Робототехника — одна из самых сложных областей инженерии, и не только потому, что в простой руке робота используется множество сервоприводов и электронных устройств. Ее сложность связана с тем, что траектории движения подвижных частей робота определяются путем сложных математических расчетов. В некоторых случаях все расчеты выполняются в искусственном мозге робота, состоящем, подобно мозгу высших живых организмов, из нейронных сетей. Но в случае с роботами речь идет об искусственных нейронах.

Схематичное изображение нейрона человеческого мозга.

Понятия «нейронная сеть» и «искусственный нейрон» появились не так давно, и эйфория по отношению к ним уже не раз сменялась разочарованием. Эти понятия возникли как составляющие алгоритма Threshold Logic Unit (блок пороговой логики), который был предложен Уорреном Маккалоком и Уолтером Питтсом в 1940-е годы и имел большой успех. Искусственный нейрон, по сути, представляет собой инкапсуляцию указанного алгоритма. Специалисты описывают искусственный нейрон следующим образом:

На обычном языке это означает: нейрон возбуждается тогда и только тогда, когда стимул, то есть сумма произведений (X_i∙Вес_i), превышает определенное пороговое значение.

Как вы можете видеть, нейрон крайне прост, поскольку требует лишь нескольких арифметических действий и одну операцию сравнения. Простота искусственных нейронов способствовала их реализации в микрочипах. К концу 90-х годов стала возможной полная реализация искусственных нейронных сетей исключительно в аппаратном обеспечении. Сегодня эти микрочипы используются при изготовлении электронных прогнозных устройств, к примеру, приборов, позволяющих определить причину недомогания плачущего ребенка.

Искусственный нейрон функционирует аналогично естественному. Но основная сложность нейронных сетей заключается в двух элементах, которые должны согласовываться между собой. Именно от них зависит, сможет ли нейронная сеть делать более или менее точные прогнозы. Эти два элемента — вес входных сигналов и пороговое значение. Трудоемкая корректировка этих значений, по результатам которой для ряда входных значений нейрон должен выдавать желаемое выходное значение, называется обучением. Прорыв в обучении нейронов совершил Фрэнк Розенблатт в конце 1950-х, предложив модель нейрона, способного корректировать веса и пороговое значение. Модель Розенблатта получила название перцептрон.

С точки зрения биологии реальный нейрон ведет себя почти так же: каждый нейрон имеет множество входов, куда поступают электрические сигналы от других нейронов (соединения между нейронами называются синапсами), затем определяется, превышают ли эти стимулы порог чувствительности. При этом следует учитывать, что некоторые синапсы важнее других (важность синапсов описывается с помощью весов, о которых мы упоминали выше). Если порог чувствительности превышен, то по аксону проходит электрический сигнал (в случае с искусственным нейроном аналогом этого сигнала будет выходное значение).

Перцептрон оказался полезным при прогнозировании: он способен предсказать, к какому классу принадлежит заданная выборка. Классическим примером является задача о растениях рода ирис, в которой рассматриваются выборки трех видов: ирис щетинистый (Iris setosa), ирис разноцветный (Iris versicolor) и ирис виргинский (Iris virginica). Каждая выборка описывается четырьмя параметрами: длиной и шириной лепестков, длиной и шириной чашелистиков. Цель задачи — определить, к какому виду принадлежат растения из новой выборки. Для решения будем использовать три перцептрона, каждый из которых настроен на обнаружение одного из трех видов. Таким образом, если новая выборка содержит растения вида ирис щетинистый, то всего один перцептрон вернет значение 1, два других — 0.