Цифровая гонка.

Наш мир не дискретен. Он не состоит из битов и байтов — отдельных кусочков. Если не углубляться до метафизически-квантовых уровней мироздания, то можно считать, что мир — аналоговый. И в этот самый момент непрерывного времени один из аналоговых компьютеров нашего мира, посредством подачи аналоговых электрических сигналов к биологическим актюаторам, набирает сейчас данный текст на цифровом, дискретном, подобии.

Я неоднократно задумывался над тем, а куда мы движемся, со всеми нашими гигагерцами, гигабайтами и мегаваттами потребляемой энергии? Да, цифровые технологии умеют многое. Если не сказать, что умеют все. Но всегда ли оправдано применять "цифру"? Например, в робототехнике? И, задумавшись, начал искать в нашей цифровой вселенной, Гугле и Ютьюбе, свидетельства того, что, может, не всегда нужны цифровые пушки, чтобы стрелять по аналоговым воробьям.

Например, существует самобалансирующийся робот, который построен на базе конструктора LEGO Mindstorm NXT:

(скриншот из youtube-видео 'Lego Self balancing robot' пользователя cecil1729)[1]

Этот робот умеет держать равновесие, катаясь взад и вперёд на своих колёсах, наподобие самоката Zigway. Робот управляется "умным кирпичом", основанном на микропроцессоре, который работает на частоте около пятидесяти мегагерц, содержит многие сотни тысяч транзисторов и потребляет несколько сотен милливатт энергии. Современно? Конечно! Интересно? Ещё как

А вот еще один робот:

(скриншот из youtube-видео 'simple balancing analog robot' пользователя roboanalogtom)[2]

Он тоже умеет балансировать на колёсах. Вот только он сильно проще первого робота — никакого "умного кирпича" и цифровых контроллеров сервопривода. Этот робот управляется простой аналоговой схемой, построенной из абсолютно не-цифрового таймера 555, пары фото-резисторов, конденсатора, нескольких мелких деталей для настройки частот и пары транзисторов для управления двигателем. Копеечная схема. Работает? Да. Эффективно выполняет заданную функцию? Вероятно, да. Требует большого источника питания для отсутствующих "мегагерц"? Не уверен.

Посмотрите — с одной стороны, дорогое устройство, состоящее из большого количества компонентов, управляемое компьютерными программами, на создание которых было потрачено очень много человеко-часов. Устройство постоянно измеряет аналоговую величину (в данном случае расстояние до поверхности стола), оцифровывает её, делает расчёты величин компенсаций и посылает управляющие параметры на сервопривод. Сервопривод вращает колёса в нужную сторону, и всё — баланс достигнут.

А с другой стороны — простое, копеечное устройство, по нескольким цепям которого текут непрерывные аналоговые сигналы. Никаких программ, измерений, оцифровки и расчётов. Но устройство делает то же самое — держит баланс. Причём, если присмотреться к поведению роботов, то можно заметить, что аналоговый робот держит баланс гораздо более гладко и ровно, по сравнению с его цифровым собратом.

Не переставая размышлять на эту тему, я продолжал "гуглить", периодически натыкаясь на различные книги и статьи, которые лишь подтверждали мои сомнения:

Статья про использование принципов зрения насекомых в робототехнике "Insect visual homing strategies in a robot with analog processing" из журнала Biological Cybernetics [3]:

"… First, it was shown that a mobile robot using the average landmark vector (ALV) model returns to the target location with only small position errors. Second, the behavior of the robot resembled the behavior of bees in some experiments. And third, the ALV model was implemented on the robot in analog hardware."

Перевод ключевых моментов: "… мобильный робот возвращается на место с маленькой позиционной ошибкой; поведение робота напоминает поведение пчел в некоторых экспериментах;… модель была построена в роботе с использованием аналоговой схемотехники".

В данном случае исследователи подчеркнули тот факт, что ошибка в позиционировании робота была маленькая. Маленькая, вероятно, по сравнению с ошибками других роботов, которые были основаны на цифровых технологиях.

Из той же статьи:

"… since analog electronic circuits share a number of information-processing principles with biological nervous systems;"

Перевод: "… потому что аналоговые электронные схемы обладают определенным сходством в принципах обработки информации с биологическими нервными системами".

Конечно, они обладают сходством! Живые существа не имеют цифровых шин памяти и не работают с байтами и битами.

А вот другая статья о машинном зрении робота, построенного на принципах зрения мухи, "Fly-Inspired Robot Eyes Are Faster and More Accurate"[4]

"… In the fly's vision system, the visual field of each photoreceptor overlaps with those next to it, to a percentage that can go up to 90. Each large compound eye has about 3,000 ommatidia (the basic eye unit) and each ommatidium has 8 photoreceptors. Photoreceptors turn light into electric signals transmitted to the fly's visual nervous centers. While conventional image processing systems are in most cases digital, the fly's processing system is analog. Digital systems operate on data pixel by pixel, and require long and expensive computational processing. The analog system is more rapid and allows parallel processing, explaining the insect's highly accurate, high-speed vision system..."

Перевод: "… В системе зрения мухи поле зрения каждого фоторецептора перекрывается соседними фоторецепторами, при этом процент перекрытия может достигать 90. Каждый большой составной глаз состоит из примерно 3000 омматидиев (элементарные глазные единицы) и каждый омматидий имеет 8 фоторецепторов. Фоторецепторы превращают свет в электические сигналы, передающиеся далее в визуальные центры нервной системы мухи. В то время как обычные системы зрения в большинстве случаев цифровые, система обработки зрения мухи аналоговая. Цифровые системы обрабатывают данные пиксель за пикселем и требуют значительных по времени и вычислительной сложности обработок. Аналоговая система более быстрая и позволяет применять параллельную обработку, что объясняет высокую точность и большую скорость систем зрения насекомых..." (в цифровых системах обработки изображений тоже применяется параллельная обработка, но мы сейчас говорим о фундаментальных вещах. Примечание авт.)

Эти, а также многие другие, примеры показывают, что системы, построенные на аналоговых элементах, близки по своим параметрам природным, биологическим системам, что не должно являться большим сюрпризом — они работают по одним и тем же законам, связанным с реагированием на непрерывно изменяющиеся, аналоговые, величины.

Есть такое понятие — рефлекс. Википедия говорит:

"Рефлекс (от лат. reflexus — отражённый) — стереотипная реакция живого организма на раздражитель, проходящая с участием нервной системы. Рефлексы существуют у многоклеточных живых организмов, обладающих нервной системой, осуществляются посредством рефлекторной дуги. Рефлекс — основная форма деятельности нервной системы."

 Смотрите, рефлекс — это основная форма деятельности нервной системы живых существ. А, значит, и нас с вами. И вашей кошки или собаки. И мухи, залетевшей в открытое окно.

Человек случайно прикоснулся пальцем к раскалённой поверхности сковородки или кастрюли. По его нервной системе, начинаясь от нервных окончаний в кончике пальца, стал распространяться аналоговый сигнал о том, что здесь, в этой отдалённой области человека, не всё в порядке с окружающим миром, который начал опасное воздействие на организм. Тревога! Рефлекторная дуга (полностью аналоговая система) замыкает путь нервных сигналов на моторные цепи, исключая главный компьютер — головной мозг — из аварийной работы. Это позволяет мгновенно отдёрнуть руку до того, как головной мозг осознает, что какой-то орган подвергается опасности.

Теперь представим, что мы были бы созданы на основании современных, цифровых технологий. Получив сигнал от цифровых сенсоров, наш цифровой мозг должен был бы измерять величину опасного сигнала посредством аналого-цифровых преобразований. При превышении величиной какого-то порога мозг должен был выдать указание актюаторам (мышцам) отодвинуть руку. Будучи цифровой системой, мозг выдал бы такую команду с задержкой, вызванной природой копьютерной многозадачности. И, скорее всего, что наша рука получила бы необратимые повреждения.

Но мы, к счастью, не цифровые. Не дискретные. Мы ходим, бегаем, даже споткнувшись, мы не падаем, поднимаемся по лестницам и совершаем множество других сложных действий, благодаря системе рефлексов, которые "прошиты" в наше тело на аналоговом уровне.

В общем, я вижу будущее, по крайней мере, робототехники, таковым: управление конечностями, кинематикой, органами чувств и зрения будет построены на аналоговых системах. Эти системы, возможно, будут базироваться на каких-нибудь новых принципах (оптическая схемотехника, мемристоры и т.п.), но их основа основ должна быть непрерывной, мгновенной, аналоговой.

Робот будет оснащён системой рефлексов, быстрых, реагирующих на непрерывные величины нашего мира мгновенно, по мере того, как величина меняется.

А вот центральное управление всеми аналоговыми рефлекторными системами можно отдать на откуп мощным цифровым компьютерам. Пусть они контролируют то, как работают рефлексы. Во время "сна" или "отдыха" робота компьютер проанализирует "тестовые лог-файлы", после чего "подкрутит цифровые потенциометры" аналоговых нервных систем, чтобы "на следующий день" робот стал ещё более ловким и быстрым.

А разве не такой именно процесс происходит в организме ребёнка, по мере того, как он взрослеет и становится более ловким и быстрым?

P.S. Свое эссе я написал в 2012 году. И вот сегодня (октябрь 2016) я прочитал перевод статьи, которая хорошо дополняет описанное выше:

m.geektimes.ru/post/281720/#habracut

Цитата:

"Зачем нам переходить на аналог? Всё просто: мы находимся на уникальном витке прогресса, где нейросети, которые мы пытаемся разработать, больше подходят к аналоговым системам, при том, что ожидается взрывной спрос на такие ИИ-системы.

Традиционные жёсткие алгоритмы работают, только когда вычисления точны. Если контуры, на которых работают традиционные алгоритмы, не точны, ошибки будут выходить из под контроля и распространяться по системе. У нейросетей внутреннее состояние не должно быть точным и чётким, и система адаптируется для вывода нужного результата на основе заданных входных параметров. Наши мозги — очень шумные системы, которые прекрасно работают. Инженеры узнают, что они тоже могут строить глубокие сети на кремниевых чипах, используя схожие «шумные» подходы — достигая экономии энергии в сотни раз.

Последствия этого масштабны. Представьте, что в будущем носимые устройства или ассистенты типа Amazon Echo почти не используют энергию, и даже могут добывать её из окружающей среды, и не требуют проводов питания и батарей. Или вообразите гаджет, которому не нужно быть подсоединённым к облаку, чтобы быть «умным». Его «интеллекта» хватит, чтобы работать даже без Wi-Fi и сотовой связи. И это только начало того, что, как я думаю, станет новой категорией ИИ и роботов, которая появится в недалёком будущем — и всё благодаря старому доброму аналогу."