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

CRO 0.4 ROA_, DANG El

Тогда

R будет два.

Теперь

И О плюс R

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 могут рассчитывать 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.