Номера

• 2007 апрель №2

ВОЕННО-ИНЖЕНЕРНАЯ МЫСЛЬ

Железный Дровосек, или боевые роботы: вчера, сегодня, завтра

ЛЫСЕНКО С.А.

“Железный Дровосек из страны Оз сидел на сверкающем железном троне в роскошном железном тронном зале своего сверкающего железного замка в Стране Мигунов. Рядом с ним на плетеном соломенном стуле сидел его давний друг Страшила.”

Слово «робот» (от чешского - работа, тяжелый труд) впервые появилось в пьесе чешского писателя Кареля Чапека R.U.R («Россумские универсальные роботы»), премьера которой состоялась в Праге в 1921 году.

Собственно термин «Robotics» впервые появился в рассказе Айзека Азимова «Хоровод» («Runaround»), написанном в октябре 1941 года.

Вместе с тем, более известен его научно-фантастический роман “I Robot”(1950 г.), в котором он сформулировал знаменитые три закона роботехники:

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.
2. Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому Закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, поскольку это не противоречит Первому и Второму законам.

Однако люди придумали роботов военного назначения. Следствие - «Восстание машин» приведет человечество к тому, что Терминатор будет «сидеть на сверкающем железном троне в роскошном железном тронном зале своего сверкающего железного замка…».

Посмотрим, что удалось людям сделать на славном пути созидания своих железных клонов.

Часть 1. Это было вчера

Середина III тыс. до н. э.

Египтяне изобретают идею думающих машин: внутри статуй прячутся жрецы, чтобы давать предсказания и советы.

III век до н. э.

Архимед разрабатывает математические основы механики.

Римский поэт Клавдий упоминает об автомате, изготовленном Архимедом. Он имел форму стеклянного шара с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных в то время небесных светил. Шар приводился в движение водой.

II век до н. э.

В Китае разрабатываются сложнейшие автоматы, включая целые механические оркестры.

I век до н. э.

В книге “Пневматика” Герон Александрийский описывает несколько десятков автоматических механизмов. В “Театре автоматов” описано даже устройство целого театра, представление в котором разыгрывали фигурки-куклы, приводимые в движение с помощью системы зубчатых колес, блоков и рычагов. Наибольшую известность получил автомат для продажи “святой” воды, созданный Героном по заказу египетских жрецов.

1206

Механик араб ал-Джазари в “Книге о познании хитроумных механических приспособлений” объясняет принципы устройства разных автоматов.

XIII век

Альберт Великий создает автомат, ставший впоследствии известным как “говорящая голова”, способный воспроизводить человеческий голос. Алхимик Раймон Луллий изобретает машину для обнаружения нематематических истин через комбинации. Роджер Бэкон в Англии предсказывает появление “самодвижущихся повозок”, летательных аппаратов, подводных лодок.

1495

Леонардо да Винчи разрабатывает детальный проект механического человека, способного двигать руками и поворачивать голову. Механизм выглядит как бронированный рыцарь.

1525

Ганс Бульман (Hans Bullmann) в Нюрнберге строит первого реального андроида. Считают, что было создано несколько полностью завершенных механизмов, в том числе андроиды, играющие на музыкальных инструментах.

1533

Иоганн Мюллер (Johann Muller), прозванный Региомонтанусом (Regiomontanus), в Нюрнберге создает железную муху и искусственного орла, оба из которых могли подниматься в воздух. Предполагается, что механизмы имели паровую тягу.

1540

Джианелло Ториано (Gianello Toriano) из Кремоны конструирует андроида в виде женщины, играющей на лютне.

1543

Джон Ди (John Dee) в Англии создает деревянного жука, способного летать.

1564

Амбруаз Паре (Ambroise Pare), издает “Dix livres de chirurgie”, в которой описывает проект механической руки. Рука во всем схожа с человеческой и имеет механические “мускулы”.

1642

Во Франции Блез Паскаль (Blaise Pascal) описывает механическую машину для суммирования и вычитания чисел.

1725

В замке Хейлбрунн (Heilbrunn) в Германии создан механический театр. Представление из жизни деревни разыгрывается с помощью 119 персонажей под аккомпанемент органа. Бэзил Боушон (Basile Bouchon) придумывает перфорированную бумажную ленту для записи программы. Лионский ткач склеивает ленту в петлю и использует свое изобретение для программирования ткацких станков.

1801

Жозеф Мари Жаккард (Joseph-Marie Jacquard) создает автоматический ткацкий станок, управляемый при посредстве перфокарт. Наличие или отсутствие отверстий в перфокарте заставляло нить подниматься или опускаться при ходе челнока, создавая тем самым запрограммированный рисунок. Станок Жаккарда был первым массовым промышленным устройством, автоматически работающим по заданной программе.

1810

Фридрих Кауфман (Friedrich Kaufmann) конструирует механического трубача. В трубаче используется шаговый программный барабан.

1833

Чарльз Бэббидж разрабатывает принципы “Аналитической машины” (“Analytical Engine”) - механического прототипа появившихся спустя столетие ЭВМ.

В проекте Бэббиджа были предусмотрены все основные компоненты, имеющиеся в современном компьютере: устройство для хранения цифровой информации (память); устройство, выполняющее операции над числами (арифметическое устройство); устройство для управления обработкой (устройство управления); устройства ввода с перфокарт, с которых считывались программа и данные, подлежащие обработке.

Машина Бэббиджа была задумана как чисто механическое устройство с возможным приводом от парового двигателя, но содержала ряд фундаментальных идей. В число операций, помимо четырех арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Присутствовал также и прообраз микропрограммирования - значение инструкций задавалось с помощью позиционирования металлических штырей в цилиндре с отверстиями, который назывался “контрольный цилиндр”.

Августа Ада Лавлейс, единственная дочь великого английского поэта Джорджа Гордона Байрона, публикует свои комментарии к статье Луи Фредерико Менабреа “Очерк аналитической машины, изобретенной Ч.Бэббиджем”.

Составленные 28-летней графиней примечания к статье итальянского инженера навсегда вписали её имя в историю науки. По существу, Ада Лавлейс заложила научные основы программирования на вычислительных машинах за столетие до того, как стала развиваться эта научная дисциплина. Ряд высказанных Лавлейс общих положений (принцип экономии рабочих ячеек, связь рекуррентных формул с циклическими процессами вычислений и др.) сохранил свое принципиальное значение и для современного программирования, а её определение “цикла” почти дословно совпадает с приводящимся в современных учебниках программирования.

В честь Ады Лавлейс в Америке названы два города - в штатах Алабама и Оклахома. В Оклахоме существует и колледж её имени. В память о ней назван разработанный в 1980 году крупнейшими специалистами по программированию язык АДА - один из наиболее мощных и универсальных алгоритмических языков.

1847

Ирландский математик Джордж Буль (George Boole) в книге “The Mathematical Analysis of Logic” закладывает основы математической логики - Булеву алгебру, ставшую основой для разработки цифровых электронных компьютеров.

1865

Джонни Брейнерд (Johnny Brainerd), одарённый конструктор, строит Парового Человека (Steam Man). Механизм Брейнерда был приблизительно трёхметрового роста, ни одна лошадь не могла сравниться с ним: гигант с лёгкостью тянул фургон с пятью пассажирами. Там, где обычные люди носят шляпу, у Парового Человека была труба дымохода, откуда валил густой чёрный дым. Паровой Человек мог двигаться со скоростью до 30 миль в час (около 50 км/час).

1874

На заводе “Русский дизель” начинают изготавливать арифмометр, изобретенный В.Т. Однером. Его модификация “Феликс” выпускалась в СССР до 70-х годов.

1878

На Всемирной выставке в Париже представлена стопоходящая машина академика Пафнутия Львовича Чебышева. Механизм Чебышева явился первой попыткой создания транспортного средства шагающего типа и положил начало конструированию шагающих устройств на основе траекторного синтеза.

1879

Готлоб Фреге (Gotlob Frege), немецкий математик и философ, предлагает письменную систему для механического рассуждения, тем самым делая попытку свести математику к логике. Фреге становится одним из основателей современного символического языка, а его работа - предшественником к исчислению предикатов, которое будет использоваться для представления знаний в искусственном интеллекте.

1890

Герман Холлерит (Herman Hollerith) объединяет идеи Жаккарда и Бэббиджа в патенте на Электромеханическую информационную машину (census machine), использующую перфокарты. Так впервые электричество используется в большом проекте по обработке данных.

1898

Никола Тесла (Nicola Tesla) демонстрирует первый дистанционно управляемый механизм на выставке в Madison Square Garden в Нью-Йорке.

Датчанин Вальдемар Поульсен (Valdemar Poulsen) демонстрирует “телеграфон” - медный цилиндр, обмотанный тонкой стальной проволокой, на которой могут записываться данные. Изобретение станет основой создания магнитной ленты и магнитных дисков.

24 июня 1898 года механический солдат Boilerplate Арчи Кемпиона впервые участвует в бою, во время атаки обратив противника в бегство.

1900

Луи Филип Перью (Louis Philip Perew) в Америке создает Автоматического Человека (Automatic Man). “Этот гигант из дерева, каучука и металлов, который ходит, бегает, прыгает, разговаривает и закатывает глаза — практически во всём в точности подражает человеку”. Автоматический Человек был ростом 7 футов 5 дюймов (2,25 метра), одет был в белый костюм, носил гигантскую обувь и соответствующую шляпу.

1907

Л. Торес (L. Torres) разрабатывает один из первых формальных языков.

1913

Чарльз Маколи (Charles P. R. Macaulay) конструирует логическую машину для решения логических проблем.

1918

Михаил Александрович Бонч-Бруевич изобретает ламповый триггер. Триггер способен хранить одну двоичную цифру. Это изобретение закладывает фундамент электронных цифровых компьютеров.

Французы Абрахам (J. Abraham) и Блох (E. Bloch) изобретают электрическую счетную машину, которая работает с двоичными числами.

1925

Ванневар Буш (Vannevar Bush) и его коллеги разрабатывают первую аналоговую ЭВМ Differential Analyzer, машина разработана, чтобы решать дифференциальные уравнения. Построенная в 1930, она будет использоваться для артиллерийских вычислений в течение Второй Мировой Войны.

1928

Джон фон Нейман (John von Neumann) представляет теорему минимакса, которая будет широко использоваться в играющих программах.

Английский инженер Ричардсон создает электрического человека Эрика, внешне похожего на закованного в доспехи средневекового рыцаря. Эрик управляется на расстоянии. Выполняя команды, встает, садится, отвечает на простые вопросы; при ответе у него светятся глаза, а во рту загораются зеленые лампочки.

1936

Алан Тьюринг (Alan Turing), английский программист-теоретик, основываясь на работах Бертрана Рассела (Bertrand Russell) и Чарльза Бэббиджа (Charles Babbage), представляет теоретическую модель компьютера, названную впоследствии Машиной Тьюринга (Turing Machine).

По идее Тьюринга с помощью такой машины можно реализовать любой алгоритм, а то, что нельзя на ней реализовать, алгоритмом не является. Машина Тьюринга - это лента, на которой записаны некоторые символы. По ней “бегает” каретка, которая читает текущий символ, и в соответствии с текущим символом и текущим состоянием может переходить к следующему или предыдущему символу либо оставаться на месте и менять состояние, а также менять текущий символ на ленте.

Эта фундаментальная работа в компьютерной логике проложила путь к созданию современных компьютеров.

1937

Тезис Чёрча-Тьюринга, независимо разработанный Алонсо Чёрчем (Alonzo Church) и Аланом Тьюрингом, устанавливает, что все задачи, решаемые человеком, приводимы к конечному множеству алгоритмов, или, более просто, что машинное распознавание и человеческое распознавание - по существу эквивалент.

1939

На всемирной выставке в Нью-Йорке Westinghouse Electric Corp., чтобы поразить посетителей, представляет механического гуманоидного робота Elektro и робота-собаку Sparko. Elektro весит 136 кг. и может ходить, разговаривать и... курить.

1940

Созданный на электромеханических реле Робинзон (Robinson) становится первым в мире операционным компьютером. Его мощности достаточно, чтобы декодировать сообщения, зашифрованные немецкой машиной Энигма (Enigma) первого поколения.

1943

Британское компьютерное военное «усилие» рождает Colossus. В новом компьютере, созданном под руководством Алана Тьюринга, используются электронные лампы, что позволяет ему работать от 100 до 1000 раз быстрее, чем релейный Robinson. Colossus позволяет расшифровывать все более и более комплексные немецкие коды.

Уоррен Маккуллох (Warren McCulloch) и Уолтер Питц (Walter Pitts) пишут свою фундаментальную работу “Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity”, в которой рассматриваются основы применения нейронных сетей.

Артуро Розенблат (Arturo Rosenblueth), Норберт Винер (Norbert Wiener) и Джулиан Биглоу (Julian Bigelow) вводят в обращение термин “кибернетика” (cybernetics).

1945

Конрад Цузе (Konrad Zuse) разрабатывает Plankalkul - первый алгоритмический язык программирования высокого уровня.

Джон фон Нейман (John Von Newmann) пишет фундаментальную статью “First Draft of a Report on the EDVAC”, в которой формулирует основные принципы работы современных компьютеров.

1949

Клод Шеннон (Claude Shannon) публикует “A Mathematical Theory of Communication”, закладывая современную теорию информации.

Алан Тьюринг посылает в лондонскую “Times” свое знаменитое письмо об искусственном интеллекте.

Джордж Оруэл (George Orwell) издает “1984”, роман, в котором компьютеры используются для угнетения населения. “Большой Брат наблюдает за тобой...” - фраза, вселившая во многих людей жуткое ощущение, что информация, накопленная компьютерными системами, никогда не будет использована в их интересах.

1950

Алан Тьюринг в своей работе “Computing Machinery and Intelligence” описывает способ определения, является ли машина мыслящей, ставший известным как “критерий Тьюринга” (“Turing Test”). Критерий Тьюринга закладывает основу ежегодных соревнований между творцами думающих программ.

1956

Клод Шеннон в Массачусетском технологическом институте (MIT) выдвигает идею создания очувствленного робота. Аспирант института Генрих Эрнст (Heinrich Ernst) реализует эту идею и конструирует очувствленную руку-манипулятор, управляемую компьютером. Рука Эрнста собирала разбросанные по поверхности стола кубики и укладывала их в ящик.

Джон Маккарти (John McCarthy), Марвин Мински (Marvin Minsky), Нат Рочестер (Nat Rochester) и Клод Шеннон (Claude Shannon) организуют историческую конференцию в Dartmouth колледже. Один из результатов работы конференции - термин “искусственный интеллект” (artificial intelligence - AI).

Невелл, Шау и Саймон (Carnegie Mellon University) создают Логического Теоретика (Logic Theorist), который использует рекурсивные методы исследования, чтобы решать математические задачи. Логического теоретика называют первой “экспертной системой” с элементами AI.

1957

С космодрома Байконур осуществлен пуск ракеты-носителя 8К71ПС, который вывел на околоземную орбиту Первый в мире искусственный спутник Земли.

Запуск первого искусственного спутника показал отставание США и послужил причиной подписания президентом США Дуайтом Эйзенхауэром документа о создании в рамках министерства обороны Агентства по перспективным научным проектам и исследованиям – DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency). Агентство, в частности, занялось исследованиями в области обеспечения безопасности связи и коммуникаций в ходе обмена ядерными ударами. Эти исследования приведут к созданию всемирной глобальной сети Internet.

Невелл, Шау и Саймон демонстрируют Универсальный решатель задач (General Problem Solver).

Ном Комски (Noam Chomsky) публикует Синтаксические Структуры (Syntactic Structures), которые создадут ему славу отца современной лингвистики. Эта работа серьезно рассматривает компьютерную обработку, требуемую для понимания естественного языка.

1958

Книга А. П. Ершова “Программирующая программа для электронной вычислительной машины БЭСМ” - первая работа по автоматизации программирования. Монография издается на многих языках мира. Блестящие идеи академика Ершова закладывают основу для развития в России параллельного программирования и искусственного интеллекта. В США подобная система появится только в 1979.

1963

Марвин Мински публикует “Шаги к искусственному интеллекту” (Steps Toward Artificial Intelligence).

1966

Советская автоматическая станция “Луна-9” первой в мире совершила мягкую посадку на поверхности Луны. Через несколько минут после прилунения в Океане Бурь автоматическая система станции начала первый в истории человечества сеанс “радиопередачи с поверхности Луны”.

Автоматическая станция “Венера-3” впервые достигла поверхности Венеры, доставив вымпел СССР. Это был первый в мире перелет автоматического аппарата с Земли на другую планету.

В СССР создан революционный представитель ЭВМ второго поколения – БЭСМ-6, предвосхитивший архитектуру машин третьего поколения. В БЭСМ-6 впервые в мире появляется прообраз современной кэш-памяти. Под руководством В. М. Глушкова завершена разработка проекта большой ЭВМ “Украина” с архитектурой, отличной от принципов Дж. фон Неймана и наметившей многие идеи американских больших ЭВМ 70-х годов.

1969

Марвин Мински и Сеймур Паперт публикуют “Perceptrons”. Книга демонстрирует пределы простых однослойных нейросетей.

Одо Студжер (Odo Stuger) и Ричард Морли (Richard Morley) независимо разрабатывают Программируемый Логический Контроллер (Programmable Logic Controller - PLC). Это изобретение производит поистине драматические изменения в робототехнике.

Виктор Шейнман (Victor Scheinman) в Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта (SAIL) создает манипулятор, получивший имя Стэнфордская рука (Stanford Arm). Кинематическая конфигурация этого манипулятора становится стандартом, известным как Стандартная Рука (Standard Arm).

Стэнфордский (SRI) интегральный робот Шейки (Shakey) представлен как первый мобильный робот, управляемый искусственным интеллектом. Шейки обеспечивал выполнение задания, даже если оно было сформулировано в самом общем виде. Робот мог действовать в помещениях, где находилось несколько недеформируемых предметов простой формы. Система технического зрения позволяла ориентироваться в окружающей среде, избегать препятствий и принимать решения о дальнейшем маршруте.

Шейки использовал бортовую ЭВМ SDS-940, телекамеру, лазерный дальномер и датчики столкновения на бампере, чтобы собрать данные, которые затем передавались по радиоканалу на стационарные ЭВМ PDP-10 и PDP-15 производства DEC. Обратные команды передавались также по радиоканалу, что позволяло Шейки перемещаться со скоростью 2 метра в час.

Хотя уже через два года финансирование проекта было прекращено, Стэнфордский мобильный робот стал одной из выдающихся вех в истории робототехники.

В СССР созданы первые интегральные исследовательские роботы ЛПИ-1, а чуть позднее - ЛПИ-2.

1977

Под руководством В.С. Бурцева создан первый симметричный многопроцессорный вычислительный комплекс (МВК) “Эльбрус-1” на ИС средней интеграции со средствами аппаратной поддержки развитой структуризации программ и данных. СССР начинает уверенно лидировать в строительстве суперкомпьютеров.

Джордж Лукас (George Lucas) выпускает “Звездные Войны” (Star Wars), в которых впервые появляются харизматичные роботы R2-D2 и C-3PO, вдохновляя новое поколение роботостроителей.

В СССР создан интегральный робот “Кентавр” для межпланетных исследований. Робот построен по колесной формуле - 6х6 и управляется вычислительным комплексом М-6000. Информация о внешней среде поступает от лазерного сканирующего измерителя расстояний и тактильной системы, построенной на микровыключателях и упругих чувствительных элементах. Навигационная система состоит из гироскопа и системы счисления пути с одометром.

1983

По заказу КГБ в МВТУ им. Баумана (кафедра СМ-7) создан мобильный робот, работающий со взрывоопасными предметами в составе подразделений по борьбе с терроризмом. Дальнейшим развитием данного направления стала разработка робототехнического комплекса МРК20 для работы с неразорвавшимися боеприпасами по заказу НИИ “Геодезия”.

1984

Начинается серийный выпуск ЕС-2701 - советской многопроцессорной супер ЭВМ c макроконвейерной организацией вычислений. Архитектура макроконвейерных ЭВМ (ЕС-2701, ЕС-1766) опередила мировой уровень вычислительной техники и определила многие идеи организации многопроцессорных ЭВМ с распределенной памятью. В построенном макроконвейере удалось добиться почти линейного роста производительности при наращивании вычислительных ресурсов (до 256 процессоров).

Компьютерная программа RACTER Уильяма Чемберлена (William Chamberlain) становится автором первой книги, написанной не человеком.

1985

Марвин Мински издает знаменитую “The Society of Mind”, в которой высказывает мнение, что мышление может быть результатом взаимодействия очень большого количества простых механизмов (“взаимодействующих агентов”), каждый из которых отдельно невежествен.

В лабораториях IBM рождается проект Deep Thought. Имя взято из популярной трилогии Дагласа Адамса “Путеводитель по Галактике для путешествующих автостопом”. Переименованная впоследствии в Deep Blue, система победит чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова.

1991

Совместно Академией бронетанковых войск МО, МВТУ им. Баумана, Государственным институтом физико-технических проблем и другими организациями разработан, изготовлен и испытан автономный интеллектуальный робототехнический комплекс на базе танка. Комплекс оснащен интегрированной информационно-управляющей системой, бортовой встроенной системой искусственного интеллекта и системой дистанционного управления. Исполнительные устройства управляют движением и системой управления оружием. На роботе-танке исследованы возможности повышения эффективности бронетанковой техники путем перераспределения решаемых задач между человеком и машиной.

2001

БПЛА (беспилотный летательный аппарат, иначе “дрон”) Global Hawk, разработанный компанией Northrop Grumman, стал первым автоматическим летательным аппаратом, пересекшим Тихий океан. Полёт продолжался 22 часа, в течение которых Global Hawk преодолел 13,000 км, разделяющие Калифорнию и Австралию. Все действия самолёт выполнил без вмешательства человека.

2005

В Корнелльском университете (Cornell University) под руководством Хода Липсона (Hod Lipson) создан модульный робот, который может собирать копии себя самого из выданных ему запчастей-модулей. Каждый модуль оснащен кодом, несущим “гены” (проект расположения модулей всего робота), и может общаться с соседями, а также “склеиваться” с ними посредством магнитов. Каждый куб-модуль делится надвое по длинной диагонали, что позволяет роботу, образованному множеством кубов, сгибаться, изменять конфигурацию и манипулировать другими кубами. Так как робот не может создать другого робота той же высоты, то строящийся робот помогает собирать самого себя. “Потомство” тут же может начать делать свои копии, и так далее.

Гусеничные автономные роботы GRUNT канадской фирмы Frontline Robotics представлены на конференции RoboBusiness. Роботы способны к командным действиям, координирующим свои усилия и помогающим друг другу в выполнении поставленной задачи. Две машины, одновременно оказавшиеся у узкого дверного проёма, могут разобраться, кому из них идти первым (извечная тупиковая проблема буриданова осла). Программное обеспечение канадцев позволяет роботам выбрать лидера, который и принимает решение. Если лидер “сломается”, команда выберет другого.

2006

В Корнеллском университете в Итаке (штат Нью-Йорк) создан робот, передвигающийся на 4 конечностях и способный самостоятельно оценивать причиненные ему повреждения и определять, как приспособиться для продолжения выполнения задания.

Робот оснащен датчиками, которые дают ему информацию о пространственной ориентации и позволяют создавать компьютерную модель собственной конфигурации и движения. Эта особенность позволяет менять программу, если происходит нечто непредвиденное.

Итак, человек создал Железного Дровосека, способного обыграть его самого в шахматы, писать книги, сочинять музыку без человека, управлять коллективом себе подобных роботов, выбрать из себе подобных лидера, воспроизводить себя самого, приспосабливаться к повреждениям, самостоятельно передвигаться по незнакомой местности, самообучаться.

Ждем Терминатора?

(Окончание следует)