Синтетическая психология. Распознавание и классификация. Меры сходства.

Синтетическая психология

  На фото черепашка Грея Уолтера 


 «Книга Валентино Брайтенберга, вдохновившая целое поколение
 робототехников и ученых-когнитивистов, стала просто классикой.
 Она изменит ваше представление о психике»
                           Д.  Деннет. («Виды психики») 

 

Синтетическая психология – это новое направление в психологии и кибернетике, которое путем  использования  элементарных средств позволяет имитировать сложное биологическое поведение.
 В 1984 году Валентино Брайтенберг (Valentino Braitenberg), известный итальянский невролог и кибернетик, профессор Института биологической кибернетики им. Макса Планка в Тюбингене (Max Planck Institute for Biological Cybernetics), опубликовал небольшую книгу: "Машинки: эксперименты по синтетической психологии" (V. Braitenberg "Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology", A Bradford Book / The MIT Press, 1984), которая вдохновила  целое поколение робототехников и ученых-когнитивистов. Брайтенберг, используя свой принцип, что "биологическое поведение легче синтезировать, чем анализировать", изготовил из  элементарных механизмов и электрических устройств 14 вариантов синтетических моделей (машинок), управляемых простейшими схемами, которые  имитировали  сложное поведение (любви, агрессии, страха и предвидения). В этой книге автор приводит данные удивительного поведения его машинок. Книга стала бестселлером в области СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПСИХОЛОГИИ.
 В 1962 году   на базе  самоходной гусеничной электрической игрушки собрал  кибер: машинку, которая обладала способностью фототропизма (стремления к свету). Для этого в передней части установил два сенсора-фоторезистора, соединенные через  мостовую электрическую  схему с противоположными электродвигателями гусениц. В темном помещении самоходка сама находила источник света и  устремлялась к нему.  Не стал бы вспоминать об этом давнем увлечении, если бы не одно удивительное совпадение - мой кибер был   простейшим  вариантов фототаксиса машинок Брайтенберга!

Следует отметить, что много раньше Валентина Брайтенберга, английский нейрофизиолог Грей Уолтер (William Grey Walter) с 1948 до 1951 год создал  биороботы ("черепашки").  Грей Уолтер называл их machina speculatrix. "Черепашки" представляли собой самодвижущиеся электромеханические тележки, способные ползти на свет или от него, обходить препятствия, заходить в "кормушку" для подзарядки разрядившихся аккумуляторов. На рулевой колонке устанавливался фотоэлемент и механический контакт, замыкаемый при наезде на препятствие. Управление поведением осуществлялось двумя простыми искусственными нейронами. Всего Грей Уолтер построил восемь черепашек. Таким образом, уже он  показал, что простые по устройству черепашки обладали сложным поведение биологических систем (поиск света ("голод"), поворот к свету, избегание яркого света и препятствий ("боль")). Поэтому Грея Уолтера и Валентино Брайтенберга c полным основанием можно считать основателями СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПСИХОЛОГИИ.
Сама идея синтетической психологии впервые была выдвинута французским психологом  Альфредом Бине (Alfred Binet) (1857 — 1911). Он широко известен также тем, что создал первый психометрический тест, подобный IQ. Причастны  к идеям синтетической психологии знаменитый швейцарский психолог Жан Пиаже (Jean Piaget ) ( 1896- 1980) и американский психолог  Марк Болдуин (Mark Baldwin) (1861-1994).

Иногда синтез осуществить легче, чем анализ. Трудно понять, как работает на низком уровне мозг, но можно попробовать имитировать поведение как <вход-выход>. Цель этого направления - создание имитаторов поведения. Такие имитаторы создавались различными группами исследователей - Амосов, Брайтенберг, Уолтер и другие. На нижних уровнях машины имитировали простейшие эмоции и поведение (страх), на верхних - более абстрактные и сложные (предчувствие, любовь). На самой простой модели можно увидеть интересные психологические реакции.

     Рассмотрим "Черепаху" Г. Уолтера, названную им "Машина спекулятрикс", что означает "думающая машина". "Черепаха" представляет собой трехколесную тележку, на которой размещены аккумуляторы, система реле и электронная (ламповая) схема. Переднее колесо расположено на рулевой колонке и приводится в действие двумя двигателями - рулевым Д₁ и приводным Д₂. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . На рулевой колонке закреплен также фотоэлемент и осветительная лампочка, свет от которой не попадает на фотоэлемент. Тележка покрыта кожухом, напоминающим по форме черепаший панцирь и оставляющим открытым лишь фотоэлемент и лампочку. Вокруг кожуха размещения упругий бампер, прикосновение к которому замыкает механический контакт K₁.

     Принципиальная схема "Черепахи" приведена на рисунке 12.1.

Рис. 8.16. Принципиальная электрическая схема робота-черепахи

   "Черепаха" с такой схемой способна воспроизводить следующие виды поведения: движение на свет или от него, поисковые движения, обход препятствии, движение к "кормушке" и заход в нее для подзарядки аккумуляторов. Схема отрегулирована таким образом, что при низком потенциале анода лампы Л₁ запирается лампа Л₂ и реле Р₂ устанавливается так, что исключается одновременное нахождение под током реле P₁ и Р₂. Если фотоэлемент ФЭ не освещен, то лампа Л₂ открыта, а Л₁заперта. При умеренном освещении фотоэлемента лампа Л₂ "приоткрывается", однако проводимый ею ток недостаточен для срабатывания реле P₁, хотя уменьшение напряжения на аноде лампы и приводит к отпусканию реле Р₂. Дальнейшее увеличение освещенности фотоэлемента ("ослепление") ведет к срабатыванию P₁ при отпущенном Р₂. Замыкание механического контакта K₁ превращает схему в мультивибратор, попеременно включающий и выключающий реле Р₁ и Р₂.

     Поведение "Черепахи" зависит от внешних воздействий, т.е. от состояний реле и характеризуется следующей таблицей.

     Несмотря на относительную простоту устройства, "Черепаха" демонстрирует достаточно разнообразные виды поведения. В нормальных условиях она осуществляет "поиск", двигаясь по формируемым ею и средой траекториям, и в течении часа способна исследовать довольно большую комнату. При попадании на фотоэлемент света она либо приближается к источнику света (при слабом свете или разрядившихся батареях), либо отходит от него (при сильном "ослепляющем" свете). При наезде на препятствие - независимо от того, какой другой раздражитель действовал - автомат реагирует только на прикосновение, являющееся более сильным раздражителем, и отходит от препятствия. После совершения отходного маневра он продолжает двигаться под влиянием оставшегося раздражителя. "Черепаха" способна отыскивать оптимальное для себя состояние, которым является поиск в слабо освещенных местах. Лампа Л₃, расположенная в передней части устройства, позволяет ей в отсутствие других источников света "узнавать" себя в зеркале, приближаясь к своему изображению. Таким же образом два автомата могут "увидеть" друг друга и двигаться навстречу. При частичной разрядке аккумуляторов способность избегать "ослепления" ослабевает и "Черепаха" приближается к "кормушке", в которой установлен источник света, и, соприкасаясь с контактами зарядного устройства в ней, "насыщается", а затем (возникало "ослепление") отходит от нее и продолжает нормальную деятельность. Ниже приведены примеры различного поведения "Черепахи": поиск в отсутствие яркого света, стремление к не очень сильному источнику света, поведение при наличии двух сильных источников света, обход препятствия при стремлении к свету, стремление к одному источнику света двух одинаковых автоматов, посещение "кормушки", поведение перед зеркалом и "знакомство" двух "Черепах". Легко видеть, что поведение автомата во многом аналогично комплексу фиксированных действий, наблюдаемых в поведении живых организмов. Заметим, что, точные траектории движений заранее установить невозможно. В каждом отдельном случае они определяются рядом случайных факторов, таких, как шероховатость и наклоны поверхности, по которой движется автомат, трение в подвижных его частях, разброс моментов срабатывания реле и т. п.

     О машинках Брайтенберга - автоматах с синтетической психологией можно прочитать болееподробно...

     Всего было построено 14 уровней подобных животных. На третьем уровне удалось реализовать схему "хищник-жертва". На четвертом - машины отличали живое от неживого, огибали препятствия. На пятом реализовывали простейшее обучение. На 6-8 уровнях научились обобщать. На 14 - вырабатывали шкалу ценностей, находили линию наискорейшего достижения цели, создавали внутреннюю модель мира.

     Существенный недостаток - нет самопроизводства и эволюции.

Распознавание и классификация

     Задача состоит в отделении образца типа А от образца типа Б, для этого требуется ввести физическую величину, которая бы отличала образцы различных типов. Очевидно, что эта величина будет иметь целый диапазон значений и выбирая некоторый индетифицирующий признак мы можем столкнутся с проблемой перекрытия (верхний график), то есть с ситуацией наличия этого признака у обоих образцов. Поэтому требуется развернуть базовые оси, чтобы проекции различных классов пересекались минимально (нижний график).

     Задача интеллекта - найти линии разделения классов. Для лучшего результата требуется вводить дополнительные признаки. Каждый полезен хотя бы для одного разделения и влияет на уменьшение вероятности ошибки. Наилучшими признаками являются те, у которых разность средних выше стандартных отклонений. Признак будет бесполезным, если средние совпадают со средними другого признака. Очень много признаков увеличивает вероятность ошибки.

Меры сходства