Искусственный интеллект

Мы ещё детально ознакомимся с эволюционными алгоритмами и вообще эволюционным подходом во второй главе.

Идём дальше и кратко коснёмся квазибиологического подхода и его методов. Фактически это отдельное направление исследований в искусственном интеллекте, так как оно основано не на цифровом моделировании in silico разных аспектов интеллекта, а на применении биомолекулярных механизмов для того же самого. Этот подход ещё называется «биокомпьютингом», и это очень перспективное направление. В рамках квазибиологического подхода разработано большое количестве методов – начиная от биомолекулярной электроники, молекулярных вычислений и заканчивая нейрокомпьютингом. В последнем направлении важной вехой является разработка нейроморфных чипов. И иногда мне кажется, что прорыв в области искусственного интеллекта будет лежать на пересечении трёх областей – техники, информатики и химии. Но посмотрим…

В основе этого подхода лежит понимание, что феномены человеческого поведения, наша способность к обучению и адаптации есть следствие именно биологической структуры и особенностей её функционирования. Хотя, скорее всего, это очень слабая гипотеза. Вычисления в рамках квазибиологического подхода организуются при помощи живых тканей, клеток, вирусов и различных биомолекул. Часто используются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, на основе которой создают ДНК-компьютер. Кроме ДНК, в качестве биопроцессора могут использоваться также белковые молекулы и биологические мембраны.

Обычно для решения определённой задачи создаётся так называемая «индивидуальная машина», которая, в отличие от универсальной машины Тьюринга, направлена на решение конкретной задачи, причём обычно делает это более эффективным способом, поскольку индивидуальная машина специально сконструирована для решения именно этой задачи. Машина Тьюринга, лежащая в основе стандартной вычислительной модели, выполняет свои команды последовательно, а в рамках квазибиологической парадигмы часто рассматривается массовый параллелизм. Ну вот если, к примеру, рассмотреть ДНК-компьютер, то в нём все молекулы ДНК одновременно участвуют во взаимодействиях, параллельно проводя вычисления.

Два самых главных направления в рамках квазибиологического подхода – это молекулярные вычисления и биомолекулярная электроника. Можно ещё упомянуть нейрокомпьютинг и создание нейроморфных чипов, но они чаще всего рассматриваются как часть структурного подхода и искусственных нейронных сетей.

Молекулярные вычисления – это отдельная вычислительная модель, в которой решение задачи осуществляется при помощи проведения сложных биохимических или нанотехнологических реакций. Молекулярные компьютеры – это молекулы, запрограммированные на нужные свойства и поведение, которые, участвуя в химических реакциях, как бы «выращивают» результат. Что интересно, идею биокомпьютинга подсказал выдающийся математик Джон фон Нейман в своей книге «Теория самовоспроизводящихся автоматов», которую, кстати, очень рекомендую для внимательного чтения. В этой книге описан проект клеточных автоматов, которые могут самовоспроизводиться, как живая клетка.

Почти в каждой живой клетке нашего организма есть длинная молекула ДНК, кодирующая генетическую информацию. При помощи различных ферментов цепочки ДНК могут быть разрезаны, склеены, в них могут добавляться буквы генетического кода или удаляться из них. Всё это – базовые операции работы с информацией, которые могут быть использованы для производства вычислений. Более того, цепочки ДНК могут воспроизводиться и клонироваться. Это позволяет запустить массовый параллелизм поиска решения. В небольшой пробирке после проведения должным образом сконструированной биохимической реакции будет получен результат, который считывается специальной аппаратурой.

Интерес вызывает то, что для некоторых задач молекулярные компьютеры очень быстро и точно находят приемлемые решения, в то время как традиционные компьютеры затрудняются это сделать. Например, решение задачи коммивояжёра, т. е. поиска кратчайшего пути обхода графа, при помощи реакций с ДНК осуществляется практически мгновенно, в то время как для обычного компьютера требуется огромное количество времени. Правда, тут есть одна тонкость, которая мешает работе обычному компьютеру, – это комбинаторный взрыв. И если в традиционной архитектуре он ведёт к увеличению времени решения, то для ДНК-компьютера требуется подготовка огромного количества вариантов нуклеотидных нитей. Соответственно, объём пробирки растёт так же, как и количество вариантов в комбинаторном взрыве.

В общем, часто биокомпьютинг можно охарактеризовать как новую парадигму вычислений, которая, в отличие от традиционной вычислительной модели, работает быстро, но при решении сложных задач с комбинаторным взрывом растёт не время вычислений, а необходимый для них объём биокомпьютера.

Вместе с тем в последнее время всё активнее разрабатывается агентный подход к построению искусственного интеллекта. В рамках этого подхода изменена точка зрения на цель построения интеллектуальной системы и считается, что построить нужно систему не с разумным поведением, а с рациональным. С одной стороны, это серьёзно облегчает задачу, поскольку, в отличие от понятий «разум» или «интеллект», понятия «рациональность» и «рациональное поведение» можно строго формализовать (например, рациональное поведение – это выбор и достижение оптимальной цели с минимизацией затраченных на это ресурсов). С другой стороны, для демонстрации рационального поведения агент должен обладать достаточной «разумностью», чтобы определить цель, составить стратегию её достижения и выполнить её.

Каждый агент – это полноценная кибернетическая машина, которая имеет систему управления, непрерывно получающую информацию с сенсорных систем агента и воздействующую на окружающую среду при помощи исполнительных устройств (или актуаторов). При этом подход не определяет сущность сенсорных систем и актуаторов – их природа может быть произвольной. Поэтому агентный подход одинаково применим как к чисто программным сущностям, работающим в некоторой искусственной среде, так и к программно-аппаратным комплексам, равно как и вообще к биологическим системам.

Общая схема агента и его взаимодействия со средой

Агентный подход интересен тем, что в его рамках можно использовать эволюционные алгоритмы, которые подбирают интеллектуальных агентов, исходя из степени их приспособленности к достижению цели. Во время взаимодействия агентов осуществляется отбор наиболее успешных, которые затем используются для генерации нового поколения агентов, среди которых опять применяются те же самые процедуры оценки и отбора. В итоге наиболее успешное поколение решает задачи и достигает целей наиболее эффективным образом. Это идеальный вариант, который сегодня сложно достижим, но стремиться к нему интересно. Также агентный подход лежит в основе так называемых многоагентных систем, в рамках которых осуществляется общее целеполагание, после чего каждому индивидуальному агенту даётся свобода действий в определённых рамках, где он имеет возможности и альтернативы по разработке и реализации различных стратегий достижения своей частной цели. В процессе этого агенты взаимодействуют друг с другом и со средой, обмениваясь информацией и выполняя запросы других агентов. Кроме того, вполне может быть использована идея так называемого «роевого интеллекта», когда каждая отдельная «особь» (то есть агент) интеллектом не обладает, но в целом «рой» (множество агентов, многоагентная система) обладает определёнными интеллектуальными способностями. Надо отметить, что всё перечисленное является одним из наиболее перспективных направлений исследований по искусственному интеллекту.

Итак, философия сознания, начавшаяся развиваться вместе с более «взрослым» пониманием задач и проблем искусственного интеллекта, выделяет два крупных подхода к построению интеллектуальных систем и искусственных разумных существ: чистый (нисходящий) и грязный (восходящий). Чистый подход объединяет такие технологии, как экспертные системы, универсальные машины вывода, семиотические базы знаний. Самым выдающимся и далеко продвинувшимся направлением в рамках этого подхода является направление символьных вычислений, которое основано на логике манипулирования символами. Грязный подход объединяет такие технологии, как искусственные нейронные сети, эволюционные вычисления и биокомпьютинг. Грязный подход моделирует биологические основы разума у человека, в то время как чистый подход имитирует высокоуровневые психические и когнитивные процессы: мышление, рассуждение, речь, эмоции, творчество и т. д.