Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта

Марков Сергей Николаевич

К плодам бионики XX в. относят обычно и застёжку-липучку, принцип действия которой позаимствован у репейника [922] , и поверхности, копирующие структуру акульей кожи, позволяющие улучшить аэро- и гидродинамические характеристики изделий [923] и даже препятствующие размножению бактерий [924] . Изучение крыльев бабочек помогло в разработке технологии RFID-чипов [925] , изучение лап гекконов [926] и клея устриц [927] — в создании медицинских адгезивов [928] . Гидрофобные структуры [929] , наносенсоры [930] , холестерические жидкие кристаллы [931] — перечислять заимствованные у природы идеи можно долго.

922

Suddath C. (2010). A Brief History of: Velcro / Time, Tuesday, June 15, 2010 // http://content.time.com/time/nation/article/0,8599,1996883,00.html

923

Brian D., Bharat B. (2010). Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review / Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 28 October 2010 // http://doi.org/10.1098/rsta.2010.0201

924

Mann E. E., Mettetal M. R., May R. M., Drinker M. C., Stevenson B. C., Baiamonte V. L., Marso J. M., Dannemiller E. A., Parker A. E., Reddy S. T., Sande M. K. (2014). Surface Micropattern Resists Bacterial Contamination Transferred by Healthcare Practitioners / Journal of Microbiology & Experimentation, Vol. 1, Iss. 5 // https://www.sharklet.com/2015/01/19/surface-micropattern-resists-bacterial-contamination-transferred-by-healthcare-practitioners-2014/

925

Elliott D. (2009). Designing packs as nature intended / PackagingNews, 30 September 2009 // https://www.packagingnews.co.uk/news/designing-packs-as-nature-intended-30-09-2009

926

Mahdavi A., Ferreira L., Sundback C., Nichol J. W., Chan E. P., Carter D. J. D., Bettinger C. J., Patanavanich S., Chignozha L., Ben-Joseph E., Galakatos A., Pryor H., Pomerantseva I., Masiakos P. T., Faquin W., Zumbuehl A., Hong S., Borenstein J., Vacanti J., Langer R., Karp J. M. (2008). A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive / Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 105, Iss. 7, pp. 2307—2312 // https://doi.org/10.1073/pnas.0712117105

927

Kastrup C. J., Nahrendorf M., Figueiredo J. L., Lee H., Kambhampati S., Lee T., Cho S.-W., Gorbatov R., Iwamoto Y., Dang T. T., Dutta P., Yeon J. H., Cheng H., Pritchard C. D., Vegas A. J., Siegel C. D., MacDougall S., Okonkwo M., Thai A., Stone J. R., Coury A. J., Weissleder R., Langer R., Anderson D. G. (2012). Painting blood vessels and atherosclerotic plaques with an adhesive drug depot / Proceedings of the National Academy of Sciences, Dec 26, 2012 // https://www.pnas.org/content/early/2012/12/10/1217972110

928

^*

Адгезив — вещество, способное соединять материалы путём поверхностного сцепления.

929

Li Y., Huang X. J., Heo S. H., Li C. C., Choi Y. K., Cai W. P., Cho S. O. (2007). Superhydrophobic Bionic Surfaces with Hierarchical Microsphere/SWCNT Composite Arrays / Langmuir 2007, Vol. 23, Iss. 4, pp. 2169—2174, November 16, 2006 // https://doi.org/10.1021/la0620758

930

Potyrailo R. A., Bonam R. K., Hartley J. G., Starkey T. A., Vukusic P., Vasudev M., Bunning T., Naik R. R., Tang Z., Palacios M. A., Larsen M., Le Tarte L. A., Grande J. C., Zhong S., Deng T. (2015). Towards outperforming conventional sensor arrays with fabricated individual photonic vapour sensors inspired by Morpho butterflies / Nature Communications, Vol. 6, Article number: 7959 // https://www.nature.com/articles/ncomms8959

931

Plate N. (1993). Liquid-Crystal Polymers. Springer US // https://books.google.ru/books?id=a3wjjzrmwf0C

Конечно, наши самолёты не машут крыльями, и развитие технологий зачастую приводит к тому, что в промышленных образцах мы уже с трудом можем опознать их природные прототипы: особенности производственных процессов, а также эксплуатационные требования накладывают свои ограничения на выпускаемые продукты.

Часто бионика влияет на развитие техники не напрямую. Например, наличие в природе «рабочего прототипа» может быть свидетельством принципиальной возможности создания того или иного устройства: если птицы могут летать, значит, возможно создание летательного аппарата тяжелее воздуха; если растения способны синтезировать сахара и крахмал из углекислого газа и воды, значит, можно создать устройство, выполняющее ту же функцию.

Решения, существующие в природе, являются продуктом сложного оптимизационного процесса, известного под названием «эволюция». С одной стороны, масштабы и значительная продолжительность эволюции приводят к появлению биологических систем, хорошо приспособленных к тем условиям, в которых они действуют. С другой же — решения, найденные эволюцией, могут являться оптимальными лишь локально, то есть может возникнуть ситуация, когда дальнейшее «улучшение» системы возможно только за счёт временного её «ухудшения», что затруднено давлением естественного отбора. И наконец, эволюция оптимизирует устройство живых организмов в направлении их приспособленности к среде обитания, а вовсе не к задачам, которые человек пытается решать при помощи создаваемой техники. С точки зрения эволюции человеческий мозг должен потреблять мало энергии, должен быть устойчивым к физическим воздействиям (вряд ли вам понравится, если от падения яблока на голову вы будете полностью терять память), голова младенца должна беспрепятственно преодолевать родовые пути при рождении и так далее. Все эти ограничения будут только мешать, если мы стремимся создать устройство, единственная цель которого — достижение максимальной эффективности при решении интеллектуальных задач. Словом, у нас есть основания полагать, что мозг далёк от идеала думающей машины. В конце концов, его роль в организме заметно шире: мозг — это не только думающая, но и управляющая «машина», с важной задачей поддержания автоматических процессов в организме. Головной мозг вообще не является чем-то радикально обособленным от человеческого тела — например, около 500 млн связанных с ним нейронов входят в состав так называемой энтеральной нервной системы, состоящей из нервных сплетений в оболочках полых органов желудочно-кишечного тракта [932] , а ещё около 200 млн нейронов находится в спинном мозге [933] . Впрочем, задачи, которые мозгу приходится решать в связи с его управляющей функцией, можно, по всей видимости, отнести к разряду интеллектуальных, хотя их решение часто происходит без сознательного контроля.

932

Spencer N. J., Hu H. (2020). Enteric nervous system: sensory transduction, neural circuits and gastrointestinal motility / Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, Vol. 17, pp. 338—351 // https://doi.org/10.1038/s41575-020-0271-2

933

Banhey J., von Bartheld C. S. (2017). The Cellular Composition and Glia-Neuron Ratio in the Spinal Cord of a Human and a Non-Human Primate: Comparison with other Species and Brain Regions / Anatomical record (Hoboken, N. J.), Vol. 301, Iss. 4, pp. 697—710 // https://doi.org/10.1002/ar.23728

Так или иначе, на сегодняшний день человеческий мозг — это лучшая известная нам «машина» для решения неопределённо широкого спектра интеллектуальных задач. Поэтому ещё с первой половины XX в. взоры учёных были обращены именно на этот «рабочий прототип», который позволяет нам оценить, какие именно задачи и какими средствами могут быть решены в принципе.

Вплоть до второй половины XIX в. наука немного знала о строении мозга. Учёные ограничивались самыми общими соображениями о природе мышления, выдвигая различные гипотезы о лежащих в его основе закономерностях и процессах. При этом внимание было сфокусировано в большей мере на принципах, составляющих основу умозаключений, а вопрос о физическом субстрате человеческого разума обходился стороной — в этой области царствовали либо наивные механистические гипотезы, либо откровенно магические по своей природе соображения о «тонкой материи», непознаваемой душе и так далее.

Логика Аристотеля, Мо-цзы, Акшапады Гаутамы, Нагарджуны и других интеллектуалов древности весьма преуспела в вопросах изучения структуры суждений, однако не все древние мыслители считали, что мышление является продуктом деятельности мозга. Тот же Аристотель приписывал эту роль сердцу. Появление в античной философии идеи о том, что именно мозг есть пристанище человеческого разума, традиционно приписывают Алкмеону Кротонскому, труды которого посвящены преимущественно медицинской тематике [934] .

То, что было не до конца ясным для логиков, было вполне понятно врачам. По крайней мере, точку зрения Алкмеона вполне разделяли и «отец медицины» Гиппократ, и «отец анатомии» Герофил, и даже их коллега и по совместительству внук Аристотеля Эрасистрат [935] . Люди, чья работа заключалась в «ремонте» сложной машины под названием «человеческий организм», неизбежно лучше разбирались в особенностях его работы, чем философы. Аналогия между человеческим организмом и машиной стала особенно популярна в Новое время благодаря успехам в области механики. «Левиафан» Гоббса предваряет яркая метафора автора: «…наблюдая, что жизнь есть лишь движение членов, начало которого находится в какой-нибудь основной внутренней части, разве не можем мы сказать, что все автоматы (механизмы, движущиеся при помощи пружин и колёс, как, например, часы) имеют искусственную жизнь? В самом деле, что такое сердце, как не пружина? Что такое нервы, как не такие же нити, а суставы — как не такие же колёса, сообщающие движение всему телу так, как этого хотел мастер?» Столь же механически Гоббс определяет рассуждение [reason] как одну из способностей человеческого ума: «рассуждение <…> есть не что иное, как подсчитывание (т. е. складывание и вычитание) связей общих имён с целью отметить и обозначить наши мысли» [936] . Неслучайно в истории философии направление, к которому принято относить Гоббса, получило название «механической философии» или «механицизма». Позже Лейбниц в отзыве на работу Гоббса выражает её квинтэссенцию самым радикальным образом: «Томас Гоббс, повсеместно глубоко исследующий основы, справедливо заметил, что всё, что делает наш ум, — это вычисление». Философское наследие Лейбница включает в себя обширные исследования в области теории мышления, благодаря чему этого немецкого мыслителя нередко называют «дедушкой искусственного интеллекта» [937] .

934

Huffman C. (2017). Alcmaeon / Stanford Encyclopedia of Philosophy // https://plato.stanford.edu/entries/alcmaeon/

935

Elhadi A. M., Kalb S., Perez-Orribo L., Little A. S., Spetzler R. F., Preul M. C. (2012). The Journey of Discovering Skull Base Anatomy in Ancient Egypt and the Special Influence of Alexandria / Neurosurgical Focus, Vol. 33, Iss. 2:e2 // https://www.medscape.com/viewarticle/769263_6

936

Hobbes T. (1969). Leviathan, 1651. Scolar P // https://books.google.ru/books?id=8xyDAAAAMAAJ

937

Kulstad M., Carlin L. (2013). Leibniz’s Philosophy of Mind / Stanford Encyclopedia of Philosophy // https://plato.stanford.edu/entries/leibniz-mind/

Впрочем, как бы ни велики были успехи логики, математики, медицины и механики Нового времени, их возможностей было явно недостаточно, чтобы продвинуться в деле создания машин на основе принципов бионики для решения сложных интеллектуальных задач. Механические вычислительные устройства могли производить математические расчёты, оперировать с нехитрыми логическими суждениями, выполнять несложный статистический анализ, но сделать заметный шаг вперёд удалось только в эпоху электричества.

4.2 Лягушки, мыши, кальмары, люди и другие животные в цепких руках нейрофизиологов

К первой строке приступая, я Муз хоровод с Геликона

Сердце моё вдохновить умоляю на новую песню, —

С писчей доской на коленях её сочинил я недавно, —

Песню о брани безмерной, неистовом деле Арея.

Я умоляю, да чуткие уши всех смертных услышат,

Как, на лягушек напавши с воинственной доблестью, мыши

В подвигах уподоблялись землёю рождённым гигантам.

Война мышей и лягушек (Батрахомиомахия)

4.2.1 От экспериментов на животных до открытия нейронов

Представления о том, что активность мышц и нервов живых существ имеет электрическую природу, восходят к исследованиям Луиджи Гальвани, который опубликовал результаты своих опытов в 1791 г. Используя ручную динамо-машину, Гальвани пропускал слабые импульсы электрического тока через лягушачьи лапки и обнаружил, что ток заставляет мышцы сокращаться. Эти опыты дали начало исследованиям в области биоэлектрических явлений. Первое убедительное доказательство электрической природы нервных импульсов было получено в 1850-е гг. немецким физиологом Эмилем Дюбуа-Реймоном, которому удалось впервые в истории науки измерить электрические импульсы, бегущие по нервам к мышце (также для лягушки). В 1870-е гг. английский врач из Ливерпуля Ричард Катон обнаружил, что мозг генерирует электрический ток. Катон экспериментировал с отражающим гальванометром, состоящим из провода и катушки, которые вибрировали при обнаружении слабых токов. Прибор также имел небольшое зеркало, прикреплённое к катушкам, а яркая кислородно-водородная лампа направляла на зеркало узкий луч света, который затем, отражаясь, попадал на изображённую на стене затемнённой комнаты шкалу длиной около двух с половиной метров. Чем сильнее был сигнал, тем выше поднимался по шкале световой луч. Катон прикасался электродами инструмента к мозгу во вскрытых черепах кроликов, кошек и обезьян [938] и обнаружил, что внешняя поверхность серого вещества заряжена более положительно, чем глубокие структуры мозга. Он также отметил, что электрические токи головного мозга, по-видимому, имеют отношение к основной функции: «Когда какая-либо часть серого вещества находится в состоянии функциональной активности, сила электрического тока в нём обычно уменьшается» [939] .

938

Robbins J. (2008). A Symphony in the Brain: The Evolution of the New Brain Wave Biofeedback. Grove Press // https://books.google.ru/books?id=ucRimHppmv0C

939

Niedermeyer E., Silva F. d. (2005). Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. Lippincott Williams & Wilkins // https://books.google.ru/books?id=tndqYGPHQdEC

Когда животное двигалось, жевало пищу или улавливало глазами свет, прибор регистрировал возрастание электрической активности. Мысли, заметил Катон, также порождали активность. Он подключил обезьяну к устройству и записывал ток, связанный с жеванием. «Когда я показал обезьяне изюм, но не дал его, произошло небольшое уменьшение силы тока», — писал он [940] .

Катону также иногда приписывают пионерскую работу в области «вызванных потенциалов» (т. е. электрических потенциалов в некоторой части нервной системы, возникающих вследствие воздействия стимула, такого как, например, вспышка света или звуковой сигнал). Впрочем, историки науки позже указывали, что гальванометр Катона вряд ли был способен регистрировать частоты свыше 6 Гц, что ставит под сомнение возможность регистрации Катоном вызванных потенциалов, наблюдаемых обычно на более высоких частотах.

940

Robbins J. (2008). A Symphony in the Brain: The Evolution of the New Brain Wave Biofeedback. Grove Press // https://books.google.ru/books?id=ucRimHppmv0C

Разница в полярности между поверхностью коры головного мозга и более глубокими областями, обнаруженная Катоном, может быть интерпретирована как открытие им «уровня постоянного потенциала» (steady potential, DC-potential; уровень постоянного потенциала — это слабый, медленно изменяющийся устойчивый потенциал между мозгом и референтными областями, один из сверхмедленных физиологических процессов, отражающий индивидуальные особенности энергозатрат, связанных с функциональным состоянием головного мозга и всей нервной системы) [941] .

941

Niedermeyer E., Silva F. d. (2005). Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields. Lippincott Williams & Wilkins // https://books.google.ru/books?id=tndqYGPHQdEC