Чтение онлайн

В воскресном выпуске The New York Times от 23 января 1949 г. была опубликована рецензия на книгу «Кибернетика» Норберта Винера под названием «Вещи, о которых мечтают» (The Stuff That Dreams Are Made On) [1192] . Автор статьи, Джон Пфейффер, рассказал читателям о смелых предсказаниях Норберта Винера, а именно о думающих машинах будущего. Автор рецензии был весьма осторожен в своих оценках. Даже сегодня, изучая этот текст с позиции послезнания, в нём трудно найти суждение, к которому можно было бы легко придраться. У Пфейффера было всего 3/5 газетной полосы, чтобы рассказать читателям о ключевых идеях Винера, и среди прочего он посвятил абзац упомянутым в книге Винера исследованиям Мак-Каллока и Питтса. В качестве одного из основных выводов этих исследований Пфейффер указал тот факт, что между нейронами человеческого мозга и радиолампами существует некоторое сходство.

Вечером того же дня свет увидел очередной выпуск еженедельника Time, сообщивший читателям сенсационную новость: будущее уже наступило и первая в мире «думающая машина» уже построена! Причём не в MIT или Bell Labs, а в психиатрической больнице Барнвуд-хаус, расположенной в английской деревеньке неподалёку от Глостера, в которой майор медицинской службы Росс Эшби руководил исследованиями человеческой психики. Именно в этой провинциальной больнице Эшби и создал свой гомеостат. В интервью Time Эшби уверенно заявил, что его машина была «наиболее близка к искусственному мозгу, чем всё когда-либо созданное человеком» [1193] .

Машина стала плодом пятнадцатилетних размышлений Эшби. Ещё два года потребовалось на её постройку, которая обошлась в 50 фунтов стерлингов. Гомеостат, первая версия которого была завершена в мае 1947 г., состоял из четырёх блоков, каждый из которых имел четыре «входных» контакта и один «выходной». Блоки объединялись в электрическую цепь таким образом, что напряжение на выходе каждого из них подавалось на вход и трёх других блоков, и его самого. Каждый из четырёх входов блока был оснащён переключателем полярности и реостатом, что позволяло регулировать сопротивление на входе, а также менять полярность входного напряжения (фактически это означало, что у каждого блока было восемь настраиваемых параметров: четыре соответствовали положениям переключателей полярности, а ещё четыре — задаваемой величине сопротивления каждого из реостатов). После соответствующих трансформаций соответствующие каждому из входов провода переходили в установленную вертикально четверную обмотку электромагнита. Поверх обмотки располагалась установленная на игольчатой оси проволочная петля, на одном конце которой находился постоянный магнит, который, благодаря изгибу петли, оказывался внутри обмотки. Ввиду этого сама проволочная петля вела себя подобно стрелке компаса — угол её поворота менялся в зависимости от суммы токов, проходящих через обмотку. Если суммарное напряжение имело отрицательную полярность, то петля поворачивалась на своей оси в одну сторону (тем быстрее, чем больше была абсолютная величина напряжения), если же положительную — то в другую. На втором конце петли была закреплена пластинка, которая опускалась в полукруглый лоток, заполненный водой. К противоположным краям лотка были подведены источники напряжения таким образом, что напряжение на одном его краю составляло –2 вольта, а на другом — –15 вольт. В зависимости от угла поворота проволочной петли и, соответственно, от позиции пластинки в лотке на ней возникало напряжение, равное одному из промежуточных значений между напряжениями на краях лотка. Это напряжение передавалось затем на управляющую сетку триода, а усиленный триодом сигнал поступал на выход блока. В цепь триода был добавлен резистор, сопротивление которого подобрано таким образом, чтобы при нахождении пластинки в центре ванны напряжение на выходе блока было нулевым.

Таким образом, при нахождении всех пластин в центре соответствующих лотков вся система находилась в состоянии покоя. Однако стоило внести в неё некоторое возмущение (например, механически сместить одну из пластин, изменить какой-либо из параметров системы, воспользовавшись переключателем полярности или реостатом на одном из входов какого-либо блока, либо вообще разрезать один или несколько проводов), как система выходила из состояния равновесия. Напряжение на выходе блока, в который было внесено «возмущение», становилось отличным от нуля, это ненулевое напряжение попадало на вход других блоков — и вся система начинала «жить своей жизнью».

И тут в дело вступала главная изюминка гомеостата. Как только выходное напряжение блока выходило за пределы диапазона, соответствующего отклонению проволочной петли от центрального положения более чем на 45°, срабатывал шаговый искатель (электромеханический аппарат, предназначенный для переключения пути следования тока в электрической цепи при поступлении управляющего электрического импульса), который добавлял в цепь на входе блока случайные сопротивления и случайно выбранные перемены полярности (вдобавок к установленным вручную). Наборы этих параметров, «зашитых» в шаговый искатель, были составлены на основе таблицы случайных чисел. Каждый шаговый искатель имел 25 возможных позиций, что давало в сумме 254 = 390 625 наборов параметров. Таким образом, выведенный из равновесия гомеостат начинал перебирать различные варианты параметров, пока не находил такой их набор, который позволял ему вернуться в состояние динамического равновесия (что, разумеется, гарантировалось не всегда, но в большинстве случаев происходило). Это свойство гомеостата Эшби назвал ультрастабильностью (или ультраустойчивостью) [ultrastability] [1194] , [1195] , [1196] , [1197] , [1198] , [1199] , [1200] , [1201] .

Хотя гомеостат и не умел распознавать котиков на картинках и даже искать путь в лабиринте, он был простой самообучающейся системой, причём обладающей довольно интересными свойствами. Во-первых, на примере гомеостата Эшби показал, что процесс поиска решения вполне может быть распределённым. В гомеостате нет какого-то главного управляющего элемента, его блоки идентичны и равнозначны. И тем не менее он в состоянии демонстрировать «ультрастабильное» поведение. Во-вторых, для каждого блока остальные блоки, в сущности, являются элементами внешней среды, поэтому гомеостат, по сути, одинаково реагирует на внешние и внутренние возмущения: неважно, является ли причиной выхода из равновесия самопроизвольная поломка или воздействие среды. Элементы системы вовсе не обязаны содержать сведения об устройстве системы, чтобы система демонстрировала «ультрастабильное» поведение. Жизненно важным свойством является лишь наличие отрицательной обратной связи. Это были довольно интересные и не совсем очевидные результаты опытов с гомеостатом.

Можно ли было приспособить гомеостат для решения более привычных нам задач машинного обучения, таких, например, как задачи классификации? В принципе, да, но сделать это можно лишь довольно контринтуитивным способом. Например, «предъявлять» гомеостату различные прецеденты: факторы (допустим, что их три) в виде входных напряжений на три блока и метку класса в виде входного напряжения на четвёртый. Многократно пропустив таким образом обучающую выборку через гомеостат, можно дождаться, когда он придёт в состояние динамического равновесия (т. е. «научится» подбирать правильный ответ). Затем же, если предъявить ему лишь факторы (в виде напряжений на три блока), можно замерить степень отклонения от равновесия в четвёртом блоке (соответствующем метке класса). Эта величина, взятая с противоположным знаком, и будет ответом на задачу классификации. Конечно, гомеостат из четырёх блоков не годился для решения сколь-нибудь серьёзных задач, но сам Эшби видел в гомеостате прототип полноценного электронного мозга. Учёный не преминул поделиться своими провидческими соображениями с журналистами. Несложно догадаться, что произошло в результате.

Публикация в Time была не первым сенсационным сообщением о создании рукотворного мозга. Заголовок статьи в газете Daily Herald от 13 декабря 1948 г. прямо, без обиняков сообщал читателям: «Щёлкающий мозг умнее человеческого!» [The Clicking Brain Is Cleverer Than Man’s] [1202] . Щелчки от переключения шаговых искателей гомеостата произвели на журналиста неизгладимое впечатление. «Щелчки — это „мысли“ <…>, — написал он. — Машина всё время думает о своей задаче и поправляет себя».

По мнению журналиста, машина была «всегда права» [always right] и «эгоистична» [it’s selfish]. Не обошлось и без предсказания техноапокалипсиса: «Однажды она [машина] может решить, что человеческий обслуживающий персонал ей больше не нужен». Довершал мрачную картину заголовок следующей статьи, размещённой чуть ниже: «Проблемы, ещё больше проблем» [Trouble, More Trouble]. Вообще, вся полоса Daily Herald производила впечатление, что наш мир уже получил фатальную пробоину и скоро пойдёт на дно подобно «Титанику».

В научной среде появление гомеостата было воспринято более спокойно. Весной 1952 г. Эшби пригласили на очередную конференцию Мейси, где предложили выступить с докладом о полученных научных результатах. Среди слушателей были помимо прочих Уоррен Мак-Каллок, Уолтер Питтс, Маргарет Мид, Джулиан Бигелоу, Джерри Визнер и Артуро Розенблют. Самого Винера, правда, на конференции не было. Выступление Эшби о гомеостате было включено в программу между докладом об эмоциях в контуре обратной связи и докладом об обучении осьминогов. Эшби привёз гомеостат с собой, чтобы продемонстрировать участникам конференции его возможности.

Выступление Эшби привело к серьёзной полемике, поскольку метод случайного поиска, положенный в основу системы, вызвал у многих участников вопросы. Мак-Каллок, Питтс и Бигелоу не были готовы признать, что такой неэффективный метод оптимизации можно было применять в системе, моделирующей работу мозга. Гомеостат «ощупывал» пространство параметров подобно слепому котёнку. Если бы в этом «механическом мозге» было не четыре нейрона, а гораздо больше, он вряд ли мог бы достигать стабильного состояния за разумное время [1203] , [1204] . Впрочем, на деле гомеостат был всё-таки несколько сложнее, чем машина для демонстрации метода проб и ошибок. Рекуррентный характер связей в нём, а также гидродинамические эффекты, возникающие при движении пластинок в лотках с водой, и наличие толерантности (невосприимчивости) к определённым отклонениям от точки равновесия делали его поведение не совсем очевидным. В общем, Эшби прекрасно справился с задачей создания классического «чёрного ящика», способного решать некоторый класс задач на основе отрицательной обратной связи. В будущем учёные не раз предпринимали попытки создания более сложных вариантов гомеостата. А идея использования потенциометров в качестве модели синаптической связи в нейронной сети, как мы увидим позже, оказалась весьма плодотворной и не раз была использована при создании более поздних нейросетевых систем.