Досье искусственного интеллекта [Сергей Бобровский] (doc) читать онлайн

Сергей Бобровский
Досье искусственного интеллекта.

Часть 1.
Искусственный интеллект (ИИ) применяется сегодня во многих прикладных областях. Практически все они, может быть, и не так быстро, как хотелось бы, но неуклонно и непрерывно развиваются. В последние годы современные ИТ-технологии совершили очень резкий скачок вперед, в основном за счет повышения производительности массовых процессоров и стремительного удешевления памяти (как оперативной, так и "жесткой"). Это привело к появлению приложений, в которых воплощены серьезные теоретические наработки ИИ.

При этом можно отметить две тенденции. С одной стороны крупнейший в мире финансист исследований по ИИ (особенно по робототехнике) – это военное научное агентство DARPA. Современное оружие немыслимо без подходов ИИ (преимущественно нейронных технологий, нечетких экспертных систем и интеллектуальных решателей), позволяющих с помощью относительно малых ресурсов получать достаточно точные результаты, для нахождения которых классическими методами численной математики потребовались бы мощности суперкомпьютеров. Например, реализация режима автономного полета на небольшой высоте в плохих погодных условиях без использования заранее подготовленной компьютерной базы рельефа требует применения высокоэффективных механизмов синхронизации движения с данными, получаемыми от системы навигации GPS, видеокамер, радаров и других датчиков.
В связи с этим состояние определенных направлений в ИИ закрыто от посторонних глаз.
С другой стороны рынок бытовых роботов и интеллектуальных домашних устройств уже сегодня приносит немалую прибыль, а в перспективе это будет огромный бизнес, поэтому коммерческие компании занимаются исследованиями по ИИ своими силами, в чем-то дублируя DARPA и другие подобные организации (хотя, скорее всего, не опережая их).
В настоящем обзоре рассматриваются наиболее значимые события, произошедшие в различных областях ИИ за последние несколько лет. Надо отметить, что основная часть реально используемых систем обычно создается с привлечением разных технологий ИИ, что позволяет существенно повысить качество конечного результата.
Более подробную информацию по ИИ можно без проблем найти в Интернете. Например, большая подборка материалов расположена по адресу http://dir.yahoo.com/Science/Computer_Science/Artificial_Intelligence/.
Экспертные системы
Создание экспертных систем (ЭС) традиционно считается классическим занятием для специалистов по ИИ. ЭС многократно хоронились, признавались тупиковым направлением, тем не менее компьютеры научились давать советы в конкретных областях человеческой деятельности на уровне хороших экспертов.
Основной акцент в современных ЭС делается на принятии оперативных решений в реальном масштабе времени. Это объясняется нуждами современного бизнеса. Коммерческие ЭС контролируют крупные промышленные процессы, принимают решения по результатам показаний сотен периферийных устройств, управляют большими сетями, распределенными СУБД, подсказывая оператору, как поступить в сложной обстановке, а в критических ситуациях, требующих немедленного решения, берут управление на себя. Достаточно активно развивается и такое направление, как автоматическое накопление знаний, снимающее с человека рутинную работу по качественному анализу различных процессов. Практически все современные системы раскопки данных представляют собой ЭС.
Правда, старая схема ЭС, основанных на системе правил и создававшихся на базе версий Лиспа и Пролога, сегодня не столь популярна, как раньше. Практически во всех коммерческих продуктах применяются более гибкие походы – нечеткие технологии (когда вместо обычной двоичной логики "да-нет" используется логика с бесконечным числом состояний), Bayesian-сети, учитывающие вероятности перехода узлов в другие состояния, и т. д.
Например, система MOBAL дает возможность строить модель понятия в терминах логических правил и фактов, позволяя с помощью языка поиска похожих объектов Query-by-Similarity в сочетании с нечеткой логикой создавать очень гибкие системы хранения и обработки информации.
Интеллектуальный решатель C-PRS (Procedural Reasoning System in C), написанный на стандарте ANSI C, используется НАСА, в авиапромышленности, в системах управлении перевозками и мобильными роботами. Он переносим, очень компактен и с помощью кросс-платформных компиляторов допускает встраивание практически в любое оборудование.
В России осуществлено несколько внедрений крупной ЭС контроля, управления и моделирования сложных процессов Gensym G2.
Группа адаптивных систем корпорации Microsoft трудится над совершенствованием технологии Office Assistant, которая позволяет отслеживать поведение пользователя и подсказывать ему правильные действия в запутанных ситуациях.
В открытый проект AIOS (http://blkbox.com/~cravey/aios) приглашаются все желающие. Он посвящен созданию ОС с элементами ИИ. В нее будут встроены технологии обработки естественной речи, автоматического решения задач и самообучения.
Коммерческие системы имеют довольно большой ценовой диапазон, и если простые настольные системы стоят несколько сотен долларов, то цена промышленных приложений возрастает в тысячу раз, что свидетельствует об их несомненной востребованности.
Робототехника
При создании домашних автономных устройств подчас возникает больше проблем, чем при создании военных и космических роботов. Хотя в жилых домах не бывает перепадов температур в сотни градусов, а превышение скорости на десятки сантиметров несущественно (что в условиях невесомости может сразу привести к аварии), требование максимальной безопасности значительно осложняет жизнь разработчикам.
Быстрее всего сегодня развивается рынок автономных домашних пылесосов (см. PC Week/RE, № 40/99, с. 4). Такие модели оборудованы навигационной системой и всевозможными периферийными датчиками. Роботы-пылесосы перемещаются по квартире по случайным траекториям, собирая мусор и объезжая статические предметы, и удирают от движущихся объектов (людей и животных). Кроме того, умные пылесосы способны самостоятельно возвращаться на свое "место жительства" для подзарядки.
Другой перспективный рынок – автономные газонокосилки. Например, фирма Electrolux выпускает косилки, способные подзаряжаться от солнечной батареи, запасаться энергией на ночь и работать практически круглосуточно.
Более совершенные модели интеллектуальных бытовых устройств помимо уборки мусора способны выполнять множество дополнительных функций – например, подносить напитки и тапочки. Робот Cye фирмы Probotics, постоянно подключенный к ПК, дистанционно управляется заложенной в компьютер программой. С помощью удобного визуального инструмента пользователь может, используя план комнат, определить для Cye траектории передвижения, доступные и запрещенные области в квартире. Общение с роботом выполняется по протоколу, содержащему 35 команд и 20 ответных сообщений от робота. Немаловажно, что ПО Cye открыто для совершенствования, позволяет расширять базовые возможности системы и создавать на его основе собственные программы управления роботом. В будущих версиях Cye будет поддерживаться навигационная система GPS, и он сможет передвигаться не только по комнатам, но и на приусадебном участке.
Спрос на подобные устройства растет, и известная компания NEC уже представила модель Personal Robot R100, которая поступит в продажу в 2001 г. Сейчас модель проходит тестирование в исследовательском центре компании, и журналисты уже могли лицезреть, как робот высотой 44 см и весом 8 кг въезжает в комнату руководительницы проекта Йошихиро Фуджито, вращает телеглазом, распознает ее лицо среди лиц других присутствующих и обращается к ней со словами: "Мама! Вам что-нибудь надо?". В общей сложности робот способен произносить 300 фраз, понимать сотни команд и различать 10 лиц.
R100 может приносить мелкие вещи, вынимать почту из ящика, включать и выключать телевизор и кондиционер, записывать видеосообщения и передавать их по назначению. Он подключен к ПК и имеет встроенный процессор Intel 486 DX4. На основе этой модели NEC планирует в будущем выпускать робокошек и робособак.
Сотрудники лаборатории ИИ Массачусетского института считают, что робот – это не просто прислуга. Он обязательно должен взаимодействовать с окружающим миром и выполнять социально значимые функции. Исходя из этой посылки, они разрабатывают робота Cog, своим внешним видом и отчасти устройством напоминающего человека. Чтобы придать роботу привычную людям походку, допустимые углы сгибания его рук и ног сделаны примерно равными человеческим. В качестве глаз робота применяются четыре видеокамеры (по две на каждый "глаз"), распознающие оттенки серого и имитирующие режим бинокулярного зрения. В ушных раковинах, работающих по принципу локатора, установлены микрофоны, на конечностях и туловище – датчики давления (имитация осязания).
Вестибулярный аппарат моделируется тремя гироскопами, расположенными в голове робота. Единственное, что пока не реализовано по аналогии – обоняние.
Система управления представляет собой сложную иерархию устройств, от периферийных микроконтроллеров управления положением ступни до сети цифровой сигнальной системы обработки видео- и аудиоинформации. В большинство узлов Cog встроены процессоры Motorola 68332 16 МГц, на которых выполняется интерпретатор L (версия Common Lisp). Интенсивная обработки информации происходит в сети промышленных 200 МГц процессоров в ОС реального времени QNX.
Университет Северной Каролины разрабатывает роботов, способных перемещаться в завалах и спасать людей, оказавшихся под развалинами в результате различных катастроф. Робот Moccasin II, напоминающий сегментированного червяка, может проползать в туннелях диаметром 20 см и поворачивать на 90 градусов в любых направлениях, анализируя информацию от видеокамеры с подсветкой и датчиков давления, с помощью которых он "ощущает" стены и их изгибы. Moccasin II использует не электрический, а пневматический двигатель (потому что электрические искры могут спровоцировать взрыв скоплений газа) и передвигается как обычный червяк – сжимая и растягивая свое тело. Следующие модели робота можно будет без опаски применять при обследовании крупных технологических конструкций (танкеров, самолетов).
НАСА создала робота величиной с небольшой мячик. Он понимает голосовые команды, снабжен видеокамерой, датчиками температуры, давления и газовыми анализаторами и способен самостоятельно путешествовать внутри космических станций, выполняя мониторинг их состояния.

Военная лаборатория США Jet Propulsion Laboratory совместно с японским институтом аэрокосмических исследований наметила на январь 2002 г. первую в истории человечества высадку робота на астероид Nereus (1989ML). Он должен будет собрать образцы грунта и вернуться обратно на корабль. Пока прообраз этого робота представляет собой четырехколесный вездеход весом 2 кг и размером 28 куб. см. Он может поднимать свое "тело" значительно выше положения колесных осей или опускать его на грунт для взятия проб, подпрыгивать, пробираться в узких туннелях и, что очень важно, переворачиваться со спины на колеса в случае неожиданного неудачного падения. Робот снабжен солнечными батареями, видеокамерой, инфракрасным излучателем и системой связи с посадочным модулем и Землей. Для управления манипуляторами планируется использовать искусственные мускулы на основе электроактивных полимеров. В перспективе для исследования Марса, астероидов и комет этой же командой будут создаваться микророботы весом от 100 до 10 граммов.
Американская Ассоциация по ИИ на Национальной конференции 1999 г. организовала интересный турнир. Согласно его условиям роботы должны были самостоятельно добраться до зала заседаний. Для этого им требовалось выстоять в очереди на регистрацию, подняться по эскалатору, получить цветной баджет на "шею", выйти (или выползти) на сцену, в течение 2 минут рассказать о себе и попробовать ответить на простейшие вопросы. При этом учитывалась степень внешней похожести робота на человека. В первом турнире роботы двух университетских команд, добираясь до конференц-зала, пробовали хитрить – один просил окружающих подсказать ему правильное направление движения, а второй легонько подталкивал людей, обращаясь к ним с просьбой отнести его в зал.
Японские ученые, традиционно склонные к миниатюризации, создали робот длиной 1 см и массой в полграмма. Он предназначен для обслуживания АЭС и ТЭС и восстановления поврежденных участков электростанций. Робот способен проникать в поврежденные зоны, проползать по тончайшим трубкам и закрывать пораженные области своим телом.
В медицинском центре государственного университета штата Огайо создан робот-хирург, который имеет видеокамеру и две небольшие руки-манипулятора, а управляет им человек с помощью компьютера. Через небольшие разрезы на теле устройство проникает в сердце, после чего на основании полученной от него видеоинформации компьютер формирует трехмерный образ органа, позволяющий выполнять операцию значительно эффективнее. Хирурги единодушно признали пользу такого устройства.
Военные медики США создали робот для проведения операций в полевых условиях. Им можно дистанционно управлять с любого расстояния. Робот снабжен двумя манипуляторами, на каждом из которых установлено по 7 моторов и еще 14 моторов определяют положение тела. Система передает врачу трехмерное изображение оперируемой области и звуковой фон и обеспечивает обратную связь с хирургом, сообщая ему информацию, связанную с нагрузкой на скальпель. Компьютерный модуль компенсирует естественное дрожание кистей рук человека, повышена точность движений манипуляторов.
Похожие работы проводятся в российском Научном центре сердечно-сосудистой хирургии имени Бакулева РАМН. Используемый там робот также снабжен несколькими манипуляторами, способными держать различные инструменты (скальпель, пинцет и т. д.). Благодаря повышенному числу степеней свободы он может работать в самых неудобных, недоступных для человека положениях. Врач за монитором следит за увеличенной зоной операции и управляет манипуляторами, подавая через компьютер голосовые команды.
Военных в робототехнике интересуют прежде всего автономные летающие устройства для сбора разведывательной информации. Агентство DARPA готово финансировать выпуск беспилотных самолетов, в течение 20–60 мин полета преодолевающих 30–60 км и имеющих при этом массу не более 1 кг, а размеры – 20 см.
Фирма AeroVironment разработала снабженный различными датчиками самолет длиной 7,5 см, который может быть послан на разведку в очень сложных условиях – например, в городе. Пока главной проблемой остается посадка такого самолета, обычно не обходящаяся без поломок. Кроме того, трудно найти небольшой и достаточно мощный двигатель, поэтому фирма рассматривает возможность применения альтернативных (химических) источников энергии. Пока ее самолетик с двухграммовым пропеллером держится в воздухе 16 мин, развивая с попутным ветром скорость 70 км/ч.
Сотрудники лаборатории Вандербилтского университета пошли по другому пути. Они пытаются создать роботы, имитирующие движения насекомых. В них будут применены пьезоэлектрические приводы, используемые в пейджерах и имеющие КПД до 90% (КПД моторов, выполненных по другим технологиям, как правило, составляет около 60%).
Пока военные только готовятся к сражениям без участия людей, энтузиасты уже превратили такие войны в доходный бизнес. В США ежегодно проводится множество состязаний между роботами, цель которых одна – любой ценой "замочить" противника. В турнире BattleBots сражаются радиоуправляемые роботы, вооруженные молотками и прутьями; в уже шестом по счету конкурсе Fire-Fighting Home Robot Contest автономные роботы стреляют друг в друга, перемещаясь внутри жилого дома; организация Seattle Robotics Society проводит целый турнир для роботов Robothon, в который помимо драк входят такие виды "спорта", как сумо, отжимание и т. д.
Для тех, кто не имеет возможности создать своего робота и отправиться с ним в США, можно предложить виртуальный турнир, проводимый на сайте www.robotwar3d.com.


Часть 2.
Программные технологии для роботов
При создании роботов применяется самое разное компьютерное оборудование, нередко требующее низкоуровневого программирования. Для облегчения этой задачи создано немало программных систем. Исследовательская лаборатория Массачусетского технологического института свободно распространяет интерпретатор языка Interactive-C, ориентированный на быстрое выполнение команд и поддержку нескольких процессов, что особенно актуально при разработке робототехнических комплексов. Интерпретатор доступен по адресу: ftp://cher.media.mit.edu/pub/projects/interactive-c/.
Компания Parallax предлагает бортовой компьютер для роботов, который выполняет программы, написанные на Parallax BASIC (версии Бейсика),и поддерживает набор стандартных интерфейсов. В ОЗУ компьютера помещается 600 строк кода, а процессор выполняет 4 тыс. инструкций в секунду.
Фирма NetMedia выпускает более совершенную систему – диалект Бейсика (www.basicx.com), представляющий собой подмножество Microsoft Visual Basic. Микрокомпьютер NetMedia с ОЗУ объемом 64 Кб и многозадачной ОС выполняет команды со скоростью 100 тыс. операторов в секунду. Он использовался, например, при создании робота Fluffy 2, способного самостоятельно обнаруживать и обходить препятствия. При этом программа управляет работой 12 сервомоторов и обрабатывает показания ультразвукового датчика.
Одна из ведущих фирм – разработчиков роботов IS Robotics предлагает на рынке открытую программную архитектуру для управления робототехническими системами на основе технологии CORBA – MOBILITY Robot Software Development Environment Package. Это набор готовых компонентов для конструирования управляющих систем. Графическая оболочка среды разработки выполнена на Java, а само программирование ведется на языке L – усовершенствованном диалекте Common Lisp, поддерживающем параллельное выполнение и синхронизацию работы множества процессов, что необходимо при создании роботов с несколькими системами управления движением и анализа информации от различных периферийных датчиков.
Похожими работами занимается фирма RWI Division, автор так называемой "центральной нервной системы для роботов" uFLEX, связывающей все периферийные блоки робота с единым компьютерным модулем. На основе технологии uFLEX были созданы шагающий робот Ariel для подводного разминирования, набор небольших подводных лодок, имитирующих подвижность и маневренность стай рыб, робот Holon с 36 степенями свободы, несколько серий роботов STRIDE для выполнения разведывательных действий в областях со сложным рельефом, в городской местности и т. д.
Автономные агенты
Технологии автономных агентов привлекательны прежде всего тем, что позволяют разработчику, не знающему точного способа решения задачи или оптимальных параметров управления процессами, обойтись минимумом усилий, создав только один прототип агента, содружество которых затем запускается в компьютерную среду (например, в распределенную сеть) и достаточно эффективно выполняет черновую переработку информации, адаптируясь к окружающей среде и постепенно достигая поставленной цели.
В Колумбийском университете создана система JAM, предназначенная для анализа безопасности проведения электронных транзакций. Центральная самообучающаяся система, первоначально использующая набор шаблонов аномальных ситуаций, следит за изменением содержимого больших и быстро растущих распределенных БД в реальном масштабе времени, выявляя типичное для конкретной организации "поведение" транзакций. За возможными неисправностями и отклонениями в работе следят локальные агенты, также способные к обучению. Они передают накопленные сведения в главную систему, принимающую стратегические решения. Агенты могут объединяться в группы и превращаться в метаагенты, синтезирующие конкретные модели обучения своих подопечных.
Продолжаются работы над технологией Microsoft Agent, вводящей в Windows интерактивные персонажи, с которыми можно общаться и советоваться. Этот подход предполагает принципиально новый интерфейс взаимодействия человека и компьютера (более подробно см. http://msdn.microsoft.com/workshop/imedia/agent/).
Но наиболее перспективным сегодня считается применение интеллектуальных помощников для выполнения всевозможных операций поиска и сбора информации в Интернете – пока это всевозможные сетевые агенты (пауки, Web-роботы), индексирующие данные в Интернете. Однако стремительный и хаотический рост Web-пространства требует новых подходов для отбора нужных сведений. Новые поколения интеллектуальных автономных агентов подходят для этого как нельзя лучше – они способны самообучаться, эффективно взаимодействовать друг с другом и проявлять определенную самостоятельность при общении с клиентом.
Одни разработчики считают, что агент должен делать за пользователя в Интернете все – надо просто послать его за нужной информацией или файлом, и он принесет его "на блюдечке". В более глобальной перспективе предполагается перенести на агентов и работу по электронной коммерции, когда продавцами и ассистентами будут выступать программы, а людям остается только подсчитывать прибыль. Идея хорошая, но пока для ее реализации нет подходящих ресурсов. Нужны мощные суперкомпьютеры, распределенные хранилища данных, эффективные низкоуровневые технологии поиска и ОС, поддерживающие выполнение мобильного кода.
Определенные шаги в этом направлении делаются. Когда появилась технология Java, группа OMG разработала Mobile Agent System Interoperability Facility – требования к протоколу общения агентов. Развивает эти идеи, в частности, японское отделение IBM, создавшее библиотеку разработчика Java-агентов (аглетов) Java Aglets SDK (www.trl.ibm.co.jp/aglets), в основу которой положен переделанный из Sun’овского слогана "пишется однажды, работает везде" новый: "пишется однажды, передвигается везде".
Немалую активность в создании агентов для Интернета проявляет DARPA. Оно разработало протокол обмена знаниями и основанный на нем язык общения агентов Knowledge Query and Manipulation Language (KQML), также пригодный для применения в интеллектуальных решателях.
Интересное направление в области автономных агентов родилось с развитием языка XML. На его основе сегодня создаются XML-агенты, способные по запросу предоставлять информацию из произвольных источников данных. Немаловажно, что в отличие от Java-технологии, когда для выполнения байт-кода требуется JVM-машина, XML-агенты описываются единственным тегом , используют всего три типа объектов – "ввод", "вывод" и "ошибка" и содержат набор рецепторов для общения со своими "коллегами". Агенты могут применять любой доступный язык сценариев (или специально разработанный XMLScript), а также CGI-программы – в зависимости от возможностей сервера, на котором они выполняются. Главное, чтобы локальные программы стандартно обрабатывали три типа объектов.
Если классические агенты путешествуют по Сети сами, то XML-агенты лишь обмениваются сообщениями и данными с другими агентами с помощью HTTP-запросов, что позволяет создавать сколь угодно сложные структуры автоматического хранения и управления данными.
Нейронные сети
Буквально за последние несколько лет ИТ достигли уровня, при котором наконец стало возможным создание больших нейронных сетей. Появились новые процессоры, параллельные системы и соответствующее ПО, что позволило использовать нейротехнологии в коммерческих целях.
Абердинский университет создал кластер из 256 RISC-процессоров, способных формировать 2,4 трлн. связей между нейронами в секунду при среднем времени обучения 0,45 с. Некоторые тестовые примеры, требовавшие 10 ч работы на станциях SGI, теперь выполняются в кластере за 1 с.
Фирма Axeon выпустила самообучающийся процессор, применяемый в устройствах мобильной связи для повышения качества передачи, в системах навигации, распознавания изображений, обнаружения отклонений от нормальной работы, что особенно актуально для финансовых организаций.
В мозгу человека примерно 1 трлн. нейронов с огромным числом соединений между ними. Смоделировать такую систему на компьютере пока невозможно, а вот сымитировать поведение более простых существ, например нематоды, имеющей всего 302 нейрона, уже не представляет сложности. Кливлендский университет выполнил такую работу, и процесс поиска компьютерной нематодой пищи в лабиринте полностью совпал с аналогичным процессом, выполняемым живым прототипом. Следующий проект исследователей – создание виртуального таракана, у которого нейронов побольше.
Компания Bittco Solutions (www.bittco.com) предлагает продукт NetReality – хранилище документов, способное с помощью нейронных технологий выделять семантические связи между словами и их комбинациями ("геномы" документов). На основе NetReality реализован Web-портал, учитывающий интересы конкретных пользователей и облегчающей поиск в Интернете нужной информации.
Компания Intelligenesis (www.intelligenesis.net) разработала самоорганизующуюся систему WebMind. Она пытается "осознать" смысл информации в сети (пока локальной) и ответить на вопросы пользователей. WebMind – нечто среднее между хранилищем данных и средством поиска и анализа. Первоначально происходит процесс самообучения на реальных данных с применением нейронных сетей, затем формируется набор семантических сетей, а автономные агенты создают или уничтожают связи между их узлами (строками в БД, документами и т. п.). Анализируются последовательности обращений пользователей к данным и выполненные переходы между ними для выявления скрытых связей. На основе WebMind и технологии объединения мобильных устройств Sun Jini планируется создавать самоорганизующиеся сети Java-процессоров.
Корпорация Symantec лицензировала нейронную технологию IBM для контроля за попытками вирусного заражения загрузочных секторов.
Клеточные автоматы
Клеточные автоматы (КА) применяются сегодня в самых разных областях. Основным преимуществом данной технологии считается самостоятельное развитие системы и теоретическая возможность создания самовоспроизводящихся автоматов, которую Фон Нейман доказал в своей классической статье Theory of Self-Reproducing Automata (такой автомат требует десятков тысяч ячеек, каждая из них может находиться в одном из 29 состояний).
КА обладают тремя основными характеристиками: параллелизм (состояние всех ячеек меняется одновременно), локальность (состояние конкретной ячейки зависит только от состояния ее ближайших соседей) и гомогенность (homogeneity) – подчинение одному набору правил (чаще всего элементарному) для всех ячеек.
Делятся КА на четыре категории:
• точечные области (система переходит в статическое состояние после короткого времени функционирования);
• цикл (периодическое повторение состояний);
• хаотическое состояние (постоянные непредсказуемые изменения системы);
• структурное состояние (упорядоченное нестабильное поведение, пример – игра "Жизнь" Джона Конвея).
Благодаря простоте характеристик КА удается создавать специализированные и высокопроизводительные КА-процессоры. Они применяются для моделирования потоков физических частиц, развития экологических систем и городов, для шифрования, обработки изображений и т. д. Как правило, КА используются в связках с технологиями генетических алгоритмов и нейронных сетей.
Искусственная жизнь
Вопросы создания кибернетических устройств – полностью электронных или построенных на базе живых существ и способных эффективно выполнять присущие человеку действия, как интеллектуальные, так и двигательные, – привлекают активное внимание разработчиков, потому что сулят прекрасный возврат инвестиций.
Пока ИТ только развивались, в этой области главенствовал подход, основанный на создании управляющих алгоритмов для конкретного применения, что позволило, например, наладить массовый выпуск настраиваемых роботов-сборщиков. Современный подход опирается на теории адаптивных систем и эволюционного развития. В соответствии с ним предполагается, что устройства управления должны самостоятельно мутировать и развиваться: менять число и положение различных датчиков, свою форму и размеры и т. п.
Один из финансируемых DARPA проектов – система сборки конструкций из кубиков Лего, состоящая из манипулятора, видеокамеры и компьютера. Исходно в нее заложены только элементарные правила стыковки кубиков и цель – конечное сооружение, после чего система начинает пробовать различные комбинации кубиков, экспериментально определяя прочность и стабильность различных собираемых структур и выполняя несложную оптимизацию процессов сборки. Пока за один день системе удается самостоятельно собирать конструкции типа двухметровых игрушечных мостов и кранов, способных поднимать груз весом в полкилограмма. Самое главное, что эти конструкции отвечают всем инженерным требованиям по надежности, о которых система и не подозревает. Следующая цель разработчиков – подобным путем автоматизировать сборку системой себе подобных роботов.
Мичиганский университет создал программу, моделирующую процессы эволюции организмов. Экспериментируя с ней, ученые пришли к выводу, что мутации в ряде случаев приводят к резкому повышению жизнестойкости виртуальных существ, причем она достигается не просто сложением качеств. Более жизнеспособными оказались существа, способные сопротивляться множественным мутациям. Некоторое удивление исследователей вызвало то, что выживают более простые организмы (по мнению автора статьи, это в определенной степени закономерно – эволюционная теория не может объяснить, почему в природе должно происходить развитие от простого к сложному, ведь таракан более жизнеспособен, чем обезьяна, а камень более "жизнестоек", чем любое живое существо).
Тем не менее множество экспериментов над цифровыми насекомыми помогло не только понять детали механизма мутаций, но и определить правильные подходы к воздействию на этот процесс, что весьма актуально, в частности, для генной инженерии. Например, программа Avida, моделирующая процессы в чашках Петри, позволила в ряде задач по выделению генотипов повысить их эффективность в миллионы раз. Финансирует эти исследования корпорация Microsoft и Национальный научный фонд США.
Другой проект Microsoft – Microsoft Ball – предназначен для моделирования эмоциональных состояний личности. В соответствии с ним программа должна определять эмоциональное состояние пользователя и менять способ общения с человеком. Учитывая негативное отношение общества к возможной агрессивности компьютеров, реакция системы при потенциально опасных для нее действиях будет пассивной – например, голос, которым комментируется работа и выдаются советы, сменится с женского на мужской.
Microsoft Ball основан на результатах экспериментов, показывающих, что люди, получающие эмоциональный отклик и реакцию на их действия от программы, значительно дольше работают с компьютером, чем те, кто использует "молчаливые" приложения.
Проблемы агрессивного поведения волнуют, конечно, военных. Они планируют применять технологии распознавания уровней агрессии (чтобы определить, какие объекты надо уничтожать в первую очередь) в автономных устройствах. Хорошо подходят для решения подобных задач, например, байесовские сети.
Общение с человеком на естественном языке – задача, волнующая ученых уже 30 лет. Тогда была разработана программа Eliza объемом 240 строк на Лиспе. Она выделяла ключевые слова во фразах, строила на их основе простые вопросы и создавала неплохую иллюзию реального диалога. Большинство сегодняшних разработок действуют по тому же принципу, – определяют ключевые слова и их комбинации без понимания смысла.
Однако имеются программы на основе иных принципов. Так, компания Artificial Life (www.artificial-life.com) выпускает набор продуктов, использующих технологии ИИ.
Сервер приложений Klone Server поддерживает работу автономных агентов (интерактивных персонажей), которые общаются с посетителями сайта на естественном языке. Пока они способны отвечать на 20% вопросов, что обеспечивает 80% всех потребностей посетителей в информации.
Агенты могут решать различные проблемы общения, основываясь на системе логического вывода, имеющей несколько уровней синтаксического анализа фраз, слежения за контекстом разговора и понимания отдельных слов. Способность поддерживать беседу и понимать, куда клонится разговор, очень важна – она позволяет вносить в процесс общения эмоциональные составляющие, например при реакции агентов на трудные вопросы. Агенты могут также определить предпочтения посетителя, обращаясь к базе знаний о структуре сайта. Клиент-серверная версия Klone Server на 50 одновременно работающих с агентами посетителей стоит $2499.
Модуль Messenger выполняет автоматический анализ и обработку поступающей электронной почты и способен самостоятельно отвечать на письма или перенаправлять их на другие адреса в зависимости от смыслового наполнения.
Модуль KnowledgeManager формирует смысловую карту корпоративных документов и семантические взаимосвязи между ними.
Модуль SalesRep составляет пользовательские профили, анализируя траектории путешествия людей по сайту и результаты общения с агентами. Эти профили предназначены для применения в системах электронной коммерции.
Модуль CallCenterAgent позволяет создавать интеллектуальные центры обслуживания, способные в автономном режиме без участия человека выдавать быстрый ответ на обращение по телефону или электронной почте.
Модуль Portfolio Manager определяет типичные интересы человека и предпочтительные для него способы общения (телефон, пейджер, почта), а также вероятность продажи ему того или иного продукта.
Биотехнологии
Перспектива использования биологических объектов для получения программируемых систем привлекает множество ученых. В организме человека действуют самые разные биологические моторы, они переносят молекулы кислорода по кровеносным сосудам, выталкивают пыль из легких, заставляют руки и ноги сгибаться и т. д. Правда, как эти моторы работают, до сих пор далеко не всегда известно.
Бостонский колледж сообщил о создании мотора внутри живой клетки, который состоит из 78 атомов. Источником энергии для мотора, своеобразным аккумулятором служит живой организм (сразу вспоминается фильм "Матрица"). Правда, пока то, что получилось, работает весьма грубо и, по словам одного профессора, напоминает скорее молекулярный трактор.
Вейсманнский научный институт этим летом предложил универсальную технологию биомолекулярного компьютера, функционирующего на основе живой клетки. Принцип действия этого компьютера напоминает машину Тьюринга – одни молекулы играют роль ленты, другие задают правила ее обработки, реализуемые с помощью химических взаимодействий. Предполагается, что это достижение позволит создавать программируемые лекарства.
Лос-Анджелесский университет в сотрудничестве с исследовательской лабораторией компании Hewlett-Packard сообщил о первых достижениях в области молекулярных процессоров. Ученые смогли создать группу молекул, работающую по принципу транзистора. Как обещается, в крупинке песка удастся реализовать мощь 100 рабочих станций.
Игрушки
Роботы активно используются и в индустрии развлечений. С октября компания MGA Entertainment продает интерактивного медведя Koby, который благодаря встроенной микросхеме распознавания речи RSC-264T и нейрочипу способен общаться с ребенком, произносить десятки фраз, выполнять 400 последовательностей движений и проявлять 17 видов активности; он может даже попросить, чтобы с ним поиграли или его погладили.
Не снижается интерес к технологиям ИИ со стороны разработчиков игр. Однако коммерческие игры с компьютерными персонажами, действующими сколько-нибудь осмысленно, еще не появились. Рост спроса на игры с большим числом таких персонажей заставляет программистов реализовывать самые разные алгоритмы для имитации развития виртуальных существ – генетические и нейронные, нечеткой логики и адаптивного поведения, но пока получается это у них плохо. Первые серьезные результаты появятся, очевидно, года через два-три. Сегодня же стоимость более-менее приличного игрового мотора для компьютерных персонажей значительно превышает стоимость графического ядра для 3D-игр. Поэтому в некоторые игры (Unreal, Wisdom of Kings – The Twilight War, Civilization: Call to Power) встраиваются скрипт-языки, описываются открытые интерфейсы для подключения DLL-библиотек, чтобы позволить сторонним разработчикам реализовывать собственные алгоритмы.
Сотрудничают с создателями игровых алгоритмов ИИ военные организации и НАСА, потому что проблемы формирования поведения автономных устройств в сложных условиях при отсутствии с ними связи (например, на других планетах) аналогичны проблемам программирования боевых единиц во всевозможных стратегиях реального времени и ролевых играх, проводимых на огромных виртуальных пространствах.
В свою очередь академические и военные исследования также не остаются без внимания разработчиков игр. Так, в игре Panzer General 3 реализованы алгоритмы из реальных боевых симуляторов, учитываются тактико-технические характеристики настоящей военной техники (вплоть до анализа угла столкновения снаряда с броней танка), которые, впрочем, даже на хороших компьютерах пока требуют пятиминутного ожидания хода программы.
В заключение надо сказать, что, по всей вероятности, революций в технологиях искусственного интеллекта в обозримом будущем не произойдет, а их развитие будет напрямую связано с ростом производительности компьютеров и объемами привлекаемых человеческих ресурсов.


Часть 3.
Превратим Интернет в семантическую Сеть!
Военное научное агентство DARPA разрабатывает новый язык программирования DAML ( DARPA Agent Markup Language ), основанный на XML. Он предназначен для детального описания смысла хранимой на Web-странице информации. Рабочая версия DAML появится летом, и DARPA надеется, что консорциум утвердит W3C в качестве стандарта. Предполагается, что DAML послужит существенным стимулом для превращения Интернета из "свалки" информации в семантическую Сеть.
DAML позволит Web-агентам и поисковым системам комбинировать смысловое содержание нескольких страниц (например, учитывать в рубрикаторе все иерархические разделы, относящиеся к конкретному сайту), что позволит выполнять поиск предельно точно.
Другое преимущество DAML – возможность унификации жаргонных выражений, применяемых в разных областях промышленности и относящихся к одному и тому же технологическому элементу.
А зачем понадобился DAML военным? Одно из направлений, где этот язык может успешно применяться – дистанционный контроль за работой всевозможных бортовых устройств. Встроенная система хранит описание функций каждой своей детали на DAML, и путем постоянного отслеживания их состояния можно оперативно определять причины возникающих поломок и отказов в работе.
Пока главная проблема в распространении DAML – отсутствие эффективно работающих DAML-агентов.
Самый знающий эксперт
В течение 15 лет компания Cycorp разрабатывает базу знаний Cyc (en-Cyc-lopedia, www.cyc.com), на создание которой уже потрачено 50 млн. долл. На сегодня Cyc – лучшая в мире экспертно-справочная система, охватывающая все области знаний и способная делать логические выводы. Только в ядро Cyc вручную заложен 1 млн. утверждений.
Cyc состоит из основного ядра, базы знаний, интерфейсной части, подключаемых модулей и языка представления информации CycL, который работает с предикатами второго порядка.
Пообщаться с Cyc можно через Интернет на сайте www.e-cyc.com. Можно также приобрести сервер Cyc Knowledge Server и среду создания порталов знаний e-Cyc Portal Toolkit для разработки собственных приложений на основе Cyc для Unix и Windows NT.
Секретарь ищет работу
Фирма Zabaware (www.zabaware.com) предлагает свободную версию компьютерного секретаря – Windows-программу Ultra Hal Assistant, которая представляет собой виртуальный персонаж, способный после установки на компьютере запоминать различную информацию (деловое расписание "начальника", телефоны, дни рождения, адреса), выполнять несложные поручения (послать письмо в назначенное время, напомнить о встрече), подсказать, как правильно работать с Windows, разными офисными программами, и даже пошутить, чтобы снять напряжение.
Общаться с секретарем можно голосом – в Ultra Hal Assistant встроен блок распознавания английской речи, да и сам он общается с пользователем тоже голосом, а не текстовыми сообщениями.
Программа способна поддерживать разговор благодаря наличию большой базы знаний, и обучаться, анализируя предпочтения хозяина.
Виртуальный автор
Силмер Брингсйорд, профессор философии из Ренселарского политехнического института, и ученый Дэвид Феррачи из исследовательского центра IBM давно ведут работы над программой – интеллектуальным рассказчиком. С результатом их трудов – системой Brutus.1 можно познакомиться на сайте www.rpi.edu/dept/ppcs/BRUTUS/brutus.html. Brutus.1 генерирует рассказы объемом около 500 слов на тему любви и измены.
В этой связи можно отметить книгу ленинградского ученого В. Проппа "Морфология сказки", вышедшую еще в 1928 г. В ней были формально описаны все сказочные сюжеты. Впоследствии на основе этой книги было создано немало программ, автоматически составляющих сказочные тексты произвольной длины.
Исследования в области генерации текстов на естественных языках (Natural Language Generation, NLG) сегодня переживают второе рождение. Существовавшие ранее алгоритмы не выходили из стен академических институтов, так как просто не существовало прикладных областей для их применения. Сегодня же спрос на хорошие NLG-продукты стремительно растет – весьма заманчивы перспективы, которые сулят программы, способные самостоятельно написать документацию, различные технические и рекламные материалы, а также автоматически создать художественные произведения. Например, в рамках крупного европейского проекта HIPS (www.ing.unisi.it/lab_tel/hips/hips.html) ведется разработка принципиально нового интерфейса для мобильных устройств, основанного на автоматической генерации сообщений.
Игрушки для маленьких и больших
Игрушки с элементами разумного поведения появляются сегодня на рынке практически каждый месяц. Компания Sony предлагает робота-собачку AIBO, который, обладая множеством интеллектуальных функций, стоит пока весьма дорого – $2500. Фирма Tiger (подразделение крупнейшего игрового издателя Hasbro) выпускает игрушки подобного типа значительно дешевле. Песик I-Cybie ценой $150 понимает голосовые команды и реагирует на звук и свет. Щенок Spike ($70) способен выполнять несложные команды и обучаться. За $40 можно купить простенький робот Yoda (прообраз одноименного персонажа из "Звездных войн").
Не забывает рынок робототехнических развлечений и фирма Lego. Ее серия конструкторов Lego Mindstorms расширена набором блоков со встроеннымимикропроцессорами. В этом году появится также набор Lego Vision Command System ценой $99, в который войдет подключаемая к ПК видеокамера. С ее помощью дети смогут, например, создавать роботов, способных сторожить вход в комнату и сигнализировать о появлении движущегося объекта.
Фирма K'Nex Industries выпускает схожий конструктор CyberK'Nex по цене $50–$150. Он представляет собой набор блоков для сборки роботов и картриджи со сменным ПО.


Часть 4.
Эта киска обойдется без вискаса
В ответ на выпуск компанией Sony искусственной собачки Aibo фирма Omron разработала робота-котенка Tama, который постоянно требует заботы и внимания, а кроме того, развивается по индивидуальной неповторимой программе. Он может бегать, мурлыкать, спать, с помощью датчиков давления "понимать", что его гладят, откликаться на свое имя, определять настроение по интонации хозяина. Tama способен имитировать такие виды настроения, как спокойствие, волнение, гнев, раздражение, осторожность и удивление, а также их сложные комбинации.
Поговори с чат-роботом
На сайте www.mindpixel.com все желающие могут пообщаться с искусственным сознанием Generic Artificial Consciousness (GAC) и задать ему вопросы, требующие простого ответа "да" или "нет". Создатель GAC, компьютерный фанат Крис Мак-Кинли, написавший в 12 лет шахматную программу для микрокомпьютера TRS-80, рассчитывает в ближайшие 10 лет собрать миллиард фактов для GAC, что должно сделать искусственное сознание по уровню интеллекта неотличимым от среднего человека.
С другой разработкой подобного плана, ALICE (их обычно называют чат-роботами, поскольку они способны через Интернет поддерживать разговор на любые темы и неограниченно долго), можно познакомиться на сайте www.alicebot.org. Профессор Ричард Воллэс разработал первую версию своего чат-робота в 1995 г. с помощью языка программирования SETL, основанного на принципах теории множеств и математической логики. В 1998 г. вышла Java-версия программы, в том числе и WinALICE для Windows.
ALICE распространяется в исходных текстах. К ней приложен своеобразный конструктор знаний AIML, позволяющий расширять сферу познаний ALICE простым добавлением новой информации, описанной в текстовом виде (на XML).
Программирование для роботов и микроконтроллеров
При создании роботов велика роль интеллектуальных возможностей их отдельных блоков, способных быстро обрабатывать большие объемы информации об окружающем мире и отбирать самое важное для передачи в центр управления робота. Для этого применяются специализированные микроконтроллеры, которые обычно программируются на диалектах Бейсика.
Фирма Wilke-Technology (www.wilke%2Dtechnology.com) разработала BASIC Tiger для своих мощных микроконтроллеров Tiger с 6 Мб памяти, предназначенных для обработки голоса, звука и графики и способных через Tiger-шину подключаться к LCD-дисплеям с разрешением 128х64 и 240х128 точек.
Однако возможности Бейсика сегодня устраивают далеко не всех. Фирма Savage Innovations придумала технологию OOPic (www.oopic.com) – объектно-ориентированное проектирование систем, собранных из микроконтроллеров, каждый из которых представлен в виде оригинального объекта. В специальной программе описывается логика этих объектов, определяются интерфейсы их взаимодействия и в результате формируется виртуальное устройство, функционирующее в точности как его реальный электронный аналог. Программирование логики ведется на языке OOPic Basic, совместимом с Visual Basic. Разрабатываются версии OOPic C и OOPic Java.
Применение Java в микроконтроллерах сегодня активно стимулируется технологией picoJava компании Sun. Чип aJ100 фирмы ajile Systems (www.ajile.com) позволяет запускать в своей памяти несколько JVM, работа которых синхронизируется встроенной ОС РВ, ускоряющей работу Java-программ. А корпорация Advancel Logic (www.advancel.com) трудится над микропроцессором, способным выполнять команды и Java, и Си.
Коперник – в помощь секретарям
Фирма Copernic.com, известная оригинальной технологией метапоиска в Интернете, при поддержке Национального научного совета Канады расширила возможности своего продукта Copernic 2000 средствами автоматического составления кратких сводок и резюме Web-страниц и доступных в Интернете электронных документов путем выделения и анализа ключевых смысловых элементов.
К сожалению, PC Week/RE не присуждает программам логотип "Наш выбор", но я лично отмечу Copernic 2000 хотя бы как "Мой выбор". Скорость его работы – 1000 страниц в секунду на стандартном ПК. Поддерживаются английский, французский, немецкий и японский (!) языки. Ведутся работы по поддержке и других языков. Никто из наших фирм не хочет подключиться к этой работе?
Мозг как аналого-цифровое устройство
Группа швейцарских и американских ученых из Института нейроинформатики (Цюрих) и Манчестерского технологического института утверждает, что им удалось создать технологию, полностью повторяющую механизм функционирования человеческого мозга, который обрабатывает одновременно цифровую и аналоговую информацию. Для этого задействуются специфические возможности межнейронных каналов по быстрому распространению в нейронной сети важных сигналов и подавлению и затуханию слабых сигналов, что настраивает эту сеть на решение наиболее актуальной на данный момент задачи. Новая технология открывает путь к появлению специализированных высокопроизводительных компьютеров (например, для распознавания объектов).
Правда, можно вспомнить схожие работы академика Амосова двадцатилетней давности, в которых активно развивалась подобная идея системы усиления торможения (СУТ) в нейронной сети.
На Луну за водой
Крохотная фирма LunaCorp договорилась с крупнейшим производителем бытовой электроники RadioShack, который будет финансировать в 2003 г. отправку на Луну робота для поиска льда на ее полюсах. Лед может служить хорошим источником питьевой воды и воздуха для будущих поколений космонавтов. К поддержке этого проекта, возможно, присоединится и Compaq, а обойдется он всего в 130 млн. долл., что по космическим меркам совсем немного.
Пока LunaCorp тестирует прототип робота – Nomad, созданный в университете Карнеги-Мелона. Он снабжен солнечными батареями и имеет длину 1,2 м.
RadioShack рассчитывает неплохо заработать на всевозможной рекламе вокруг этого проекта. Кроме того, уже сейчас эта компания вместе с Microsoft разрабатывают игру – симулятор будущего лунохода.
Где ты, Ирена?
Доктора Кевина Вэрвика из английского университета University of Reading (www.rdg.ac.uk) коллеги называют настоящим киборгом. В 1998 г. он вживил себе в левую руку стеклянную капсулу длиной 23 мм и толщиной 3 мм, в которой находился микрочип. С его помощью удавалось мгновенно определять местоположение доктора и запоминать с помощью компьютера траектории его перемещения.
Через 10 дней после начала эксперимента капсула из-за опасности заражения организма была изъята, но теперь Кевин решился на более смелый опыт: в 2001 г. он собирается вживить в ту же руку чип, подсоединенный к нервным окончаниям, что позволит исследовать его мышечную активность и, возможно, контролировать эмоциональное состояние. Если эксперимент пройдет успешно, начнется разработка встраиваемых в человеческое тело устройств для обратной связи тяжело больных людей с окружающим миром. Но в первую очередь Кевин собирается вживить подобный чип своей жене Ирене, чтобы супруги могли взаимно контролировать местоположение друг друга и даже физически общаться через Интернет, вызывая легкие раздражения подсоединенных к устройству нервных окончаний.
Голова полковника Доуэля
Сегодня интенсиво развивается нейробиология, занимающаяся взаимодействием биологических нейронных и искусственных электронных систем. Современные сканирующие устройства способны получить точную картину нейронной активности живого мозга, и закрытые исследования (о которых только сообщается, что они проводятся, пока на приматах) ставят свой целью копирование и воспроизведение этой картины, создание матрицы мозга и пересадку его другим живым существам по частям или целиком.
Ученые-нейробиологи из Чикагского Нортвестернского университета трудятся над созданием искусственного животного. Они вырезали мозг у морской миноги (этот вид был выбран благодаря хорошим способностям быстро распознавать рыбу-жертву) и подключили его к управляющей системе робота Khepera (www.k%2Dteam.com/robots/khepera/index.html).
В мозг поступают сигналы от световых датчиков, а он, в свою очередь, генерирует команды, принимаемые моторами робота. Утверждается, что в результате эксперимента были получены адекватные реакции киберсистемы на световые воздействия. Полный доклад по этому проекту будет сделан на 17-й международной конференции по ИИ, которая начнется 1 августа 2000 г.
Специалисты прогнозируют, что бытовые нейроимплантанты смогут напрямую взаимодействовать с мозгом человека уже через 30 лет, но и сегодня благодаря подобным устройствам слепые люди становятся способными различать окружающий мир и даже читать крупный шрифт, а парализованные инвалиды "силой мысли" (нервными импульсами, посылаемыми мозгом в неподвижные части тела) – управлять телевизором и мышью компьютера, складывать простые фразы из словаря программ синтеза речи.
Конечно, нейробиология не остается и без внимания военных. Как знать, может, лет через пятьдесят появятся танки и самолеты, управляемые мозгами хороших лейтенантов и полковников? Хотя этические проблемы здесь встают очень остро, обойти их несложно (например, пентагоновский бюджет "черных программ" составляет миллиарды долларов).