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Lernen Sie die kybernetische Schildkröte kennen, den Vorgänger von Roomba

Mit nur einer Fotozelle, einem Berührungssensor und zwei elektronischen Lampen ahmte die Roboterschildkröte die Bewegungen realer Tiere nach



Der Neurophysiologe Gray Walter stellte diese kybernetische Schildkröte zusammen, um die Gehirnfunktionen zu erklären. Im

Stammbaum der Roboter waren die Vorfahren von Roomba wahrscheinlich Elmer und Elsie, ein Paar kybernetischer Schildkröten, die 1940 vom Neurophysiologen Gray Walter erfunden wurden . Roboter konnten dank einer rotierenden Fotozelle „sehen“, die sie zu einer Lichtquelle lenkte. Wenn das Licht zu hell wurde, zogen sie sich zurück und begannen, die Umgebung in eine andere Richtung zu erkunden. Bei der Kollision mit einem Hindernis ließ der Berührungssensor die Schildkröten zurückkehren und die Richtung ändern. So erkundeten Elmer und Elsie ihre Umgebung.

Walter war einer der ersten Forscher in der Elektroenzephalographie (EEG) - einer Technik zum Ablesen der elektrischen Aktivität des Gehirns mithilfe von an der Kopfhaut befestigten Elektroden. Zu seinen bemerkenswerten klinischen Durchbrüchen gehört die erste Diagnose eines Hirntumors durch EEG. 1939 trat er dem neu gegründeten Neurologischen Institut bei. Burden in Bristol, England, als Leiter der Abteilung für Physiologie, und arbeitete dort bis zum Ende seiner Karriere.

Die Norbert Wiener Cyber-Bewegung bringt einen ganzen Zoo kybernetischer Kreaturen hervor


In den späten 1940er Jahren geriet Walter in eine wachsende Gemeinschaft von Wissenschaftlern, die sich für Kybernetik interessierten. Der Begründer dieses Gebiets, Norbert Wiener, definierte Kybernetik als "die wissenschaftliche Untersuchung der Kontrolle und Interaktion in Systemen wie Tieren oder Maschinen". In der ersten Welle der Kybernetik versuchten die Menschen, Maschinen zusammenzubauen, die das Verhalten von Tieren simulieren. Claude Shannon wurde mit einer Robotermaus namens Theseus gespielt, die durch Labyrinthe gehen konnte. William Ross Ashby schuf den Homeostat , ein Gerät, das sich an eingehende Signale anpasst, um in einem stabilen Zustand zu bleiben.

Walters Beitrag zu diesem kybernetischen Zoo war eine elektromechanische Schildkröte, an der er im Frühjahr 1948 in seiner Freizeit zu arbeiten begann. Die ersten Proben waren unelegant. 1951 versammelte U.J. Warren mit dem Spitznamen The Bunny, ein Elektrotechniker am Burden Institute, sechs Schildkröten von besserer Qualität für Walter. Zwei von ihnen wurden Elmer und Elsie - Gray komponierte diese Namen aus ungeschickten Akronymen: ELectro MEchanical Robots, Light Sensitive, mit interner und externer Stabilität [lichtempfindliche elektromechanische Roboter mit externer und interner Stabilität].


Zeitrafferfoto 1950 - Walter raucht, während eine seiner kybernetischen Schildkröten im Wohnzimmer herumläuft

Walter betrachtete Elmer und Elsie Adam und Eva als eine neue Spezies, Machina speculatrix [Mechanismuslernen]. Die wissenschaftliche Bezeichnung spiegelte den Studien- oder Forschungscharakter von Robotern wider. Die Kreaturen hatten eine glatte Schutzhülle und einen verlängerten Hals, also trug Walter sie zur linnischen Familie Testudo, dh zu den Schildkröten. Er erweiterte das Namensschema und benannte die Shannon-Maus, die durch die Labyrinthe, Machina labyrinthia und Ashbys Homöostaten - Homestat Machina sopora (Schlafmechanismus) - ging.

Haben die kybernetischen Schildkröten von Gray Walter freien Willen bewiesen?


Jede Schildkröte bewegte sich auf drei Rädern mit zwei Motoren, von denen einer für die Bewegung und der zweite für die Lenkung verantwortlich war. Das Gehirn bestand aus zwei Elektronenröhren, die laut Walter zwei funktionierenden Neuronen entsprachen.

Trotz der begrenzten Ausrüstung zeigten Schildkröten laut seinen Aussagen freien Willen. In einer Ausgabe von Scientific American vom Mai 1950 beschrieb er, wie eine Fotozelle am Ende des Halses einer Schildkröte die Umgebung nach einer Lichtquelle absucht. Die Fotozelle war mit dem Lenkgetriebe verbunden, und während der Suche bewegte sich die Schildkröte im Kreis. Walter verglich dies mit dem Alpha-Rhythmus der elektrischen Impulse des Gehirns, die durch die visuellen Regionen des Gehirns gehen und gleichzeitig Signale an die Muskeln senden, die sie bewegen.

In dem dunklen Raum wanderte die Schildkröte ziellos umher. Sie fand das Licht und ging direkt zu seiner Quelle. Aber als sie eine bestimmte Helligkeit überschritt, zog sie sich zurück. Mit zwei Quellen bewegte sie sich hier und da zwischen ihnen. "Wie eine Motte, die nach einer Flamme strebt", schrieb Walter über eine Schildkröte, die ihr Verhalten zwischen Suchen und Zurückziehen aus dem Licht änderte.

Die Schildkröte hatte ein eigenes Navigationslicht, das bei der Suche nach einer Lichtquelle eingeschaltet wurde. Anfangs musste nur den Beobachtern mitgeteilt werden, welches Team der Roboter verarbeitet, aber es hatte unerwartete Konsequenzen. Wenn Elmer sich im Spiegel bemerkte, näherte er sich dem Bild, bis das Licht zu hell wurde, und zog sich dann zurück. In einem Buch von 1953, The Living Brain, verglich Walter es mit einer "ungeschickten Narzisse".

Wenn Elmer und Elsie im selben Raum waren und das Licht des anderen sahen, bewegten sie sich auf die Quelle zu und näherten sich, dann drehten sie sich zur Seite, als sie zu nahe kamen. Walter, der das Verhalten von Maschinen leicht in biologischen Begriffen beschrieb, nannte es einen Hochzeitstanz, in dem unglückliche Liebende niemals "ihre" Wünsche verwirklichen "können.



Das Schildkrötenpanzer wurde nicht nur zum Schutz seiner elektromechanischen Innenseiten benötigt. Wenn der Roboter mit einem Hindernis kollidierte, zwang ihn der Drucksensor, den Rückwärtsgang einzuschalten und die Richtung zu ändern. Auf diese Weise konnte der Roboter seine Umgebung untersuchen und tatsächlich blind sein.

M. speculatrix wurde von einer Batterie für ein Hörgerät und einer 6-V-Batterie gespeist. Als sie ihre Abenteuer aufgrund einer durchhängenden Batterie beendete, ging sie zu ihrem Loch. Dort konnte sie sich mit den Kontakten verbinden, die Motoren abstellen und aufladen.

Elmer und Elsie sorgten 1951 beim britischen Festival für Furore


Im Sommer 1951 traten Elmer und Elsie täglich auf der Wissenschaftsmesse des britischen Festivals von 1951 auf. Das Festival fand an verschiedenen Orten im Vereinigten Königreich statt und zog Millionen von Besuchern an. Schildkröten haben immense Popularität gewonnen. Besucher beobachteten ihre neugierigen Handlungen, als sie sich um ihren Korral bewegten, sich auf Lichtquellen zu und von diesen weg bewegten und Hindernissen auf ihrem Weg aus dem Weg gingen. Eine dritte Schildkröte mit einem transparenten Panzer wurde in einer Vitrine ausgestellt, um ihre interne Struktur zu zeigen und für die Komponenten zu werben.

Während M. speculatrix die Öffentlichkeit überraschte, untersuchte Walter die nächste Generation dieser Art. Elmer und Elsie zeigten erfolgreich unvorhersehbares Verhalten, das mit der einfachsten Reaktion von Tieren auf Reize verglichen werden konnte, aber sie waren nicht in Erfahrung geschult. Sie hatten kein Gedächtnis, sie konnten sich nicht an die Umgebung anpassen.

Walter nannte M. docilis seine nächste experimentelle Schildkröte, was auf Lateinisch "trainiert" bedeutet, und versuchte, einen Roboter zu entwickeln, der nach Pawlow konditionierte Reflexe von Tieren imitieren konnte. Der russische Psychologe benutzte Hunde, Futter und Geräusche. Walter benutzte kybernetische Schildkröten, ein Licht und eine Pfeife. Er brachte seinen Schildkröten M. docilis bei, den Klang einer Pfeife genauso wahrzunehmen wie Licht, und die Schildkröte begann sich auch ohne Licht zum Klang zu bewegen.

Walter veröffentlichte seine Ergebnisse zu M. docilis in einem weiteren Artikel für Scientific American, Learning Machine . Der zweite Artikel enthielt viele interessante Dinge für Elektrotechniker, insbesondere Schaltpläne und eine technische Diskussion der Probleme, die bei der Herstellung von Robotern auftreten, beispielsweise die Verstärkung des Pfeifgeräuschs, die aufgrund des Motorengeräuschs erforderlich ist.


Eine der Schildkröten kehrt zum Loch zurück, um die Batterien wieder aufzuladen

Das Gehirn von M. docilis war das CORA-Schema (COnditioned Reflex Analog, „ein Analogon konditionierter Reflexe“), das das wiederholte Eintreffen simultaner Signale auf verschiedenen Kanälen erkannte - zum Beispiel Licht und Ton gleichzeitig. Nachdem CORA eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen von 10 bis 20 Stück festgelegt hatte, stellte sie Verbindungen zu dem resultierenden Verhalten her, das Walter als konditionierten Reflex bezeichnete. CORA konnte sowohl Verhalten lernen als auch es vergessen. Wenn der Bediener die Schildkröte neckte, ohne gleichzeitig mit dem Ton das Licht einzuschalten, beseitigte CORA die hergestellte Verbindung zwischen den Ereignissen.

Am Ende des Artikels räumte Walter ein, dass es zwar realistisch wäre, zukünftige Experimente mit einer großen Anzahl von Schaltkreisen und Eingangssignalen durchzuführen, die Kosten für Komplikationen jedoch eine Verringerung der Stabilität bedeuten würden. Infolgedessen erkannten die Wissenschaftler, dass die Simulation des Verhaltens und das Verstehen von Reaktionen auf mehrere Reize eine zu komplizierte Aufgabe ist.

Nach der Gründung von CORA hörte Walter auf, mit Roboterschildkröten zu experimentieren, und niemand begann, seine Forschungen fortzusetzen. Wie der Historiker Andrew Pickering in seinem 2009 erschienenen Buch Cybernetic Brain feststellte, "bleibt CORA eine unerforschte Ressource in der Geschichte der Kybernetik."

Walters Erbe lebt in seinen Schildkröten. Ruben Hogget hat eine wertvolle Sammlung von Archivinformationen über Walters Schildkröten zusammengestellt, die auf seiner Cybernetics Zoo- Website zu finden sind.". Drei Schildkröten vom britischen Festival wurden versteigert, und ihr neuer Besitzer, Wes Clutterbuck, gab ihnen die Namen Slo, Mo und Shan. Zwei Schildkröten wurden dann durch einen Brand zerstört, aber die mit transparenter Hülle, die Clutterback-Familie, spendete der Smithsonian Institution. Die zweite von Die bis heute überlebenden Schildkröten der ersten sechs, die vom "Hare" von Warren geschaffen wurden, werden im Museum of Science in London aufbewahrt. Jetzt sind sie in der Galerie "Creation of the Modern World" ausgestellt.

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