У искусственного интеллекта проблемы с языком

Понимающие язык машины были бы очень полезны. Но мы не знаем, как их построить.

Об иллюстрациях к статье: одной из трудностей понимания языка компьютерами является то обстоятельство, что часто значение слов зависит от контекста и даже от внешнего вида букв и слов. В приведённых в статье изображениях несколько художников демонстрируют использование различных визуальных намёков, передающих смысловую нагрузку, выходящую за пределы непосредственно самих букв.

В разгар напряжённой игры в го, шедшей в Сеуле в Южной Корее между Ли Седолем, одним из лучших игроков всех времен, и программой AlphaGo, ИИ, созданным в Google, программа сделала загадочный ход, продемонстрировавший её вызывающее оторопь превосходство над человеческим соперником.

На 37-м ходу AlphaGo решила положить чёрный камень в странную на первый взгляд позицию. Всё шло к тому, что она должна была потерять существенный кусок территории – ошибка начинающего в игре, построенной на контроле за пространством на доске. Два телекомментатора рассуждали о том, правильно ли они поняли ход компьютера и не сломался ли он. Оказалось, что, несмотря на противоречие здравому смыслу, 37-й ход позволил AlphaGo построить труднопреодолимую структуру в центре доски. Программа от Google по сути выиграла игру при помощи хода, до которого не додумался бы ни один из людей.

Победа AlphaGo ^[1] впечатляет ещё и потому, что древнюю игру го часто рассматривали как проверку на интуитивный интеллект. Правила её просты. Два игрока по очереди кладут чёрные или белые камни на пересечения горизонтальных и вертикальных линий доски, пытаясь окружить камни противника и удалить их с доски. Но хорошо играть в неё невероятно сложно.

Если шахматисты способны просчитывать игру на несколько шагов вперёд, в го это быстро становится невообразимо сложной задачей, кроме того, в игре не существует классических гамбитов. Также нет простого способа измерения преимущества, и даже для опытного игрока может быть сложно объяснить, почему он сделал именно такой ход. Из-за этого невозможно написать простой набор правил, которому бы следовала программа, играющая на уровне эксперта.

AlphaGo не учили играть в го. Программа анализировала сотни тысяч игр и играла миллионы матчей сама с собой. Среди различных ИИ-техник, она использовала набирающий популярность метод, известный, как глубокое обучение. В его основе — математические вычисления, метод которых вдохновлен тем, как связанные между собой слои нейронов в мозгу ^[2] активируются при обработке новой информации. Программа учила сама себя за многие часы практики, постепенно оттачивая интуитивное чувство стратегии. И то, что она затем смогла выиграть у одного из лучших игроков го в мире, является новой вехой в машинном интеллекте и ИИ.

Через несколько часов после 37-го хода AlphaGo выиграла игру и стала лидировать со счётом 2:0 в матче из пяти игр. После этого Седоль стоял перед толпой журналистов и фотографов и вежливо извинялся за то, что подвёл человечество. «Я потерял дар речи»,- говорил он, моргая под очередями фотовспышек.

Удивительный успех AlphaGo показывает, какой прогресс был достигнут в ИИ за последние несколько лет, после десятилетий отчаяния и проблем, описываемых, как «зима ИИ». Глубокое обучение позволяет машинам самостоятельно обучаться тому, как выполнять сложные задачи, решение которых ещё несколько лет назад нельзя было представить без участия человеческого интеллекта. Робомобили уже маячат на горизонте. В ближайшем будущем системы, основанные на глубоком обучении, будут помогать с диагностикой заболеваний и выдачей рекомендаций по лечению.

Но несмотря на эти впечатляющие подвижки одна из основных возможностей никак не даётся ИИ: язык. Системы вроде Siri и IBM Watson могут распознавать простые устные и письменные команды и отвечать на простые вопросы, но они не в состоянии поддерживать разговор или на самом деле понимать используемые слова. Чтобы ИИ изменил наш мир, это должно поменяться.

Хотя AlphaGo не разговаривает, в нём есть технология, способная дать лучшее понимание языка. В компаниях Google, Facebook, Amazon и в научных лабораториях исследователи пытаются решить эту упрямую проблему, используя те же инструменты ИИ – включая глубокое обучение – что отвечают за успех AlphaGo и возрождение ИИ. Их успех определит масштабы и свойства того, что уже начинает превращаться в революцию ИИ. Это определит наше будущее – появятся ли у нас машины, с которыми будет легко общаться, или системы с ИИ останутся загадочными чёрными ящиками, пусть и более автономными. «Никак не получится сотворить человекоподобную систему с ИИ, если в её основе не будет заложен язык,- говорит Джош Тененбаум [Josh Tenenbaum], профессор когнитивных наук и вычислений из MIT. – Это одна из самых очевидных вещей, определяющих человеческий интеллект».

Возможно, те же самые технологии, что позволили AlphaGo покорить го, позволят и компьютерам освоить язык, или же потребуется что-то ещё. Но без понимания языка влияние ИИ будет другим. Конечно, у нас всё равно будут нереально мощные и интеллектуальные программы вроде AlphaGo. Но наши отношения с ИИ будут не такими тесными, и, вероятно, не такими дружественными. «Самым главным вопросом с начала исследований было „Что, если бы вы получили устройства, интеллектуальные с точки зрения эффективности, но не похожие на нас с точки зрения отсутствия сочувствия тому, кто мы есть?“ – говорит Терри Виноград [Terry Winograd], заслуженный профессор Стэнфордского университета. „Можно представить машины, основанные не на человеческом интеллекте, работающие с большими данными и управляющие миром“.

Говорящие с машинами

Через пару месяцев после триумфа AlphaGo я отправился в Кремниевую Долину, сердце бума ИИ. Я хотел встретиться с исследователями, достигшими заметного прогресса в практических применениях ИИ и пытающимися дать машинам понимание языка.

Я начал с Винограда, живущего в пригороде на южном краю Стэнфордского кампуса в Пало-Альто, недалеко от штаб-квартир Google, Facebook и Apple. Его кудрявые седые волосы и густые усы придают ему вид почтенного учёного, и он заражает своим энтузиазмом.

В 1968 Виноград сделал одну из ранних попыток научить машины разговаривать. Будучи математическим вундеркиндом, увлечённым языком, он приехал в новую лабораторию MIT по изучению ИИ получать учёную степень. Он решил создать программу, общающуюся с людьми через текстовый ввод на повседневном языке. В то время это не казалось такой дерзкой целью. В разработке ИИ были сделаны очень большие шаги и другие команды в MIT строили сложные системы компьютерного зрения и роботизированных манипуляторов. „Было чувство неизвестных и неограниченных возможностей“,- вспоминает он.

Но не все считали, что язык так легко покорить. Некоторые критики, включая влиятельного лингвиста и профессора MIT Ноама Хомски, считали, что исследователям ИИ будет очень сложно научить машины пониманию, поскольку механика языка у людей была очень плохо изучена. Виноград вспоминает вечеринку, на которой студент Хомски отошёл от него после того, как услышал, что он работает в лаборатории ИИ.

Но есть причины и для оптимизма. Джозеф Вейзенбаум [Joseph Weizenbaum], профессор MIT немецкого происхождения, пару лет назад сделал первую программу-чатбота. Её звали ELIZA и она была запрограммирована отвечать так, как психолог из мультиков, повторяя ключевые части утверждений или задавая вопросы, вдохновляющие на продолжение разговора. Если вы сообщали ей, что злитесь на мать, программа могла бы ответить „А что ещё приходит вам в голову, когда вы думаете о своей матери?“. Дешёвый трюк, который работал на удивление хорошо. Вейзенбаум был шокирован, когда некоторые испытуемые стали поверять свои тёмные секреты его машине.

Виноград хотел сделать нечто, что могло бы убедительно делать вид, что понимает язык. Он начал с уменьшения области действия проблемы. Он создал простое виртуальное окружение, „блочный мир“, состоящий из набора вымышленных объектов на вымышленном столе. Затем он создал программу, назвав её SHRDLU, способную разобрать все существительные, глаголы и простые правила грамматики, необходимые для общения в этом упрощённом виртуальном мире. SHRDLU (бессмысленное слово, составленное из стоящих в ряд букв клавиатуры линотипа) могла описывать предметы, отвечать на вопросы об их взаимоотношениях и изменять блочный мир в ответ на вводимые команды. У неё даже была некая память и если вы просили её передвинуть „красный конус“, а затем писали про некий конус, она предполагала, что вы имеете в виду этот красный конус, а не какой-либо другой.

SHRDLU стал знаменем того, что в области ИИ наметился огромный прогресс. Но это была всего лишь иллюзия. Когда Виноград попытался расширить блочный мир программы, правила, необходимые для учёта дополнительных слов и сложности грамматики стали неуправляемыми. Всего лишь через несколько лет он сдался и оставил область ИИ, сконцентрировавшись на других исследованиях. „Ограничения оказались гораздо сильнее, чем тогда казалось“,- говорит он.

Виноград решил, что при помощи доступных в то время инструментов невозможно научить машину по-настоящему понимать язык. Проблема, по мнению Хьюберта Дрейфуса [Hubert Dreyfus], профессора философии в Калифорнийском университете в Беркли, высказанному им в книге 1972 года „Чего компьютеры не могут“ [What Computers Can’t Do], в том, что множество человеческих действий требуют инстинктивного понимания, которое невозможно задать набором простых правил. Именно поэтому до начала матча между Седолом и AlphaGo многие эксперты сомневались, что машины смогут овладеть игрой го.

Но в то время, как Дрейфус доказывал свою точку зрения, несколько исследователей разрабатывали подход, который, в конце концов, даст машинам интеллект нужного вида. Вдохновляясь нейрологией, они экспериментировали с искусственными нейросетями – слоями математических симуляций нейронов, которые можно обучить активироваться в ответ на определённые входные данные. В начале эти системы работали невозможно медленно и подход был отвергнут как непрактичный для логики и рассуждений. Однако ключевой возможностью нейросетей была способность обучиться тому, что не было запрограммировано вручную, и позже она оказалась полезной для простых задач типа распознавания рукописного текста. Это умение нашло коммерческое применение в 1990-х для считывания чисел с чеков. Сторонники метода были уверены, что со временем нейросети позволят машинам делать гораздо больше. Они утверждали, что когда-нибудь эта технология поможет и распознавать язык.

За последние несколько лет нейросети стали более сложными и мощными. Подход процветал благодаря ключевым математическим улучшениям, и, что более важно, более быстрому компьютерному железу и появлению огромного количества данных. К 2009 году исследователи из Университета Торонто показали, что многослойные сети глубокого обучения могут распознавать речь с рекордной точностью. А в 2012 году та же группа выиграла соревнование по машинному зрению, используя алгоритм глубокого обучения, показавший удивительную точность.

Нейросеть глубокого обучения распознаёт объекты на картинках при помощи простого трюка. Слой симулируемых нейронов получает ввод в виде картинки и некоторые из нейронов активизируются в ответ на интенсивность отдельных пикселей. Результирующий сигнал проходит через множество слоёв связанных между собой нейронов перед тем, как достичь выходного слоя, сигнализирующего о наблюдении объекта. Математический приём под названием „обратное распространение“ [backpropagation] используется для подгонки чувствительности нейронов сети для создания правильного ответа. Именно этот шаг и даёт системе возможность обучаться. Различные слои в сети откликаются на такие свойства, как края, цвета или текстура. Такие системы сегодня способны распознавать объекты, животных или лица с точностью, соперничающей с человеческой.

С применением технологии глубокого обучения к языку есть очевидная проблема. Слова – это произвольные символы и этим они, по сути, отличаются от изображений. Два слова могут иметь схожее значение и содержать совершенно разные буквы. А одно и то же слово может означать разные вещи в зависимости от контекста.

В 1980-х исследователи выдали хитрую идею превращения языка в такой тип проблемы, с которым нейросеть может справиться. Они показали, что слова можно представлять в виде математических векторов, что позволяет подсчитывать сходство связанных слов. К примеру, „лодка“ и „вода“ близки в векторном пространстве, хотя и выглядят по-разному. Исследователи из Монреальского университета под руководством Йошуа Бенджио [Yoshua Bengio] и ещё одна группа из Google использовали эту идею для построения сетей, в которых каждое слово в предложении используется для построения более сложного представления. Джоффри Хинтон [Geoffrey Hinton], профессор из Университета Торонто и видный исследователь глубокого обучения, работающий также и в Google, называет это „мысленным вектором“.

Используя две таких сети, можно делать переводы с одного языка на другой с отличной точностью. А комбинируя эти типы сетей с той, что распознаёт объекты на картинках, можно получить удивительно точные субтитры.

Смысл жизни

Сидя в конференц-зале в сердце наполненной суетой штаб-квартиры Google в Маунтин Вью (Калифорния), один из исследователей компании, разработавший этот подход, Куок Ли [Quoc Le], рассуждает об идее машины, способной поддерживать реальный разговор. Амбиции Ли объясняют, чем могут быть полезны говорящие машины. „Мне нужен способ симуляции мыслей в машине,- говорит он. – А если вы хотите симулировать мысли, то вы сможете спросить машину, о чём она думает“.

Google уже обучает свои компьютеры основам языка. В мае компания обнародовала систему Parsey McParseface, способную распознавать синтаксис, существительные, глаголы и другие элементы текста. Несложно видеть, как понимание языка может помочь компании. Алгоритм поиска Google когда-то просто отслеживал ключевые слова и ссылки между веб-страницами. Теперь система RankBrain читает текст страниц, чтобы понять его смысл и улучшить результаты поиска. Ли хочет продвинуть эту идею ещё дальше. Адаптируя систему, оказавшуюся полезной для переводов и подписей картинок, они с коллегами создали Smart Reply, читающий содержимое писем на Gmail и предлагающую возможные ответы. Они также создали программу, обучившуюся на основе чата поддержки Google отвечать на простые технические вопросы.

Недавно Ли создал программу, способную генерировать сносные ответы на непростые вопросы. Она тренировалась на диалогах из 18 900 фильмов. Некоторые ответы пугающе точно попадают в точку. К примеру, Ли спросил „В чём смысл жизни?“ и программа ответила „В служении высшему добру“. „Неплохой ответ,- вспоминает он с ухмылкой. – Возможно, лучше, чем я бы ответил сам“.

Есть только одна проблема, которая становится очевидной при взгляде на большее количество ответов системы. Когда Ли спросил „Сколько ног у кошки?“, система ответила „Думаю, четыре“. Затем он спросил „Сколько ног у сороконожки?“ и получил странный ответ „Восемь“. По сути, программа Ли не понимает, о чём говорит. Она понимает, что некоторые комбинации символов сочетаются вместе, но не понимает реальный мир. Она не знает, как выглядит сороконожка, или как она двигается. Это всё ещё иллюзия интеллекта, без здравого смысла, который люди принимают, как само собой разумеющееся. Системы глубокого обучения в этом смысле довольно шаткие. Система от Google, создающая подписи к изображениям, иногда делает странные ошибки, к примеру, описывает дорожный знак как холодильник с едой.

По странному совпадению, соседом Терри Винограда в Пало Альто оказался человек, который может помочь компьютерам лучше разобраться в реальном смысле слов. Фей-Фей Ли [Fei-Fei Li], директор Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта, была в декретном отпуске во время моего визита, но она пригласила меня домой и гордо представила мне своего трёхмесячного ребёнка, Финикс. „Обратите внимание, что на вас она смотрит больше, чем на меня,- сказала Ли, когда Финикс уставилась на меня. – Это потому что вы новый; это раннее распознавание лиц“.

Большую часть своей карьеры Ли исследовала вопросы машинного обучения и компьютерного зрения. Несколько лет назад под её руководством была проведена попытка создания базы данных из миллионов изображений объектов, каждое из которых было подписано соответствующими ключевыми словами. Но Ли считает, что машинам необходимо более сложное понимание происходящего в мире и в этом году её команда выпустила другую базу данных с изображениями, аннотации к которым были гораздо богаче. К каждой картинке люди сделали десятки подписей: „Собака на скейте“, „У собаки густой развевающийся мех“, „Дорога с трещинками“ и так далее. Они надеются, что системы машинного обучения научаться понимать физический мир. „Языковая часть мозга ^[2] получает очень много информации, в том числе и от визуальной системы,- говорит Ли. – Важной частью ИИ будет интеграция этих систем“.

Этот процесс ближе к обучению детей, связывающих слова с объектами, взаимоотношениями и действиями. Но аналогия с обучением людей не заходит слишком далеко. Детишкам не нужно видеть собаку на скейте, чтобы представить её себе или описать словами. Ли верит, что сегодняшних инструментов для ИИ и машинного обучения не будет достаточно для того, чтобы создать настоящий ИИ. „Это не просто будет глубокое обучение с большим набором данных,- говорит она. – Мы, люди, очень плохо справляемся с подсчётами больших данных, но очень хорошо – с абстракциями и творчеством“.

Никто не знает, как наделить машины этими человеческими качествами и возможно ли это вообще. Есть ли что-то исключительно человеческое в таких качествах, что не позволяет ИИ обладать ими?

Специалисты по когнитивным наукам, например, Тененбаум из MIT, считают, что сегодняшним нейросетям не хватает критичных компонентов разума – вне зависимости от размера этих сетей. Люди способны относительно быстро обучаться на сравнительно малых объёмах данных, и у них есть встроенная возможность эффективного моделирования трёхмерного мира. „Язык построен на других возможностях, вероятно, лежащих более глубоко и присутствующих в младенцах ещё до того, как они начинают владеть языком: визуальное восприятие мира, работа с нашим двигательным аппаратом, понимание физики мира и намерений других существ“,- говорит Тененбаум.

Если он прав, то без попыток симуляции человеческого процесса обучения, создания ментальных моделей и психологии будет очень сложно воссоздать понимание языка у ИИ.

Объяснитесь

Офис Ноа Гудмана [Noah Goodman] в Стэнфордском департаменте психологии почти пуст, за исключением парочки асбтрактных картин на одной из стен и нескольких переросших растений. В момент моего прибытия Гудман строчил что-то на ноутбуке, положив босые ноги на стол. Мы прогулялись по залитому солнцем кампусу, чтобы купить кофе со льдом. „Особенность языка в том, что он опирается не только на большое количество информации о языке, но и на общечеловеческое понимание окружающего мира и эти две области знаний подспудно связаны друг с другом“,- объясняет он.

Гудман со своими студентами разработали язык программирования Webppl, который можно использовать для наделения компьютеров вероятностным здравым смыслом, что при разговорах оказывается довольно важным. Одна экспериментальная версия умеет распознавать игру слов, а другая – гиперболы. Если ей сказать, что некоторым людям приходится проводить „вечность“ в ожидании столика в ресторане, она автоматически решит, что использование буквального значения этого слова в данном случае маловероятно и что люди, скорее всего, ждут довольно долго и раздражаются. Систему пока нельзя назвать истинным интеллектом, но она показывает, как новые подходы могут помочь ИИ-программам разговаривать чуть более жизненно.

Также пример Гудмана показывает, как сложно будет научить машины языку. Понимание смысла понятия „вечность“ в определённом контексте – пример того, чему должны будут научиться ИИ-системы, при этом это на самом деле довольно простая и рудиментарная вещь.

Тем не менее, несмотря на сложность и запутанность задачи, первоначальные успехи исследователей, использующих глубокое обучение для распознавания образов или игры в го, дают надежду, что мы находимся на пороге прорыва и в языковой области. В этом случае этот прорыв подоспел как раз вовремя. Если ИИ должен стать универсальным инструментом, помочь людям дополнить и усилить их собственный интеллект и выполнять задачи в режиме беспроблемного симбиоза, то язык является ключом к достижению этого состояния. Особенно если ИИ-системы будут всё больше использовать глубокое обучение и другие технологии для самопрограммирования.

»В целом, системы глубокого обучения вызывают благоговейный трепет,- говорит Джон Леонард [John Leonard], профессор, изучающий робомобили в MIT. – С другой стороны, их работу довольно сложно понять".

Компания Toyota, изучающая различные технологии автономного вождения, запустила в MIT исследовательский проект под руководством Джеральда Сассмана [Gerald Sussman], эксперта по ИИ и языкам программирования, с целью разработки системы автономного вождения, способной объяснить, почему она в какой-то момент совершила то или иное действие. Очевидным способом дать такое объяснение был бы вербальный. «Создавать системы, сознающие свои знания – это очень сложная задача,- говорит Леонард, руководящий другим проектом Toyota в MIT. – Но, да, в идеале они должны дать не просто ответ, а объяснение».

Через несколько недель после возвращения из Калифорнии я встретился с Дэвидом Сильвером [David Silver], исследователем из отдела Google DeepMind и разработчиком AlphaGo. Он выступал с рассказом о матче против Седоля на научной конференции в Нью-Йорке. Сильвер объяснил, что когда программа во второй игре сделала свой решающий ход, его команда была удивлена не меньше остальных. Они лишь могли видеть, что AlphaGo предсказала шансы на выигрыш, и это предсказание мало менялось после 37-го хода. Только несколько дней спустя, тщательно проанализировав игру, команда сделала открытие: переварив предыдущие игры, программа подсчитала, что игрок-человек может сделать такой ход с вероятностью в 1 к 10 000. А её тренировочные игры показывали, что такой манёвр обеспечивает необычайно сильное позиционное преимущество.

Так что, в каком-то смысле, машина знала, что этот ход ударит по слабому месту Седоля.

Сильвер сказал, что в Google рассматривают несколько возможностей коммерциализации этой технологии, включая интеллектуальных ассистентов и инструменты для медицинского обслуживания. После лекции я спросил его о важности иметь возможность общаться с ИИ, управляющим подобными системами. «Интересный вопрос,- сказал он после паузы. – Для некоторых областей применения это может быть полезным. Например, в здравоохранении может быть важно знать, почему было принято конкретное решение».

В самом деле, ИИ становятся всё более сложными и запутанными и очень сложно представить, как мы будем работать с ними без языка – без возможности спросить их, «Почему?». Более того, возможность с лёгкостью общаться с компьютерами сделало бы их более полезными и выглядело бы это волшебством. В конце концов, язык – это самый лучший из наших способов понимать мир и взаимодействовать с ним. Настало время машинам догонять нас.

Автор: SLY_G

Источник ^[3]