Диалоги (июль 2003 г.) - Александр Гордон

Так, собственно, поступают и реальные инфузории – я хотел бы подчеркнуть сходство поведения модели с реальными организмами. Мало того, с помощью такой простой системы можно добиться ещё более богатого поведения, если добавить к ней разные сенсоры, разные органы чувств. Вот на следующем слайде, например, показана ориентация…

А.Ж. А можно остановиться на этом слайде на секундочку. Хочется обратить внимание на то, что эта картинка характерна не только для инфузорий, для рассматриваемых здесь объектов, а это вообще житейская картина. Когда мы обсуждали в передаче наши проблемы, возникла очень хорошая аналогия с человеком, который тоже ищет, где лучше и где глубже. Допустим, он ищет в пределах своего города, находит всё, что может, а когда решает, что всё здесь уже найдено, то он совершает какую-то миграцию.

А.Г. Скачок в пространстве.

А.Ж. Да. И там опять начинает локальный поиск. После чего может последовать опять такой длинный бросок куда-то. Очень интересно. То есть, этот алгоритм реализуется, видимо, на многих, на разных уровнях управления, для разных объектов, и мне он кажется очень интересным.

В.Н. Вот здесь я хотел бы добавить, что, конечно, этот алгоритм, это порождение гипотез действительно аналогично у разных организмов. Но это не значит, что механизм порождения гипотез всегда один и тот же. Пока что мы рассматриваем поведение очень простенького уравнения. Вся проблема-то в том, что в таком виртуальном пространстве, такую виртуальную инфузорию довольно легко имитировать. А вот когда речь идёт о животном уже с нервной системой, сложной, которое не просто двигается, но ещё манипулирует предметами, решает задачу не просто поиска в физическом пространстве, а поиска в каком-то пространстве возможностей, всё становится сложнее. Понятно, что в этих случаях работает более сложная система. Аналогией здесь, может быть, полезно руководствоваться, но сама аналогия не является моделью.

Я продолжу, чтобы закончить с этой инфузорией. Здесь показана её ориентация на источник запаха. Источник показан кружком, а инфузория двигается к нему такими вот зигзагами. Почему так происходит? Дело в том, что мы ввели в модель сенсор, который воспринимает разницу между раздражением на данный момент времени и предыдущий момент времени. Чем больше эта разница, тем больше подавляется тенденция модели к поворотам. Собственно говоря, таков же механизм ориентации у реальных инфузорий и бактерий. Что делает наша инфузория? Вместо того чтобы всё время корректировать свой путь к источнику запаха, она генерирует гипотезы, хотя это звучит как преувеличение. Вот пример: если разница между последовательными раздражениями положительна, то инфузория бросается прямо вперёд, хотя это может увести её в сторону от источника запаха.

А.Г. «Что-то пахнет, по-моему, там». И рванула, да?

В.Н. Да. И она опомнится только тогда, когда рассогласование между направлением движения и целью будет очень сильным. Затем она скорректирует своё движение, может быть, опять неточно. Но, в конце концов, она приходит к этому источнику. Расчёты показывают, что на самом деле такое поведение экономнее и быстрее, чем если бы она всё время пыталась…

А.Г. Идти по прямой к этой цели.

В.Н. Да. Она просто тратила бы время на постоянную коррекцию своего движения. Кроме того, модель также предполагала, что во время поворота, как любое физическое тело, инфузория движется медленнее, чем когда она летит прямо. Но это…

А.Ж. А вот во время такого большого броска, она уже не принимает решений, да? То есть она просто отрабатывает уже принятое решение совершить бросок.

В.Н. Да, и в этой модели, в этой динамической системе происходит это очень просто, потому что сигнал подавляет переменную, управляющую поворотом, так что инфузория не может повернуть. А когда наступает сильное рассогласование, сигнал становится отрицательным. И тогда система начинает снова работать. Она снова начинает искать. И снова выбирает какое-то направление.

Когда инфузория достигает цели, она там не останавливается, а начинает обыскивать окрестности источника запаха (на этом рисунке это, может быть, не очень сильно выражено). Результат этого поведения такой: если в пространстве есть много других источников, и некоторые издают более сильный запах, то у инфузории есть шанс найти другой, лучший источник.

Этот способ ориентации, на самом деле, существует и у реальных бактерий, они ориентируются с помощью именно таких бросков. Здесь серой полосой показан разрыв в градиенте запаха, как и бывает в реальной жизни. Но наша инфузория тоже проскакивает разрыв…

А.Ж. Разрыв – это что?

В.Н. Например, разрыв может быть в воде: турбулентность воды или какое-то течение вызывает…

А.Г. Ну, или ветер в другую сторону…

В.Н. Если в воздухе – то это ветер.

Когда наша инфузория сориентирована примерно на источник, естественно, активность динамической системы подавлена и поворот не осуществляется. Поэтому, если разрыв узкий, она его просто пролетает. Если же он широкий, инфузория переходит к блужданию. Но блуждание приводит её либо по ту сторону разрыва, которая удалена от источника, либо на ту сторону, которая к источнику ближе. В последнем случае всё хорошо…

А.Ж. То есть, если бы она решения принимала постоянно, она бы в этой полосе запуталась бы сразу…

В.Н. Она бы не знала, что там делать.

А.Г. А так, маршем её берёт.

В.Н. Либо она должна знать карту местности, которой у неё нет, либо пользоваться каким-то другим алгоритмом. А как действовать на пустом месте, собственно…

А.Ж. Разумно.

А.Г. Более чем…

В.Н. Для инфузории даже очень разумно. И, наконец, её поведение оказывается ещё богаче, если приделать ещё один сенсор, который подавляет повороты при касании с твёрдой поверхностью, с препятствием. Препятствие пропускает запах, но не пропускает инфузорию. Происходит очень интересная вещь, которая поразила даже нас – тех, кто делал эту модель: повороты происходят реже. И кончается тем, что инфузория скользит вдоль этого препятствия в ту или в другую сторону, пока его не обойдёт.

А.Г. Потому что она чувствует постоянный сигнал?

В.Н. Она чувствует сигнал, который не даёт ей уйти в другую сторону. И кроме того, поскольку она скользит по стенке, повороты происходят с небольшой вероятностью. Поэтому она, грубо говоря, не мельтешит вдоль стенки, не теряет время, чтобы ходить туда-сюда, и, в конце концов, обходит это препятствие, если оно не бесконечно длинное. Опять-таки, это поведение наблюдается у простых животных: и червей и инфузорий.

А.Ж. Не только у простых, я вам скажу. Я примерно так же тоже обхожу препятствие.

В.Н. Особенно, когда задумаешься над какой-нибудь научной проблемой, это так…

А.Ж. Или забор высокий.

В.Н. Ещё раз скажу, что, конечно, это – простая модель. Какой бы продуктивной она не казалась в качестве аналогии, она не может объяснить поведение животных, решающих более сложные задачи. Здесь нужна исследовательская работа с роботами. Получается, собственно говоря, взаимодействие между этологией – наукой о поведении, и робототехникой. Если я говорю, что я умею делать радиоприёмники, то мне могут сказать: возьми да и сделай. Если я говорю, что понимаю, как ведёт себя животное, то разумно потребовать, чтобы я запрограммировал робота. Но тут-то и выясняется, что наши теории недостаточны для этого, хотя этология существует уже 50 лет, а поведение животных изучается больше ста лет. На самом деле существующие теории поведения очень ограничены. Они не позволяют воспроизвести адаптивное поведение животных в роботе, и отсюда сразу видно, что наши знания ограничены. Это приходится признать.

Получается, что работа с роботами оказывается, с точки зрения биолога, новым инструментом исследований, который позволяет проверять наши знания.

А.Г. Это, в общем, довольно идеальный инструмент. Это в каком-то смысле лучше, чем знаменитая дрозофила. Потому что здесь можно плодить популяции, если говорить об эволюции этих искусственных объектов, как у нас шла речь в одной из программ. То есть у исследователя время не ограничено…

А что же с аниматами? Я просто хочу напомнить, что здесь, у нас, время программы ограничено, как время поиска у ручейника.

А.Ж. Я бы хотел здесь поговорить, дополнить рассказ Валентина Анатольевича о том, что интересен вопрос: а как же вырабатывается эта стратегия поведения у организма? Это то, о чём думали мы. И здесь, мне кажется, что многие ответы можно найти вот каким путём. Если встать на место нервной системы организма и оказаться в тех условиях, в которых находится она, то из этих условий просто логически вынужденно будет следовать и структура, и функция, и алгоритмы, по которым должна работать эта система. Я и хочу рассказать о результатах попытки такого вывода, это то, чем мы занимаемся. Покажите, пожалуйста, первый слайд.