Текст книги "Знакомьтесь - роботы!"

Автор книги: Арон Кобринский

Соавторы: Иван Артоболевский
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 17 страниц)

Механизмы интеллекта

Клетки, органы, система

Как атом есть мельчайшая неделимая частица любого из ста с лишним известных сейчас химических элементов, так живая клетка есть мельчайшая неделимая частица любой живой материи. Жизнь возникла миллионы лет тому назад в Мировом океане. Может быть, в силу этого клетка состоит главным образом из жидкости, заключенной в оболочку. Если нарушить эту оболочку, клетка погибнет. Внутри этой жидкости находится еще меньшая капелька жидкости, которая, в свою очередь, также заключена в оболочку. Эху самую важную часть клетки называют ядром; оно может жить только в клеточной жидкости.

Две главные функции, отличающие живое от неживого, связанные с питанием и воспроизведением, реализуются в живой клетке. Через ее оболочку мембрану, как ее называют, фильтруется все питание, какое получает клетка из внешней среды, через эту же мембрану из клетки выводятся ненужные ей вещества. Запас питательных веществ и их переваривание осуществляются в клеточной жидкости. А в ядре содержатся все материалы, которые используются клеткой в процессе собственного воспроизведения, или размножения.

Непрерывная работа идет в каждом микроскопическом живом "кирпичике", из которых "сложено" наше тело, причем разные "кирпичики" имеют разные назначения и соответственно разную конструкцию.

Клетки, из которых состоят мышцы, устроены так, что они могут сокращаться и расслабляться, приводя в движение различные части тела. Клетки, из которых состоят железы, производят и выделяют различные жидкости и соки, в которых нуждается организм. Имеется по меньшей мере полдюжины различных типов клеток, занимающихся производством крови. Существуют специальные клетки, из которых построены кости, кожа и т. д. Нервные клетки – разнообразные по конструкции, единственные клетки тела, которые могут передавать сигналы от различных его частей головному или спинному мозгу.

Множество собранных вместе клеток одного типа составляет живую ткань. В нашем теле можно обнаружить несколько видов таких тканей.

Покровные ткани образуют кожу, покрывающую и защищающую тело, они выстилают внутренние поверхности рта, носа, органов пищеварения.

Вас никогда не удивлял тот факт, что все наши внутренности не смещаются со своих мест и не перепутываются внутри нас в результате спортивных занятий, когда мы бегаем, резко прыгаем, оказываемся вверх ногами, складываемся пополам? Ведь они там вроде бы все по отдельности и, казалось бы, держаться при таких ненормальных условиях в нормальном положении просто не могут?

Оказывается, существуют специальные соединительные ткани, "сплетенные" из сравнительно более прочных клеток. Они образуют пленки, из которых сконструирована "подложка" для кожи; из этой ткани построены суставные сумки, в которых заключены все подвижные сочленения; пленки соединяют в единый пучок несколько мышц, из пленок сконструированы "растяжки", "расчалки", "упаковки", "обертки", благодаря которым внутри нашего тела поддерживается неизменная геометрия и не происходит "перепутаницы" разных органов. Только когда у вас дома готовят мясо к обеду, эти ткани кажутся абсолютно ненужными.

Кровь – тоже своеобразная живая ткань, имеющая свои специфические функции и свою специфическую клеточную структуру. Различают также костные и мышечные ткани, ткани, из которых построены железы, и, наконец, нервные ткани.

Поврежденная кожа залечивается в результате того, что клетки, из которых она состоит, воспроизводят новую кожною ткань, занимающую место уничтоженной при повреждениях. Костные и мышечные ткани излечиваются тоже путем образования новых клеток, даже кровь восстанавливается и обновляется в процессе жизни. Только нервная ткань резко отличается от всех других тканей тем, что она не обладает способностью к воспроизведению.

"Нервные клетки не восстанавливаются!" – набивший оскомину веселый призыв, с которым часто обращаются друг к другу хорошие знакомые, сослуживцы, продавцы и покупатели, рекомендуя не волноваться по пустякам. Человек появляется на свет с тем набором нервных клеток, которые он должен обходиться всю жизнь, так что эта шутливая рекомендация полна здравого смысла.

Группа различных тканей, работающих совместно в процессе выполнения специфических функций, образует конструкцию, называемую органом. Сердце называют органом, печень называют органом, глаз и мозг – органы и т. д.

Группа различных органов, работающих совместно, называется системой. Так, например, рот, желудок, кишки работают совместно и образуют пищеварительную систему. Все органы тела обычно разбивают на системы: скелетную, мышечную, дыхательную, циркуляционную, лимфатическую и др. К числу систем тела относят также и нервную систему, основным элементом которой служит нервная клетка – нейрон.

Сложнейшие процессы протекают в каждой клетке, в каждой из систем. Далеко не все из этих процессов познаны до конца, даже те из них, что происходят буквально на глазах у ученых и врачей.

Одно из чудес природы – сращивание поломанной кости. Когда хирурги «состыковывают» части кости их поломанными краями, начинается таинственный процесс заживления. Место «стыка» организм окружает свернувшейся кровью и бесцветной жидкостью, называемой лимфой. Каждый край начинает производить новые клетки, строить новую костную ткань, причем эта «постройка» идет исключительно в направлении стыка. Никто не знает, каков механизм, управляющий этим процессом и обеспечивающий нужные направления рост в кости в местах поломки. Никто также не знает, почему этот процесс останавливается, как только кость сращивается полностью, становясь в месте поломки более прочной по сравнению с непострадавшими участками.

Много других чудес и загадок скрыто в живом. Но не об этом сейчас речь. Ведь никто из тех, кто занимается роботами, не думает пока воспроизводить такой механизм соединения частей машин, никто пока не собирается создавать искусственную систему пищеварения или искусственную лимфатическую систему.

Как человек строит свои движения и как управляет ими? Как с помощью технической системы построить движения по подобию того, как их строит человек, и управлять так, как ими управляет человек? Вот что интересует специалистов в области робототехники.

Именно в этом состоит смысл и содержание всех прошлых, настоящих и будущих попыток создать автомат по образу и подобию человека.

Из всех систем человеческого тела с этой точки зрения интерес представляют, пожалуй, только три: скелетная и мышечная, с которыми мы уже коротко познакомились в предыдущей главе, и, конечно, нервная система, о которой наш рассказ.

Конструкция мозга

Чувствовать, знать, уметь – эти качества, поставившие человека на самую вершину животного мира, люди еще во времена Везалия совершенно не связывали с деятельностью мозга. Они считали, что мыслят и принимают решения сердцем. До сих пор о человеке говорят, что у него доброе или черствое сердце. Считалось, что храбрость тоже идет от сердца, а трусость является (почему-то!) продуктом печени.

Эти наивные представления уже давно сменились точным знанием. Сегодня хорошо известно, что все наши ощущения воспринимает мозг, все наши знания накапливаются в мозгу, и он управляет всеми нашими действиями. И все знают, что вместилищем для него является голова. Более того. Хорошо известно, какая часть мозга чем именно занимается, с какими органами связана, какими управляет. Одним словом, конструкция мозга известна достаточно подробно. Она настолько совершенна, настолько много умеет и отлично делает, что обойти молчанием важнейшие подробности ее устройства просто невозможно.

Хотите подержать свой мозг в руках? Положите одну ладонь на лоб, другую на затылок, чуть выше шеи.

Теперь ваш мозг в ваших руках, защищенный от неаккуратного обращения черепом. Поместите пальцы обеих рук за уши. Где-то между вашими пальцами головной мозг смыкается со спинным.

Круглым счетом 1,2 килограмма весит мозг – ваше главное богатство, состоящее из нервных клеток, количество которых оценивают величинами порядка 10–15 миллиардов штук. Нервная клетка – нейрон – состоит из так называемого тела, отходящих от него коротких ветвистых отростков дендритов и еще одного длинного отростка – аксона. Дендритами клетка сообщается с подобными себе другими клетками, аксоны – длинные "телеграфные линии", по которым одни из клеток получают сообщения со "всех концов" тела о том, что там происходит, как ведет себя беспокойный внешний мир, а другие посылают приказы мышцам и железам о том, что и как им нужно делать.

Поверхность головного мозга состоит из серого вещества – скопления главным образом тел нервных клеток, образующего так называемую кору; под этим серым покрывалом мозг бел – там подкорка, скопление дендритов, сложная нейронная сеть, в принципах построения, структуре и организации которой ученые разных специальностей пытаются разобраться уже не первый десяток лет. В спинном мозгу, наоборот, серое вещество расположено в центральной части, белое – по периферии.

Почему так? Вероятно, потому, что в такой "конструкции" достигается минимальная длина внешних и внутренних коммуникаций головного и спинного мозга, всей центральной нервной системы.

Передняя часть головного мозга, прикрытая лбом, занимается разработкой и формированием наших планов и намерений, познанием новых сведений, фактов, изучением наук, организацией и координацией информации, хранящейся в других отделах мозга, запоминанием новой информации, принятием всяких решений. Именно эта часть мозга у человека намного больше, чем у других животных.

Глубокая борозда четко разграничивает лобную и затылочную части головного мозга. Эта борозда проходит от уха до уха примерно через макушку головы. Двигаясь от лба к макушке, мы придем к передней стенке этой центральной борозды. С нею граничит моторный центр – та часть мозга, которая отдает приказы мышцам, включает двигатели всех подвижных сочленений. Любой сравнительно хорошо успевающий студент-медик может по картинке, изображающей топографию мозга, показать, какие его участки управляют движениями пальцев на ноге или руке, движениями ступни, голени, бедра и т. д.

А с противоположной, затылочной, стенкой центральной борозды граничит сенсорный центр – часть мозга, которая занимается расшифровкой и анализом наших ощущений.

Как каждой части тела соответствует управляющий ее движениями участок в моторном центре мозга, так этой же части тела соответствует свой участок в сенсорном центре, распознающий и идентифицирующий все приходящие из этой части ощущения. Позади сенсорного центра, на уровне ушей расположен слуховой центр, распознающий звуки. Впереди него находится центр обоняния, а в затылочной части мозга – зрительный центр.

Человеческое тело обладает внешней симметрией. Естественно, что эта симметрия нашла отражение и в конструкции мозга. Он также симметричен, но по отношению к телу эта симметрия обратна. Так, в частности, движениями левой части тела управляет правая сторона мозга правое полушарие. У правшей более развито левое полушарие, у левшей правое.

Вряд ли можно думать, что так получилось случайно или что Природа, подобно ребенку, путает левое и правое. И вряд ли в такой обратной симметрии есть какой-то слишком глубоко скрытый от нас смысл.

Когда разрабатываются новые машины, приборы, автоматы и когда разработчиков спрашивают, почему та или иная деталь, тот или иной узел сделаны так, а не иначе и из каких соображений при этом исходили, то очень часто слышится в ответ: "Так сделано из конструктивных соображений". Тело человека – живая конструкция, и в ней, как и в технической конструкции, те или иные вопросы, например вопросы симметрии или расположения серого и белого вещества, решены, наверное, из чисто конструктивных соображений, тем более что "конструктивные соображения" – категория чисто человеческая.

Если в удивительной конструкции мозга надо было бы выделить самую ее поразительную часть и если это было бы поручено сделать специалистам по вопросам управления, то, вероятно, не менее чем 9 из 10 указали бы на так называемый мозжечок, расположенный в затылочной части под полушариями. Небольшой по сравнению с ними мозжечок представляет собой центральный координирующий и диспетчерский пункт всей "системы управления". Он решает две главные задачи, связанные с построением движений.

Мы теперь знаем, что даже в самых простых на первый взгляд движениях, например в ходьбе, участвует большое количество мышц. Но ведь все они не просто так одновременно сокращаются и расслабляются. Если каждую мышцу уподобить оркестранту, то каждое движение – определенной "партитуре", в которой каждый из оркестрантов должен играть свою особую партию.

Мозжечок выполняет функции дирижера, его усилия превращают группу музыкантов в слаженный оркестр. Чтобы поддерживать равновесие во время ходьбы, все участвующие в построении этого движения мышцы должны делать свою работу точно и согласованно во времени и пространстве, иначе на ногах не удержаться. Роль координатора выполняет мозжечок, В этом состоит одна из главных задач, что он решает.

Уровни напряжения и расслабления мышцы могут быть различными. Очень расслабленная, вялая мышца медленно реагирует на команду включения, плохо повинуется приказам, она не подготовлена к работе. Мозжечок, в этом состоит его другая главная задача, управляет состоянием мышцы, как говорят, ее тонусом, поддерживая его точно на таком уровне, чтобы мышца в любой момент могла ответить полноценной реакцией, нужным действием на включающий ее сигнал.

Если всмотреться в конструкцию мозга, то складывается впечатление, что для мозжечка и место выбрано самое «дирижерское», если исходить все из тех же конструктивных соображений. Он находится прямо-таки в гуще белого вещества и головного и спинного мозга, там, где завязываются и организуются связи между разными отделами мозга, в самой гуще нейронных сетей, в самой гуще «событий».

Со всеми частями, органами и системами тела мозг связан нервами "многожильными кабелями", сплетенными из многочисленных аксонов.

Только непосредственно из головного мозга выходят 12 парных (все та же симметрия!) нервов, которые все, за исключением одного, связывают мозг с "приборами очувствления" и с мышцами, управляющими работой и настройкой этих приборов. Коротко перечислим функции этих каналов связи, перенумеровав последние для удобства по порядку:

1 – обонятельный нерв – несет информацию о запахах;

2 – зрительный нерв – несет зрительную информацию;

3, 4, 5 – обслуживают мышцы, управляющие движением глаза;

6 – особенно занят во время еды. Он несет приказы жевать пищу и говорит о том, что вы жуете. Он же "болит", когда зуб не в порядке. У этого нерва много других функций. Он управляет увлажнением глазного яблока и слезоточением, когда вы плачете. Его ответвления проникают в полость рта, в веки, губы, другие части лица, а также в челюсти, зубы, язык, уши. Он работает, когда вы облизываете губы, когда у вас течет из носу во время насморка;

7 – нерв, управляющий мышцами лица, когда вы, например, смеетесь или сердитесь. Кстати, он сообщает о вкусовых ощущениях, получаемых передней частью языка;

8 – слуховой нерв. Кроме того, одна его часть сигнализирует в мозг, находится ли тело в равновесии, и если нет, то в какую сторону оно падает;

9 – вместе с седьмым нервом обслуживает вкусовые ощущения, управляет речевыми мышцами:

10 – управляет движениями языка во время беседы или когда вы его тщательно оглядываете в зеркале;

11 – управляет мышцами спины и шеи, поворачивающими по вашему желанию голову и даже плечи туда, где происходят самые интересные события;

12 – единственный нерв, который непосредственно из мозга проходит в грудную клетку и желудок. Он регулирует сердцебиение, дыхание и пищеварение; делает он это совершенно незаметно, не отвлекая вас от более важных дел, при условии, что вы строго соблюдаете все правила "эксплуатации", все правила внутреннего распорядка вашего тела. Он же работает, когда, как говорят, сердце "бьется от счастья" или "сжимается от страха".

Мы перечислили только некоторые каналы управления и связи; другие, подобные же каналы связывают центральную нервную систему с другими системами тела, в частности со скелетной и мышечной, обеспечивая все процессы построения движений и управления ими.

Описание конструкции мозга не будет полным даже в первом приближении, если не сказать, как же все-таки мозг получает информацию из внешнего мира, в какой форме, посредством каких приборов? Как чувства говорят, что трава зеленая, что чайник, которого вы коснулись, горячий, что в комнате пахнет сиренью, что по радио передают песню "Течет река Волга"? Как живые приборы обслуживают интеллект?

Видеть, осязать, слышать, чувствовать – это еще не все, но без этого, без связи с окружающим миром, без средств получить из него в той или иной форме информацию человек не может существовать, машина – работать.

Конечно, мы не будем подряд перебирать и описывать все те органы чувств, которыми оснащен человек.

Зрение, осязание, слух – вот, пожалуй, пока скромный набор искусственных систем очувствления, которыми оснащали и продолжают оснащать макеты и модели роботов и которые имеют аналоги – точнее не аналоги, а прототипы в живой природе. Мы расскажем о них ровно столько, сколько необходимо, чтобы дать представление о принципах устройства естественных систем очувствления, об их возможностях, их, так сказать, технических характеристиках. Тогда вам не придется верить голословным уверениям и рассуждениям о реальном "соотношении сил" в состязании человека с машиной.

Всё видящее око

Хорошо воспитанная молодая девушка, которую ее приятель привел в малознакомую компанию, не будет изо всей силы вертеть шеей, оглядывая собравшихся за столом. Легкие, еле заметные повороты и наклоны головы, а главное, активные движения глаз, которые видят все: гостей, сидящих рядом и напротив, сервировку стола, обстановку комнаты, плечистого юношу, протягивающего руку за бутылкой коньяка, платье хозяйки и ее движения, нацеленные на то, чтобы переставить именно эту бутылку туда, где сидят самые уважаемые гости. Ее глаза видят все: пирожки, салаты и заливное, кофточки, сережки и кольца, разноцветный ковер, картинки на стене, книги на полках, дым сигарет, легкую седину, формы причесок, разные оттенки крашеных волос…

Еще ничего не сказано, от волнения ничего не услышано, но уже по двум каналам непрерывно поступает информация о том, куда и как пройти, где сесть, кому кивнуть и улыбнуться, о чем попросить спутника, чему обрадоваться, а чему позавидовать.

Эти два канала – две миниатюрные телекамеры, выполненные в форме шаров или шариков, называйте как хотите глазные яблоки, которые в поперечнике чуть больше двух сантиметров.

Несколько секунд проходят, кажется, в полной бездеятельности, но вся предварительная информация уже собрана, можно успокоиться, начать беседу, а кстати, на закусочной тарелочке уже лежит кусочек копченого палтуса и встает с места самозваный тамада.

Яркое солнце, электрическое освещение или сумерки – свет падает на страницу книжки, которую вы читаете, на праздничный стол, на чертежи или картину и отражается всегда по одним и тем же законам. Отраженные световые сигналы различной интенсивности попадают в глаз – так информация поступает в один из приемников, которыми оснащен человек. Сквозь роговицу – прозрачную часть прочной наружной оболочки глазного яблока, сквозь хрусталик – прозрачную двояковыпуклую линзу, сквозь прозрачное стекловидное тело, заполняющее шаровидную полость, свет попадает на "экран", выстилающий заднюю внутреннюю стенку глазного яблока, на так называемую сетчатку глаза.

Хрусталик не твердое тело, и при помощи специальной мышцы его кривизна, а следовательно, и его преломляющая сила меняются, обеспечивая резкость изображения на «экране» при различных расстояниях до рассматриваемого объекта. Другая автоматическая система регулирует размер зрачка – круглого отверстия в радужной оболочке, прикрывающей хрусталик: много света зрачок сужается, мало – расширяется, регулируя поступления света на экран. А окраска этой оболочки – голубая, серая, каряя – один из основных предметов восхищения поэтов и влюбленных.

Сетчатка, главная часть все видящего ока – воспринимающий, или, как говорят, рецепторный, аппарат глаза, образованный несколькими слоями нервных клеток. Здесь самым важным является слой зрительных световоспринимающих клеток, в которых происходит сложный фотохимический процесс преобразования энергии лучей света в нервные импульсы – биоэлектрические сигналы. Эти сигналы по зрительному нерву поступают в головной мозг, где формируется зрительный образ.

Сетчатка не просто равномерный "экран", все участки которого обладают одинаковыми свойствами. Маленькая площадка на этом "экране", ее зовут желтым пятном, очень густо насыщена рецепторами и обладает особо высокой чувствительностью. Люди по одним только чертам лица могут на расстоянии 10 метров узнать друг друга лишь тогда, когда каждый из них перемещает изображение лица другого в эту наиболее чувствительную область сетчатки. Все движения глазного яблока обеспечиваются мышечным аппаратом, состоящим из шести мышц и управляемым 3, 4 и 5-м парными нервами из нашего списка.

А теперь послушайте, каковы "технические характеристики" этого прибора. Приведем одни только сухие цифры, не нуждающиеся, по нашему мнению, в каком-либо "гарнире" из восхищения и восклицательных знаков.

Картинка размером 30х30 сантиметров, которая находится от вас на расстоянии 60 сантиметров, занимает на сетчатке вашего глаза площадочку в один квадратный миллиметр. Это изображение вместе с другой зрительной информацией, собираемой сетчаткой, после преобразования в совокупность электрических сигналов направляется в мозг по зрительному нерву.

Два круглых числа характеризуют, так сказать, "информационную мощность" одного глаза. Для сбора и предварительной обработки изображения он располагает ни много ни мало 100 миллионами рецепторов, а зрительный нерв (2-й по нашему списку) содержит 1 миллион нервных волокон.

На расстоянии 400 метров человек может отличить мужчину от женщины в толпе прохожих; невооруженным глазом может увидеть волосок диаметром в 0,5 микрона, то есть в 20 раз тоньше человеческого.

В течение 0,2 секунды глаз может увидеть свет слабой звезды. Порция энергии, которая при этом преобразуется на сетчатке в биоэлектрический сигнал, измеряется величиной в 3–5 квантов света. Если вам эта величина ничего не говорит, то знайте, что квант – это элементарное неделимое количество энергии, как атом – неделимое количество неживого вещества, а клетка – неделимая порция живого.

Квант энергии – много это или мало?

Чтобы на чувствительной негативной фотопластинке появилась различимая засветка, необходимо от тысячи до 5 тысяч квантов. Чувствительность вашего глаза почти в тысячу раз больше.

При идеальных условиях глаз может различить 500 оттенков серого цвета и примерно столько же ступеней яркости чистых цветов. Невооруженным глазом человек может различить 26 тысяч цветов. Значит, в идеальном случае глаз может различить 13 миллионов цветов и оттенков. Практически эта величина снижается до 5 миллионов.

Любой объект мы обычно рассматриваем двумя глазами. Так как они расставлены (расстояние между зрачками равно 6–7 сантиметрам), то его видим одновременно под разными углами; при этом достигается эффект стереоскопичности восприятия, благодаря которому можем оценивать объемные свойства объекта и расстояния до него.

Вероятно, сказанного достаточно, чтобы по достоинству оценить зрение как наиболее эффективный источник информации о внешнем мире. Необходимо только еще помнить, что нас не смущает и динамичность этого мира. Наш глаз умеет видеть его в движении, а наш мозг умеет быстро различать и анализировать увиденное.

Что значит быстро? Во время теннисного матча игрок должен успеть увидеть и оценить действия противника, уследить за движением мяча и движениями противника до и после его удара по мячу. Только при этих условиях он может выкроить время, чтобы наметить план игры и нанести ответный удар, а игра может быть осмысленной, представлять интерес как для самих игроков, так и для зрителей.

Конечно, этот пример не служит прямым ответом на поставленный вопрос. Просто мы хотим подчеркнуть, что информационные и двигательные возможности живого организма развиты гармонично, информационные процессы протекают настолько быстро, насколько это необходимо, чтобы эффективно использовать его двигательный потенциал. Без этого он не может целесообразно действовать, не может существовать и выжить.