Добро
пожаловать на наш сайт!
ПОЗНАНИЕ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ...
15.04.2019 21:38 дата обновления страницы
Техника. Экономика
Дата создания сайта:
08/12/2012
Дата создания
сайта: 08/12/2012 Дата обновления главной страницы:
15.04.2019 21:38
icq:
613603564
Что такое техническая кибернетика и бионика
Машины неизмеримо увеличили физические силы человека, сделали его
сказочным силачом. Вспомните, какую мощность развивали двигатели ракеты,
поднявшей в космос первого звездоплавателя Юрия Гагарина, - 20 млн.
лошадиных сил! Трудно даже представить себе, насколько велика эта цифра.
Мышцы взрослого человека способны развивать мощность в 0,1 лошадиной
силы. Значит, человек сумел при помощи машин увеличить свою мощность в
200 млн. раз.
Но человек всегда нуждался и в другом - в ускорении и усилении многих
мыслительных операций, в частности расчетов. Советская автоматическая
станция "Вене-ра-4" летела к планете со скоростью 40 320 км/ч. Чтобы
управлять ее полетом, необходимо было за доли секунды производить
десятки тысяч вычислений и принимать по ним решения. Мозг не может
справиться с такой нагрузкой. И здесь нам помогают автоматы -
электронные вычислительные машины.
"Думающие" машины - техническая основа новой, быстро развивающейся
отрасли знаний - кибернетики. Это научное направление изучает живые или
неживые системы, способные воспринимать и перерабатывать информацию и на
ее основе целесообразно воздействовать на окружающий мир.
Обычно под информацией понимают сведения о каких-либо событиях,
результат которых заранее неизвестен. С информацией каждый из нас
сталкивается повсюду. В конечном счете человек как личность определяется
той информацией, которая накоплена в его мозгу, и способностью ее
перерабатывать.
Кибернетика пользуется сложным математическим аппаратом, который может
быть назван математической кибернетикой. Кроме того, кибернетика
занимается разработкой конкретных способов хранения, передачи и
переработки информации. Здесь кибернетика привлекает на помощь механику,
физику, химию, биологию. Соответствующие отрасли этой науки называют
технической кибернетикой, биологической кибернетикой и т. п. Техническая
кибернетика возникла тогда, когда в приборах автоматического управления
и регулирования начали использовать специальные (в первую очередь
электронные) счетно-решающие устройства, когда в этих устройствах стали
конструировать "память" и т. п.
Накапливаемую информацию кибернетические машины перерабатывают по
определенной программе; ее для каждого отдельного случая составляют
математики. Правила работы машины, точное предписание, задающее
последовательность ее действий, называют алгоритмом.
Таким образом, кибернетические машины берут на себя многие функции
человеческого мышления- те, для которых можно составить алгоритм.
Следует помнить, что кибернетическая машина принципиально отличается от
нашего мозга тем, что выполняет вспомогательные операции по алгоритму,
который составляется людьми.
Кибернетика стала одним из главных факторов современной
научно-технической революции. Она распространена сейчас во всех отраслях
науки и техники. Электронно-вычислительные машины (ЭВМ) позволяют
комплексно автоматизировать самые различные виды производства, помогают
водить поезда, самолеты и космические корабли, исследовать далекие
галактики и проникать в глубины атомного ядра, планировать экономику
всего народного хозяйства, переводить с одного языка на другой,
составлять прогнозы погоды и ставить диагноз больным. Не перечислить
всех областей человеческой деятельности, куда за последние годы пришли
"умные" машины.
Кибернетики в содружестве с другими учеными создают самые разнообразные
машины. Там, где требуется "быстродействие", созданы ЭВМ, производящие
миллионы операций в секунду. Для справок (в библиотеках, центрах
технической информации, в патентных бюро и т. п.) сконструированы машины
с огромным объемом "памяти". Медицинские диагностические машины помогают
не только ставить диагноз, но и вести медико-биологические исследования.
Скорость работы ЭВМ хорошо иллюстрирует такой пример: если мы знаем
положение артиллерийского орудия в момент выстрела, а также направление
и скорость
ветра, то можно высчитать, по какому пути пролетит снаряд, определить
его траекторию. Такой расчет займет довольно много времени. Если же мы
воспользуемся ЭВМ, то она рассчитает траекторию полета снаряда еще до
того, как он упадет на землю!
Во время полетов наших космических разведчиков десятки ЭВМ молниеносно
обрабатывают полученные сведения, помогают непрерывно следить за
полетом, предвидеть весь путь ракет. Чтобы решить сложную систему
математических уравнений, описывающих движение ракеты, человек без машин
должен затратить около двух лет непрерывного труда.
Без достижений кибернетики были бы попросту невозможны успехи
космонавтики. Кибернетические автоматы производили фотографирование
обратной стороны Луны, обеспечили посадку автоматической станции на
Венеру, ведут дальние телепередачи при помощи спутника "Молния-1" и
многое, многое другое.
А ученые и инженеры работают над созданием новых машин, которые
"понимали" бы человеческую речь, распознавали образы, "читали" обычный
печатный текст.
Вот еще один пример того, как можно [использовать "электронный мозг".
Завод [осваивает производство новой, очень сложной детали. Изготовление
ее поручают высококвалифицированному рабочему. При этом весь процесс
обработки записывают с помощью специального прибора на бумажную ленту (в
виде нескольких рядов отверстий в различных сочетаниях). Затем лента
передается электронной машине, связанной со станком-автоматом. Для нее
такая перфолента служит программой. Каждый ряд отверстий отражает
какое-то из действий, произведенных токарем при обработке. Машина как бы
читает заданную ей программу действий и дает соответствующие указания
станку-автомату электрическими сигналами.
Готовая деталь ничем не отличается от образца, сделанного человеком, а
по времени ее изготовление сокращается в несколько раз.
В большом современном аэропорту ежеминутно приземляются и поднимаются в
воздух самолеты. Вдруг портится погода, взлетные дорожки аэродрома
закрывает густой туман. Но это не нарушает работы. Летчики не боятся,
что самолеты столкнутся: самолетами управляют электронные устройства,
связанные с радиолокаторами. Получая от локаторов сведения о том, где
находятся в каждую секунду самолеты, машины-"распорядители", не
задерживаясь, принимают нужные решения. Одному самолету они приказывают
немедленно изменить курс, другому - идти на посадку и т. д. Все команды
передаются на самолеты в виде радиосигналов.
Есть теперь машины, которые сами обучаются в процессе работы и принимают
самостоятельные решения, в зависимости от ха-рактера полученных данных.
Такая машина, например, не только может играть в какую-нибудь игру в
соответствии с заданным алгоритмом, но и исследует результаты своей
игры, определяет, нужно ли изменить ее характер, чтобы улучшить
результаты.
Создана программа, работая по которой ЭВМ за 10-20 часов игры в шашки
приобрела опыт, достаточный для того, чтобы обыграть человека,
обучившего ее этой игре.
Уже известны случаи, когда машина проявила себя в научном творчестве и
даже превзошла человека, составлявшего для нее алгоритм. Так, одна из
больших универсальных машин за 37 минут доказала 220 теорем, причем 10
из них были доказаны впервые, до этого люди не знали их решения.
"Думающим" электронным машинам теперь все чаще поручают такую "самостоятельную" работу.
Для прогресса кибернетики огромное значение имеют достижения
электроники. Много, например, преимуществ ЭВМ дает замена электронных
ламп полупроводниками.
Создано миниатюрное кибернетическое устройство на полупроводниках
размером не больше спичечной коробки, которое может включать и выключать
различные машины.
Самые последние успехи электроники, вплоть до сверхпроводников и
лазеров, используются теперь в ЭВМ. В свою очередь ЭВМ управляет по
определенной программе автоматической сборкой деталей для электронных
машин,- по существу, помогает создавать себе подобных.
И еще одна новая наука пришла в последние годы на помощь создателям
"думающих" машин. Это - бионика, использующая знания о живой природе для
решения технических проблем.
За миллионы лет естественного отбора у различных живых организмов
образовались такие устройства, которые, если их перенести в технику,
сделают совершеннее машины и приборы. В этом - главная идея бионики. По
надежности, по размерам, по чувствительности, по приспосабливаемости к
новым, заранее неизвестным условиям с живыми организмами не могут
сравниться даже самые совершенные электронные устройства.
Вот несколько примеров.
На голове у гремучей змеи есть две ямки, внешне напоминающие вторую пару
ноздрей. Биологи определили, что этот орган "видит" невидимые
инфракрасные (тепловые) лучи. А "зоркость" его такова, что змея
улавливает разницу температуры в тысячную долю градуса! Достаточно ночью
появиться полевой мыши в 200 м от гремучей змеи, и сверхчуткий прибор
сообщит ей об этом.
Летучая мышь имеет замечательный ультразвуковой локатор. Он помогает ей
очень быстро ловить насекомых - за минуту мышь может поймать больше
десятка москитов. Созданный на основе электроники подобный звуковой
локатор, безусловно, будет иметь огромное значение в технике. А
гидролокационный аппарат дельфинов (дальность его действия около 3 км) -
это настоящий образец для инженеров, разрабатывающих гидролокационную
технику.
Бионическое моделирование свойств живых организмов - дело очень сложное.
Создание таких моделей требует не только специальных исследований, но и
разработки специальных методов и средств (на радиоэлектронной,
пневматической, гидравлической и других основах).
Ученые уже изготовили, например, модель глаза, на основе которой
намечается разработка автоматов для сортировки писем на почтамте,
автоматического наборщика и корректора и других устройств. Все они дадут
возможность с электронной скоростью обрабатывать документы там, где их
нужно читать.
Мы уже упоминали об узнающих электронных машинах. При их конструировании
инженеры все чаще обращаются к живой природе. Если вы наблюдательны, то,
возможно, видели, как ловит комаров и мошек лягушка. Она сидит
неподвижно, пока одна из мошек не окажется на таком расстоянии, что ее
можно достать языком. Тогда лягушка мгновенно, с большой точностью
выбрасывает свой язык, и жертва поймана.
Что же помогает лягушке? Особая "система оповещения". Исследования
показали, что лягушка видит насекомых, только когда они пролетают перед
ее глазами по определенной траектории и в непосредственной близости от
языка. Лишь в этом случае в мозг лягушки от глаз поступает сигнал "вижу
пищу!". Сигнализируют две группы нервных клеток: одна - о форме
появившегося насекомого, вторая - о том, насколько четко, контрастно оно
выглядит. Такая раздельная передача помогает лягушке быстро и с большой
точностью определить положение летящей мошки в пространстве.
Принцип раздельного видения применен в электронных машинах, читающих
рукописные тексты. Один узел "электронного мозга" следит за формой
знаков, другой - за их контрастностью.
Простейшие модели нервной системы, созданные бионикой, уже находят
практическое применение. На их основе строят, например, регуляторы,
способные самостоятельно изменять свой режим в зависимости от условий
работы.
Советские ученые предложили использовать в технике биоэлектрические
сигналы, посредством которых мозг управляет мышцами рук. Так были
созданы биоэлектрические управляемые манипуляторы. В меди-дине они уже
используются в качестве протезов рук. Такие протезы позволяют инвалидам
самостоятельно писать, застегивать пуговицы и т. д. Недалеко время,
когда появятся протезы, которые будут "чувствовать", "ощущать"
прикосновение к горячему и холодному, к твердому и мягкому, как
настоящие руки.
Находки живой природы могут применяться и в энергетике, и на транспорте,
и в других областях техники. Так, японские судостроители стали придавать
крупным судам китообразную форму. Это на 25% увеличило их скорость.
Советские инженеры создали машины "Пингвин" и "Кит", которые имитируют
движения животных. А французские специалисты изучают геометрию живых
организмов для того, чтобы применить их при блочном конструировании
сложных сооружений.
Многие открытия бионики быстро приобретают практическое значение. Так,
ученые обнаружили у медузы очень тонкое, чувствительное приспособление,
улавливающее инфразвуки (звуковые волны длинноволнового диапазона). С
помощью этого органа медуза задолго узнает о приближении шторма по
инфразвукам, возникающим от взаимодействия волн и воздуха. Советские
ученые построили аппарат, действующий по принципу этого органа медузы.
Он предсказывает наступление шторма за 15 часов.
Бионики нашли в природе много совершенных систем обнаружения,
ориентации, навигации и контроля, которые можно будет успешно применить
в технике. Например, водяные жучки-вертячки отличают волны, отраженные
каким-либо препятствием, от волн, вызванных ветром или течением. Самцы
некоторых видов бабочек обнаруживают самку за 10-15 км. Моль распознает
летучую мышь, испускающую свои ультразвуковые сигналы, за 30 м.
Инженеры создают все новые и новые устройства на основе принципов,
почерпнутых из живой природы. Здесь и прибор для определения курса -
геротрон, созданный на принципе навигационного органа насекомых -
жужжальца, и разработка аппаратуры ориентации в космосе, основанная на
слежении за звездами, и системы сбора и обработки информации,
имитирующие живой мозг.
Рождение систем биоэлектрического управления открыло в бионике новое
направление - метод обратного моделирования. В тех случаях, когда
приходится отказываться от попыток воссоздать технически какой-либо
живой орган, создаются такие вспомогательные технические средства,
которые позволяют использовать непосредственно этот живой орган.
Наиболее широкое применение такой метод получил в медицине. Так, группа
советских ученых создала прибор, который, анализируя электрокардиограммы
(сигналы, идущие непосредственно от сердца), контролирует состояние
больных. Другая установка - автонаркоз - автоматически подает
наркотизирующие вещества при операциях. И управляют ею биоэлектрические
сигналы, идущие от самого больного. А биоэлектрическую активность
дыхательного нерва человека ученые использовали как управляющий сигнал
для аппарата искусственного дыхания.
Самые важные достижения бионики еще не вышли из лабораторий. Здесь можно
ждать многих открытий. Бионические исследования живой природы могут дать
технике совершенно новые идеи и принципы в конструировании и работе
кибернетических и других машин. Именно тут лежит один из важнейших путей
современного научно-технического прогресса.
Е.В. Дубровский
В.А. Мезенцев
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
