Поиск по сайту




Пишите нам: info@ethology.ru

Follow etholog on Twitter

Система Orphus

Новости
Библиотека
Видео
Разное
Кросс-культурный метод
Старые форумы
Рекомендуем
Не в тему

список интервью


Валентин Непомнящих: «Перспектива для этологии есть до тех пор, пока возникают вопросы»
В.А. Непомнящих

Возможно ли построение робота, решающего бытовые проблемы человека? Автономных механических существ с искусственным интеллектом, исследующих поверхность далекой планеты или обезвреживающих мины? Или человекоподобных роботов, выступающих в качестве помощника и партнера человека? Ответы на эти вопросы начали искать еще в 70-х годах ХХ века, когда был бум на создание искусственного интеллекта, на автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие сложные операции с пространственными перемещениями. К концу 80-х годов для решения этой проблемы родилась идея использовать результаты этологических исследований. Не одно поколение ученых – математиков, программистов, биологов, физиков – принимало самое непосредственное участие в создании виртуальных и физических роботов, при разработке моделей которых широко использовались данные этологии и нейрофизиологии.

О состоянии этой области этологии на настоящий момент, о новых открытиях, а так же о целях и трудностях создания таких роботов,  мы решили поговорить с ведущим научным сотрудником Института биологии внутренних вод РАН ВАЛЕНТИНОМ АНАТОЛЬЕВИЧЕМ НЕПОМНЯЩИХ.  Беседует обозреватель сайта www.ethology.ru Анастасия Иванкова.

Анастасия Иванкова: Итак, Валентин Анатольевич, как бы Вы охарактеризовали круг своих исследований? Елена Анатольевна Гороховская в своем интервью говорит, что работает на стыке двух наук – этологии и истории. А к чему больше склоняетесь Вы – к этологии или математическому моделированию?

Валентин Непомнящих: Это использование моделирования для решения проблем, возникших в рамках наук о поведении. Одна из этих проблем, которая ближе всего к этологии – проблема механизмов инстинктивного поведения. Мы знаем, что это поведение адаптивно – в том смысле, что оно позволяет животному выживать в постоянно меняющейся, а потому не всегда предсказуемой среде. Многое сказано о том, что это поведение генетически детерминировано, запрограммировано, не требует обучения и т.п. Но что это конкретно означает? Понимаем ли мы на самом деле, как осуществляется это поведение, даже в самых простых случаях, каков его механизм? Критерием такого понимания может служить наша способность воспроизвести этот механизм и определяемое им поведение в искусственном создании, которое способно адаптироваться к постоянно меняющейся среде, не имея времени на обучение и без руководства извне. Такие создания именуются аниматами [более подробно об аниматах читайте в статье Валентина Непомнящих «Поведение аниматов как модель поведения животных»].

 

А.И. Что Вас подтолкнуло на разработку теории аниматов?

В.Н. Мой выбор обусловлен естественным желанием исследователей получить наглядный критерий продуктивности своих теорий. В наше время такая возможность для этологов появилась в связи с развитием компьютерных технологий. Надо заметить, что аниматы – это не просто математические модели. Традиционные математические модели поведения чаще всего имитируют какую-либо одну функцию организма, взятую изолированно от всей остальной его деятельности и отдельно от богатой изменяющейся внешней среды. Что касается аниматов, то они, как и реальные организмы, должны «выживать» в меняющейся среде, выполняя не одну функцию, а многие, необходимые для выживания в данной среде, в том числе не предусмотренные модельером. Кроме того, аниматы могут быть осуществлены в виде физических роботов, которым надо действовать в реальной физической среде, которая гораздо богаче и менее предсказуема, чем любая виртуальная среда, придуманная модельером. Все это делает разработку аниматов вызовом исследователям поведения: если мы претендуем на то, что понимаем поведенческие механизмы, то должны быть способны воспроизвести в искусственном создании (лучше всего – в физическом роботе) хотя бы простейшие последовательности инстинктивных действий и решать хотя бы такие задачи, которые решают самые примитивные организмы, в том числе не способные к обучению: поиск источников энергии, избегание опасных воздействий и т.п.

 

А.И. А Не боитесь ли Вы опровергнуть уже сложившиеся постулаты классической этологии, в частности положения теории Лоренца?

В.Н. До создания строгой теории поведения организмов (и аниматов) еще далеко, но уже имеющиеся результаты показывают, что о полном пересмотре положений классической этологии говорить не приходится. Скорее речь идет о подходе к ним с новой точки зрения, о более тщательной, конкретной их формулировке, что необходимо для математического моделирования. Главная проблема – представление об инстинктивном поведении, как о наборе жестких генетических программ, которые вызываются к жизни изменениями состояния организма и релизерами. Результаты экспериментов с аниматами заставляют сомневаться в этом представлении и искать более реалистичные концепции инстинкта.

Приведу примеры. Конрад Лоренц ввел в обиход «гидравлическую схему», согласно которой поведенческий акт осуществляется спонтанно, если запас соответствующей ему некой «энергии» достигает критического уровня. Так он хотел подчеркнуть спонтанную, нерефлекторную природу инстинктивного поведения и объяснить, среди прочего, «поведение в пустоте», в отсутствие специфических релизеров. У разработчиков аниматов не прижилось представление о накоплении «энергии», но появилось представление о том, что в основе наблюдаемого поведения лежит взаимодействие динамических систем, проявляющих постоянную спонтанную активность, тормозящих и возбуждающих одна другую. Если активность той или иной системы достигает определенного уровня, то соответствующее ей поведение выполняется спонтанно с точки зрения внешнего наблюдателя. То, что вместо накопления «энергии» фигурирует динамическая активность  - не так важно. Важнее то, что эксперименты с аниматами подтверждают тезис о фундаментальной роли спонтанной активности для адаптивного поведения – в противовес бихевиористским представлениям о поведении как о последовательности реакций на стимулы. 

Другой пример. Мы привыкли говорить, что инстинктивное поведение «генетически запрограммировано». Эксперименты с аниматами позволяют сформулировать более конкретные гипотезы о том, что именно «запрограммировано». Создан робот, имитирующий формирование способности устойчиво стоять на ногах и ходить у новорожденных копытных. В основе механизма управления роботом – сеть из искусственных нейронов, генерирующая последовательность команд эффекторам ног и получающая обратный сигнал от сенсоров ног и «позвоночника». Пока сигнал не совпадает с  заранее заданным эталоном (соответствующим устойчивой позе и походке), активность сети и команды эффекторам меняются до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение. Получается, что для адаптивного и сложного поведения, достаточно задать эталон сигнала, отражающего результат поведения, но вовсе не обязательно программировать в деталях само это поведение, последовательность движений.

 

А.И. Каковы, на Ваш взгляд, современные цели и задачи этологии? Является ли она до сих пор наукой об общебиологических закономерностях поведения?

В.Н. Могу высказать только свою сугубо личную точку зрения: ключевая задача этологии - понять, почему инстинктивное невыученное поведение в целом адаптивно. Это не тривиальный вопрос. Стандартный ответ – поведение есть результат адаптивной эволюции и потому адаптивно: животные приспособлены к своей экологической нише. Но этот ответ, по-моему, недостаточен.  Почему организмы того или иного вида «вдруг» осваивают новую нишу или «изобретают» новый навык? Можно, конечно, сказать, что это происходит в результате обучения, но ведь в его основе должно быть какое-то изменение того самого инстинктивного поведения, которое «жестко запрограммировано».  Мы опять возвращаемся к проблеме механизма поведения: как этот механизм обеспечивает изменчивость инстинктивного поведения, необходимую для жизни в вечно меняющейся среде? Можно предположить, что изменчивость поведения определяется некими фундаментальными законами, определяющими функционирование биологических систем. Поиск этих законов мог бы сделать этологию наукой об общебиологических закономерностях поведения. Т.е. такой наукой, которая способна предсказывать возможные изменения поведения при изменении среды обитания, а не только объяснять задним числом, почему  то или иное поведение адаптивно.

 

А.И. В одной из своих работ Вы упоминаете теорию радикального конструктивизма. Не могли бы рассказать о ней поподробнее? Как неадаптивное поведение в частности может быть адаптивно в целом?

В.Н. Собственно, эта теория и создана, чтобы попытаться ответить на вопрос о фундаментальных законах поведения, определяющих его эволюцию и пластичность. Известный психолог Пиаже заложил основы конструктивизма. Её существенная черта, важная именно для этологии, состоит в том, что действия  индивидуума, даже на самых ранних стадиях развития, не сводятся только к набору запрограммированных реакций на релизеры. Вот пример. Маленький ребенок играет с мячом, и мяч закатывается под стул. Ребенок видит мяч под стулом и достает его. В следующий раз мяч закатывается под диван, но там его ребенку не видно. И тут ребенок лезет под стул и ищет мяч там. Получается, что у ребенка вместо банальной реакции на непосредственные раздражители в голове формируется в буквальном смысле слова гипотеза об устройстве мира: «если предмет пропал, то его надо искать под стулом». Позднее, конечно, эта гипотеза сменится более удачной: «если предмет исчез, то ищи его там, где он исчез». Но  и эта гипотеза не всегда верна: например, если исчез мыльный пузырь, то его не надо нигде искать. Одно из основных положений конструктивизма состоит в том, что человек (и животное) постепенно формирует и детализирует свои гипотезы, но они никогда не становятся абсолютно реалистичным отражением действительности, они лишь постоянно приближаются к реальным закономерностям мира. Что касается радикального конструктивизма, то последний пошел еще дальше: он постулирует, что смысл гипотез не в том, чтобы все более точно отражать реальный мир, а только в том, чтобы предсказывать последствия                событий в этом мире и последствия своих собственных действий. Проблема объективного отражения действительности вообще не ставится в радикальном конструктивизме. Попросту говоря, важна не истина, а способность предвидеть, потому что именно она делает поведение адаптивным. Мало того, этот подход применяется радикальными конструктивистами не только к поведению животного и человека, но и к обществу в целом, и к научному познанию. Цель последнего – формулировать полезные гипотезы, чтобы более или менее надежно предсказывать будущее и тем самым обеспечить выживание человечества, а вовсе не объективное познание мира. Справедливости ради надо сказать, что радикальный конструктивизм применяет этот же принцип и к самому себе: данная теория имеет право на существование лишь постольку, поскольку она сама является полезной гипотезой для познания поведения. Конструктивизм не претендует на статус единственно истинной теории поведения, он лишь (как и всякая теория) выделяет из всего богатства психических процессов одну сторону: формирование гипотез и действие на их основе, в надежде, что именно эта сторона окажется продуктивной для предсказания поведения живых существ и его моделирования, в том числе для создания аниматов. И надо сказать, что как раз в последней области радикальный конструктивизм оказывается довольно продуктивным.

Мы не можем утверждать, что животные формулируют свои гипотезы так же как человек, например, в виде некоторой ментальной модели действительности. Говорить о гипотезах у животных мы можем только на основании их поведения. Например, самец бабочки в ответ на краткое воздействие феромоном самки может относительно долго двигаться против ветра, даже если запах феромона больше не воспринимается. Это движение рассчитано на предполагаемое будущее, на то, что самка обнаружится там, откуда дует ветер. Т.е. гипотезами у животных можно назвать действия, основанные на краткой и недостаточной информации о внешней среде и рассчитанные на вероятный, но не гарантированный результат в будущем. Ясно, что такие частные гипотезы могут оказаться неверными. Все же поведение оказывается в целом адаптивным, если гипотезы оправдываются достаточно часто для того, чтобы позволить выжить и оставить потомство такому числу особей, которое необходимо для сохранения вида.

 

А.И. Если естественный отбор можно трактовать как выживание наиболее приспособленных к окружающей среде особей, то в случае, поведения как самоупорядоченного процесса – наиболее упорядоченных?

В.Н. Здесь важно отметить, что наш мир не случаен. В нем действуют законы симметрии. Если в поведении, в психике действуют те же законы, то есть шанс, что гипотезы, исходящие из того, что мир симметричен, упорядочен, часто будут оправдываться. Хорошо известно, что многие научные открытия удалось сделать, исходя из предположения о существовании симметрии в изучаемом явлении  – законы Кеплера, например, или таблица Менделеева. А вот совсем простой пример из поведения животных: если животное обнаруживает пищу, то наблюдается поиск на ограниченном участке, что в целом оправдано: пища часто сосредоточена на определенных участках в пространстве. И здесь, по-моему, вполне уместно связать приспособленность поведения с его упорядоченностью, со способностью порождать такие гипотезы, которые учитывают упорядоченность реального мира и потому имеют больше шансов оказаться полезными. Конечно, поиск на ограниченном участке - это только очень простой пример упорядоченности поведения, которая одновременно обеспечивает и адаптацию. Можно пофантазировать и предположить, что естественный отбор приводит к появлению все более сложных форм  упорядоченного поведения, которое обеспечивает адаптацию ко всем более сложным закономерностям среды. Поэтому на Ваш вопрос об эволюции поведения можно бы ответить так: естественный отбор – это выживание особей с наиболее упорядоченным поведением, потому что такое поведение потенциально наиболее адаптивно.

 

А.И. Можно ли сравнить инверсию причинно-следственной связи в теории самоупорядоченного поведения (химические циклы – поведение бактерии, например) с теорией эмоций Джеймса-Ланге[i], которые говорили о том, что мимика первична, а переживания – это всего лишь психологический отзвук, который вторичен?

В.Н. Я бы не хотел говорить об инверсии причинно-следственной связи и о том, что первично и что вторично. Хорошо изучена генетическая детерминация тех химических циклов в бактериальной клетке, которые и являются механизмом ориентации, управляют ей. Т.е. генетически запрограммирован механизм, а не поведение. Это имеет принципиальное значение. Один и тот же механизм, как показывает моделирование, может воспроизвести множество вариантов поведения без того, чтобы записывать в геноме каждый вариант. Другими словами, находит принципиальное объяснение хорошо известная изменчивость, пластичность «запрограммированного» поведения и программирование аниматов позволяет понять, откуда она берется.

В примере с бактерией можно стать на ту точку зрения, что наблюдаемое поведение есть следствие пертурбации спонтанного химического цикла, вызванной внешним воздействием. Цикл всегда подвергается пертурбациям, имеющим и внешние и внутренние причины, он никогда не повторяется в точности (и соответственно никогда не повторяется в точности поведение организма даже в неизменной среде). Больше того, сама внешняя пертурбация, те раздражители, с которыми организм столкнулся, есть следствие предыдущего поведения организма, а последнее, в свою очередь, - следствие более ранних пертурбаций. Есть непрерывный цикл поведения, в котором следствия становятся причинами и наоборот. В примере с Джеймсом, наверное, следует сказать, что переживания – это и причина и следствие мимики.

 

А.И. Не являются ли представленные модели аналогом теории американского психолога Дж. Келли[ii], который еще в 1955 году создал концепцию «личностных конструктов», согласно которой организация психических процессов личности определяется тем, как она предвосхищает будущие события?

В.Н. Да, работы Келли фактически вошли в арсенал радикального конструктивизма и аналогия с моделями налицо: есть общая стратегия поведения для всех организмов, высших и низших, заключающаяся в действии на основе гипотез. Следует только сделать оговорку: конечно, гипотезы человека несравненно разнообразнее и сложнее гипотез червя, здесь явно различаются конкретные механизмы порождения гипотез.

 

А.И. Насколько хорошо «ложится» теоретический конструкт классической этологии в область практического создания аниматов?

В.Н. Надо заметить, что многие привычные концепции этологии оказались непродуктивными для создания автономных искусственных агентов. Например, в хорошо известной иерархической схеме инстинктивного поведения последнее описывается набором поведенческих актов, которые объединены в иерархически соподчиненные группы. Между группами, а также между актами внутри группы имеет место конкуренция, в результате чего обычно в каждый данный момент выполняется только один акт, который больше всего соответствует потребностям животного и для которого есть подходящий релизер. Однако эксперименты с аниматами показали, что поведение, основанное на заранее заданном наборе поведенческих актов, оказывается адаптивным разве что в предельно упрощенной среде, например, виртуальной среде компьютера. В реальном физическом мире роботы, построенные таким образом, пока нашли применение только в качестве игрушек. Пример тому – собачка Эйбо и человекообразные роботы, способные узнавать хозяина в лицо, ходить по лестнице, вставать, если их опрокинуть, даже повторять ритмические движения, которые им показывают. Это разнообразие способностей впечатляет, но при малейшем изменении обстановки становится ясно, что мы имеем дело всего лишь с машиной - оно оказывается недостаточным. Слишком велико разнообразие реального мира, чтобы в нем к нему можно было приспособиться с помощью набора заранее запрограммированных действий, пусть и очень большого.

 

А.И. Как вообще можно строить универсальные математические модели исходя из концепции, что поведение не является адаптивным?

В.Н. Я бы сформулировал иначе: поведение в целом, конечно адаптивно, вопрос лишь в том, откуда берется адаптация, как её воспроизвести в наших моделях. Мы уже видели, что представление об организации инстинктивного поведении как о запрограммированном наборе адаптивных действий  не работает. Поэтому возникает потребность в альтернативных концепциях. В статье, опубликованной на этом сайте «Как животные решают плохо формализованные задачи поиска», я и попытался сформулировать такую концепцию, способную объяснить адаптивную изменчивость инстинктивного поведения особи, при том, что это поведение всегда остается видоспецифическим. 

Согласно этой концепции, общую организацию поведения можно представить в виде динамической системы, способной к спонтанной активности, т.е. активной даже в отсутствие каких-либо релизеров и потребностей. Эта система циклически проходит через ряд состояний, внешне проявляющаяся в чередовании и повторении определенных действий (вспомним бактерий или рыб, которые чередуют пробеги и повороты при неизменной внешней стимуляции – см. названную выше статью). Сама по себе эта организация поведения не является адаптацией для удовлетворения какой-либо потребности организма. Изменение внутренних и внешних сигналов вызывают модификацию поведения, которая для наблюдателя выглядит как появление новой последовательности действий. Если такие модификации позволяют организму выжить, то поведение адаптивно. Другими словами, адаптивные действия не запрограммированы заранее, они возникают  как модификация спонтанного поведения. Отбору подвергается организация этого поведения в целом, а не отдельные инстинкты.

Эта альтернативная концепция ведет к вполне определенному методологическому подходу к изучению и моделированию поведения. Согласно этому подходу, мы должны сначала представить себе, как работает механизм, порождающий спонтанное поведение, затем исследовать, как это поведение подвергается модификациям со стороны внешней среды, и насколько эти модификации позволяют агенту (животному или роботу) выжить. Т.е. мы не должны изобретать каждый отдельный рефлекс или инстинкт, чтобы добиться цели выживания. Вместо этого мы должны пытаться создать процесс, способный модифицироваться так, чтобы агент мог выжить при изменениях среды. Фактически математические модели таких механизмов уже существуют, хотя по своей способности порождать адаптивное поведение им еще очень и очень далеко до реальных организмов.

 

А.И. Марина Львовна Бутовская упоминает про Институт городской этологии в Австрии как о примере прикладного применения этологии. А есть ли какой-нибудь практический выход теории, моделирующей поведение животных? Как и где могут применяться аниматы? Есть ли роботы, моделирующие поведение человека?

В.Н. Пока большинство разработок, ориентированных на практическое применение, ограничено опытными образцами, способными в лабораторных условиях находить источник запаха, убирать мусор, отыскивать и транспортировать различные предметы. Потенциальные области применения для таких роботов – самые разнообразные: поиск и обезвреживание мин в полевых условиях, уборка помещений, обнаружение источников химического загрязнения в водоемах, исследование поверхности планет, сбор вредных насекомых с растений в садах, и многое другое. Однако реальная среда производственных помещений, городских улиц и, тем более, природная среда все еще слишком сложна для аниматов. Тем не менее, существуют уже и некоторые разработки, готовые к применению уже сейчас, например,  инвалидное кресло, способное самостоятельно избегать столкновений с людьми и предметами, а также выбирать кратчайший маршрут в знакомом помещении; пылесосы, самостоятельно передвигающиеся по комнатам, запоминающие их расположение, а также расположение мебели и наиболее часто загрязняемых мест. 

Во многих лабораториях интенсивно ведется разработка человекоподобных роботов, имитирующих движения человека,  способных подражать жестам «собеседника», общаться с ним и выполнять некоторые простые команды («встань» или «сядь»). Пока это только забавные игрушки, но и они в перспективе могут иметь практическое применение, например, как партнеры в играх для детей, страдающих аутизмом.

 

А.И. Развивается ли это направление (связанное с математическим моделированием, аниматами) в России? Если нет, то с чем, на Ваш взгляд, это связано?

В.Н. Да развивается: по крайней мере, в нескольких институтах и ВУЗах математики, программисты и инженеры работают над созданием систем искусственного интеллекта (ИИ), виртуальных и физических роботов, в управлении которыми используются принципы, заимствованные из этологии и нейрофизиологии. Однако это направление ИИ, основанное на достижениях биологии, развито у нас очень слабо по сравнению с другими странами. В большинстве развитых стран практически в каждом университете есть лаборатории, работающие в данном направлении. В этих лабораториях математики, инженеры и биологи работают вместе. Многие выдающиеся исследователи поведения животных так или иначе, принимают участие в проектах по разработке аниматов. Например, профессор Мак-Фарленд, хорошо известный у нас как автор учебника «Поведение животных»[iii], возглавил несколько таких проектов. Более того, университеты уже с начала 90-х годов выпускают специалистов в области, часто называемой «Biologically inspired robotics». Это профессионалы, разбирающиеся не только в вычислительной математике и программировании, но и в науках о поведении. Наконец, на государственном уровне существует понимание того, что разработка автономных роботов, не нуждающихся в управлении со стороны человека, может стать в недалеком будущем одним из факторов, определяющих экономическое развитие государства. Поэтому соответствующие исследования хорошо финансируются.

Главная причина нашего отставания – это, как нетрудно догадаться, недостаточное финансирование, но есть и другие причины. У нас академические исследования организованы в соответствии  с традиционным делением на точные и прочие науки, а междисциплинарное сотрудничество между представителями технических дисциплин и биологами не очень развито. Кроме того, отечественные этологи часто просто не осведомлены о результатах, полученных в области искусственного интеллекта, а представления многих  «технарей» об этологии ограничены сведениями о безусловных рефлексах  из школьного учебника. Все это может привести к тому, что наша страна снова окажется аутсайдером, как это произошло во время массовой компьютеризации  80-х годов.

 

А.И. Евгений Панов в своем интервью говорит о том, что перспектив у этологии нет. А как считаете Вы?

В.Н. В науке всегда происходит прорыв, когда появляется ясная, четко сформулированная практическая задача – например, создание аниматов. Это не означает, что каждый этолог должен приступить к программированию роботов. Представьте, что к Вам обратился инженер, который хочет создать робота, способного передвигаться и измерять температуру на морском дне. При этом он не должен врезаться в скалу, застрять в иле, запутаться в водорослях или  свалиться в яму. Кроме того, робот должен «соображать», когда следует прервать измерения и вернуться на базу, чтобы успеть зарядить аккумуляторы. Вникая в подобные задачи, Вы с инженером сформулируете множество вопросов, на которые этология не имеет ответа просто потому, что раньше их никто не задавал. А когда возникают вопросы, есть и перспектива для этологии.  

 



[i] Теория, выдвинутая независимо друг от друга в 80-90 гг. американским философом и психологом У.Джеймсом и немецким психологом Г.Ланге. Согласно их теории, возникновение эмоций обусловлено вызываемыми внешними воздействиями, изменениями как в произвольной двигательной сфере, так и в сфере произвольных актов сердечной, сосудистой, секркторной деятельности. Совокупность ощущений, связанных с этими изменениями, и есть эмоциональное переживание (Психология. Словарь / Под общ. Ред. А.В. Петровского, М.Г. Ярошевского. – М., 1990. – С. 103).

[ii] Келли Джордж Александер (1905-1966) – американский психолог. Автор концепции «личностных конструктов», а также принципа «репертуарных решеток», с помощью которого были созданы методики диагностики особенностей индивидуального конструирования реальности. Человек у Келли – исследователь, постоянно строящий свой образ реальности посредством индивидуальной системы категориальных шкал и выдвигающий, исходя из этого образа, гипотезы о будущих событиях (Психология. Словарь / Под общ. Ред. А.В. Петровского, М.Г. Ярошевского. – М., 1990. – С. 161).

[iii] Мак-Фарленд Д. Поведение животных: Психобиология, этология и эволюция. – М., 1988



2004:10:09