
DANGE
7.4
Пусть
Равняется
Пусть S равно -37
Одному.
-38
Î.39 -40
-41 -42
-43
2.8 CRO 0.4 ROA_, DANG El
Тогда
R будет два.
Теперь
И О плюс R
54 Теперь пусть...
Пусть S плюс О
Рис. 15.13.Движения таз и вербализация при решении испытуемым криптоарифметической задачи. Времена сканирования даны жирным шрифтом. Обведенные буквы — это те, на которых фиксировался взгляд; линии, соединяющие буквы, показывают путь движения глаза. Трапеции с левого края шкалы времени — это графические указатели времени сканирования (пустые) и времени внимания (заштрихованные), показанных в первой колонке.
действительно способную к решению задач" (Howard Gardner. Mind's New Science. 1985, p.150).
Роботы
Роботы (устройства, "способные выполнять человеческую работу или ведущие себя подобно человеку") воплощают в себе большую часть рассмотренной выше географии ИИ — моделирование распознавания паттернов, памяти, обработки языка и решения задач.
Мышление и интеллект - естественный и искусственный 532
Рис. 15.14*План помещения с объектами и роботом в позициях, которые они занимают в начале задачи. Взято из: Fikes, Hart, and Nilsson (1972).
Роботология быстро развивалась в 60-х годах в связи с исследованием космоса и необходимостью разрабатывать весьма сложные механические устройства для выполнения конкретных задач. Аппарат, приземлившийся на Марсе и способный провести ряд сложных химических анализов, есть результат этих потребностей. (Некоторые из роботов — это чисто механические устройства, только отдаленно связанные с узким определением ИИ, использованным в данной главе.)
Некоторые из ранних прототипов космических роботов были разработаны в лаборатории ИИ Стзнфордского университета, у входа в которую стоят знаки, предупреждающие посетителей лаборатории о том, что могут появиться роботы-транспортные средства. К наиболее интригующим из разработанных здесь роботов относится (1968г.) передвижное радиоуправляемое транспортное средство, названное "Шейки"17, которое обладало бортовыми перцептивными способностями и способностями к решению задач. Шейки был оборудован телевизионной камерой, измерителем расстояния и тактильным датчиком "кошачий ус". Вся афферентная и сенсорная информация передавалась в компьютер, содержавший множество программ для анализа афферентной информации и планирования последствия действий, направленных на манипулирование окружением робота. Все вместе размещалось на мототележке, которая могла двигаться в любом направлении.
Робот
Происхождение слова "робот" связано с чешским писателем-фантастом Карелом Чапеком, написавшем в 1920 году пьесу "R.-U.R". История говорит, что, когда он закончил эту пьесу, свои главные персонажи, которыми были человекоподобные машины, он решил назвать "лаборы" (от латинского корня labor= работа). Но такое
название выглядело слишком обыденно, поэтому он посоветовался со своим братом Йозефом Чапеком, известным художником. "Лаборы, лаборы. Но почему не использовать чешское слово? Назовем их роботы." Это слово имеет общие производные во многих славянских языках (например, по-русски rabota= labor).
17Shakey= трясущийся, нетвердо стоящий.— Прим, перев.
Искусственный интеллект 533
Эволюция (роботов
Очарованность возможностями гуманоидов, действия которых имитируют человеческое поведение, преобладают в фольклоре и художественных произведениях. Этот интерес выразился в таких историях как "Ученик волшебника", "Пиноккио" и Франкенштейн, историях о "големах" и центаврах и персонажах вроде Робота Робби, R2D2 и СЗРО (Звездные войны) и Хэла (Одиссея 2001). С пришествием современной инженерной технологии и когнитивной психологии роботология вышла из области мифов и научной фантастики и выросла до статуса очень серьезного научного предприятия. Пионерская работа была проделана британскими учеными Россом Эшли (1953) и В.Греем Уолтером (1953). Эшли разработал и построил электронную цепь, способную поддерживать желаемый гомеостаз. Уолтер добавил к устройствам гомеостатического типа подвижность, что-
бы они могли искать свет ниже определенной яркости, избегать света ярче этого уровня и, если света нет, бродить вокруг, так сказать, "в поисках света". Эти маши-ны-"тропизмы" имитировали только рудиментарные свойства живых организмов, проявляющиеся у насекомых, растений или простейших животных. Следующий по эволюционной линии робот был собран в университете Джона Гопкинса и стал известен под именем "Зверюги Гопкинса". Этот мог двигаться от своей собственной энергии и был полностью самостоятельным. Он ориентировался при помощи сонара, а его перцептивная система состояла из набора фотоэлементов, масок, линз и цепей, спроектированных для обнаружения единственной вещи: крышки электрической розетки. Когда он ее видел, он пытался вступить с ней в контакт с помощью руки, имевшей форму штепселя.
Перцептивная система состояла из телекамеры, редуцировавшей картинки в контурные изображения, а затем - в значимые зоны или объекты сцены. Решатель задач был типа программы доказательства теорем и позволял Шейки выполнять простые задания.
Вторая версия "Шейки", разработанная в 1971 году, состояла из того же самого оборудования, что и первая, но имела значительно расширенную память и управляющую систему. Следующий пример иллюстрирует менталитет и способности нового Шейки. Предположим, что этому роботу поручено разработать и выполнить план по перемещению ящиков, показанных на Рис.15.14, так, чтобы оба ящика оказались в Комнате 1 (К1), но с тем ограничением, что клин никогда не должен находиться в той же комнате, что и ящик. (Задача взята из: Fikes, Hart, and Nilsson, 1972.) Чтобы решить эту задачу, в памяти робота должна быть записана какая-то репрезентация плана помещения и расположения ящиков. Часть памяти должна быть постоянной — например, положение дверей и комнат, физические законы движения и пространства; тогда как другая информация может быть преходящей — например, текущее положение ящиков и робота. Команда собрать ящики переводится в математическую форму (названную STRIPS), которая имитирует программу решения задач. (STRIPS — это более совершенная форма УРЗ, описанного выше в этой главе.) Робот может решить, что на первом шаге надо передвинуть Ящик 2 в Комнату 1, но затем должен решить сначала втолкнуть этот ящик в Комнату 3, поскольку клин находится в Комнате 1. Хотя эта задача выглядит простой до
Мышление и интеллект - естественный и искусственный 534
г
абсурда, в действительности она довольно любопытна — в свете огромного диапазона содержащихся в ней перцептивно-когнитивных работ. После выполнения множества задач, вроде вышеописанной и краткого появления в одном фильме, Шейки удалился от дел в 1973 и пребывает в офисе Бертрама Рафаэля в SRI, где его единственной и нечастой реакцией является выпускание небольшой капли масла на пол.
Грандиозные планы 70-х, которые начались с разработки полных функциональных роботов, открыли дорогу более разумным проектам, где повторяются относительно простые человеческие процессы. На этой арене деловое сообщество идет впереди — многие трудоемкие или опасные функции можно передать роботам.
Краткое содержание
/. Искусственный интеллект характеризует всякий результат работы компьютера, который был бы сочтен разумным, если бы был произведен человеком.
2. В ИИ существует дихотомия (Сирл) между "жесткой" позицией, утверждающей, что путем надлежащего программирования можно создать разум, способный к пониманию, и "мягкой" позицией, которая полагает, что ИИ есть эвристический инструмент для изучения человеческого познания.
3. ИИ ставит философские вопросы, связанные с намерением, мышлением и пониманием. В упражнениях, разработанных для демонстрации неразличимости человека и машины и их функциональной эквивалентности (например, тест Тюринга и задача "Китайская комната"), некоторые ученые усматривают упущение такого важного фактора как произвольность, которой обладает человек и не обладает машина.
4. У машин, обрабатывающих информацию по аналогии с человеческим познанием, возможность распознавания сложных стимулов выросла; если в первых моделях применялось наложение этало-ных матриц, то новые подходы опираются на анализ структурных деталей и их взаимосвязей.
5. Системы компьютерной памяти можно разделить на простые пассивные системы, в которых отдельные элементы информации хранятся в конкретных местах и к ним возможен последовательный или произвольный доступ путем зондирования от центрального процессора, и сложные активные системы, в которых элементы хранятся в виде взаимосвязанной сети, и доступ к ним осуществляется путем адресации по содержанию.
6. Компьютерным программам, способным "понимать" естественный • язык, нужны как минимум: семантические и синтаксические правила; база знаний о мире и о социальном контексте; какие-нибудь методы обработки неоднозначностей, имеющихся в обычно употребляемом языке.
Искусственный интеллект 535
7. Программы искусственного интеллекта, предназначенные для решения задач (например, шахматные компьютеры или УРЗ) используют две принципиальные стратегии: алгоритмические процедуры, гарантирующие решение путем перебора всех возможных вариантов, и эвристические процедуры, основанные на выборе стратегии и разложении сложных задач на более легко решаемые подзадачи.
Ключевые слова
активные системы памяти
искусственный интеллект
"Китайская комната"
ЭЛИЗА
Универсальный Решатель Задач (УРЗ)
модель с параллельной обработкой
модель с последовательной обработкой
пассивные системы памяти
роботы
ПАРРИ
ШРДЛУ
речевые действия
тест Тюринга
Рекомендуемая литература
По теме ИИ есть рбширная литература. Хорошее введение, которое только случайно осталось непонятым: Jackson. Introduction to Artificial Intelligence-, Apter and Westby, eds. The Computer in Psychology.
Общие обзоры:
Tauke. Computers and Common Sense (в мягкой обложке);
J.G.Kemeny. Man and the Computer,
Apter. The Computer Simulation of Behavior.
Хорошо написанное и технически интересное изложение исследований: Raphael. The Thinking Computer.
С несколько большим уклоном в технику: Feigenbaum and Feldman, eds. Computers and Thought-, Winston, ed. The Psychology of Computer Vision', Schank and Colby, eds. Computer Models of Thought and Language; "Computer Power and Human Reason", in: Weizenbaum. Judgment to Calculation.
Также интересны центральные разделы в:
Norman and Rumelhart. Exploration in Cognition;
Bower and Hilgard. Theories of Learning (5th ed.);
Michie. "Machine and the Theory of Intel-ligence" in: Nature;
Мышление и интеллект - естественный и искусственный 536
Winograd. "Artificial Intelligence: When will computers understand people?" in: Psychology Today.
Весьма рекомендуется:
Pylyshyn. Computation and Cognition: Toward a Foundation for Cognitive Science.
Выпуск журнала Bite за апрель 1985г. в основном посвящен ИИ и содержит захватывающие статьи таких авторов как Minsky, Schank, and Hunter, John Anderson, and Reiser, Winston, Hilton и др. Стоит прочесть всем интересующимся ИИ и смежными областям (кроме всего, они хорошо читаются):
Godei, Escher and Bach. Metamagical Themas: Questing for the Essence of Mind and Matter, Douglas Hofstadter. An Eternal Golden Braid.
Весьма рекомендуется книга, где обсуждается ИИ и многие другие темы, затронутые в настоящей книге: Gardner. Mind's New Science.
Некоторые интересные технические вопросы рассматриваются в: Artificial and Human Intelligence, ed. by Elithorn and Banerji; Perspectives on Cognitive Science, ed. by Norman.
Ответ на вопрос на с. 518: в интервью "А" компьютер был "пациентом".
Искусственный интеллект 537
Приложение
Современные методы нейрофизиологии
ЯМР и ЭПС
При обследовании методом ЯМР (ядерный магнитный резонанс) вокруг тела пациента расположены очень мощные электромагниты, которые воздействуют на ядра атомов водорода, входящих в состав воды. На основании полученных при этом данных можно судить о колебаниях плотности атомов водорода и об их взаимодействии с окружающими тканями. Поскольку водород указывает на содержание воды, метод ЯМР можно применять в диагностических и исследовательских целях. Одним из главных его недостатков до недавних пор было значительное время, требуемое для построения общей картины. Вследствие большого времени экспозиции этот метод подходил только для наблюдения за статичными биологическими структурами и был практически неприменим для изучения быстроменяющихся процессов, связанных с познавательной деятельностью. Но теперь появилась быстродействующая техника регистрации данных, позволяющая получать картину за 30 мс, что достаточно для наблюдения за быст-ропротекающими когнитивными функциями. Кроме того, этрт^етод, называемый эхо-планарным ЯМР-сканированием (ЭПС) позволяет получать картины функциональной активности мозга с высоким разрешением. Возможно, что в ближайшие годы развитие техники ЭПС позволит ей стать практическим инструментом для дискретной визуализации структур мозга и регистрации процессов в реальном масштабе времени. Более подробно см.: Schneider, Noll, and Cohen (1993) и Cohen, Rosen, and Brady (1992).
КАТ-сканирование
КАТ-сканер (компьютерная аксиальная томография) действует при помощи рентгеновского аппарата, вращающегося вокруг черепа и бомбардирующего его тонкими веерообразными рентгеновскими лучами. Эти лучи регистрируются чувствительными детекторами, расположенными с противоположной от источника стороны. Данная процедура отличается от обычного рентгеновского обследования тем, что последнее дает только один вид части тела. Кроме того на обычной рентгеновской установке крупные молекулы (например, кальция черепа) сильно поглощают лучи и маскируют находящиеся за ними органы. Вращая рентгеновский луч на 180 градусов, КАТ-сканер позволяет получить множество изображений одного и того же органа и таким образом построить внутренний поперечный срез, или "ломтик" этой части тела. Изображение поперечного сечения, называемое томограммой (буквально "написание раздела"), стало играть решающую роль в медицинской диагностике. Отображая локальный кровоток и патологическую метаболическую активность, томография позволяет более точно ставить диагноз. В когнитивной психологии КАТ-сканеры были
применены для отображения когнитивных структур Еще более сложный вариант этого метода, называемый динамической пространственной ре конструкцией (ДПР), позволяет "увидеть" внутренние структуры в трех измерениях Одним из преимуществ КАТ является ее распространенность Так, к середине 90 х годов количество сканеров, используемых в амери канских больницах превысило 10000 Новые технологии помогли разре шить некоторые из проблем, связанных с этим методом Так, например, временное разрешение, определяемое скоростью фотозатвора, составляло около 1 сек, отчего динамические процессы (даже биение сердца) получа лись "смазанными" Но уже разработаны сверхбыстрые КАТы с такой ско ростью обработки, что смазанные ранее картины теперь прояснились
Функциональный ЯМР :-. •*••
ПЭТ
Os
е
о
о; О
О U
Os
0) О
Z
ÛÛ
Рис. AI.Техника функционального ЯМР и ПЭТ позволяет определять интенсивность кровотока Когда нейрон переходит из состояния покоя (вверху) в активное состояние (внизу), поток крови увеличивается ЯМР (слева) регистрирует увеличение содержания кислорода в соседних с ним сосудах ПЭТ (справа) регистрирует увеличение содержания радиоактивной воды, поставляемой по сосудам к клеткам мозга
Приложение 540
ПЭТ-сканеры
ПЭТ-сканеры (Позитронно-Эмиссионная трансаксиальная Томография) отличаются от КАТ-сканеров тем, что в них используются детекторы, обнаруживающие в кровотоке радиоактивные частицы Активным участкам мозга нужен больший поток крови, поэтому в рабочих зонах скапливается больше радиоактивного "красителя" Излучение этого красителя можно преобразовать в изображение карты В когнитивной нейропсихологии применение ПЭТ-сканеров было особенно плодотворным Впервые ПЭТ-сканеры в когнитивной психологии применили Ярл Рисберг и Дейвид Ингвар из Ландского университете в Швеции (см Lassen, Ingvar, and Skmhoj, 1979) в сотрудничестве со Стивом Пересеном, Майклом Познером, Маркусом Рейклем и Энделом Тульвингом (см Posner et al, 1988) Эта технология дала некоторые очень интересные результаты, но широкого распространения в исследовательских целях не получила из-за очень высокой стоимости оборудования и длительного времени записи изображения (сейчас это около 20 сек)
В ранних исследованиях с ПЭТ для измерения локального церебрального кровотока испытуемому делалась ингаляция ксенона-133, который играл роль красящего вещества Рисберг и Ингвар успешно применили золото 195м, вводимое внутривенно С таким красителем всего ^а несколько секунд можно получиь "карты" с высоким разрешением (Risberg, 1987, 1989, Tulvmg, 1989a, 1989b), что дает исследователю значительно больше возможностей для сбора когнитивных данных
Особый интерес для когнитивных психологов представляет использование паттернов кортикального кровотока в исследованиях памяти Последние несколько лет Тульвинг разрабатывает теорию памяти, где постулируются два особых ее вида эпизодическая и семантическая, или память на личные события и память на общие знания соответственно В одном из экспериментов (Tulvmg, 1989a) испытуемого просили молча подумать о некотором эпизодическом (личном) событии и затем подумать о чем-либо общем Исследование проводилось на системе с высоким разрешением Cortexporer 256-HR, разработанной Рисбергом В качестве красителя использовалось радиоактивное золото с периодом полураспада всего ЗОсек, небольшое количество которого вводили в кровь испытуемого За кровотоком следили, измеряя количество красителя примерно через 7-8 сек после инъекции Количество красителя в каждой зоне измерялось батареей из 254 околочерепных детекторов гамма-излучения, плотно окружавших голову испытуемого Каждым детектором сканировалась зона примерно в 1 см2, и в результате получалась "цветная" двухмерная карта мозга, состоящая из 3000 элементов Некоторые измерения проводились за период 2 4 сек и визуализировались с помощью соответствующих компьютерных преобразований
На такой карте можно видеть общие различия паттернов кровотока, а именно - нервной активности различных областей мозга Прежде всего заметно, что воспроизведение эпизодов (личных событий) сопровождается большей активацией передней доли коры мозга, а воспроизведение семантических (общих знаний) - большей активацией задних областей мозга Это сырые данные и нужно еще поработать, прежде чем можно будет сделать определенные теоретические утверждения, однако мы можем смело сказать, что в эпизодической и семантической системах памяти дей-
Методы нейрофизиологии 541
ствуют различные мозговые процессы, протекающие в различных участках мозга. Отсюда, в свою очередь, следует, что у нас может быть несколько систем памяти. Эти наблюдения согласуются с результатами изучения патологий при мозговых поражениях с последующей потерей эпизодической памяти (подробно см в: Milner, Petrides, and Smith, 1985; Sc-hacter, 1987).
Другую попытку установить прямую связь между когнитивными процессами и активностью зон мозга предприняли Познер, Петерсен и их коллеги в МакДоннелловском Центре Высших Мозговых Функций при Вашингтонском университете; они провели ряд важных экспериментов по обработке слов нормальным здоровым мозгом. При помощи ПЭТ-сканеров Петерсен и др. (1988) изучали кровоток в мозге испытуемых, которым впрыскивали радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада. В одном из эксперментов этой группы было четыре этапа: (Остадия покоя; (2)появление отдельного слова на экране; (З)чтение этого слова вслух и (4)генерация примера употребления каждого слова. У каждого из этих этапов была своя собственная визуальная "роспись".
Когда испытуемый в этих экспериментах глядел на слово на экране, активировалась затылочная зона коры; когда он слышал слово, активировалась центральная часть коры, когда произносил - активировались моторные зоны, а когда его просили назвать слово, связанное с данным (например, если появлялось слово пирожное,испытуемый должен был назвать подходящий глагол, например, есть),наиболее активной была ассоциативная зона, но наблюдалась также и общая активность коры.
Хотя техника ПЭТ находится еще в начале своего развития, в будущем она, видимо, будет совершенствоваться. Кроме того, вероятно появятся и другие технологии. Даже на этом этапе первые результаты уже оказали значительное влияние на когнитивную психологию и связанные с ней науки. Например, вопрос локализации функций мозга, на котором столь широко настаивали френологи, может заслуживать некоторого доверия, хотя я потороплюсь добавить, что методы и общая теория френологии не могутрассчитывать на научное признание! Не вызывает сомнения и то, что многие функции мозга требуют совместной работы множества различных его зон. Однако, первые впечатляющие исследования подтверждают, что локальная специфичность свойственна на удивление многим видам активности, связанным со сложными когнитивными задачами (некоторыми видами языковой обработки или процессами внимания). Обнаружилось, например, что когда мы направляем внимание на реальные слова, такие как читаемый вами сейчас текст, активируются определенные задние области мозга. Однако, бессмысленные слова эти центры не активируют. Кроме того, когда испытуемых просят проиллюстрировать употребление существительного (например, молотокЦударять) или отнести его к определенному классу, у них активируются определенные передние или височные зоны (см. McCarthy et al., 1993; Petersen et al., 1990; Petersen and Fiez, 1993; Posner, 1992; Posner et al., 1994).
ПЭТ и внимание
Техника построения образов функционирования мозга (в основном это ПЭТ) широко используется в современных исследованиях внимания, и Приложение
хотя невозможно рассказать обо всех современных исследованиях (или даже дать некоторый "срез": столь обширны данные в этой области), мы попытаемся окинуть взглядом некоторые из работ, проведенных ведущими учеными в этой важной сфере нейрокогнитивных исследований. Суть метода ПЭТ мы объясняли выше, но вкратце повторим, что она состоит в измерении величины кровотока в мозге, интенсивность которого оценивается по наличию радиоактивного "красителя". Поскольку метаболизм работающего мозга требует подпитки, он потребляет больше крови. За этими процессами следят датчики радиоактивности, данные от которых преобразуются компьютером в "географическую" карту коры мозга, по которой можно определить "горячие точки" его отделов, где сосредоточено больше крови.
Типичным примером таких экспериментов является работа Петерсена и его коллег (Petersen et al., 1990), в которой испытуемым показывали слова, неслова, сочетания букв, напоминающие слова, а также последовательности согласных букв. При предъявлении слов и регулярных неслов (но не сочетаний согласных) активировались области, показанные на Рис. А2 незакрашенным эллипсом (левая часть рисунка). Любопытно, что пациенты с обратимыми повреждениями этих зон часто не способны читать слова целиком, но могут прочесть их буква за буквой. В случае, когда пациентам показывали слово "опера", они не могли прочитать его но, могли назвать буквы по одной и таким образом (вероятно) это сочетание букв
Латеральная поверхность
Срединный разрез
Левое полушарие
Правое полушарие
20 mm
Рис. А2.Зоны коры мозга человека, активируемые при внимании. Зоны внимания изображены в вице закрашенных фигур на латеральной {снаружи) и медиальной (поперечное сечение) поверхностях левого и правого полушария. Видно, что теменные доли (закрашенный квадрат) входят в зону внимания, правые передние доли связаны с состоянием бодрствования; ромбы показывают переднюю часть зоны внимания. Овал' и круг указывают зоны обработки слова, связанной с его зрительной формой {эллипс) и семантическими ассоциациями {круг}.
Методы нейрофизиологии 543
представлялось в слуховом коде. Другие зоны мозга "перехватывали" эту активность и тогда эти пациенты могли сказать, что это за слово. Исследования мозга при помощи ПЭТ указывают также на то, что в определенных типах внимания задействованы также другие зоны, что отражено на Рис. А2.
Нейрокогнитология памяти
Нейрокогнитология, называемая также нейропсихологией1сложилась из неврологии и когнитивной психологии. Ее определяют как "исследования на стыке неврологии и когнитивной психологии, особенно теорий памяти, ощущения и восприятия, решения задач, языковой обработки, моторных и познавательных функций".
Современные исследования нейрокогнитологии памяти занимаются вычерчиванием кривых топографии мозга, прослеживанием "следов" памяти и определением нервных изменений в мозге, связанных с формированием и изменением памяти. В этих исследованиях используются описанные выше технологии построения образов работы мозга (например, ПЭТ, ЯМР, ЭЭГ), а также электрическое зондирование мозга (например, минутная электрическая стимуляция с целью вызова воспоминаний), введение химических веществ и препаратов, влияющих на передачу нервных импульсов в синапсах (например, фармакологических средств лечения и изучения памяти, способных ее улучшать или ухудшать) и изучение патологических случаев необычных расстройств памяти (см. вставку ниже).
Когда составляется карта областей мозга, связанных с теми или иными видами и функциями памяти, учитывается непосредственная роль трех отделов мозга, хотя следует подчеркнуть, что функции памяти разбросаны по всему мозгу. Как показано на Рис. A3, такими отделами являются: кора - наружная поверхность мозга, которая предположительно участвует в познавательной деятельности высшего порядка (мышлении, решении задач и запоминании), мозжечок - структура, похожая на цветную капусту,