Бионика как отрасль кибернетики

Кибернетика — отрасль науки, которая  занимается математическим исследованием процессов управления и связи в живых организмах и автоматических устройствах. Это научное направление возникло на стыке точных, технических и биологических наук, в ее создании и развитии участвовали математики, физики, инженеры, биологи, врачи, лингвисты. Поскольку кибернетика для исследования процессов управления и строения управляющих систем самой различной природы прибегает к помощи математических методов, она могла развиться лишь на основе всего накопленного наукой в области теории вероятностей, дифференциальных уравнений, математической логики, теории информации.

Первым трудом, в котором была сделана попытка систематизировать основы кибернетики, была книга американского математика Н. Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1948 г.). В разработке основных идей, изложенных в этой книге, участвовали американские ученые К. Шеннон, А. Розенблют и другие.

В развитие математических дисциплин, играющих большую роль в кибернетических исследованиях, внесли существенный вклад замечательные русские ученые A. А. Марков, А. Н. Колмогоров, Н. Н. Боголюбов. Еще до окончательного формирования кибернетики как науки B. А. Котельников осуществил глубокие исследования общей теории связи, А. Я. Хинчин дал строгое математическое истолкование теории информации.

Кибернетика рассматривает задачи управления в общем виде, не входя в подробности конкретного устройства отдельных механизмов, узлов и т. д. То же самое и в теории связи. Вопросы решаются кибернетикой без уточнения, к каким видам связи они относятся — к телеграфу, радио, телефону или какому-либо другому. В результате появляется возможность под определенным углом зрения рассматривать общее в процессах управления и связи в машинах и организмах, проводить аналогии между вычислительной техникой и мозгом человека.

Все мы знаем такие технические автоматы, как регулятор скорости движения локомотива, станки-автоматы, автоматические телефонные станции, автоматы управления энергосистемами, автоматы управления ядерной реакцией, автоматические метеостанции, автопилоты. Действия автомата могут быть запрограммированы, например работа станка-автомата. Но есть и автоматы, способные выполнять разнообразные задачи в зависимости от внешних условий. К ним относятся автопилоты, устанавливаемые на современных самолетах, и авторулевые, предназначенные для автоматического удержания корабля на прямом курсе.

Рассмотрим принцип действия подобных автоматов на примере авторулевого (рис. 1). Под воздействием многих возмущающих факторов (волны, ветра) корабль может отклониться от заданного курса. Чувствительный элемент — гирокомпас — оценивает величину и направление отклонения от курса и на своем датчике вырабатывает сигнал, пропорциональный этому отклонению. Этот сигнал через промежуточные звенья поступает в специальные устройства, которые вырабатывают команды в виде электрического напряжения, управляющего работой исполнительного двигателя. Под действием приложенного напряжения двигатель приходит в движение и через механическую передачу производит перекладку пера руля в сторону, противоположную изменению курса. После нескольких перекладок руля корабль выходит на заданный курс и все управляющие элементы авторулевого занимают исходное положение.

На примере действия авторулевого корабля отчетливо видны характер и особенности, так называемых, систем с обратной связью, привлекающих и кибернетику. Понятие обратной связи считается общим для техники и биологии. Принцип обратной связи используется, например, в системе, управляющей равновесием человека. Определяющую роль обратных связей в построении и регуляции движений живых организмов установили в конце двадцатых годов советские ученые.

На рис. 2 показана структурная схема устройства с обратной связью. Ее действие легко пояснить на том же примере с авторулевым. В схеме A(t) —заданный курс, B(t) —реально выдерживаемое направление. По каналу обратной связи к сравнивающему элементу С подводится сигнал с выхода, и, если B(t) отличается от заданного направления, вырабатывается сигнал рассогласования, равный A(t)—B(t), который усиливается в усилителе. Он воздействует так, чтобы свести рассогласование к нулю. Когда рассогласование при отсутствии внешних воздействий стремится к нулю, обратную связь называют отрицательной.

Такая обратная связь важна не только для осуществления различных движений живого организма, но и для осуществления физиологических процессов в нем, для продолжения самой его жизни. Правда, эти обратные связи действуют медленнее, чем обратные связи движений и поз.

Известно, как жестки рамки существования высшего животного с точки зрения температуры, обмена веществ и т. д. Изменение температуры тела на полградуса считается признаком заболевания, а изменение температуры на пять градусов ставит под вопрос жизнь организма. 

Очень строги требования к осмотическому давлению крови и концентрации в ней водородных ионов. В организме должно быть определенное количество лейкоцитов для защиты от инфекции, обмен кальция должен быть таким, чтобы кости не размягчались и ткани не кальцинировались. 

Можно привести и многие другие примеры, которые показывают, что в теле человека имеется огромное количество термостатов, автоматических регуляторов и иных устройств с обратной связью.

Их вполне хватило бы для большого химического предприятия.

Сравнивая системы управления в живом организме и машине, ученые вынуждены были все более пристально «вглядываться» в сущность тех своеобразных «приборов», с помощью которых животные и растения воспринимают, анализируют, передают информацию. Данные об устройстве таких «приборов» могут иметь исключительно важное значение для развития многих новых отраслей техники — связи, локации, автоматики, инфракрасной аппаратуры и т. д. В результате возникло новое направление науки, занимающееся изучением биологических процессов и устройства живых организмов с целью получения новых возможностей для решения инженерно-технических задач. Эта новая отрасль науки стала называться бионикой. Название ее происходит от греческого слова бион, что означает элемент жизни (то есть элемент биологической системы).

Многие специалисты считают бионику новой отраслью кибернетики. В соответствии с этим они определяют ее как науку, исследующую пути и методы электронного моделирования природных систем получения, обработки, хранения и передачи информации в живых организмах.

При более широком подходе различают три направления бионики — биологическое, техническое и теоретическое. Биологическая бионика занимается изучением живых организмов для выяснения принципов, лежащих в основе явлений и процессов в них. Техническая бионика ставит своей задачей воссоздание, моделирование процессов в природе и построение на базе этого принципиально новых технических систем и совершенствование старых. Теоретическая бионика разрабатывает математические модели природных процессов. В бионике используются данные биологии, физиологии, анатомии, биофизики, нейрологии, нейрофизиологии, психологии, психиатрии, эпидемиологии, биохимии, химии, математики, связи, авиационной и морской техники и т. д. Ближе всего бионика в настоящее время связана с такими техническими дисциплинами, как радиоэлектроника, авиационное дело, кораблестроение.

Насколько широким может быть круг вопросов, по которым людям есть чему поучиться у природы, покажем на таких примерах.

Интерес специалистов вызвала способность дельфина двигаться в воде без особых усилий со скоростью, максимальной для таких громоздких тел. Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное) движение. В то время как у плывущей подводной лодки, сходной с дельфином формы, наблюдается высокая турбулентность. На преодоление сопротивления только от этого фактора тратится до 9/10 ее движущей силы.

Исследования позволили установить, что секрет «антитурбулентности» дельфина скрыт в его коже. Она состоит из трёх эластичных слоёв, причём средний слой имеет пористое строение-его многочисленные перепонки прогибаются под давлением воды, образуя «завихрения» при движении.

В результате весь наружный покров дельфина действует как диафрагма, чувствительная к изменениям внешнего давления и гасящая возникновение струи путем передачи давления каналам, заполненным амортизирующим веществом.

В США это явление назвали «стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением». По примеру кожи дельфина создана резиновая оболочка, внутренние каналы которой заполнены амортизирующей жидкостью. Применение такой оболочки на торпеде позволило снизить турбулентность на 50%. Благодаря «искусственной коже » скорость морских судов увеличилась на 25%.

Еще один поучительный пример. В лекции «Судьба человечества в атомную эру», прочитанной на Всемирной выставке в Брюсселе, лауреат Нобелевской премии советский ученый Н. Н. Семенов, говоря об осуществлении в недалеком будущем прямого превращения химической энергии в механическую, сослался на аппарат «искусственный мускул». Что же это такое? На основе исследования процессов, происходящих в мышцах, где осуществляется превращение химической энергии в механическую, два швейцарских специалиста создали модель мускула. В нем вместо мышечной ткани используется вещество из семьи молекул-гигантов — полиакриловая кислота.

Из этой кислоты сделана тонкая пленка-лента. Попадая в кислую среду, она находится в состоянии беспорядочно скрученных цепочек. Стоит изменить среду на щелочную, как молекулы полиакриловой кислоты становятся носителями сотен отрицательных зарядов. Они взаимно отталкиваются, молекула распрямляется, пока не принимает форму ленты, когда одноименные заряды будут максимально удалены друг от друга. Обратная замена среды вызывает скручивание молекулы-гиганта и т. д. Если молекулу соединить с грузом, то, выпрямляясь и скручиваясь, она совершит работу. Так химическая энергия непосредственно превращается в механическую. При этом возможно достижение ощутимых результатов. Шнур полиакриловой кислоты диаметром 1 см в состоянии поднимать груз весом до 100 кг. Это уже результат, интересный для техники.

Особый интерес данные бионики представляют для радиоэлектроники. Результаты бионических исследований помогут решить такие проблемы, как накопление и обработка большого количества информации, повысить надежность радиоэлектронных систем, создать новые электронные машины, самоприспособляющиеся (адаптивные) устройства, добиться дальнейшей микроминиатюризации аппаратуры.

Биологическая бионика особенно активно изучает сейчас свойства органов восприятия — глаз и ушей, элементов нервной системы, способность животных, рыб, птиц и насекомых ориентироваться в окружающем пространстве, осуществлять связь, перемещение и т. д.

В настоящее время техническая бионика современными лабораториями технически развитых стран делаются попытки создания искусственных аналогов нервной клетки и способов, имитирующих элементарные процессы мышления. Считается, что в будущем устройства, имитирующие работу нервной системы, могут способствовать созданию беспилотных космических кораблей для исследования планет Солнечной системы без необходимости дистанционного управления с Земли. На этой же основе мыслится создание широкого комплекса бионических вычислительных машин.

В своих трудах специалисты в области бионики все более приближаются к воспроизведению органов чувств наиболее высокоорганизованных живых существ и человека с его пятью чувствами. В этой области природа держит пока неколебимое превосходство над творениями рук человеческих. Самым совершенным электронно-вычислительным машинам далеко до возможностей, которыми обладает мозг человека. Нервная система человека одновременно учитывает несравненно больше факторов, имеет большее число параллельных каналов информации, чем любая самая совершенная электронная машина. Если представить себе электронно-вычислительную машину с таким числом элементов, как у мозга, она была бы в сотни миллионов раз больше его.

Не менее ценно для создания запоминающих устройств было бы исследовать способность накопления и передачи информации хромосомой, структурным элементом ядра клетки животного или растения, играющим важную роль в наследственности организмов. В хромосоме имеется дезоксирибонуклеиновая кислота — органическое вещество, молекула которого имеет громадное число вариантов строения. Подсчитано, что, то количество указанной кислоты, которое содержится в одной клетке человеческого тела, способно закодировать информацию, содержащуюся в тексте более 10 тысяч книг с двумястами тысячами слов в каждой.

Особый интерес бионика проявляет к созданию машин, воспроизводящих отдельные свойства центральной нервной системы человека. Это машины-автоматы, способные самонастраиваться, то есть приспосабливаться к изменяющимся условиям работы. Например, самонастраивающийся автопилот, в зависимости от условий работы, меняются его рабочие характеристики.

Другое свойство нервной системы — способность «узнавать». Это свойство воспроизводится в «узнающих» машинах-автоматах. Такие машины можно использовать для узнавания предметов по их внешним очертаниям, классификации этих предметов и символического изображения. Устройства, способные узнавать и выделять сигнал и настраиваться на него, очень важны в саморегулирующихся системах.

Человек, как известно, способен обучаться. Этой способностью сейчас стараются наделить и машину. Она должна учитывать накопленный опыт и делать выводы на будущее. В военном деле такие машины могут служить для автоматического улучшения уже созданных систем оружия и других целей.

Итак, появлению и развитию бионики способствовала возросшая потребность человечества в обработке и передаче огромных объемов информации. Техническая база бионики — достижения в электронно-вычислительной технике и микроминиатюризации аппаратуры. Дальнейшее ее развитие, зависит от внимания к аналитическим направлениям в нейрологии, физиологии и других областях биологии, бывшим до сих пор главным образом описательными науками. Безусловно, потребуется и подготовка специалистов, знающих одновременно и биологию, и радиоэлектронику.

Исследования по бионике, проводимые в США, касаются электрических характеристик живых тканей и процессов возбуждения, физиологии и химии биологических «часов», ритмических изменений скорости обменных процессов.

Осуществляются также исследования в области бионической математики, изучаются «антенны» бабочек, миграционное поведение голубей, связь у рыб, использование обоняния для ориентации у водных животных, анализ волн в ухе. Разрабатываются теория многоразмерной информации, математический анализ конструкции вычислительной машины, имеющей 109 накопительных элементов.

Потенциал бионики практически безграничен. Её достижения очень важны для человека. Появляется все больше областей ее исследования, постоянно расширяются перспективы в создании новых уникальных материалов и приборов.

___________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Отправить статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]