Команда Университета Карнеги-Меллона помогает детям понять искусственный интеллект с помощью мягкой, светящейся светодиодной сети.
«Каждый, даже ученик средней школы, должен немного разбираться в этих строительных блоках искусственного интеллекта, так же как важно знать основы работы электричества или что такое молекула, — говорит профессор кафедры компьютерных наук Дэйв Туретцки. — Но эти юные ученики ещё даже не изучали алгебру — так как же мы можем помочь им понять вычислительные возможности этих сложных сетей?»
Интерактивные устройства для школьников
В течение многих лет Туретцки исследовал вопросы образования в области искусственного интеллекта для детей младшего и среднего школьного возраста. Теперь, благодаря средствам и опыту, предоставленным сетью интегративного дизайна, искусств и технологий (IDeATe), он и команда сотрудников, преподавателей и студентов воплотили в жизнь плюшевого нейрона. Эти трёхфутовые, ярко окрашенные интерактивные вычислительные устройства позволяют школьникам средней школы наглядно познакомиться с тем, как искусственный интеллект принимает решения.
Плюшевый нейрон был разработан, чтобы помочь студентам визуализировать основные элементы технологии нейронных сетей — модели машинного обучения, которая лежит в основе большей части современного искусственного интеллекта. Это физический аналог Neuron Sandbox — инструмента, созданного Туретцки, который позволяет студентам следить за серией всё более сложных задач принятия решений и визуализировать, как компьютер приходит к решению.
Туретцки запрограммировал программное обеспечение нейрона, а технический специалист IDeATe Коди Соска разработал его электронное оборудование, выступая в качестве инженера-проектировщика в рамках своей аспирантуры.
Междисциплинарный проект
«Этот проект — настоящий пример того, как звёзды сошлись, чтобы создать что-то действительно крутое для обучения искусственному интеллекту. Он междисциплинарен на всех уровнях», — сказал Соска. Между его электроникой и кодом Туретцки вскоре появилась основа для плюшевого нейрона, готовая к следующему этапу производства.
Старший научный сотрудник гуманитарного и социального колледжа Дитрих Замонд Гудман, который работает старшим техническим советником в IDeATe, присоединился к команде, как только был готов рабочий прототип. Его роль заключалась в том, чтобы воспроизвести дизайн Соски и собрать детали в 10 отдельных нейронов.
«Возможность работать над таким проектом — это воплощение того, почему IDeATe крут, — сказал Гудман. — Я смог объединить свои интересы разными способами — и всё это время работал вместе с людьми, на которых равнялся с тех пор, как впервые поступил в CMU».
Финальная форма нейрона
Затем Соска привлёк преподавателя Оливию Робинсон, которая возглавляет кафедру мягких технологий IDeATe, вместе с инструктором Натальей Пинчук. Команде понадобились их знания в области текстиля, чтобы придать нейрону окончательную форму: что-то яркое, тактильное и привлекательное для детей.
Плюшевый корпус нейрона должен был выполнять три задачи. Во-первых, он должен был быть мягким, чтобы защитить провода и другие электронные компоненты и быть приятным на ощупь. В то же время он должен был удерживать электронные компоненты в стабильном положении, а ручки и дисплеи, встроенные в поверхность, должны были сохранять своё положение внутри нейрона. Наконец, он должен был сохранять свою форму, сопротивляясь тенденции обвисать, когда его поднимают в воздух.
«Одной из наших самых больших задач был дизайн обтекаемой формы, которая могла бы вместить электронику размером с большую обувную коробку», — вспоминает Робинсон. «Под его сплошным и ярким внешним видом тело плюшевой игрушки состоит из слоёв пенопласта и специального «корректирующего белья», которое мы сделали, чтобы всё оставалось на своих местах и придавало форму внешним материалам».
Пинчук согласилась.
«Видение состояло в том, чтобы предоставить детям инструмент для обучения, который был бы тактильным, интерактивным и весёлым. Текстиль уникально подходит для этого, предлагая сенсорный опыт, который приглашает прикосновения и взаимодействие», — добавила Пинчук. «Плюшевая форма вызывает чувство игры, комфорта, безопасности и тихой магии детства — качества, которые делают процесс обучения более доступным, запоминающимся и эмоционально резонансным».
Как работает плюшевый нейрон
Завершенный плюшевый нейрон — это упрощённая версия того, как работают настоящие нейронные сети, разработанная для маленьких рук и больших вопросов.
Нейрон имеет три входа на одном конце, называемые «дендритами», с кнопками, которые можно нажимать, чтобы отправлять взвешенные входные сигналы (регулируемые с помощью поворотного переключателя). Светодиодный дисплей дендрита показывает текущее значение веса, которое может варьироваться от -4 (подсвечивается красными светодиодами) до +4 (подсвечивается зелёными светодиодами).
Входы затем направляются в тело, или «сому», где они суммируются и сравниваются с порогом, отображаемым на другом светодиодном массиве. Если входы больше порога, длинный аксон на другом конце мигает светом и воспроизводит звук, чтобы пользователь знал, что нейрон «срабатывает».
Веса и пороги можно регулировать, чтобы поставить ряд простых задач принятия решений. «Нейрон иллюстрирует этику в искусственном интеллекте, показывая важность взвешивания решений, — объяснил Соска. — С его помощью вы можете писать и решать полномасштабные логические задачи, используя ту же вычислительную логику, что и искусственный интеллект — как он принимает решения и как вводится предвзятость».
Распространение и влияние
С помощью плюшевого нейрона команда стремится сделать искусственный интеллект более понятным и доступным для школьников. Проект был представлен на симпозиуме EAAI-25 и на семинаре AI4MiddleSchools Cohort curriculum workshop в Атланте, где его использовали для обучения учителей.
Осенью команда отправила завершённых нейронов Кристине Гарднер-МакКьюн, профессору Университета Флориды, которая возглавляет проект AI4MiddleSchools; Эмбер Джонс, консультанту по компьютерным наукам и бывшему учителю средней школы в Атланте; и Уиллу Ханне, учителю информатики в средней школе округа Томас в Джорджии. Эти ранние партнёры, которые ранее продвигали образование в области искусственного интеллекта вместе с Туретцки в рамках проекта Artificial Intelligence for Georgia (AI4GA), станут первыми, кто протестирует плюшевого нейрона на практике.
Предоставлено Университетом Карнеги-Меллона.