Журнал "Вокруг Света" №4 за 2004 год - Вокруг Света

Последней задачей, которую природа помогла решить эфемероидам, стал способ распространения семян. Необходимый для этого ветер гуляет в лесу лишь до распускания листвы, но именно это время эфемероиды используют для роста и цветения. Ягод, столь привлекательных для птиц, разносящих их по лесу, у эфемероидов за две недели появиться просто не может. Воспользоваться «услугами» животных, переносящих на своей шерсти мелкие сухие плоды, тоже проблематично — коротышкам-эфемероидам ни за что «не дотянуться» до шерсти проходящих зверей. Но все равно выход был найден. Для распространения семян эфемероиды «приспособили» почвенных насекомых, и в первую очередь муравьев. На плодиках или семенах этих растений образуются особые, богатые маслом мясистые придатки — элайосомы, привлекающие муравьев, которые и становятся «садоводами» для первоцветов.

В течение тысячелетий на долгом пути эволюции эфемероиды адаптировались ко всем превратностям весны, и ныне эта группа растений процветает, образуя в наших лесах сплошные красочные ковры, богатство которых — лучшее свидетельство ее успеха.

Максим Клепиков

Ярмарка идей: Спасительный нейроомут

Компьютеры сегодня могут практически все, нейрокомпьютеры — многое. Чаще всего их «всемогущество» зависит от четкого следования алгоритму, иногда — от правильной адаптации программы к поступающим данным, а порой –– от возможности на собственном опыте обучаться выполнению поставленных задач. Причем в последнем случае даже разработчики компьютерных программ не всегда понимают причины подобной сообразительности машин.

Человек всегда стремился окружать себя разнообразными приспособлениями, помогающими ему быть быстрее, сильнее и умнее. Люди давно осознали, что некоторые вычислительные задачи гораздо удобнее решать с помощью специальных механических и электрических машин. Однако реализовать эту мечту оказалось непросто. Первые арифмометры начали активно эксплуатировать только с середины XIX века, а первые ЭВМ появились всего каких-нибудь 50 лет назад. Электронные устройства, призванные усиливать интеллектуальные и творческие силы человека, оказались сложны не только в разработке и изготовлении. Кроме «железа» необходимы были программы, заставляющие машину производить совершенно определенные действия. Таким образом, впервые в истории человеческой цивилизации появились вещи, способные приносить пользу только в том случае, если в них будут установлены некие тексты-программы, дарящие бездушной машине частичку человеческого разума.

Программирование — достаточно своеобразное занятие, поскольку сочинять программы приходится на особом компьютерном языке, мало похожем на человеческий. И хотя большинство слов в этом языке пишется английскими буквами, в обычных лексических словарях их не найти. Роль же грамматических правил играют законы логики. Причем строгие законы программирования и обоснования правил составления безошибочных алгоритмов были разработаны математиками еще в 1930-х годах.

Успехи традиционного подхода — когда человек четко задает машине определенную задачу — поистине огромны и вполне устраивают пользователей, стремящихся получить конкретный результат. Однако далеко не все жизненные задачи удается решить путем жесткого программирования действий электронной машины, поэтому одной из важнейших на сегодня задач для кибернетики является создание интеллектуальных систем, способных к самообучению и не нуждающихся в услугах квалифицированных программистов. Разработчики таких обучаемых компьютеров вполне резонно решили воспользоваться методом копирования принципов работы человеческого мозга, и, судя по достигнутым результатам, некоторые из этих умных машин уже приблизились к имитации того, как Homo Sapiens думает и анализирует.

Человеческий мозг состоит «всего» из нескольких десятков миллиардов нейронов и нескольких сотен миллиардов связей между ними, причем время реагирования отдельно взятого нейрона измеряется сотыми долями секунды. С высоты «понимания» современных суперкомпьютеров, осуществляющих в секунду десятки триллионов операций, это непозволительно мало. Ведь даже обычный процессор Intel Pentium 4 содержит около 200 миллионов транзисторов, а подключаемая к нему оперативная память имеет объем до 4 Гб, и при этом на простейшую логическую или арифметическую операцию он тратит меньше одной миллиардной доли секунды. Современные нейросети по своей мощности пока достаточно скромны — они достигли только уровня нервной системы улитки или дождевого червя. Однако даже простейшие нейрочипы, содержащие по 64 нейрона со 128 входами каждый, гораздо быстрее решают задачи распознавания электронных изображений, чем их традиционные собратья, снабженные миллионами транзисторов.

Насколько востребованы обычные ЭВМ, всем хорошо известно. Применение же нейрокомпьютеров более специфично и узко. Их используют для диагностики и распознавания, предсказания результатов забегов на ипподроме и цен на акции, оптимизации инвестиций в производство и минимизации транспортных расходов. Основными заказчиками обученных нейросетей пока являются военные, но уже недалеко то время, когда новая технология найдет массовое применение.

Основным элементом любого нейрокомпьютера является электронный аналог живого нейрона. Биологический нейрон имеет несколько нервных отростков — дендритов, принимающих нервные импульсы, и один-единственный отросток — аксон, способный передавать импульс возбуждения дальше. Аксон, разветвляясь, контактирует с дендритами других нейронов, соединяясь с ними через специальные образования — синапсы, которые влияют на силу передаваемого следующим нейронам импульса.

Импульсы, поступившие к нейрону по нескольким дендритам, суммируются с учетом не только их силы, но и длительности. Если общий импульс превышает некий пороговый уровень, то нейрон возбуждается и формирует собственный импульс, передаваемый далее по аксону. Причем пропускная способность синапсов может изменяться со временем, а значит, модифицируется поведение и соответствующего нейрона, и всей нейронной сети в целом.

Примерно так же работают и электронные нейроны, только роль импульса возбуждения в этом случае выполняет электрическое напряжение, а возбудимость нейрона моделируется некой функцией, зависящей от суммы входных сигналов. Причем сигналы-напряжения, пришедшие по разным проводам-дендритам, перед суммированием умножаются на разные коэффициенты. Естественно, что в процессе обучения и настройки нейросети изменяют именно те коэффициенты, с которыми происходит суммирование сигналов. Коэффициенты, с которыми складываются сигналы, — это как раз и есть та долговременная память, в которой хранится алгоритм работы обученной нейросети. К электрическому аксону подключаются входы нейронов следующего уровня сети, и таким образом реализуется требуемый параллельный вычислитель, способный распознавать и классифицировать поступающие на вход сигналы.

Основное свойство как природных, так и искусственных нейросетей — это возможность изменения силы взаимосвязи между нейронами. Структура нервной системы нашего мозга и нейрокомпьютера остается практически неизменной на протяжении всего жизненного цикла, и изменениям в процессе обучения и адаптации подвергаются только пропускная способность синапсов и весовые коэффициенты, с которыми складываются сигналы в электронном аналоге мозга.

Хорошо нам знакомые условные и безусловные рефлексы есть не что иное, как устойчивые связи, возникающие между рецепторами и нейронами в процессе исполнения той или иной команды. Но если взять, к примеру, такое естественное для человека действие, как отдергивание руки от горячего предмета, то в этом случае все связи возникли еще до появления его на свет и обучения не требуется.

А такой навык, как езда на велосипеде, приобретается только в результате тренировок и, как правило, с учителем. Научившись же управляться с двухколесной машиной, человек ездит на ней совершенно «автоматически» и лишь в критической ситуации включает мозг, пытаясь восстановить равновесие или избежать возникшей опасности.

Примерно так же работают и нейросети, учась узнавать буквы и звуки, отличать танки от вертолетов, предугадывать падение цен на нефть и тому подобное. При всей схожести принципов работы процесс обучения электронного мозга еще более непредсказуем, чем биологического. Во всяком случае, на сегодня никто не сможет дать гарантии того, что та или иная нейросеть «научится» решать поставленную задачу за определенный период времени. Более того, вполне возможно, что обучение может быть принципиально невозможным. Опять же, как и у людей: один, сколько ни бейся, никогда не заиграет на скрипке, а другой, как ни старайся, никогда не научится плавать. Одна из возможных причин подобной несостоятельности — недостаточное «богатство» определенных видов нейронов и типов связей между ними. Другая причина может крыться в изначально неверном подходе к методике и средствам обучения. Иначе говоря — в неправильном выборе алгоритма процесса тренировки.