|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Кибернетика в действии
После слов «атом» и «спутник» нет, пожалуй, сейчас яа земле слова, которое, родившись в мире науки, завоевало бы такую широкую популярность, как слово «кибернетика».
Мы не будем повторять истории этого слова, которая подробно описана во всех книгах и брошюрах, посвященных кибернетике, и с которой связаны имена философа древности Платона, выдающегося французского физика прошлого столетия Ампера и ныне здравствующего американского математика Н. Винера.
И мы не будем пытаться точно определять предмет и содержание той новой науки, которая обозначена этим древним словом, тем более, что это не так просто сделать.
Надо только запомнить, что кибернетика — это когда физик обучает биолога теории наследственности, когда инженер объясняет физиологу, как вырабатывается условный рефлекс, а тот, в свою очередь, растолковывает принцип действия обратной связи специалисту в области автоматического управления.
Кибернетика — это когда математики, физики, физиологи и инженеры дают уроки по правилам перевода, стихосложения и игре в шахматы филологам, поэтам и гроссмейстерам, когда все они вместе непрерывно сравнивают человека с автоматом, непрерывно оговариваясь, что между человеком и автоматом нет ничего общего.
Мы ограничимся этим несколько расплывчатым определением содержания кибернетики, утешаясь, что оно может быть лишь немногим хуже всех других определений этой науки.
Но вот, что действительно может показаться удивительным, так это то, что кибернетика опровергнула, казалось бы, незыблемую истину, выраженную словами известной басни И. А. Крылова:
«Беда, коль пироги начнет почти сапожник,
А сапоги тачать пирожник...»
Дружная совместная работа ученых разных специальностей, взаимное проникновение различных отраслей знаний оказались неожиданно мощным и многообещающим средством прогресса науки и техники. И уже сейчас можно указать ряд примеров, когда это средство было пущено в ход и принесло свои плоды.
Еще выдающимся итальянским ученым JI. Гальвани было установлено, что живая ткань реагирует на электрическое возбуждение. За полтораста лет, отделяющих нас от его знаменитых опытов, сложилась целая наука — электрофизиология, которая изучает электрические процессы, протекающие в живом организме. Теперь уже хорошо известно, что живая ткань не только способна возбуждаться электрическим током, она может проводить электрический ток и даже генерировать электричество. Электрические токи, генерируемые живой тканью, или, как их называют, биотоки, порождаются нервными клетками. Так, нервные клетки — рецепторы, обслуживающие органы чувств человека, в ответ на раздражения, вызываемые светом, звуком, запахом, вкусом, касанием, генерируют биоэлектричество и передают в мозг воспринятые ими ощущения в форме электрических сигналов.
Таким образом, вся информация о наших ощущениях: «белое», «черное», «тихо», «громко», «твердо», «мягко» и т. д. — кодируется в форме электрических сигналов и в таком виде направляется в мозг. В свою очередь, мозг отдает приказы мышцам, управляющим теми или иными движениями, также в форме электрических сигналов. Эти сигналы по нервной сети поступают в мышцы, вызывая их сокращение.
Электрофизиологи посвятили много труда изучению биоэлектрической сигнализации.
Одним из важнейших результатов их усилий явилось открытие неврологического закона, получившего название «все, или ничего».
Оказалось, что до тех пор, пока раздражение, приложенное к нервной клетке, не достигло определенного порога, в нервном волокне ток не возникает. Но как только сила раздражения достигнет пороговой величины, по нервному волокну пробежит электрический импульс, затем еще один и еще.
Значит, как только мы захотим, например сжать кисть нашей руки, из мозга в соответствующие мышцы по нервной сети начнут поступать дискретные биоэлектрические импульсы. Чем сильнее мы хотим сжать кисть, тем больше будет частота этих импульсов, достигая десятков, а иногда сот в секунду. Вместе с тем величина каждого из этих импульсов всегда остается постоянной, она зависит только от свойств самого нерва и не зависит от силы раздражения.
Когда мы рисуем или пишем, наша рука движется по определенной «программе». В реализации этой программы могут одновременно участвовать десятки мышц, причем в волокнах каждой из них циркулируют текущие из мозга потоки дискретных импульсов.
Мы следим глазами за тем, как движется карандаш или рука, и одновременно в мозг поступают потоки дискретных биоэлектрических импульсов, сигнализирующих о том, как выполняется задуманная программа. Мозг сравнивает заданную программу с реализуемой и непрерывно генерирует команды, направленные на устранение непрерывно возникающего рассогласования. Как видите, мы опять обнаруживаем хорошо известную нам замкнутую систему управления с обратной связью.
А как действуют многие современные автоматы и, в частности, металлообрабатывающие станки с цифровым управлением, которым посвящена эта книга? Примерно так же!
Электронная машина и узел управления преобразуют заданную человеком программу в совокупность импульсов, датчики обратной связи информируют узел управления о реализуемой программе, в цепи управления и цепи обратной связи циркулируют потоки импульсов, постоянных по величине, но переменных по частоте.
Ну как тут удержаться от попыток сравнить электронную машину с мозгом, датчики обратной связи с рецепторами, исполнительные двигатели с мышцами, автомат с живым организмом?
Конечно, проводя такие аналогии, следует твердо помнить, что они носят только внешний, чисто условный характер. Природа командных импульсов и способы их передачи в обоих случаях совершенно различны, различным образом действуют искусственные и естественные датчики обратной связи. Да и сами исполнительные органы не имеют по существу ничего общего, за исключением, пожалуй, того, что отдельные узлы автомата, так же как отдельные сочленения скелетной системы, обладают относительной подвижностью.
Как видите, мы здесь поступаем как настоящие кибернетики: нашли нечто общее между человеком и автоматом и тут же оговорились, что между ними ничего общего нет.
И вместе с тем такой кибернетический подход дает возможность выдвигать новые идеи, получать новые технические решения важных задач, строить новые машины и автоматы.
Вот один из примеров возникновения такой новой идеи и ее реализации.
Если «программа» работы живого организма всегда кодируется в форме совокупности дискретных импульсов и если в такой же форме можно задать программу работы технического устройства, то, очевидно, такой способ сигнализации можно избрать в качестве общего кода в тех случаях, когда живой организм работает в тесном взаимодействии с внешним техническим устройством.
Такова была идея биоэлектрического управления, за реализацию которой свыше четырех лет назад взялась группа сотрудников Института машиноведения АН СССР и Центрального научно-исследовательского института протезирования 2. В 1957 г. был построен первый макет биоэлектрической системы управления, оформленный в виде искусственной кисти руки человека, управляемой биотоками мышц, сгибающих и разгибающих пальцы руки. За первым макетом, подтвердившим правильность исходной идеи, последовал второй макет, предназначавшийся для длительных испытаний отдельных узлов аппаратуры, а в конце 1959 г. был построен первый в мире протез предплечья с биоэлектрическим управлением.
Для управления этим протезом используются биотоки, возникающие в усеченных мышцах предплечья протезируемого человека. Когда он хочет сжать кисть — искусственная кисть закрывается, когда он захочет открыть ее — она открывается. Он свободно управляет искусственной кистью, используя привычные ему навыки.
Комплекс работ, связанных с созданием биоэлектрической системы управления, показал, что подобные системы могут найти применение в самых различных областях медицины и техники. А ведь началось все дело с попытки провести аналогию между автоматом с цифровым управлением и живым организмом.
Число примеров технической реализации кибернетических идей сейчас растет изо дня в день. В технической литературе все чаще встречаются исследования, посвященные вопросам создания читающих машин и слышащих машин, которые преобразуют обычный печатный текст и человеческую речь в совокупность электрических сигналов; узнающих машин, информационных машин, диагностических машин, машин для перевода с одного языка на другой и многих других машин, приборов, устройств, макетов и игрушек, наглядно иллюстрирующих действенность кибернетических методов.
|
