«Новая парадигма науки – это информационно-вычислительный натурализм»

26 апреля 2016

Владимир Заборовский, директор Института компьютерных наук и технологий

– Владимир Сергеевич, что будет происходить с наукой в ближайшем будущем?
– Согласно прогнозам известного футуролога Рэя Курцвейла, «точка сингулярности» науки стремительно приближается. Он считает, что к 2040 гг. технический прогресс станет настолько быстрым и сложным, что может оказаться недоступным для понимания. Думаю, что это не так. Человечество справится с новым вызовом, так как наука – это, прежде всего, умение упростить изучаемые явления так, чтобы их описание можно было свести к числам. Например, в классической механике – царице точных наук XIX века – с этой целью пренебрегают влиянием внешней среды на процессы движения. Именно числа, обладающие, с одной стороны, величиной, а с другой – размерностью, освобождают нас от груза деталей происходящего. В парадигме классической науки энергия, материя, пространство являются основными понятиями, с помощью которых можно достаточно точно описать свойства реальности. Но в перечне понятий науки XX века появляется такое понятие, как информация, и атрибут «движения» информации – вычисления. Хотя физическое мировоззрение и начинается с чисел, но оно не останавливается на них. Вероятно, что развитие науки будет происходить в рамках новой парадигмы, которую можно назвать информационно-вычислительным натурализмом. Суть нового подхода к изучению природы в том, что первичным атрибутом как живой, так и неживой материи выступает информация, высшей или интеллектуальной формой организации которой являются знания. Считаю, что именно информация и интеллект станут объектом и предметом изучения киберфизики, которую, следуя Ньютону, можно назвать «цифровой натуральной философией» или просто цифровой физикой.

– Вы имеете в виду тотальную оцифровку всего?
– Я имею в виду не только оцифровку данных и управление процессами с помощью компьютеров. Основную идею цифровой физики Л. Краусс сформулировал так: «мы используем числа, чтобы сделать вещи не сложнее, чем они должны быть». Натурализм, как его понимают киберфизики, означает, что все окружающие нас предметы являются носителем информационных характеристик, которые на различных масштабах рассмотрения объектов могут быть закодированы с помощью некоторой конечной последовательности символов – алфавита. Хотя сами коды инвариантны к носителям, но информационные характеристики могут изменяться в результате процессов, которые, по своей сути, есть процессы преобразования символов, т. е. вычисления. Классический пример символьных «натуральных» вычислений – это так называемые молекулярные вычисления или ДНК-вычисления, алфавит которых, кстати, «четырехбуквенный». Результатом таких вычислений является структура белковой молекулы, то есть результаты вычислений могут быть не абстрактными символами или текстами, а новыми материальными объектами. Подобно тому как современные инженеры конструируют новые машины с помощью «вычислительных машин» – компьютеров, так и природа создает новые материальные объекты с помощью природных вычислителей – квантовых компьютеров. Объяснять природные явления с помощью информационно-вычислительных процессов – это и есть задача «цифровой» науки XXI века.

– Это возможность нового творения во всем?
– В принципе, ответ – да. Конечно, на этом пути нас могут поджидать различные опасности. Футурологи пугают нас тем, что как только в результате информационно-вычислительной революции будет создан искусственный интеллект, который по своим физическим, техническим и ресурсным возможностям превзойдет мозг отдельного человека и человечества в целом, наша цивилизация может потерять контроль над развитием технологий и станет лишним звеном в эволюции природы. Думаю, что все гораздо сложнее и имеет много граней. Интеллект, как утверждают ученые, можно поделить на целых 12 подвидов, и если нам с помощью компьютеров и удастся создать «логический» или «математический» его подвиды, то внутриличностный или интуитивный интеллект компьютерам точно не будет смоделирован еще много лет. Так что до создания «искусственного творца» еще очень далеко.

– Если брать более близкий горизонт, какие радикальные изменения в нашей жизни можно предсказать в течение 5–20 лет?
– Пять лет. Синтез компьютерных моделей с наблюдаемой физической реальностью имеет основополагающее значение для создания интернет-вещей или сети Internet оf everything. Думаю, что уже скоро окружающая нас реальность превратится в единую информационно связанную целостную систему. Человек станет «сетецентрическим» существом и будет строить «траекторию своего движения» в мире интернет-вещей, опираясь не только на свои органы чувств, но и получая информацию из глобальной информационной сети, в которой субъектами-акторами будут различные сенсоры и технические системы. Повседневное поведение и стратегия жизни в целом кардинально изменятся, так как будут основаны на предсказательном моделировании последствий принимаемых решений, которое подготовит наш ум к различным неожиданностям, расширяя возможности интуиции и объем тезауруса.

– Расскажите, пожалуйста, о примерах передовых разработок в Вашей сфере в России.
– Если считать, что институт компьютерных наук занимается и киберфизикой, то можно выделить несколько очень привлекательных областей исследований, где наиболее наглядно проявляются новые тенденции. Одна из таких сфер – это робототехника и особенно ее использование в рамках космических технологий. В современной наукометрике есть 9 уровней для оценки готовности технологий. На самом верху, на 9 уровне, находятся технологии, готовые к демонстрации в окончательном виде при «летных» испытаниях. Поэтому я бы упомянул о завершенном в конце прошлого года космическом эксперименте в области робототехники, который проводился на борту российского сегмента международной космической станции (МКС). Этот космический эксперимент непосредственно связан с робототехникой как отраслью знаний и технологий, которая в ближайшей перспективе может существенно изменить облик экосистемы Земли и других планет.

– То есть ее можно будет масштабировать?
– Да. Конкретный эксперимент был связан с фантастической задачей, а именно отработкой технологий проведения с помощью роботов операций, которые потребуются при создании на поверхности этих планет различных объектов, в том числе и обитаемых баз. Однако полученные результаты и апробированные технологические решения носят «сетецентрический» характер, поэтому их можно легко масштабировать для различных применений. Но все-таки расскажу о конкретном эксперименте. Понятно, что простые транспортные операции были отработаны давно. Были советские луноходы, американцы ездили по поверхности Луны на автомобилях. Но если мы хотим создать промышленную инфраструктуру на поверхности планеты (в данном случае Луны), то список операций должен быть существенно расширен. Неясно, кто и как будет выполнять сложные механические, транспортные, логистические операции при создании Лунной базы. Человек в скафандре? Это неудобно, очень дорого и, вообще, вряд ли человек сможет сделать что-то толковое, когда будет работать в таких экстремальных условиях. Мы считаем, что все это должны делать роботы, но… под пристальным контролем человека. Естественно, возникает вопрос, какой технологией воспользоваться, чтобы контролировать робота, но при этом давать ему возможность автономно функционировать в рамках некоторого сценария. Нами отработана следующая идея: с борта орбитальной станции космонавты, которые, кстати, в случае эксперимента на МКС летят относительно поверхности Земли со скоростью 8 километров в секунду, по каналам компьютерной сети (условно, космическому Интернету) связаны с роботами, которые выполняют заданные операции. При этом космонавт с борта орбитальной станции может наблюдать и контролировать результаты и задавать роботу новые задания. Проводимый эксперимент носит название «Контур». Всего таких экспериментов было два («Контур-1» – в 2009–2011 гг., «Контур-2» – в 2011–2015 гг.). Сейчас планируем новый эксперимент – «Контур-3». Получены уникальные результаты как в области робототехники, так и компьютерных наук, а некоторые операции с такой точностью и ловкостью проведены впервые в мире.

– Это же, в принципе, было доступно и раньше, чтобы роботы выполняли какие-то определенные операции. В чем принципиальная разница?
– Принципиальная разница в следующем: если вы полностью контролируете все операции роботов – это телеуправление, и отвечает за результат человек-оператор. Но если вы даете роботу задание, а он уже на основе своей сенсорной информации и «модели мира» выполняет эту операцию и докладывает вам, что, например, электрический кабель состыкован, аварийная лампочка погашена, то это уже «искусственный интеллект». Если, например, роботу не подойти к выключателю, то он «вычисляет» траекторию движения с учетом информации о препятствии, а если ресурсов не хватает, то может отказаться выполнять команду или потребовать в помощь еще одного робота. У роботов, которые работают в сетевой среде, появляется как бы дополнительная степень свободы, они могут обратиться за помощью к другому роботу, смоделировать ситуацию с использованием подключенного к сети суперкомпьютера или послать запрос к человеку-оператору, чтобы он «взял управление на себя». Роботам в эксперименте «Контур-3» надо будет давать задание на уровне описания целей, а как эту цель достигнуть, как «рассчитать» оптимальную траекторию движения – это робот и его виртуальный аватар должны решать сами. В этом и заключается «принципиальная разница»: наделяя роботов возможностями «вычислять» решения, взаимодействуя с оператором или суперкомпьютером, мы открываем новую страницу в развитии робототехники. Роботы как киберфизические системы уже не являются набором отдельных мехатронных устройств, а робототехника XXI века – это сетецентрическая технология «интернет-вещей», в рамках которой все объекты связаны между собой информационными потоками, имеют общую модель мира и согласованные интерфейсы взаимодействия.

– Я не раз слышал мнение, что по робототехнике Россия упустила ситуацию, абсолютно отстала. Если пофантазировать, на этом реально создать новую отрасль промышленности?
– Абсолютно. Хотя отрасль промышленности – это бизнес, а мы сейчас говорим о науке. Между бизнесом и наукой, конечно, есть дистанция, которую помогают преодолеть «бизнес-ангелы». Все разработки в области компьютерных программ и алгоритмов управления роботами с борта МКС были выполнены в России. Уверен, что у наших специалистов и ученых большие «киберфизические» перспективы.
Думаю, в скором времени использование сетецентрических технологий в робототехнике может стать обыкновенным бизнес-проектом: например, создание автомобилей, способных передвигаться в городе без водителей. Кстати, такие работы мы проводим уже несколько лет совместно с лидерами автомобильной индустрии, например компанией «Форд Моторс».

– Думаете, что в России это тоже возможно?
– Надо думать о подготовке кадров, снижении затрат на разработку и развитии инфраструктуры. Думаю, что если бы зарплата водителя троллейбуса была соизмерима со стоимостью робота, то роботы бы давно заменили этих водителей. Сейчас пока это не так, но алгоритмы разрабатываются, стартовая концепция определена, и альтернатив этому направлению развития технологий нет. Кстати, движение в сторону снижения стоимости разработок в области робототехники можно начинать с развития индустрии развлечений. Все, что связано с сетецентрическими облачными приложениями, – это поле для интеллектуального Lego 2.0. Все роботы, которые сейчас продаются в магазинах для детей, легко превращаются в игровые среды, которыми можно управлять через Интернет. Каждый ребенок – это потенциальный инвестор в робототехнику XXI века. Конечно, такой бизнес требует надежного и безопасного программного обеспечения, эффективных технологий поддержки и развития. Мы пока этим не занимаемся, но можем любому помочь это сделать.

– Как я понимаю, у Вас достаточно оптимистичный взгляд на то, что сейчас происходит в российской науке?
– Слово «оптимизм» очень многозначное. Я считаю, что если говорить о научных задачах и приоритетах в технологиях, то принципиальных барьеров не существует. Проблемы организационные и финансовые, конечно, никто не отменял.

– Но позитивный тренд Вы все-таки наблюдаете?
– Конечно. Я считаю, что все достаточно динамично развивается. Я вам могу сказать, что не только в сфере робототехники, но и в области вычислительных технологий, а также в сфере применения суперкомпьютеров для инженерных и научных вычислений. Думаю, что «точка сингулярности» здесь наступит тогда, когда в сети Интернет «заработают» настоящие квантовые компьютеры. Увы, мы пока не понимаем, как можно создать универсальные квантовые компьютеры, которые легко программировать и легко управлять. Кстати, сама идея квантового компьютера восходит к российскому математику Манину, который в 1980 году сказал о том, как, в принципе, можно использовать свойства квантовых объектов для вычислений, а американский физик Фейнман в 1982 году предложил некоторую модель квантовых вычислений. Проблема в том, что квантовая логика отличается от логики работы современных компьютеров, поэтому, даже создав квантовый компьютер, мы не сможем просто переписать в него существующее программное обеспечение. Так что работы в области компьютерных наук предстоит много. Сегодня все прототипы квантовых вычислителей работают при температуре около 0 градусов Кельвина (то есть вычисления происходят в холодильнике при температуре в районе -273 градусов Цельсия). Забавно, если современный супервычислитель – это, скорее, компьютер-печка, то квантовый компьютер больше похож на компьютер-холодильник. Мы же работаем над тем, чтобы квантовый компьютер мог работать при комнатной температуре. Замечу, таких «комнатных» технологий квантовых вычислений в мире никто не предлагает, кроме нас.

Источник: Портал «Стратегия научно-технологического развития России»

Теги: Стратегия наука технологии инновации точка сингулярности робототехника