Kybernetický model, který se snaží sám uchovat svou vlastní existenci
Když Karel Čapek napsal RUR, byl jistě přesvědčen, že jeho roboti patří do říše fantazie a že se nikdy nestanou skutkem. Dnes se však setkáváme v novinách i v literatuře s mnoha články s tituly tak senzačními, jako je název článku našeho. Dočteme se o myslících strojích, elektronických mozcích s fantazií, o umělých veverkách a želvách, které si hledají potravu, a o umělých myších, nacházejících si cestu z bludiště. Zdá se nám, že jsou to náznaky k uskutečnění Čapkova snu. Velká většina těchto zpráv je podložena vědeckou prací, jejímž výsledkem jsou stroje, schopné provádět velmi složité úkony. Senzačnost začíná zpravidla v okamžiku, kdy srovnáváme činnost těchto strojů s chováním živých organismů, zvláště s chováním člověka, a tu často dochází k přeceňování vlastností stroje.
Hledání a zjišťování analogií obdob mezi projevy živých organismů a činností složitých automatů, zvláště pokud jde o procesy, které řídí jejich činnost, je ústředním úkolem mladé vědy, kybernetiky. Úkolem této vědy není jen analytické zjišťování uvedených podobností, ale praktické užití zjištěných poznatků k vytvoření automatů napodobujících chování živých organismů, k vytvoření strojů, jež již připomínají Čapkova robota.
Mechanizace a automatizace
Žijeme v době prudkého vývoje mechanizace a automatizace, při čemž si často neuvědomujeme přesný rozdíl mezi významy těchto pojmů. Mechanizace nahrazuje a násobí svalovou fyzickou činnost lidských orgánů.
Mechanizační prostředek může dosáhnout velkého stupně složitosti, a přece není ještě automatem. U automatu (automatizačního prostředku) požadujeme, aby obsahoval zařízení řídící jeho činnost na podkladě informací, jež získává i ze svého okolí. Často se pod slovem automat myslí složitý mechanizační prostředek, jako např. složitý revolverový soustruh, přestože jeho činnost je určena především stanoveným pracovním postupem. Naproti tomu se někdy opomíjí, že automatem je tak jednoduché zařízení jako Wattův regulátor parního stroje.
Automatizace je ve srovnání s mechanizací velmi mladá, ale její rozvoj je dnes o to bouřlivější. Vrcholem automatizace jsou takové samočinné počítače, které si odvozují vlastní pracovní program v závislosti na počátečních podmínkách daného úkolu. Pracovní postup těchto strojů není předem podrobně stanoven do všech podrobností. Postup výpočtu je dán pouze v hlavních rysech a podrobný program si stroj teprve vytváří během výpočtů v závislosti na částečných výsledcích. Tak např. při výpočtu sinu malého úhlu použijeme menšího počtu členů příslušné nekonečné řady než při výpočtu sinu většího úhlu.
Kybernetické modely
Existence samočinných počítačů způsobila, že člověk začal porovnávat činnost těchto automatů s činností živých bytostí. Mluvilo se o „obřích mozcích“, o „myslících strojích“ a většinou byla obdivována jejich pracovní rychlost proti skutečnosti, že se podařilo úplně zautomatizovat určité funkce velmi složité duševní práce člověka. Srovnávání samočinných počítačů s lidským mozkem vedlo k založení kybernetiky jako nového vědeckého směru. Toto srovnání má přirozeně svou omezenou platnost: stroje samy jsou dílem lidí a žádný kybernetický stroj nemůže pracovat bez programu, který do něho člověk vložil.
Vedle samočinných počítačů, které mají jasný praktický účel, vzniká řada automatů bez praktického použití, které mají ověřit obecné zásady kybernetiky jako vědy. Tyto automaty nazýváme kybernetické modely a uvedeme jich několik jako příklad.
Shanonova umělá myš
Na čtvercovém poli šachovnicově rozděleném je vybudováno bludiště, ve kterém se pohybuje umělá myška. Při prvním průchodu bludištěm naráží na stěny bludiště, její cesta je velmi tápavá a trvá dlouho. Při druhé cestě projde již bludištěm bez tápání a chová se tedy účelněji než při prvém průchodu. Zdokonalení její činnosti je odvozeno od mechanizování paměti. Proto jest Shannnova myš příkladem modelu zkušenosti.
Umělá želva
V bludišti se ohybuje umělá želva, která je citlivá na dva druhy signálů, elektrický a akustický. Na elektrický signál, který vzniká při nárazu želvy na překážku, želva vždy odpoví změnou směru a překážce se vyhne. Samotný akustický signál (hvizd), který želva přijímá mikrofonem, nepůsobí zpočátku v jejím chování žádnou změnu. Hvízdneme-li při současném nárazu želvy na překážku a opakujeme-li to několikrát za sebou, želva se naučí reagovat na samotný hvizd a nadále uhýbá při pouhém zahvízdnutí. Vysvětlení je jednoduché: Při současném výskytu hvizdu a dotyku želvy s překážkou je vysílán elektrický impuls nabíjející kondenzátor, který představuje paměť zařízení. Dostane-li kondenzátor určitý počet impulsů, vzroste na něm napětí na hodnotu, která stačí způsobit změnu stavu zařízení, a želva se začne uhýbat i při pouhém hvizdu.
Umělý pes
Jeden takový model zhotovil prof. J. Metelka. I v tomto případě jde o napodobení podmíněného reflexu, avšak jiného druhu. Kdykoliv umělý pes dostane potravu, reaguje tak, že sliní. Přichází-li několikrát po sobě současně s potravou světelný signál, pes začíná slinit již při pouhém světelném signálu, i když nedostává potravu. Nepřichází-li po určitou dobu současně se světelným signálem potrava, pes přestane reagovat na světlo a silní opět jen při podání potravy. Tento umělý pes je schopen si vytvořit podmíněný reflex též na akustický signál. Model je založen na obdobném principu jako umělá želva.
Jiný model psa, jehož vnější činnost je podobná činnosti modelu prof. J. Metelky, zhotovil též autor tohoto článku. Podstatný rozdíl obou modelů je v ovládacím zařízení, které je v druhém případě vytvořeno logickým reléovými obvody.
Můžeme modelovat strach?
Modely, o kterých jsme dříve mluvili, byly již sestrojeny. Model, o kterém mluvíme nyní, ještě neexistuje, ale nejsou známy překážky, pro něž by nemohl být sestrojen. Chování, které chceme modelovat, popíšeme nejdříve na živém organismu. Hraje-li si dítě v uzavřené místnosti, nejprve místnost prohledá a nabude tak zkušeností, které mají vliv na jeho další chování. Jestliže bylo bito za to, že lezlo na stůl, jestliže se spálilo o kamna nebo se bálo vrčící feny, která má v koutě mladé, upraví své chování tak, aby se vyhnulo činnosti, jež je ohrožovala. Pokusíme se o vytvoření modelu tohoto složitého chování.
Nejdříve vysvětlíme, jak vytvořit stroj, který zjistí a signalizuje každou svou poruchu. Nejsnadněji jej můžeme zhotovit z několika shodných počítacích strojů. Tyto stroje sloučíme v jedinou soustavu tak, aby všechny tři počítaly vždy tutéž úlohu. Vyskytne-li se v některé části tohoto celého zařízení porucha, způsobí chybu ve výpočtu, ale pouze v jednom ze tří počítacích strojů. Porovnáním všech tří výsledků je možno určit:
1. že porucha nastala,
2. kdy nastala,
3. které z výpočtů jsou správné a který je chybný.
Tato poslední kontrolní a opravná funkce může být provedena zcela automaticky, jak se ukázalo v prvním československém samočinném počítači SAPO, kde se plně osvědčuje.
Představíme si model s možností pohybu, jako má zmíněná umělá myš. Bude se pohybovat po čtvercovém poli šachovitě rozděleném na 64 polí. V pravidelných intervalech přemísťuje se model po šachovnici tak, že pokročí vždy na sousední pole jen ve směru hlavních světových stran. Hlavní součástí našeho modelu je samočinný počítač, jehož úkolem je rozhodnout, ve kterém směru (jih – západ, sever – východ) se má model přemístit uvnitř prostoru, ve kterém se může pohybovat. Toto rozhodnutí vypočítá samočinný počítač na základě záznamů o počtu poruch, které během svých předchozích pohybů zjistil na sousedních polích a uložil do své mechanické paměti. Pak se rozhodne postoupit na to pole, ve kterém zjistil v minulosti nejmenší poruchovost (počet poruch přepočtený na jeden pohyb v příslušném místě).*
V případě, že se má rozhodnout mezi několika směry namířenými k sousedním polím, kde byla zjištěna stejná poruchovost, vybere si směr nahodile. Zpočátku nemá model ve své paměti informace o poruchovostech, které zjišťuje na jednotlivých místech šachovnice. Proto se začne pohybovat zcela nahodile od políčka k políčku. Rozhodování o směru pohybu provádí samočinný počítač, který je v této funkci zajištěn tím, že jeho operační jednotky jsou trojnásobné a pracují vzájemně nezávisle. Tím je umožněno zjistit počet poruch tohoto zařízení během pobytu v každém políčku a uložit jej do paměti. Čím déle se model pohybuje, tím více získává informací o poruchovosti v jednotlivých místech svého „životního prostoru“. Zjistí-li model, že v některém místě „zakusil“ vysokou poruchovost, počne se těmto místům vyhýbat, jako by měl „strach“ před zvýšenou poruchovostí. Model se chová tedy tak, aby co nejlépe uchoval svou činnost („existenci“).
Posuzujeme-li popsané zařízení jako kybernetický model, zjistíme, že obsahuje model zkušenosti (účelně mění své chování na základě informací získaných v minulosti). Jako celek můžeme ho prohlásit za model elementárního afektu („strachu“). Chová se tak, jako by se „bál“ těch míst, kde „zažil“ ohrožení své činnosti („života“).
Zbývá ještě vysvětlit, jak dochází k poruchám u samočinných počítačů. Činnost součástí jako relé, elektronek, diod, tranzistorů občas selže buď čistě nahodile, nebo z nějaké vnější příčiny (otřes, bloudivý impuls, zkrat, apod.). Porucha se zpravidla vyskytne u jedné ze součástí celého počítače, takže se dá zjistit a její vliv lze odstranit. Zhorší-li se podmínky, ve kterých počítač pracuje, zvýší se četnost poruch.
Je zajímavé, jak složité chování můžeme vymodelovat naším poměrně jednoduchým zařízením. Představme si, že v jednom z rohů šachovnice je na čtyřech polích Faradayova klec, která stíní model proti působení rádiových vln. Dále předpokládejme, že v protějším rohu šachovnice jsou čtyři políčka opatřená zařízením, které nabíjí akumulátory modelu, kdykoli tam model vstoupí. Předpokládejme dále, že poměrně blízko působí rádiový vysílač, který svým zářením značně ruší činnost modelu. Pokud vysílač bude vysílat a pokud model bude mít nabité baterie, „schová se“ po krátkém putování do stínící klece, kde zůstane do té doby, pokud neklesne napětí jeho akumulátorů. Tento pokles způsobí postupné zvyšování poruchovosti, které svou intensitou převýší poruchovost způsobenou vysílačem. Model „vykročí“ z klece a bloudí po šachovnici, dokud nepřijde do míst, kde nabije akumulátory. Po nabití akumulátorů se opět schová do klece před škodlivým vlivem vysílače.
*Přesný předpis pro rozhodnutí nebyl zde podán, poněvadž je poměrně složitý a byl přednesen autorem tohoto článku na semináři Purkyňovy vědecké společnosti v Praze
Doc. Dr. Inž. Antonín Svoboda, laureát státní ceny, Dvacáté století, Orbis 1959
