Рефлексный компьютер – машина Тьюринга на искусственных мышцах
XVIII столетие было золотым веком механики. Ученые того времени верили, что все мировые явления подчиняются законам механики и жестко детерминированы. Что еще более важно, для всех проблем искали механические решения. Логично, что о вычислительной технике тогда думали как о наборешестерней, цепей, зубчатых колес и кулачков. Так получились механические счетные машины.
С наступлением эры электроники такие машины стали воспринимать только как реликт. Но, как известно, новое – это хорошо забытое старое. Два новозеландских исследователя представили обновленную версию механического счетного устройства: мускульный компьютер. Он тяжеловесен, медленно работает, мало на что способен – но, утверждают ученые, в сфере робототехники у него огромный потенциал, сообщает Ars Technica.
Исследователи вернулись к первоначальным идеям Алана Тьюринга, который задумал компьютер как головку считывания/записи, работающую на линейной ленте. Операции записи зависят от результатов операций чтения и хранимой в памяти программы. Такая машина – универсальная машина Тьюринга – в принципе, способна вычислить что угодно. Современные компьютеры – частный случай ее.
В самом простом виде универсальная машина Тьюринга считывает только три различных состояния (A, B, C), имеет только два внутренних состоянии (1 и 0), и перемещается по ленте налево или направо. Такая машина способна лишь на шесть операций. Например, если она считывает A, а ее внутреннее состояние – 1, то она перезапишет A на B, переключить внутреннее состояние и переместиться на один шаг вправо. Это очень простой компьютер, но программировать его очень сложно: даже простейшие операции (умножение, например) требует замысловатых программ и большого оперативного времени.
Зато построить такой компьютер очень легко. Исследователи изготовили его из набора эластомеров – полимеров, сжимающихся и расширяющихся при подаче напряжения. Такие искусственные мышцы были настроены на управление набором электрических реле, приводящих в движение другие «мускулы». Ленту вправо-влево передвигал набор гирь, контролируемых системой кулачковых механизмов, которую приводил в движение еще один «мускул».
И компьютер заработал. Он занимает всего 0,3 м3, а скорость вычислений составляет целых 0,15 герц. Он не оснащен записывающей лентой, позволяющей сразу производить сложные вычисления, но в принципе он может вычислить всё.
Ностальгия – это прекрасно, но должна же быть какая-то реальная ценность у такой машины? Возможно, она поможет создать более совершенных роботов. Скорость реакций у живых организмов, что любопытно, опережает скорость мысли. Например, если машина Формулы 1 теряет управление, гонщик начнет реагировать на это еще до того, как его мозг оценит ситуацию. Царство животных битком набито рефлексивными реакциями – то есть, мускулами, действующими без участия мозга.
Предложенная конструкция позволяет просто и быстро производить вычисления – и ее можно встроить в нервную систему мускулов. Но, кроме местных вычислительных систем и исполнительных устройств, понадобится еще один компонент – обратная связь. У наших мышц она работает нелинейно, это – боль. Подержите руку над огнем, и вы почувствуете жар; коснитесь его – и мышцы сократятся, отдернув руку. Чтобы робот смог пользоваться искусственной мускульной вычислительной системой, ему также понадобится система быстрой и нелинейной обратной связи.
Ученые утверждают, что их разработка – первый шаг на пути к «думающим мышцам».
Данные исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Артём Космарский nauka21vek.ru