| |
Гимназия № 1529|
|
Статья о роботах и робототехнике - учитель информатики Артамкин Е.Ю.
Кибернетика и робототехника
Общие сведения.
История развития робототехники уходит в далекое прошлое. Легенды о джине, человеке-исполине, волшебнике известны с незапамятных времен. Вот эти легенды и породили идею создания сказочного помощника человека, всемогущего, выполняющего любые его желания. А позже, с развитием технических отраслей знаний, таких как точная механика, электроника, техническая кибернетика и других, появились и помощники человека, названные роботами - это в технике. Помощники нужны были не только техническим специалистам, так, например, нужен был робот-интеллектуал, обладающий значительными умственными способностями, чем-то похожий на человека, заменяющий его во многом. Искусство не осталось в стороне, создав образ супермена, сверхчеловека.
Надо сказать, что деятельность людей приводит к активному развитию науки и техники, особенно заметному за последние 50-100 лет, и образ помощника принимает все более реальный, интеллектуальный характер. Вот пример- компьютер - вошел в нашу жизнь недавно, а робот - супермен уже обладает способностями мышления на уровне ЭВМ и даже выше (например, робот-шахматист). Правда, об этом пишут в фантастических романах, которые, кстати сказать, не так уж далеки от реальной действительности, да и вообще, писателям-фантастам все труднее придумывать что-то, далеко выходящее за рамки нашего воображения и согласующееся с нашей современной жизнью.
Кибернетика- наука об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в биологических, административных, социальных и технических сложных системах. Происходит от греческого слова Кибернетикос - искусство управлять. Впервые теоретические рассуждения об этой науке появились в книге Норберта Винера,1949 г. В дальнейшем в книгах Р.Эшли, И.Полетаева, В.Солодовникова.
Что же такое робототехника?
Согласно работе, опубликованной Моравеком из Карнеги-Меллона, полуторакилограммовый мозг человека может выполнять около 100 трлн. операций в секунду — суперкомпьютеры практически уже достигли этой цифры, а чипы для роботов, развиваясь по закону Мура, достигнут такой обрабатывающей мощности менее чем через 10 лет. К этому времени недостаточно умные роботы завоюют рынок и подготовят его для тотального взятия разумными роботами. "Чтобы быть полезным, роботу не нужны все возможности человеческого мозга, — пишет Моравек. — Умственных способностей рыбки гуппи примерно в 1000 млн. операций в секунду достаточно, чтобы мобильные бытовые роботы могли ориентироваться в незнакомом окружении, выполняя работу в сотнях тысяч производственных помещений, а со временем и в миллионах домов". Даже лишённые человеческого разума, роботы-андроиды займут главную часть мирового рынка.
Впервые слово робот появилось из под пера писателя Карела Чапека, в 1920 году, он говорил о механических людях, называя их роботами. С тех пор роботами стали называть механические игрушки, они были похожи на людей и выполняли простые механические движения. Позже появились андроиды, они исполняли музыкальные мелодии, рисовали, передвигались, но использовались только в развлекательных целях. Известный писатель- фантаст Айзек Азимов в 1949 году написал о трех законах для робота, он должен защищать человека, выполнять его приказы и уметь самовосстанавливаться при поломке. Защищать - это значит, превосходить человека быть сильнее, быстрее реагировать на внешнюю информацию, обладать антропоморфизмом.
И еще, робот должен обладать интеллектом, причем созданным искусственно, человеком.
Робототехника, как наука, возникла в результате объединения специальных разделов знаний, она занимается созданием технических систем (роботов), способных заменить человека в производственной и интеллектуальной сфере деятельности.
К концу 60-х годов нашего века развитие науки и техники достигло значительных успехов, появилась техническая кибернетика, различные автоматические системы управления, специальные разделы математики, бионика и многое другое. Все это дало возможность разработки сложных роботов, обладающих интеллектом, способностью адаптации к окружающей среде, самообучающихся.
Создатели современных роботов как раз и стремятся наделить робота всеми подобными качествами, используя для этого все имеющиеся достижения в разных областях науки, техники, используя различные технологии и последние достижения и идеи. Но, в конечном итоге, при построении робота, как сложной системы, основные идеи заимствованы от природы, а их реализация- дело рук современного человека и его достижений.
Природа, да и сам человек, не изучена нами до конца, поэтому говорить о создании суперсовременного робота еще очень рано, хотя нейрокибернетика предлагает совершенно удивительные решения некоторых проблем как раз с точки зрения естественных процессов. Основная задача нейрокибернетики - изучение нервной системы живых организмов для построения сложных технических систем, то есть искусственного интеллекта. Вот одна из задач, решаемых нейрокибернетикой - создание нейрокомпьютеров с необычной архитектурой, состоящей из нейронной сети, заменяющей процессор, память и прочее, объединяющей все функции перечисленных устройств электронной ЭВМ. Выигрыш - в скорости обработки информации совершенно недоступной современной цифровой ЭВМ. Говорят, что в 21 веке такие ЭВМ полностью заменят ныне действующие, что ж, подождем, а может, сами займемся разработкой таких систем.
Антропоморфизм - способность воспринимать извне те же сигналы что и человек.
Робот от чешского слова robot- раб, машина с человекоподобным поведением.
Андроид - роботы, внешне похожие на людей, имитирующие его движения.
Адаптация-приспособляемость к окружающей среде без структурных изменений.
Бионика - изучение поведения живых природных систем для использования и их возможной технической реализации.
Нейрокибернетика - один из разделов кибернетики, связанный с изучением возможностей использования функций мозга для построению сложных управляющих систем.
Искусственный интеллект
Искусственный интеллект интереснейшая современная задача, это целая наука на базе вычислительной техники, логики, психологии, нейрофизиологии и других отраслей знаний. Ну вот, например, о компьютере - есть ли у него интеллект? Компьютер-шахматист может просчитать тысячи вариантов ходов, выбрать один из них, но он не может сам составить программу для решения какой - то задачи, а, следовательно, не обладает интеллектом. Не сами процедуры выполнения интеллектуальной деятельности, а понимание того, как их создать, как научиться новому виду интеллектуальной деятельности - вот это и есть интеллект, в нашем случае это реализация техническими средствами некоторой модели интеллектуального поведения человека. Процесс самообучения служит моделью творческой или интеллектуальной деятельности, пока этим свойством обладает только человек, как высшее разумное.
Анализ внешней ситуации завершается построением модели поведения или решения на основе имеющихся знаний. И вот целью работ по искусственному интеллекту является создание наборов моделей поведения сложной системы (робота) для нахождения лучшей или рациональной в текущей ситуации. Прообразом, как вы уже понимаете, служит человек, делаются попытки моделирования процесса мышления, исследуются области бессознательного и интуитивного поведения. Методами исследований служат теоретические модели, эксперименты на ЭВМ, но современные ЭВМ не имеют ничего общего с устройством и процессами обработки информации в человеческом мозге. Последнее обстоятельство дает повод для поиска других средств исследований, как упоминалось выше, это попытки создания поколения принципиально новых ЭВМ, адаптированных к процессу человеческого мышления, работы по голографическим системам. Вы спросите, есть ли какие - нибудь практические результаты, да, есть это: экспертные системы - передающие опыт знаний от знающих к менее знающим, системы машинного перевода, интеллектуальные роботы и др.
Голография - получение объемного изображения в пространстве. В основе - принцип интерференции световых волн, изменение амплитуды и фазы волны.
Классификация роботов и области их применения
Внешний вид роботов различен, и не подчиняется, каким бы то ни было законам, таких законов просто нет, а есть техническое решение, применительно к условиям использования робота. Интеллектуальные роботы не похожи внешне на человека, если это не продиктовано какими- то особыми условиями.
Принято условно различать три типа роботов: программные, управляемые человеком-оператором и интеллектуальные, действующие самостоятельно и целенаправленно, независимо от человека. Большинство промышленных роботов являются манипуляторами или роботами, работающими по жесткой программе. Промышленные роботы имеют разные «специальности», т. е. используются в различных областях деятельности человека. Простейший робот это манипулятор с дистанционным управлением, имеющий одну или две «руки», ограниченную зону действия, закреплен на неподвижном или полуподвижном основании. Такое устройство можно увидеть там, где условия работы для человека недопустимы, например, когда надо работать с очень ядовитыми веществами, опасными микробами или радиоактивными веществами. Манипуляторы встречаются в медицине, например, при проведении операций с внутренними органами, манипулятор позволяет обходиться без скальпеля. Или, например, на атомной станции, в зоне повышенной радиоактивности, при перемещении тяжелых или опасных грузов. Там где необходимо, манипулятор снабжают «зрением» или телевизионной камерой, которая передает изображение на экран оператору, например, роботы - манипуляторы для исследования и взятия проб морского грунта на глубине до 2000 метров. Таким образом, дистанционный манипулятор заменяет действия рук человека, дополняя их, увеличивая усилия руки или делая движения более точными и миниатюрными, выполняя работу, которую не может быть сделана человеком, но при этом манипулятор не имеет собственной программы, а действия его определяет оператор, им управляющий.
Другой вид роботов, более сложных, предназначенных для выполнения различных заданий, определяемых заложенной в них программой.
Как правило, программа может быть выполнена в цикле (т.е. повторяется через равные промежутки времени) для того чтобы робот выполнял одни и те же повторяющиеся операции без остановки. В другом случае программа выполняется однократно, и после завершения заменяется другой.
Примером использования таких роботов могут служить автоматы по разливу и упаковке бутылок, развешиванию, фасовке или упаковке пакетированных продуктов или товаров. Программа таких роботов реализуется механически, подобно тому, как осуществляется циклическая работа четырехтактного двигателя автомобиля, где такты чередуются, по программе, которую задает механический элемент - коленчатый вал. Станок ЧПУ (числового программного управления) выполняет обработку детали по командам заданной программы, записанной на перфорированной ленте, заложенной в программатор.
Программатор это - устройство считывания программы (в данном случае с перфорированной двоичной ленты) и преобразующее считанный двоичный код в команды.
Много различных роботов применяется на автоматизированных предприятиях, цехах заводов-автоматов, так например, для распайки и сборки печатных плат на радиозаводах, линиях покраски кузовов автомобилей, на конвейере, сварочных работах и во многих других случаях, где они с успехом заменяют монотонный, однообразный труд человека, освобождая его от многократно повторяющихся технологических операций. Все роботы, о которых рассказывалось, классифицируются как промышленные, т.е. используемых в различных отраслях промышленности. В военном деле применяют дистанционно - управляемые роботы для разминирования или поражения различных целей.
Движущаяся часть манипулятора относится к так называемому блоку исполнительного механизма, этот блок у некоторых роботов помогает им передвигаться. Известны разные способы передвижения: колесный, гусеничный, полет, ползание, плавание, стопохождение (механизм называют педипулятор в отличие от манипулятора), этот способ передвижения самый сложный для его технической реализации.
Если говорить о программе действия, задаваемой роботу c помощью команд, то нельзя не сказать о способе передачи этих команд, современные средства передачи информации используют радиоканал, проводные и оптоволоконные каналы связи, а в будущем, может быть, канал биосвязи.
Примером служит робот «Луноход 1», выполнявший заложенную в нем программу, а также команды с Земли, переданные радиосредствами. Еще раньше такой робот был создан в Океанологии АН СССР. Он использовался для исследования морского дна на глубинах 2000 метров и выше, недоступных человеку в водолазном скафандре.
Уязвимость робота состоит в том, что он не может изменить свою программу
из - за изменений, вызванных внешними обстоятельствами.
В качестве примера интересен опыт немецкого инженера фон-Брауна, разработчика самонаводящихся ракет ФАУ 2, атаковавших Лондон в 1942г. В какой-то период ракеты перестали попадать в заданную цель из-за разных внешних причин. Для управления системой наведения ракеты был использован инстинкт живого голубя, приученного клевать зерна в стеклянной кормушке при появлении яркой зеленой точки. Голубя перед стартом ракеты сажали в камеру напротив экрана радара и если ракета, отклонялась от курса из-за маленького экранчика, в центре радара, появлялась зеленая яркая точка и голубь начинал клевать в этом месте, специальные датчики воздействовали на рули управления, полетом ракеты, возвращая ее на заданный курс.
С тех пор многое изменилось, и такое решение Брауна кажется смешным, сейчас например, стартовавшая баллистическая ракета, управляемая бортовым компьютером высчитывает данные полета, имеет систему космической навигации, решает задачи оптимального поражения цели, учитывает внешние воздействия и т.д.
Третья группа роботов - интеллектуальные роботы, воспринимающие внешние изменения с помощью различных датчиков, имеющие блок управления, блок исполнительных механизмов.
Датчик - устройство, вырабатывающее сигнал, или меняющее свое состояние, при изменении внешних условий.
О блоке исполнительных механизмов уже было сказано, но функция передачи ему различных команд возложена на блок управления, который является наиважнейшим устройством робота третьего типа. Основная задача блока обеспечить целенаправленное поведение робота в окружающей обстановке, для этого блоку нужна быстрая и точная информация о состоянии окружающей среды, информация о результатах изменения поведения робота. При этом робот должен анализировать полученную информацию и воспользоваться готовой программой из памяти или создать свою. Не правда ли, это напоминает поведение человека в среде его обитания, его реакцию на внешние изменения, принятие решения и дальнейшее поведение.
Действительно, интеллектуальный робот должен быть копией человека, но механической, созданной искусственно.
Клонирование. Воспроизводство живого организма из живой клеточной ткани
Итак, информация извне поступает от датчиков, их совокупность можно назвать блоком восприятия, они по назначению и конструкции очень многообразны. Самые простые - тактильные, передающие бит информации, например: 1,0; вкл/выкл; и прочее. Существует группа сенсорных датчиков (sensus-чувствительность), такие датчики используются, например, в клавиатуре ЭВМ, при прикосновении к сдвоенной клавише появляется незначительный ток через кожу пальца, и сенсорный выключатель срабатывает, посылая в ЭВМ код этой клавиши. Наиболее распространенный датчик пожарной сигнализации, замыкает свои контакты при повышении температуры в помещении до 80 градусов по шкале Цельсия.
Наиболее сложными датчиками называют целые системы, например, система опознания образа, в которую входит: сканирующее устройство, система опознания образов с банком данных или синтезатор речи, анализатор речи, системы слежения за объектом и тому подобное. Все подобные системы и датчики дублируют человеческое восприятие окружающего, но для робота можно использовать датчики таких физических величин и явлений как, например: уровень радиоактивности, величина давления, степень загрязнения окружающей среды и все другое, к чему не восприимчив или не сразу восприимчив человеческий организм. Робот должен обладать гомеостатической системой - техническим устройством, которое моделирует способность живого организма изменять или регулировать свои возможности, обеспечивая свое самосохранение - помните третий закон по А. Азимову для роботов. (1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. 2. Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат первому закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит первому и второму законам.)
Примером может служить защитная реакция человеческого организма на появление пореза или открытой раны. Сворачивается кровь, начинается процесс затягивания раны и привлечения дезинфицирующих составляющих крови.
Блок управления роботом воспринимает и анализирует данные, и строит модель внешней среды, сравнивая ее с моделью самого робота, иначе говоря, применяется метод математического моделирования, при этом роботом не совершается никаких действий. Математический метод дает возможность прогнозировать и просчитывать варианты дальнейших действий и, если принят какой-то вариант, - запускать программу работы исполнительных механизмов, устройств, систем робота. Правильно ли после изложенного называть роботом такое устройство? Наверное, точнее будет определение - сложная самоуправляемая система.
Где и для чего могут применяться такие сложные системы? Вероятно, в таких условиях, где нужен разум, близкий к человеческому, и действия, которые не под силу человеку по скорости и прилагаемым усилиям, где нужна восприимчивость к окружающей среде большая той, которой обладает человек. Подумайте и постарайтесь дать ответ на это, возможно именно вам придется решать этот вопрос в будущем.
Список используемой литературы:
Эшби У. Росс. Введение в кибернетику. – М.; ИЛ, 1959.
Шапиро С.И. Мышление человека и переработка информации ЭВМ. М.; Сов с. радио, 1980
Тимофеев А.В. Информатика и компьютерный интеллект. М.; Педагогика, 1991
А. Эндрю Искусственный интеллект. М.; Мир, 1985
Криницкий Н.А. Алгоритмы и роботы. – М.; Сов. радио, 1983
Тимофеев А.В. Роботы и искусственный интеллект. – М.; Наука, 1978
Федеральная просветительская газета «СВЕДЕНИЯ» № 3, 2005