Конспект на тему «От робототехники к искусственному интеллекту»

1. Основные понятия

Тема из курса технологии для 8–9 класса. Конспект идёт в таком порядке: сначала определения, потом история, устройство робота, то, как робот «умнеет», и под конец области применения. Определения робота и ИИ взяты из официальных документов, поэтому их лучше помнить близко к тексту, а всё остальное спокойно пересказывается своими словами.

• Робот. В ГОСТ Р 60.0.0.4-2019, который повторяет международный стандарт ISO 8373, так назван исполнительный механизм, программируемый по двум или более осям, с некоторой степенью автономности, перемещающийся в рабочей среде и выполняющий задачи. Если совсем коротко, это машина, которая двигается сама и работает по программе.
• Робототехника — наука и практика создания и применения роботов. В ней сходятся механика, электроника, программирование и теория управления, поэтому робототехник должен понемногу разбираться во всём сразу.
• Искусственный интеллект (ИИ). Определение дано в Национальной стратегии развития ИИ, утверждённой Указом Президента РФ от 10.10.2019 № 490: это комплекс технологических решений, позволяющий имитировать когнитивные функции человека и получать при решении задач результаты, сопоставимые с результатами интеллектуальной деятельности человека. Своими словами: ИИ делает то, для чего человеку понадобилось бы думать, хотя сама программа, конечно, не думает так, как мы.
• Машинное обучение — часть ИИ. Программе не пишут готовых правил, а показывают много примеров, и закономерности она находит сама. Пример: тысячи фотографий кошек и собак с подписями, после которых программа отличает кошку от собаки на новом снимке.
• Нейронная сеть — математическая модель из множества простых связанных элементов, «искусственных нейронов». Обучение сети сводится к тому, что сила связей между нейронами понемногу подстраивается, пока ответы не станут правильными.

Запомнить. Робот прежде всего тело, машина в физическом мире, а ИИ способ принимать решения. Бывают роботы без всякого ИИ, например манипулятор на конвейере, который годами повторяет одно и то же движение. Бывает и ИИ без робота: переводчик в телефоне, поисковик, рекомендации в онлайн-кинотеатре. Вся тема как раз о том, как эти две линии развития постепенно сошлись.

2. Краткая история: от слова «робот» до нейросетей

Слово «робот» старше самих роботов почти на сорок лет. Его принёс в литературу чешский писатель Карел Чапек в пьесе «R.U.R.» («Россумские универсальные роботы»), написанной в 1920 году, хотя придумал слово его брат, художник Йозеф Чапек. По-чешски «robota» значит подневольная, тяжёлая работа, и роботы у Чапека, кстати, были не железными, а искусственными людьми. Главные вехи, которые привели от этой пьесы к нынешним нейросетям, собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Основные этапы развития робототехники и ИИ

По таблице хорошо видно, что история делится на две части. Примерно до 1990-х роботы и ИИ шли разными дорогами: заводские манипуляторы работали по жёсткой программе и ничего «не понимали», а ИИ тем временем учился играть в шахматы и доказывать теоремы. В 2010-е появились мощные видеокарты и огромные массивы данных, машинное обучение заработало по-настоящему, и его стали ставить в роботов. С этого момента роботы научились различать предметы вокруг себя.

Три закона робототехники Айзека Азимова (выучить!). Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред; робот должен повиноваться приказам человека, если они не противоречат первому закону; робот должен заботиться о своей безопасности, если это не противоречит первым двум. Писались они для фантастики, но инженеры и юристы до сих пор на них ссылаются, когда спорят, как должны вести себя настоящие беспилотники и роботы-помощники.

3. Как устроен робот

Любого робота, от школьного конструктора до сварочного манипулятора, можно разобрать по одной схеме из трёх частей. Удобнее всего записать её цепочкой:

датчики (восприятие) → управляющее устройство (обработка и решение) → приводы (действие)

• Датчики играют роль органов чувств. У школьного робота это чаще всего кнопка касания, ультразвуковой дальномер и датчик цвета, у беспилотного автомобиля камеры, радары и лидар, вращающийся на крыше.
• Управляющее устройство заменяет роботу мозг. В школьном конструкторе это маленький программируемый блок размером с ладонь, у заводского манипулятора целый шкаф с контроллером, а занимаются они одним и тем же: получают сигналы с датчиков и по программе решают, что делать дальше.
• Приводы двигают робота так же, как мышцы двигают нас. Обычно это электромоторы и сервоприводы, у тяжёлых машин встречаются пневматические и гидравлические цилиндры, а на конце руки-манипулятора ставят захват, сварочную горелку или другой инструмент.
• Обратная связь отличает робота от заводной игрушки. Заводная машинка едет, пока не раскрутится пружина, и ей всё равно, что она давно упёрлась в ножку стола, а робот после каждого шага проверяет датчиками, что получилось, и поправляет движение. На соревнованиях это хорошо заметно по тележке, которая едет вдоль чёрной линии: много раз в секунду она смотрит, не сползла ли с линии, и подруливает.

Классификации. По назначению роботов делят на промышленные, которые сваривают, красят, собирают и упаковывают, сервисные, которые убирают, развозят заказы и помогают в медицине, и исследовательские, работающие под водой и в космосе; иногда к ним добавляют образовательные и бытовые. По способу управления говорят о трёх поколениях. Робот первого поколения проигрывает записанную программу и не заметит, если деталь лежит не на своём месте, у второго уже есть датчики, и он подстраивается под обстановку, как сварочный робот, отыскивающий шов. Третье поколение само распознаёт, что вокруг, и планирует действия, а без ИИ такое поведение не получить.

4. Как робот становится «умным»

Робот с жёсткой программой выполняет только то, что в него заложили, например правило «если до стены меньше 10 см, повернуть направо». В знакомой обстановке такого правила хватает, но стоит в комнате появиться коту, который уходит с дороги сам, или стулу, который кто-то передвинул, и робот начинает вести себя странно. Описать правилами все случаи заранее невозможно, и для этого в робота ставят ИИ.

• Компьютерное зрение: обученная на тысячах снимков нейросеть находит на кадре с камеры людей, предметы и дорожные знаки.
• Планирование пути. Робот-пылесос строит карту комнаты и сам выбирает маршрут уборки.
• Обучение с подкреплением. Программа пробует разные действия, за удачные получает «награду» и со временем находит лучшую стратегию; так училась AlphaGo.
• Распознавание и синтез речи. Голосовые помощники понимают команду и отвечают голосом.

Насколько глубоко роботы уже вошли в промышленность, показывает плотность роботизации, то есть число промышленных роботов на 10 000 работников обрабатывающих отраслей. По данным Международной федерации робототехники (IFR) за 2022 год, первое место заняла Республика Корея, а в среднем по миру на 10 000 работников приходился 151 робот (рисунок 1).

5. Где уже работают роботы с ИИ

Примеры, которые полезно привести на уроке: складские роботы, развозящие стеллажи с товарами к сборщикам заказов; роботы-курьеры, которые с 2019 года ездят по тротуарам в ряде российских городов; беспилотные автомобили и такси; хирургические системы, где врач управляет манипуляторами через пульт; сельскохозяйственные машины, которые сами ведут трактор по полю и распознают сорняки. Общее у них одно: такой робот не повторяет заученные движения, а каждый раз заново оценивает, что видят его камеры и датчики.

Разница между странами здесь в разы. Она зависит от того, какие отрасли в стране сильны (больше всего роботов в автомобилестроении и электронике), сколько стоит труд рабочих и как государство поддерживает автоматизацию. Высокая плотность роботов вовсе не означает, что людям на заводах нечего делать: роботы забирают тяжёлые, однообразные и опасные операции, а людям остаются наладка, программирование и контроль.