3. Три поколения роботов

Историю развития роботов в настоящее время принято делить на поколения. Надо сразу же сказать, что это деление весьма условно. Идея делить роботы на поколения вызвана к жизни тем, что за время короткой истории своего развития роботы претерпели большую эволюцию как в смысле элементной базы, на которой они строятся, так и особенно в смысле изменения их структуры, появления новых функций и возможностей, расширения областей их применения, характера использования.

Роботы первого поколения - это роботы с программным управлением (программные роботы). Эти роботы в основном предназначены для выполнения определенной жестко запрограммированной последовательности операций, диктуемой тем или иным технологическим процессом. Управление роботами первого поколения осуществляется по заранее заданной программе, а значит, и при строго определенных и неизменных условиях функционирования. Простота изменения программы, т. е. возможность переобучения роботов первого поколения новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перестраиваемыми (правда, с помощью человека-оператора) на различные классы задач в пределах функциональных возможностей данного робота.

Первые программные роботы были созданы и освоены промышленностью в шестидесятых годах. Техническое осуществление таких роботов основывается, как мы увидим в следующей главе, на различных принципах и элементах. В настоящее время существует около 300 типов программных роботов (из них более 100 - в Японии, около 30 - в США, остальные - в странах Западной Европы и в СССР).

Область возможных (и экономически целесообразных) применений роботов первого поколения достаточно широка. Эти роботы успешно применяются для обслуживания станков (в частности, станков с цифровым программным управлением), печей, прессов, технологических линий, сварочных аппаратов, литейных машин и т. п. Они осуществляют установку, транспортировку, упаковку изделий, простейшие сборочные операции, сварку, ковку, литье под давлением, термическую и механическую обработки и т. п. Особенно широко программные роботы применяются в машиностроении, металлургии и атомной промышленности.

Следует отметить, однако, что функциональные возможности роботов первого поколения существенно ограничиваются малым ассортиментом информационно-измерительных датчиков и несовершенством управляющей системы, служащей лишь для осуществления заранее заложенной в памяти жесткой программы. Способность к восприятию внешнего мира и к формированию его модели у роботов первого поколения практически отсутствует. Поэтому эти роботы принципиально не могут функционировать совершенно самостоятельно (автономно), без вмешательства человека. Упомянутые ограничения привели к тому, что в последнее время особую актуальность приобрели научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по созданию следующего, более совершенного поколения роботов.

Роботы второго поколения - это очувствленные роботы. Они отличаются от программных роботов, во-первых, существенно большим ассортиментом сенсорных датчиков, как внешних (телевизионные, оптические, тактильные, локационные датчики и т. п.), так и внутренних (датчики положений "руки" или "ноги" относительно "тела" робота, датчики усилий и моментов и т. п.) и, во-вторых, более сложной системой управления. Последняя уже не ограничивается только устройством для запоминания жесткой программы движения, как у роботов первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ.

Технические "органы чувств" роботов второго поколения служат источниками сигналов обратных связей для управляющей системы. Эта система и формирует закон управления исполнительными механизмами робота (манипулятором, органами перемещения и т. п.) с учетом фактической обстановки. Такое управление реализуется путем формирования связей типа "класс ситуаций - действие", которые либо заранее закладываются в память управляющей системы, либо формируются в процессе обучения робота человеком. При этом под "ситуацией" понимается набор значений сигналов па выходе сенсорной системы, а под "классом ситуаций" - множество "ситуаций", обладающее тем свойством, что все "ситуации" из одного класса требуют одного и того же "действия", адекватного этому "классу ситуаций". "Действием" является программа движения, которая, как и в роботах первого поколения, заранее задается (заносится в память управляющей системы). В случае существенного изменения "ситуации", соответствующего переходу из одного "класса ситуаций" в другой, меняется и "действие", т. е. программа движения.

Описанная схема управления напоминает схему выработки условных рефлексов у человека и животных. Поэтому поведение очувствленного робота мы можем условно назвать рефлекторным. Подчеркнем, что именно наличие связей "класс ситуаций - действие" позволяют очувствленному роботу приспосабливать свое поведение к реально складывающейся и даже меняющейся (правда, в довольно ограниченных пределах) обстановке.

Интересно отметить, что соотношения между отдельными "органами чувств", их техническими характеристиками, относительной значимостью и взаимодействием у роботов существенно иные, чем у человека. Более того, очувствленные роботы могут обладать и "сверхчувствительными" органами чувств, способными воспринимать сигналы, недоступные для органов чувств человека. При этом способы обработки сенсорной информации могут существенно отличаться от таковых в живой природе. Так, например, у очувствленных роботов относительное значение зрения и слуха может быть (например, при глубоководных исследованиях) значительно меньше, чем у человека, а роль тактильных датчиков, наоборот, - больше и, кроме того, могут использоваться разнообразные нечеловеческие "органы чувств" (ультразвуковые датчики, приборы ночного видения, магнитометры и т. п.).

Неотъемлемой частью роботов второго поколения является их алгоритмическое и программное обеспечение, т. е. комплекс алгоритмов, и программ, предназначенных для обработки сенсорной информации и выработки управляющих воздействий. Необходимость развития алгоритмического и программного обеспечения очувствленных роботов обусловлена главным образом расширением класса решаемых задач и, следовательно, сферы применения роботов. Имеются все основания считать, что доля затрат на алгоритмическое и программное обеспечение очувствленных роботов будет увеличиваться по сравнению с затратами на разработку самих вычислительных средств управления, так как структура и функции последних в известной мере стабилизировались. В то же время функциональные возможности очувствленных роботов, определяемые их алгоритмическим и программным обеспечением, могут быть существенно расширены путем наращивания программ "класс ситуаций - действие".

Роботы второго поколения, оснащенные большим ассортиментом сенсорных датчиков и управляющей ЦВМ, значительно превосходят по своим функциональным возможностям программных роботов. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде, анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к существующим условиям функционирования, очувствленные роботы могут работать с неориентированными деталями произвольной формы, осуществлять сборочные и монтажные операции, собирать информацию о неизвестной и, возможно, меняющейся внешней среде и т. п.

Однако очувствленные роботы, вообще говоря, не должны заменить роботы первого поколения. Оба поколения роботов взаимно дополняют друг друга, выполняя действия различной сложности при различной степени информированности о внешней среде. Их совокупность позволяет автоматизировать подавляющее большинство ручных и транспортных операций в сфере промышленного и сельскохозяйственного производства.

В настоящее время роботы второго поколения еще не выпускаются серийно ни в СССР, ни за рубежом. Однако в ряде промышленно развитых стран ведутся интенсивные исследования по разработке алгоритмического, программного и технического обеспечения очувствленных роботов и отработке их экспериментальных образцов. Предполагается, что роботы второго поколения будут освоены промышленностью в ближайшие годы.

Следующее, третье поколение роботов - это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта. Необходимо подчеркнуть, что интеллектуальные роботы предназначены не только и не столько для имитации физических действий человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т. е. для решения интеллектуальных задач.

Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность к обучению и адаптации в процессе решения задач. Что же касается самого умения решать интеллектуальные задачи, то оно является производным в том смысле, что целиком зависит от того, как протекал процесс обучения и адаптации робота.

Существуют различные возможности придать очувствленному роботу те или иные элементы искусственного интеллекта. Структура и совершенство управляющих систем интеллектуальных роботов определяются, с одной стороны, техническими возможностями реализации нужных (с точки зрения решаемой задачи) элементов интеллекта, а с другой - содержанием и сложностью задач, которые перед роботом ставит человек.

В общем случае интеллектуальный робот способен понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды (с той или иной степенью детализации), распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия, планировать поведение, строить программные (желаемые) движения исполнительной системы и осуществлять их надежную отработку в условиях неполной информированности о характеристиках среды, робота и условий его функционирования. Следует отметить, однако, что в настоящее время реальные потребности в интеллектуальных роботах пока еще не созрели, хотя целесообразность их создания признается многими учеными. Если роботы второго поколения уже сейчас необходимы для ряда научно-технических разработок (в частности, для космических и глубоководных исследований), а в ближайшем пятилетии начнут применяться в промышленности, то роботы третьего поколения пока не вышли из лабораторий. По мнению президента крупнейшей роботостроительной фирмы "Юнимейшн" Д. Энгельбергера первые промышленные образцы интеллектуальных роботов могут появиться не раньше 1980 г.

Почему же ученые и инженеры, уже давно понимающие принципиальную возможность создания интеллектуальных роботов, до сих пор их не создали?

Казалось бы, использование универсальной управляющей ЭВМ в качестве "мозга" роботов в сочетании с искусственными органами чувств должно привести (по крайней мере, потенциально) к некоему всемогуществу роботов. Действительно, если создать элементы искусственного интеллекта в форме программного обеспечения универсальной управляющей ЭВМ, то робот сможет воспроизвести практически любой вид человеческой деятельности. Конечно, чем сложнее деятельность, тем сложнее соответствующее программное обеспечение и тем больше времени потребуется для реализации целенаправленного поведения робота. По существу, отсюда следует: дайте нам достаточно большую память и большое быстродействие управляющей ЭВМ, а также достаточно большой ассортимент "органов чувств" - и мы сделаем интеллектуального робота.

Можно сказать, что робототехника (точнее, кибернетика как теоретическая основа робототехники) выдала крупный вексель. Однако до сих пор он в значительной степени еще не оплачен. И в основном не потому, что мало быстродействие, недостаточен объем памяти или узок ассортимент сенсорных датчиков современных роботов. Причина в другом - не хватает идей. Идей о способах построения программ для имитации сложного поведения человека в разнообразных обстоятельствах.

В чем же причины трудностей?

Мы уже говорили, что очень легко составить жесткую программу движения для роботов первого поколения. Реализация такой программы обеспечивает выполнение одной и той же последовательности операций, если среда, в которой функционирует робот, строго организована и неизменна.

Иначе обстоит дело в случае, когда при разных обстоятельствах от робота требуется разный порядок операций. Однако сложность возрастает ненамного, если заранее четко сформулировать, чем должен определяться выбор следующего действия в тех или иных ситуациях. Например, чтобы произвести заданную последовательность технологических операций с объектами, окрашенными в разные цвета, нужно перед каждой операцией выбирать объект нужного цвета. Для решения подобного рода задач служат очувствленные роботы.

Существенные трудности возникают в тех случаях, когда нельзя заранее решить, чем должен определяться выбор порядка операций у робота. Во многих конкретных задачах положение осложняется тем, что сам принцип такого выбора зависит от многих обстоятельств, а характер зависимости тоже не может быть заранее указан и поэтому должен определиться в результате рассмотрения некоторых других обстоятельств. В то же время метод рассмотрения этих обстоятельств нельзя задать одним и тем же на все случаи жизни робота - он должен выбираться роботом в зависимости от специфических особенностей решаемой задачи.

Ясно, что все это не может быть осуществлено с помощью проблемно-ориентированных программ типа "класс ситуаций - действие", используемых в роботах второго поколения, и требует создания специальных "надпроблемных" программ, которые мы будем называть метапрограммами. Метапрограммы служат не только и не столько для реализации отдельных элементов интеллекта, сколько для организации их совместной работы.

Именно метапрограммы придают роботу способности решать множество задач, требующих привлечения интеллекта, и адаптироваться (приспосабливаться) к разнообразным и даже неизвестным условиям функционирования. Интересно отметить, что поведение подобного интеллектуального робота, управляемого метапрограммами, будет выглядеть вовсе "не машинным". Его действия будут настолько сложно зависеть от огромного множества обстоятельств (в том числе и далеко отстоящих во времени), что внешне будет полная иллюзия "свободы воли" в целенаправленной деятельности робота.

Эволюция роботов вовсе не означает, что одно поколение роботов последовательно приходит на смену другому. На самом деле это не так, хотя определенная преемственность имеется. Как мы видели, эволюционный процесс совершенствует функциональные возможности и технические характеристики роботов от поколения к поколению. Однако при этом каждое поколение роботов представляет собой семейство роботов различных типов, предназначенных для решения разнообразных прикладных задач.