Khi chiếu đèn pin lên mặt bàn, một robot đồ chơi vội vã chạy trốn khỏi ánh sáng, còn một robot khác lại lao thẳng về phía ánh sáng. Bạn có tin rằng hai robot này có linh kiện giống hệt nhau và chỉ khác ở hướng cắm hai sợi dây điện không? Những cỗ máy đơn giản như vậy, do một nhà khoa học thần kinh nghĩ ra bằng các thí nghiệm trong đầu, được gọi là ‘xe Braitenberg (Braitenberg Vehicles)’.
Nói một cách đơn giản, xe Braitenberg là ‘những robot nhỏ giả tưởng có cảm biến nối thẳng với bánh xe bằng dây điện, và chỉ nhờ cách nối dây mà thể hiện những hành vi như sợ hãi, hung hăng hay yêu thích’. Khái niệm này được nhà khoa học thần kinh kiêm nhà điều khiển học gốc Ý Valentino Braitenberg giới thiệu lần đầu trong cuốn sách Vehicles: Experiments in Synthetic Psychology do Nhà xuất bản MIT phát hành năm 1984.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu bối cảnh ra đời của xe Braitenberg, bốn loại xe và các thuật ngữ chính qua hình minh họa, ứng dụng trong ngành robot và giáo dục, cũng như những suy ngẫm và giới hạn mà thí nghiệm này để lại.
Tính cách sinh ra từ hai sợi dây, xe Braitenberg
1. Bối cảnh ra đời của xe Braitenberg
Braitenberg sinh năm 1926 tại Bolzano, Ý, năm 1968 cùng thành lập Viện Max Planck về Điều khiển học Sinh học ở Tübingen, Đức, và giữ chức đồng giám đốc cho đến khi nghỉ hưu năm 1994. Cả đời nghiên cứu các kết nối thần kinh của não bộ, ông đề xuất rằng thay vì mổ xẻ ngay bộ não phức tạp, ta hãy lắp ráp từng cỗ máy thật đơn giản để suy nghĩ xem hành vi được hình thành như thế nào.
(1) Thí nghiệm dựng trong đầu
Những chiếc xe trong sách không phải là máy móc làm ra trong nhà máy mà là thí nghiệm tưởng tượng. Người đọc nối cảm biến với động cơ trên giấy, hình dung cỗ máy ấy sẽ chuyển động ra sao và đi theo từng bước một.
(2) Xe 1 đơn giản nhất
Chiếc xe đầu tiên có một cảm biến làm quay một bánh xe. Nhiệt độ hay ánh sáng mà cảm biến nhận được càng mạnh thì xe chạy càng nhanh, nên nó lướt nhanh qua chỗ ấm và chậm lại ở chỗ lạnh, như thể nó thích cái lạnh. Nếu ma sát trên sàn không đều, đường đi sẽ lắc lư qua lại, khiến người xem còn cảm thấy một vẻ bồn chồn như đang sống.
(3) 14 loại ngày càng phức tạp
Cuốn sách mở rộng những chiếc xe như vậy lên tổng cộng 14 loại. Các xe đầu chỉ có phản ứng đơn giản như đi theo hoặc tránh ánh sáng, còn càng về sau càng hình dung những cấu trúc mô phỏng các chức năng tâm trí phức tạp hơn như trí nhớ, khái niệm và suy nghĩ.
2. Bốn loại xe và các thuật ngữ chính qua hình minh họa
Xe 2 và xe 3 có cùng một thân xe, với hai cảm biến ở phía trước và hai bánh xe ở phía sau. Chúng chỉ khác nhau ở hai điểm: dây được nối với bánh xe cùng bên hay nối chéo sang bánh xe bên kia, và ánh sáng càng mạnh thì bánh xe quay nhanh hơn hay chậm lại.
- Nối cùng bên (Ipsilateral Connection): cách nối để cảm biến trái điều khiển bánh trái, cảm biến phải điều khiển bánh phải.
- Nối chéo (Contralateral Connection): cách nối dây bắt chéo để cảm biến trái điều khiển bánh phải, cảm biến phải điều khiển bánh trái.
- Kết nối kích thích (Excitatory Connection): kết nối mà kích thích càng mạnh thì bánh xe quay càng nhanh.
- Kết nối ức chế (Inhibitory Connection): kết nối mà kích thích càng mạnh thì bánh xe quay càng chậm.
(1) Xe 2a nhút nhát
Ở chiếc xe nối cùng bên và kích thích, bánh xe gần ánh sáng quay nhanh hơn nên thân xe rẽ sang hướng ngược với ánh sáng. Vì dáng vẻ chạy trốn khỏi ánh sáng, nó được đặt tên là ‘Sợ hãi (Fear)’.
(2) Xe 2b hung hăng
Nếu nối dây chéo nhau, bánh xe ở phía xa ánh sáng sẽ quay nhanh hơn, khiến thân xe quay về phía ánh sáng, càng đến gần càng nhanh và cuối cùng đâm vào nguồn sáng. Vì thế nó được gọi là ‘Hung hăng (Aggression)’.
(3) Người tình và nhà thám hiểm 3a, 3b
Nếu đổi cùng cách nối đó sang kiểu ức chế, xe sẽ chậm dần khi tiến gần nguồn sáng. Xe 3a nối cùng bên dừng lại bên cạnh và hướng mặt về phía ánh sáng nên được gọi là ‘Tình yêu (Love)’, còn xe 3b nối chéo dừng lại quay lưng với ánh sáng rồi rời đi tìm kích thích mạnh hơn nên được gọi là ‘Nhà thám hiểm (Explorer)’.
3. Ứng dụng trong ngành robot và giáo dục
Xe Braitenberg bắt đầu như một thí nghiệm tưởng tượng, nhưng vì linh kiện đơn giản nên rất dễ chế tạo thành robot thật. Chỉ cần hai cảm biến ánh sáng và hai động cơ, nên từ lâu chúng đã được dùng làm bài thực hành đầu tiên trong phòng thí nghiệm và lớp học.
(1) Điểm khởi đầu của robot phản ứng
Cách phản ứng ngay với giá trị cảm biến mà không vẽ bản đồ hay lập kế hoạch rất giống với tư tưởng của ngành robot dựa trên hành vi, chẳng hạn kiến trúc bao hàm (Subsumption Architecture) xếp chồng các hành vi đơn giản thành từng lớp.
(2) Robot mạch tương tự
Các robot tương tự như robot BEAM, chỉ dùng transistor và cảm biến để đi theo ánh sáng mà không cần vi điều khiển, cũng thường dùng cách nối dây này. Dù không có chương trình, chính mạch điện đã tạo ra hành vi.
(3) Giáo dục lập trình và trình mô phỏng
Với bộ robot giáo dục và trình mô phỏng trên máy tính, học sinh thay đổi một dây nối và tự mình thấy hành vi thay đổi ra sao. Một dòng lệnh đưa giá trị cảm biến trái vào động cơ phải chính là một kết nối chéo.
4. Những suy ngẫm và giới hạn mà xe Braitenberg để lại
Người xem những chiếc xe này thường nói rằng nó sợ, nó giận hay nó phải lòng. Nhưng bên trong xe không có cảm xúc hay mục tiêu nào, chỉ có vài sợi dây điện. Chính từ khoảng cách này, Braitenberg đã rút ra một bài học quan trọng để hiểu về hành vi.
(1) Phân tích lên dốc, phát minh xuống dốc
Cuốn sách nêu ý tưởng ‘định luật phân tích lên dốc và phát minh xuống dốc (Law of Uphill Analysis and Downhill Invention)’. Chỉ nhìn hành vi bên ngoài mà tìm ra cấu trúc bên trong thì khó như leo dốc, còn tự tay tạo ra một cấu trúc đơn giản lại có thể dễ dàng thu được những hành vi đáng ngạc nhiên như đi xuống dốc.
(2) Tâm trí do người quan sát gán cho
Những cái tên như sợ hãi hay tình yêu không phải do chiếc xe đặt ra mà do người quan sát gán cho. Điều này cho thấy thói quen của con người là đọc ra ý định và cảm xúc ngay cả trong những chuyển động đơn giản.
(3) Giới hạn của sự đơn giản
Cách nối thẳng cảm biến với bánh xe không thể lập kế hoạch đường đi trong môi trường thực có nhiều chướng ngại vật hoặc mục tiêu thay đổi. Vì vậy, robot ngày nay bổ sung các chức năng như lập bản đồ và lập kế hoạch đường đi lên trên lớp phản ứng này và dùng chúng cùng nhau.
Rốt cuộc, điều mà xe Braitenberg cho thấy là hành vi trông phức tạp không nhất thiết phải xuất phát từ một bộ óc phức tạp. Ý nghĩ đơn giản rằng chỉ một hướng nối dây cũng có thể thay đổi tính cách, đó chính là bước đầu tiên để hiểu về xe Braitenberg.
