Wpływ lekcji natury

dr inż. Robert CIEŚLAK
 
WPŁYW „LEKCJI NATURY” NA DZIAŁANOŚĆ INŻYNIERSKĄ W XXI WIEKU
 
Wstęp
 
Obecnie cywilizacja osiągnęła już taki poziom, że szukanie nowych pomysłów i inspiracji stało się naturalnym dążeniem kreatywnego inżyniera. Okazuje się, że napotykane coraz częściej bariery konstrukcyjne, technologiczne czy numeryczne można rozwiązać przez odejście od utartych schematów i paradygmatów, stosując nowe, nieszablonowe podejście do problemu. Przykłady zaczerpnięte z natury stanowią tutaj niewyczerpane źródło inspiracji.
 Czynnikami twórczymi w naturze są:

• nieodwracalność czasu,
• nieliniowość,
• tendencja do samoorganizowania się i tworzenia złożonych układów,
• rywalizacja o ograniczone zasoby.

Czynnikiem sprawczym rozwoju życia jest ewolucja. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że ewolucja to optymalizacja plus adaptacja. Rozwój wszystkich form życia na ziemi oparty jest na bezwzględnej zasadzie fizycznej eliminacji rozwiązań słabych, nieprzystosowanych.
 
1. Przykłady zastosowania lekcji natury
            Połączenie wiedzy biologicznej, inżynierskiej i informatycznej jest niezwykle cenne w czasach, kiedy systemy techniczne zaczynają swoją złożonością przypominać organizmy żywe, a organizmy żywe okazują się bardziej złożone, niż dotąd myśleliśmy.
Niektóre zastosowania lekcji natury to: automaty komórkowe, algorytmy genetyczne, symulowane wyżarzanie, algorytmy ewolucyjne, sztuczna inteligencja, sztuczne życie.
Przykłady  zastosowania lekcji natury:

• Wykorzystując obserwacje mrówek i innych owadów, charakteryzujących się „społecznym” trybem pracy (kolonie mrówek), opracowano programy rozwiązujące złożone problemy sterowania ruchem w mocno obciążonych sieciach telekomunikacyjnych, w tym również problem komiwojażera.
• Sposób podziału pracy w koloniach pszczół został zaadaptowany do opracowywania oprogramowania robotów w zautomatyzowanych fabrykach.
• Odczytanie sekwencji genomu ludzkiego spowodowało lawinowy wzrost informacji, której wykorzystanie staje się możliwe po opracowaniu standardów danych biologicznych; wskutek tych działań rozwija się nowa gałąź informatyki, zwana bioinformatyką.
• Na poziomie żywej komórki funkcjonują biologiczne „nanomaszyny”, umożliwiające proces jej samoodtwarzania. Rozwój współczesnej miniaturyzacji w elektronice (układy scalone o wielkiej skali integracji) uzasadnia tezę o możliwości zbudowania sztucznych, autoreprodukujących się nanoukładów i nanomaszyn.

 
2. Zastosowanie lekcji natury dla automatyzacji i robotyzacji
Automatyka i robotyka jako nowoczesna dyscyplina naukowo-techniczna zajmuje się zarówno teorią, jak i praktyczną realizacją urządzeń sterujących obiektami technicznymi i procesami technologicznymi bez udziału człowieka lub z jego ograniczonym udziałem.
Świat, który do niedawna znaliśmy wyłącznie z kart powieści science fiction lub futurystycznych filmów, staje się na naszych oczach rzeczywistością. Roboty, jakie jeszcze kilka lat temu można spotkać było wyłącznie w laboratoriach inżynierów, coraz częściej goszczą w miejscach publicznych. Jeszcze do niedawna naukowcy starali się przede wszystkim, by ich roboty były coraz sprawniejsze, mobilniejsze oraz potrafiły wykonywać coraz więcej czynności. Jednak obecnie cybernetycy zwracają uwagę na "psychologiczny" aspekt tworzonych przez siebie wynalazków. W końcu roboty mają - w niedalekiej przyszłości - żyć z nami pod jednym dachem. Aby ta koegzystencja była dla nas przyjemna, robot musi nie tylko rozumieć nasze polecenia, ale i typowo ludzkie zachowania.
Najdobitniejszym przejawem tego humanistycznego trendu w cybernetyce jest projekt Feelix Growing (rys.1 - 3). Uczestniczy w nim ponad 20 naukowców z sześciu krajów. Wraz ze specjalistami od konstruowania sztucznej inteligencji w zespole badawczym znalazło się też miejsce dla psychologów rozwojowych oraz neurologów. Celem tych wszystkich naukowców jest stworzenie wyjątkowych, emocjonalnych robotów - maszyn, które będą dostrzegać ludzkie emocje i poprawnie na nie reagować. Naukowcy zamierzają tego dokonać w ciągu najbliższych lat.

   
Rys. 1. Zdjęcie robota z projektu Feelix Growing

"Choć świat ludzkich emocji jest niesamowicie skomplikowany, to w rozpoznawaniu uczuć innych osób kierujemy się dość prostymi, często nawet świadomie niezauważanymi wskazówkami, np. tym, jak ktoś się porusza lub jakie wykonuje gesty" - mówi dr Lola Canamero z brytyjskiego University of Hertfordshire, koordynatorka projektu. Jej zdaniem nic nie stoi na przeszkodzie, by - podobnie jak ludzie - roboty nauczyły się rozumieć język naszego ciała oraz niewerbalnych przekazów świadczących o naszych emocjach. Dzięki temu będą mogły dopasowywać swoje zachowanie do naszego aktualnego nastroju.
Badacze chcą, by roboty nauczyły się rozpoznawać uczucia i stany emocjonalne, tak jak czynią to dzieci: przez dorastanie wśród ludzi i obserwację ich zachowania, postaw oraz reakcji. "Jeśli chodzi o hardeware, to zamierzamy wykorzystać jak najprostsze maszyny, w niektórych wypadkach wzbogacone o ekspresywne twarze posiadające coś w rodzaju mimiki" - mówi dr Lola Canamero. By móc dostrzec zachowanie ludzi, gest i zmieniający się wyraz twarzy właściciela, roboty zostaną wyposażone w różnego rodzaju sensory: cyfrową kamerę, czujniki ruchu oraz dźwięku.
Naukowcy z Feelix Growing są zdania, że rozpoznawanie przez maszynę konkretnych stanów emocjonalnych będzie kluczowe dla odpowiednich interakcji między robotem a jego właścicielem. Maszyna ma się koncentrować na takich uczuciach jak złość, smutek i radość, bo to one najbardziej wpływają na to, jak robot powinien się zachowywać. Jeden z prototypów stworzonych w ramach projektu odpowiada za stany emocjonalne człowieka przez zachowanie odpowiedniej odległości.
Roboty obdarzone zdolnością wyrażania uczuć są testowane w Japonii. Profesor Hiroshi Ishiguro, wykładowca Instytutu Zaawansowanej Telekomunikacji na japońskim Uniwersytecie Osaka, skonstruował niemal idealnie podobnego do siebie androida o imieniu Geminoid H-1. Skóra na twarzy robota jest gładka, choć silikonowa, a czubek jego głowy pokrywają gęste, szpakowate włosy - takie same, jakimi może się pochwalić prof. Hiroshi Ishiguro. Gdy spojrzy się na zdjęcie, na którym uwieczniono uczonego tuż obok jego wynalazku, można pomyśleć, że to nie maszyna, a brat bliźniak - nieco tylko osowiały. W ramach eksperymentu, a może i chęci udogodnienia sobie akademickiej działalności, Hiroshi Ishiguro regularnie posyła Geminoida H-1, by prowadził za niego wykłady.
W ramach eksperymentu sprawdzono, jak studenci reagują na mechanicznego tutora. Okazało się, że bardzo dobrze, zwłaszcza że android jest zdalnie sterowany przez wykładowcę i mówi jego głosem. Chętniej słuchają takich wywiadów niż np. prelekcji wygłaszanych podczas telekonferencji lub przez telefon. Jak mówili badani, wyposażony w mimikę android dawał im poczucie większej obecności profesora.
W ramach swoich projektów naukowcy pracują nie tylko nad tym, by maszyny były w stanie dostrzegać ludzkie emocje i na nie reagować, ale by same stały się istotami emocjonalnymi. Przykładem jest tu Leonardo - mały, włochaty robot zamieszkujący laboratorium dr Cynthii Breazel pracującego w ramach amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology. W pracach nad Leonardem uczestniczyli inżynierowie ze Stan Winston Studio, znani m.in. dzięki Teddyemu - robotowi-misiowi występującemu w filmie "A.I. Sztuczna Inteligencja". Wyposażony w skomplikowany system sztucznych stawów i mięśni Leonardo posiada mimikę, dzięki czemu przypomina żywe, choć fantastyczne stworzenie. Na razie ruchami robota musi sterować człowiek, jednak w przyszłości umiejętność wyrażania przez niego uczuć ma być zintegrowana ze zdolnością uczenia się czy odczuwania dotyku (odpowiednie sensory umieszczono w skórze oraz dłoniach robota). Jednym ze sposobów, w jaki Leonardo zdobywa wiedzę o świecie i uczuciach, jest naśladowanie ludzi. Zdaniem naukowców umiejętność uczenia się przez naśladowanie będzie dla niego kluczowe podczas przyswajania sobie wzorców reakcji na ludzkie nastroje czy zachowania.
 
PODSUMOWANIE
Lekcja natury jest stałą inspiracją dla techniki. Potwierdzeniem tego jest stwierdzenie Johna Hollanda, prekursora algorytmów genetycznych, który stwierdził, że „w rozwiązywaniu problemów, w których występuje reprodukcja i konkurowanie o ograniczone zasoby, żywe organizmy stanowią najlepszy wzór, wykazując elastyczność, która powinna zawstydzić najlepsze programy komputerowe”.
Natura w ciągu wieków rozwinęła i twórczo zastosowała zasadę modelowania rzeczywistości, zgodnie z którą „trzeba widzieć las, a nie pojedyncze drzewa”. Zasada ta stała się też jednym z podstawowych elementów inżynierii systemów (bionika, biotechnologia, bioinformatyka, bioinżynieria, ekoinżynieria, bionanotechnologia).
Naukowcy sadzą, że podpatrywanie i wykorzystywanie rozwiązań istniejących w przyrodzie, przyczyni się do rozwoju technologii.
 
BIBLIOGRAFIA

1. Cempel C., Teoria i Inżynieria Systemów - zasady i zastosowania myślenia systemowego, Wydawnictwo: Instytut Technologii  Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy Radom.
2. Branowski B., Metody twórczego rozwiązywania problemów inżynierskich, Wydawnictwo Wielkopolska Korporacja Techniczna NOT, Poznań 1999.
3. Ostwald M., Podstawy optymalizacji konstrukcji, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2005.
4. Internet: