Имитационные модели. 
Коллективное поведение роботов. 
Желаемое и действительное

В этом направлении за основу берутся модели биологических объектов (своего рода бионическая парадигма). Считается, что получение адекватных моделей тех же насекомых позволит реализовать естественным образом и их стайное (роевое) поведение.

Однако проблема состоит в том, что насекомые — очень непростой объект для исследований. Например, нервные клетки муравьев и пчел — любимых объектов для подражания — малы по размеру и трудны для изучения. А главное, этих нервных клеток очень много. Если центральная нервная система такого простого объекта, как виноградная улитка, содержит около 10 тыс. нейронов, то у муравьев общее количество нейронов — порядка 1 млн. При этом изучение той же улитки также сопряжено с большими сложностями. В основном опыты проводятся на командных нейронах (нейронах оборонительного рефлекса и мотонейронах) [Карпенко и др., 2003].

Попытки же раскрытия интересующих нас интегративных механизмов, лежащих в основе коллективного поведения, основаны прежде всего на длительных высокоточных наблюдениях. Таким же образом изучаются механизмы восприятия информации.

Более того, системный подход даже к клеточной нейробиологии осуществляется в основном «сверху-вниз»: от поведения к мозгу, от целого мозга к отдельному нейрону. Отправной точкой в исследованиях клеточных механизмов является именно поведение.

Муравей, повторим, — это один из основных «источников вдохновения» в исследованиях коллективного поведения. Однако на самом деле муравей — это одни из наиболее неудачных примеров для изучения коллективных форм. Он слишком сложен.

Муравей Итак, что дали 130 млн. лет эволюции этих насекомых (кстати, общая масса которых чуть больше, чем общая масса людей). В качестве примера из известных примерно 8000 видов муравьев рассмотрим наиболее распространенного в наших широтах рыжего лесного муравья из рода Formica. Рыжие лесные муравьи относятся к одной из наиболее прогрессивных групп муравьев. Далее дадим их характеристику в форме краткой справки ([Длусский, 1967], [Захаров, 1978]).

Гнездо. Купол до полутора метров высотой. Состоит из множества секций, камер, служебных и спальных помещений. Численность населения — от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч особей.

Муравьиные тропы. Тропы ведут к кормовым участкам. Тропы ухожены. Протяженность — десятки и сотни метров, ширина — до метра. Такие дороги действуют иногда десятки лет. Совокупность троп составляет охраняемую территорию данного муравейника. Муравьи Formica свои дороги запахом не метят.

Ориентация и память. Муравьи могут ориентироваться по солнцу. Фуражир, идущий в поисках пищи по однородной местности, сохраняет постоянный угол к солнцу. Муравьи удерживают в памяти направление движения по отношению к солнцу не менее 5 дней. Муравьи-охотники ориентируются, запоминая окружающий ландшафт. Муравьи способны запомнить относительное расположение каких-либо выдающихся предметов в ландшафте (камней, палочек и т. д.) и выстраивают свой маршрут по этим ориентирам.

Центральная нервная система (ЦНС). ЦНС состоит из ряда ганглиев, связанных между собой. Наиболее важной частью является надглоточный ганглий, или «мозг» муравьев, в котором образуются временные связи. Временные связи образуются у муравьев в грибовидных телах, являющихся аналогом коры головного мозга позвоночных. Размеры грибовидных тел муравьев связаны со способностью различных видов к образованию условных рефлексов. У рабочих Formica грибовидные тела составляют ½ объема мозга (у пчелы, например, грибовидные тела составляют всего 1/15 размеров мозга, несмотря на то, что мозг их относительно больше).

Всего нервная система муравья содержит порядка 1 млн нейронов (из них собственно в мозгу — надглоточном ганглии) — порядка 500 тыс.шт. Мозг муравья — это примерно 6% от общего веса тела насекомого (у человека это соотношение всего 2%).

Судя по всему, муравьи обладают фотографической памятью, которая помогает им ориентироваться в пространстве.

Рис. 7. Муравей рода Formica

1 — глотка; 2 — пищевод; 3 — ядовитая железа: 4 — надглоточный ганглий; 5 — подглоточный ганглий; 6 — грудные нервные узлы; 7 — брюшная нервная цепочка.

Сенсоры. Запах и органы вкуса. Восприятие запаха для них составляет особое стереохимическое чувство. У насекомых чувствительные клетки, воспринимающие запах, расположены не внутри тела, как у позвоночных, а преимущественно на жгутиках усиков, т. е. на подвижных органах, на некотором расстоянии от оси тела. Каждый усик может двигаться, так что запах насекомые воспринимают вместе с пространством и направлением, для них это одно единое чувство. Впрочем, некоторые опыты опровергают эту способность определения направления следа.

Органы вкуса муравьев также расположены на жгутиках усиков, на нижней губе.

Зрение. Область точного зрения муравья не превышает 1−2 см. При этом, как и большинство «простейших», муравьи видят прежде всего не форму, а движение и цвет. Сами органы зрения представлены большими фасеточными глазами и тремя простыми глазками, функция которых пока не очень ясна.

Слух. Раздражением, вызывающим слуховые восприятия, по-видимому, является не изменение давления, а скорость движения молекул, максимальная в центре волн. Полагается, что звук для муравьев не играет существенной роли.

Деятельность муравьев. Перечислим кратко лишь некоторые наиболее интересные виды:

Разведение тлей. Выделения тлей (падь) служат для муравьев источником богатой углеводами пищи. При этом муравьи активно заботятся о тлях: защищают от вредителей, переносят на наиболее подходящие участки растения и проч.

Собирательство. У муравьев некоторых видов заметную долю кормов составляют семена различных трав. Муравьи собирают их и хранят в специальных сухих хранилищах своих гнезд.

Охота и агрокультура. Амазонские муравьи умеют строить ловушки для насекомых гораздо более крупных, чем они сами. Другие амазонские муравьи, живущие в стволах деревьев определенного вида, убивают ростки прочих растений, впрыскивая в их листья муравьиную кислоту. Таким образом муравьи дают свободно разрастаться деревьям, в которых живут.

Выращивание грибов. Муравьи некоторых видов устраивают в своих муравейниках грибные плантации для снабжения высококалорийной белковой пищей.

Охрана своих плантации от вредителей и паразитов. Для борьбы с грибками-паразитами муравьи используют мощные узкоспециализированные антибиотики.

Взаимодействие муравьев.

Внутрисемейное взаимодействие. Основные каналы взаимодействия между особями — это пищевой и сигнальный. Муравьи регулярно обмениваются пищей — кормят друг друга (т.н. трофаллаксис). Одна из форм трофаллаксиса — взаимное облизывание. При этом происходит обмен ферментами. Изменения содержания различных ферментов в пищевой цепи может ускорить или, наоборот, замедлить рост и развитие молоди, стимулировать взрослых муравьев к переходу в ту или иную профессиональную (функциональную) группу. Недостаточная мощность пищевого потока означает голодание семьи и стимулирует фуражиров на поиск добычи.

Социальное поведение.

Профессии и психологические склонности. По мере роста муравьиной общины разделение функций становится все более глубоким: число профессий рабочих муравьев возрастает, а специализация каждой особи сужается (в мирмекологи это называется полиэтизмом). Основами для специализации рабочих муравьев стали их физиологическое состояние и психические наклонности. Например, более инициативные, с быстрой реакцией муравьи становятся разведчикам или охотниками, крупные — солдатами, а особи, имеющие замедленную реакцию и минимум любознательности, — обслуживающими рабочими и фуражирами. Это — т.н. кастовый полиэтизм.

Однако, и это представляется чрезвычайно важным, муравьи способны менять профессии. Например, при гибели значительной части муравьев-фуражиров, оставшиеся рабочие внутригнездовые муравьи берут на себя их работу (наблюдалось так же, как муравей-охотник неуклюже и весьма неуверенно выполняет функции няньки).

Обучение и профессиональный рост. В семье одновременно присутствуют особи нескольких поколений, при взаимодействии которых происходит обучение начинающих фуражиров более опытными. Например, каждый фуражир начинает свою внегнездовую деятельность на периферии охраняемой территории семьи. В дальнейшем он постепенно переходит на все более близкие к гнезду индивидуальные поисковые участки, а заканчивается этот путь на куполе, где муравей несет службу в качестве наблюдателя. Это — вершина «профессиональной карьеры» муравья.

В основе способности муравьев к обучению лежит хорошая память. В процессе обучения большое значение имеют реакции подражания.

Механизмы социального образования. Обмены. Основным признаком «свой-чужой» для муравьев является запах. Если же сообществу приходится делиться на обособленные группы (колонны, колонии, федерации, о чем будет сказано далее), то трофаллаксис перестанет играть свою роль. И тогда начинает работать механизм обмена — важнейшая для поддержания целостности семьи операция — регулярный обмен личинками, куколками и молодыми рабочими.

Колонны. Крупный муравейник не однороден. По достижении некоторой критической численности, «население» муравейника делится на т.н. колонны — обособленные подгруппы муравьев. У каждой колонны есть своя кормовая дорога, члены каждой колонны живут в своей секции. Будучи обособленными, колонны, тем не менее, не могут не контактировать друг с другом, чтобы не терять своей внутригнездовой общности (признаком которой является запах). Контакты эти осуществляются с помощью обменов.

Поликалия. Для рациональной организации семьи и при перенаселенности гнезда формируется поликалия — обитание одной семьи в нескольких взаимосвязанных гнездах. Помимо основного гнезда муравьи сооружают вспомогательные, причем выполняющие различные функции: микрогнезда (укрытия от непогоды, т.н. «станции» и «павильоны»); кормовые почки (летом в них обитают до нескольких тысяч фуражиров и строителей).

Колонии. Поликалия не спасает от перенаселения. И тогда естественным ходом событий становится почкование муравейника. В результате почкования возникает новое образование — колония, состоящая из материнского и одного или нескольких дочерних муравейников. Семьи, входящие в одну колонию, связаны дорогами, по которым производятся обмены (специальные обменные дороги). Именно благодаря обменам сохраняется в течение длительного времени особые лояльные, т.н. колониальные отношения между муравейниками. Интересно, что дочерние колонии платят «дань» — часть пищи отправляется в материнское гнездо.

Федерации. Образование колоний, — это не последняя вершина организационной структуры муравьиного сообщества. Длительный процесс образования отводков (колоний) ведет в конечном счете к перенаселению. И тогда формируются федерации — своего рода панмуравейник. Если в отдельной семье или колонии социальная регуляция колонн или входящих в колонию муравейников возникает как механизм, обеспечивающий общий рост населения, то задача федерации — ограничение общей численности муравьев в системе. Результатом регуляции в федерации является сохранение основных структурных единиц.

Федерация — высшее достижение социальной организации у муравьев. Устойчивость федерации значительно выше, чем обособленной колонии. Причем все это достигается одними и теми же средствами — обменами.

Механизмы реализации Рассмотрим далее некоторые возможные механизмы, могущие лежащие в основе моделей деятельности муравьев.

Допущение об инстинктивных реакциях. При этом подходе считается, что муравьи по отдельности и колонии в целом описываются лишь жесткими инстинктами. Однако в «чистом виде» реализация любого инстинктивного поведения сводится к тому, что в памяти живого существа или технического устройства в том или ином виде должно находиться нечто подобное таблице соответствий, содержащей пары «ситуация — реакция на ситуацию». Очевидно, что подобного рода стимул-реактивная структура пригодна лишь для решения простейших задач. Реальные ситуации, большой поток разнообразной входной информации и сложные поведенческие акты требуют очень большого объема подобного рода информационных структур. При этом различного рода «обобщения» входных сигналов так же не спасают положения, особенно когда мы говорим о тех же муравьиных сообществах.

Распределенный мозг. Весьма экзотической теорией, пытающейся объяснить механизм управления муравьиным сообществом, является теория распределенного мозга [Луговской, 2007]. Согласно этой теории, в муравьином сообществе существуют носители этого «распределенного мозга» — т.н. «ленивые» муравьи. Феномен «ленивых» муравьев заключается в том, что около 20% муравьиной семьи не принимает участия в трудовой деятельности. При этом ссылаются на эксперимент, проведенный в Стэнфордской лаборатории известного физика, лауреата Нобелевской премии И. Пригожина, который занимался проблемами самоорганизации и коллективной деятельности. В этом эксперименте муравьиную семью разделили на две части: в одну вошли только «ленивые» муравьи, а в другую — «работники». Через некоторое время выяснилось, что качественный состав семей выровнялся: в семье «ленивых» муравьев только каждый пятый остался «ленивым», а остальные стали активно работать. В семье же «работников» та же пятая часть стала «ленивыми», а остальные остались «работниками». Из этого делался вывод, что, по-видимому, в каждой семье часть ее членов делегируется для хранения особо важных сегментов распределенного мозга. При этом по структуре и строению нервной системы «ленивые» муравьи не отличаются от обычных. Механизм же коммуникации внутри распределенного мозга и между мозгом и прочими членами социума является совершенно неизученным.

Центральные моторные программы. На самом деле, вместо моделирования целого ансамбля из 1 млн. нейронов можно реализовать ограниченное количество функциональных блоков (подсистема распознавания, ориентации, коммуникации, обучения, выполнения действий и т. п.). Дело не в формировании из этих блоков или подсистем хорошо известной структуры интеллектуального робота. Речь идет о реализации идеи многоуровневого иерархического управления. Эта идея применительно к построению движений была сформулирована Н. А. Бернштейном (пирамидная двигательная система) еще в 30−40-е гг. прошлого века ([Бернштейн, 1997]). По такому же принципу, используя хорошо изученный нейрофизиологами механизм центральных моторных программ, можно строить и системы управления роботами [Карпов, 2007], [Добрынин и др., 2007].

В этом случае вместо реализации всей совокупности нейронов можно обойтись моделированием целых их фрагментов и областей.

Кроме того, даже такие аспекты, как психологические особенности поведения муравья также могут быть промоделированы достаточно простыми средствами, что было подтверждено рядом экспериментов ([Карпов, 2010]).

Так что в этом смысле создается впечатление, что построение модели муравья — это достаточно реальная выполнимая задача. Правда, в результате мы получим в лучшем случае более или мене адекватную модель особи, а вопросы реализации механизма социального поведения, образования сложных социальных форм и т. п. останутся все равно открытыми.