Электронный "зверинец"

Перед тем как приступить к описанию моделирования условных рефлексов с помощью машин, мы решили посмотреть подопытных животных, на которых изучаются рефлексы.

В небольшой комнате одного из научных учреждений - Института психиатрии установлен разборный алюминиевый лабиринт площадью более двух квадратных метров. Высокие тонкие стенки в нем можно переставлять, создавая замысловатые ходы. В одном конце лабиринта устроена стартовая камера, в другом - камера с приманкой.

В камеру пуска сажают белую крысу. Некоторое время она сидит неподвижно, принюхивается. Потом встает на задние лапки и пытается заглянуть через стенку, но этого сделать ей не удается - стенки слишком высоки. Тогда крыса, исследовав камеру, находит выход и медленно начинает двигаться по лабиринту. Вот она зашла в один тупик. Вернулась. Попала в другой. Опять ищет выход. И так, постепенно исследовав все ходы и выходы, добирается до камеры, где находится пища - приманка.

Когда идут первые опыты, крыса как бы разведывает, изучает маршрут

Научный сотрудник стоит рядом с секундомером и записывает время каждого шага животного. В результате потом на кальку наносится график "исследования сложного рефлекса у крысы".

Опыт ведется давно, и таких графиков уже много. Они показывают интересную картину.

Когда идут первые опыты, крыса как бы разведывает изучает маршрут. Ее путешествие то лабиринту совершается очень медленно - происходит процесс тренировки, обучения. Затем наступает период "устойчивого уровня ошибок" как его назвали сотрудники лаборатории, когда крыса гораздо быстрее преодолевает лабиринт, но все еще со многими ошибками.

Но вот приходит такой момент, когда животное начинает автоматически решать задачу: ив камеры пуска очень быстро, не ошибаясь, приходит в камеру с приманкой и съедает ее.

Сначала опыты ставились в очень простом лабиринте. Потом его все больше и больше усложняли. Все опытнее и опытнее становилась крыса, все быстрее и быстрее осваивала самые сложные лабиринты.

Нам рассказали, что ученые проводили опыты с лабиринтами и на других животных.

Но приходит такой момент, и животное начинает автоматически решать задачу

Очень интересно ведут себя в лабиринте муравьи. Их заставили пробегать по все усложняющейся дороге, изменяя расположение и число тупиков, направляя то от гнезда к пище, то обратно. При этом часто менялись условия путешествия.

И муравьи продемонстрировали в лабиринте способность обучаться. Время, затрачиваемое ими на повторные прохождения пути, постепенно сокращалось. Путь к корму они осваивали быстрее, чем путь от корма, а к своим личинкам дорогу прокладывали в рекордные сроки.

Поведение животных в лабиринте и процесс выработки у них сложного условного рефлекса, связанного с приобретением лабиринтного навыка, уже давно привлекают ученых. Установить, как животное получает и накапливает информацию о лабиринте, каким способом решает сложную задачу отыскания выхода из него, - вот вопросы, которые ставили перед собой исследователи сокровенных тайн живого организма. Выдвигали и экспериментально проверяли разные гипотезы. Возможно, основную роль играет зрительное восприятие, а может быть, обоняние, сильно развитое у крыс. Или главное - ощущение, возникающее при соприкосновении со стенами лабиринта. Наконец не исключена возможность, что крыса запоминает чередование поворотов.

Многочисленные и разнообразные эксперименты не дали исчерпывающих ответов на эти вопросы. При проведении опытов крыс лишали зрения, обоняния и даже воздействовали на кору их головного мозга. И убедились, что у животных, лишенных тех или иных органов чувств, приобретенный навык не пропадает - крыса с той же уверенностью двигалась в изученном ею лабиринте. Не пропадала у нее и способность к обучению лабиринтному навыку. Алгоритм, которым пользуется животное в поисках выхода из лабиринта, пока не раскрыт.

Но вот несколько лет назад американский ученый К. Шеннон построил модель - "мышь в лабиринте".

...Разъемный алюминиевый лабиринт. 25 квадратов - по 5 в каждом ряду. В камере пуска "мышь" - постоянный магнит на колесиках. В камере приманки - "сало" в виде металлического столбика. Модель приводится в действие, и "мышь" начинает двигаться по лабиринту в поисках "сала".

Перед глазами похожая на предыдущую картина: "мышь" блуждает по лабиринту, заходит в тупики, натыкается на перегородки. Ударяясь о стенки лабиринта, она меняет направление, неизменно приближаясь к "салу", которого не может отведать, которым не может насладиться. Наконец "мышь" заходит в камеру приманки - цель достигнута.

Перед глазами знакомая картина: 'мышь' блуждает по лабиринту

Потом "мышь" пускают по лабиринту вторично. На этот раз она не блуждает, не натыкается на стенки, а легко и свободно, лучше, чем живая, пробегает по кратчайшему пути в другой конец лабиринта. Когда "мышь" помещают в ту часть лабиринта, где она еще не была, снова начинается разведка маршрута, толчки о стенки. Но вот "знакомая" дорога, старый путь найден, и "мышь" идет беспрепятственно к цели.

На неподготовленного зрителя автомат производит ошеломляющее впечатление. Наблюдая за беспорядочными вначале, а затем уверенными движениями "животного", созданного руками человека, не мудрено поверить в его способность к разумным самостоятельным действиям. Если автомат может тане быстро выработать у себя сложный рефлекс, "постигнуть" нераскрытую загадку живого, то где же грань между механизмом и организмом?

У 'Мыши' 'выработался' условный рефлекс

Но в действительности этот "чудо-автомат", претендующий на равноправие с живым существом, не что иное, как воплощенный в реле, контакты, провода и механизмы алгоритм лабиринтной задачи, о которой мы рассказали в разделе "В лабиринте слов". Релейная управляющая система, расположенная под лабиринтом, направляет движение "мыши", обеспечивает предписанные повороты. "Мышь" своими усиками-контактами при соприкосновении со стенками лабиринта отмечает в запоминающем устройстве коридоры, пройденные однажды, и закрывает вход в двукратно пройденные коридоры. Те же усики при соприкосновении с "салом" останавливают автомат, когда цель достигнута.

В релейной памяти Откладывается "пунктирная линия", с помощью которой "мышь" во второй раз уверенно приходит к "салу". Эта та нить Ариадны, которая вывела Тезея из лабиринта критского царя Миноса.

Ясно, что алгоритм действия автомата столь же отличен от алгоритма выработки условного рефлекса у животного, сколь отличны движения лапок живой мыши от движения колесиков, с помощью которых кусок металла перемещается по лабиринту.

Оригинальное устройство "мыши в лабиринте" создано у нас. На крышке черного чемодана плексигласовые пластинки образуют причудливый рисунок ветвей дерева без листьев. Такой рисунок можно увидеть на панели светящегося табло автоблокировки перед глазами диспетчера.

Полоски плексигласа - "пути", а разделяющие их лампочки - "станции". Их 25. Выключатель соединен с каждой из них. Стоит его повернуть, как загорается одна из "станций".

Вот загорелась тринадцатая. Нажимаем кнопку, и полоски - "путь" - вспыхивают одна за другой. Это световой сигнал, обегая тупички, стремится к станции назначения.

Попробуйте второй раз нажать кнопку. Все на крышке гаснет, а затем луч, оставляя в стороне ненужные теперь тупички и закоулки, устремляется по наикратчайшему пути прямо к тринадцатой станции.

В левом углу крышки мерцает красный глазок - это индикатор памяти. Он отмеряет время, в течение которого аппарат запоминает маршрут.

Одна за другой появляются на свет все новые и новые игрушки - модели живых существ, снабженные примитивной "нервной" системой.

Вот еще один представитель этого необычного зверинца - электронная "белка". Она поставлена на тележку с моторчиком и снабжена двумя чувствительными фотоэлементами, фильтром, который может различать постоянный и переменный ток, и другими приспособлениями.

У "белочки" две лапки. Сдвигаясь, они образуют чашечку. Внутри чашечки помещен язычок, За "белочкой" по полу волочится металлический хвостик.

Вот как работает этот "зверек", В большой комнате горят электрические лампы. По полу разбросаны белые шарики. В углу лежит металлический лист, освещенный лампой дневного света, - здесь "гнездо" "белки". Ее приносят и ставят на пол. Белка начинает "блуждать" по комнате, пока ей "на глаза" - в поле зрения фотоэлемента - не попадет белый шарик" "Белка" сразу же направляется к нему, раздвигая лапки. Останавливается, сдвигает лапки и захватывает ими шарик, пробует его язычком и начинает искать гнездо. Электрический фильтр позволяет ей взять направление на лампу дневного света.

Если снять с 'черепахи' панцирь, то откроется устройство, похожее на радиоприемник

Как только "белка" заползет на металлический лист, ее хвост замыкает контакт, лапки раздвигаются, и шарик падает на лист-"гнездо". Белка свободна и снова отправляется на поиски шариков.

В Институте автоматики и телемеханики Академии наук СССР мы увидели еще одно электронное создание - "черепаху", которую в шутку назвали "Манюней". С легким жужжанием выползла она из-под стола и заспешила нам навстречу. По дороге ей попался стул. Секундное замешательство - "черепаха" перестала жужжать, в ней что-то щелкнуло, и она откатилась назад. Остановилась. Повернула в сторону и, благополучно обойдя стул, снова двинулась вперед. Еще несколько препятствий попалось "черепахе" на пути, но она все их благополучно обошла и вдруг остановилась, хотя путь был свободен.

Медленно "черепаха" описала несколько больших дуг, словно высматривая что-то, и ринулась к свету электрической лампочки.

"Черепаха" ищет источник света - в этом ее главное назначение. Для этого она совершает прямолинейное и круговое движение, "осматривая" окружающую ее обстановку. "Черепаха" реагирует и "а звук. Как и настоящая, живая "черепаха", услышав свист, она замирает. Если на ее пути встретится препятствие - она его обойдет: отступит под углом и пойдет вперед по новому направлению. Услышав при ударе о препятствие звук, "черепаха" не остановится, но "запомнит", что звук и столкновение последовали одновременно. После нескольких таких тренировок у "черепахи" вырабатывается "условный рефлекс" - она, услышав звук, уже не останавливается, а начинает маневрировать, как при обходе препятствия.

Если снять с "черепахи" серый панцирь, то откроется устройство, очень похожее на радиоприемник. Здесь электронные лампы, конденсаторы, катушки, электромагнит, усилитель, микрофон. Есть и фотореле, и моторчик, и объектив. Все это соединено между, собой проводами.

Интересно, что же здесь зрение, слух, осязание, память, с помощью которых "черепаха", словно живая, бегает по комнате, реагирует на свист и свет, чувствует препятствия и запоминает урок во время обучения?

У "черепахи" один глаз - это чувствительное фотореле. Смотреть ему помогает объектив. Рядом со зрительным устройством поставлен магнит. Время от времени он заставляет ведущее колесо поворачиваться, и объектив обозревает пространство вокруг "черепахи".

Как только фотореле увидит свет, магнит отключается, "черепаха" перестает кружить и идет прямо на свет.

Микрофон с усилителем - вот и все устройство "слуха" "черепахи". Звук свистка или хлопка, попав в микрофон, передается через усилитель на электромоторчик, и он выключается. "Черепаха" останавливается - "замирает".

"Осязание" электронного создания воплощено в буфере, который полукругом охватывает корпус "черепахи". Буфер связан с системой, управляющей маневрами. Ударилась "черепаха" о препятствие, и сразу же на ведущее колесо и мотор идут сигналы. Колесо поворачивается влево, а мотор начинает вращаться в обратную сторону - "черепаха" пятится, отходит в сторону.

"Память" у "черепахи" - это обыкновенное тепловое реле. Оно получает сигналы от "органов" осязания и слуха "черепахи". Когда сигналы, идущие от этих "органов", совпадают во времени, одна из пластин теплового реле нагревается (и здесь знакомая нам схема совпадения!), и контакты замыкаются. Теперь звук уже не останавливает, а заставляет работать механизм, выполняющий маневр.

Но вот через некоторое время пластинка теплового реле остывает, контакт размыкается, и у "черепахи" пропадает "условный" рефлекс. Она при звуковом сигнале останавливается, как до тренировки.

За рубежом построено несколько видов электронных "черепах". Одними из первых были "черепахи" "Эльмер", "Эльси" и "Кора" английского инженера и психиатра Грея Уолтера. Они разыскивали свет электрической лампы и, подойдя к ней, касались контактами цепи постоянного тока и подзаряжали свои аккумуляторы. "Черепахи" были снабжены механизмами, позволявшими им реагировать на поведение друг друга: видеть и узнавать себя в зеркале, узнавать одна другую, ползти друг другу навстречу, танцевать.

Еще более совершенные "черепахи" были построены австрийским инженером X. Земенеком. Они могли передвигаться прямолинейно, вращаться, реагировать на свет и звук. Встречая препятствие, обходят его. В "черепахах" предусмотрено даже "торможение" при выработке условного рефлекса, если интенсивность воздействия превосходит заданную величину. При очень сильном звуковом сигнале тренированная "черепаха" "замирает", вместо того чтобы выполнять маневр.

При демонстрации "черепахи" Земенека ползали все вместе, находили друг друга, устремлялись к пище. Изобретатель надеется с помощью автоматов подобного типа даже смоделировать поведение стаи рыб.

"Мышь в лабиринте", "белка", "черепаха" -* лишь грубые модели выработки рефлекса. Но они заслуживают внимания не только как оригинальные, увлекательные игрушки. Автоматические игрушки XVIII века, моделирующие движения живого существа, привели к созданию разнообразных механизмов, заменяющих физический труд человека, Автоматические игрушки XX века, моделирующие, пусть только внешне, нервную деятельность живого организма, прокладывают путь будущим роботам высшего типа. Они помогают глубже проникнуть в загадку нервных связей.

Вот к чему может привести чрезмерное увлечение модой!

Так человек подошел к новому этапу изучения природы. Здесь уместно отметить интересные явления. Почти для любых, даже самых сложных, машин и механизмов можно найти прообраз в природе. Ибо в природе находятся естественные варианты решения тех или иных задач конструирования.

Трудно не согласиться с тем, что многие великие открытия и изобретения в науке и технике подсказаны нам самой природой. Рыбы, птицы, пушинка и сложное сплетение паутины - вот кто вдохновил людей на создание подводной лодки, самолета, парашюта, цепного моста. Можно привести тысячи и тысячи примеров живых вразумителей техники.

Но процесс этот не односторонен.

С помощью машин и механизмов человек познает природу. Теперь он осмелился строить механическое подобие живого и призвал его себе на помощь.

Электронная "мышь" быстрее библиографа найдет нужную карточку в запутанном библиографическом лабиринте.

Она позволит создать бесконтактную автоматическую телефонную станцию и с молниеносной быстротой, мгновенно будет решать задачу выбора требуемого пути из нескольких миллионов линий, надолго запомнив наикратчайший путь, по которому чаще всего связывается тот или иной абонент.

При формировании железнодорожных составов электронный автомат будет учитывать не только время прибытия вагонов, но и характер груза, пропуская сначала срочные и скоропортящиеся.

А электронная "черепаха" - отличный самоходный автомат для исследования океанов и морей. Это прекрасная автоматическая транспортная машина. Это настоящий самоходный, самоуправляющийся комбайн или трактор.

Недалек тот день, когда потомки маленькой игрушечной "черепахи" высадятся с первых автоматических ракет на какую-либо планету и самостоятельно исследуют ее поверхность, приспосабливаясь к сложной и своеобразной обстановке.

На сайте https://astr.indigram.info - вы сможете познакомиться с обворожительными спутницами и устроить с ними незабываемое свидание.