Біоелементи у системах автоматичного управління

Представьте себе просторное помещение с расставленными посредине металлическими шкафами. Это зал, где работает универсальная вычислительная машина. В металлических шкафах вся «электронная начинка» машины. Между шкафами протянуты толстые «шнуры» проводов. В машинном зале слы­шен гул мощной вентиляционной системы и монотонная дробь телетайпов и перфораторов.

Загляните за металлические шкафы: сложные правильные ряды каких-то схем из электронных ламп, сопротивлений, кон­денсаторов и проводов.

В зале несколько человек: дежурные инженер и техники, математики, которые «решают» задачу. Даже для человека непосвященного первая экскурсия в машинный зал не произ­водит впечатления чего-то сверхудивительного или сверхъес­тественного.

Мы привыкли, что в каждой новой пачке журналов и газет встречаем описание какого-нибудь большого открытия, что очень частые слова из репродуктора: «Внимание! Говорит Москва! Работают все радиостанции Советского Союза!..» оз­начают просто очередное сообщение о каком-то выдающемся событии.

Наш век избалован чудесами. Но во всякие времена что-то все-таки воспринимается былью, а что-то сказкой или. как любят сейчас говорить, фантастикой. И хотя одновременный полет двух советских космонавтов вокруг Земли — чудо, оно было воспринято все-таки как нечто естественное, как законо­мерное продолжение завоевания космоса, начатого 4 октября 1957 года.

А вот попробуйте представить себе… современного конст­руктора самолетов. Он много времени проводит в машинном зале, который мы описывали. Здесь все для него привычно и наделено большим смыслом. Он знает силу этих неподвижных электронных систем, понимает, как они сделаны и работают. С величайшей благодарностью он смотрит на эти системы и порой даже мысленно беседует с ними. А дома с друзьями он часто отпускает веселые шутки по поводу «безнадежно отстав­ших» биологов, которые все еще с опаской и недоверием отно­сятся к вычислительной технике и очень неохотно берут на вооружение математические методы исследований.

Представьте, что в один прекрасный день он едет в вычис­лительный центр проделать очень сложные и ответственные расчеты. Настроение у него хорошее, скажем, даже боевое. «Сегодня большая работа!» Ему указывают на дверь с таблич­кой «Новая универсальная вычислительная машина «Гигант». Он нажимает на ручку двери… и картина, совершенно не похо­жая на описанную выше, предстает перед ним. В центре ма­шинного зала в стойках стоят несколько… осликов! Да! Да! Самых обыкновенных живых осликов! После длительной пау­зы он замечает, что даже чувствует необычные запахи. Потом он оглядывается и ловит себя на мысли, что все как всегда, если не считать этих осликов и людей в белых халатах, кото­рые что-то делают вокруг животных. К нему подходит пожи­лой человек в белом халате и очках в роговой оправе и пред­ставляется начальником машины «Гигант». Он просит изум­ленного конструктора присесть, не смущаться, а затем доволь­но подробно и деловито объясняет, в чем дело.

Оказывается, «Гигант» — это вычислительная машина, вы­полненная на мозге животных, а вся электронная аппаратура используется лишь как вводное и выводное устройство. Чело­век в белом халате рассказывает, что «Гигант» имеет запоми­нающее устройство, емкость которого практически неограни­ченной величины, отчего эта машина и получила свое назва­ние. Кроме того, надежность ее работы во много раз превы­шает все известное в этом отношении в вычислительной техни­ке. И хотя недоумение конструктора проходит, смущение его только растет. Ведь ему нужно сегодня выполнить очень от­ветственную работу. Нельзя же ее доверить… ослам, в полном смысле слова.

И первый его вопрос состоит в том, что почему же все-таки ослики?! Начальник машины рассказывает, что такой выбор животных был продиктован требованиями оптимальных удобств в эксплуатации такой сложной машины, хотя это, вообще говоря, не принципиально. Но для нашего конструкто­ра эти аргументы звучат не убедительно. «Ведь животному может прийти в голову что угодно, а потом все-таки… не зря же говорят, что упрям, как осел. Заупрямятся и не будут ре­шать ничего!» — рассуждал он, посматривая на мирно жую­щих травку животных.

Посочувствуйте, дорогой читатель, нашему конструктору. «Волга впадает в Каспийское море…» — эти слова чеховского героя могут прийти в голову каждому, кто столкнется в реаль­ности с явлением, которое даже в наш всесбывающийся век пока еще лежит за чертой естественно возможного. Эпизод с конструктором, конечно, вымышленный. Сейчас нет еще таких вычислительных машин. Но бионика поставила вопрос о по­строении таких машин на серьезные научные рельсы.

Биологи накопили огромный материал о строении и функ­циях мозга и, что еще более важно, разработали совершенные методы вмешательства в его работу. Разработаны методы длительного экспериментирования с отдельной нервной клет­кой — атомом мозга. Такой натуральный нейрон можно будет, по-видимому, с успехом использовать как пороговый или пла­стический элемент обучаемых машин.

Еще более реальной представляется перспектива использо­вания нервного волокна. Это волокно не является простым проводником электрических сигналов, подобным металличе­скому проводнику. Оно может служить преобразователем не­прерывного сигнала в дискретный. Такие преобразователи очень нужны современной вычислительной технике. Исследо­вания показывают, что из нескольких отрезков нервов мож­но конструировать различные логические элементы. Работа на нервном волокне наиболее проста. Именно здесь, по-видимо­му, будут получены первые результаты в деле построения биоэлементов для техники управляющих автоматов. Сейчас трудно далеко предсказывать ход исследований в этом на­правлении. Одно несомненно ясно. Наступит и такое время, когда практически встанет задача построения живых вычисли­тельных машин.

Интересные и близкие к реализации в современных усло­виях возможности открываются перед техникой будущего при использовании целостных организмов. Дело в том, что живот­ное всегда стремится избежать неприятностей. Если мы его включим в систему автоматического регулирования таким об­разом, чтобы биотоки, характеризующие состояние его орга­нов, управляли некоторым промышленным объектом, а откло­нения от желательного режима работы объекта воздействова­ли бы на животное, то оно будет всегда стремиться прийти в такое положение, при котором воздействие будет меньше всего беспокоить его. В этом случае управляемый объект как раз будет находиться в режиме, больше всего соответствующем желаемому.

В настоящее время ученые уделяют большое внимание этой возможности непосредственного использования животных в технике. Но здесь также предстоит решить целую серию вспо­могательных задач, прежде чем появятся промышленные об­разцы живых регуляторов и оптимизаторов.

Сейчас еще не существует вычислительных машин, выпол­ненных на живом мозге, нет действующих систем автоматиче­ского регулирования, сделанных на живой ткани, нервные клетки и нервные волокна не служат еще реальными элемен­тами техники управляющих систем. Пока это еще находится только в планах специалистов-биоников. Однако имеется ряд работающих устройств, которые можно смело рассматри­вать как прообразы биологической техники будущего.

Использование живых объектов в системах управления и связи ведется, конечно, с незапамятных времен, если сюда от­нести самого человека. Но задачей автоматизации сегодняш­него и завтрашнего дня как раз и является освобождение лю­дей от сложной и трудоемкой работы и их непосредственного вмешательства в функционирование разнообразных агрегата».

Сейчас такое ручное управление и невозможно, например, из-за быстроты и сложности протекания процессов. Поэтому непосредственное ручное управление человеком не относится к идее использования живых объектов в технических системах управления и связи. С давних пор высказывались мысли об ис­пользовании животных с этой целью. Предлагали соответст­вующим образом дрессировать животных, чтобы они научи­лись выполнять все те операции, которые выполняет человек, например при вождении автомобиля. До последнего времени такие предположения не находили должной поддержки. С раз­витием ракетной техники к ним стали относиться с большим вниманием. Появились первые сообщения о таком использова­нии голубей и обезьян для управления полетом ракеты. Одна­ко использование животных для прямой замены человека на основе тех же механизмов управления техникой, по-видимо­му, не является при современном уровне знаний самым пер­спективным.

В настоящее время большое число научных изысканий по­священо разработке так называемых биоэлектрических систем управления. Биоэлектрические системы — прямые предшест­венники биологических систем управления и связи. Лучше и точнее будет сказать, что они представляют собой первые практические варианты биологических систем. Биоэлектриче­ские системы — это машины, управление в которых осуществ­ляется с помощью биотоков, продуцируемых организмом чело­века.

С помощью ламповых и полупроводниковых усилителей электрических сигналов физиологи очень подробно изучили электрическую активность различных органов и тканей жи­вотного и человека. Для современного физиолога электриче­ская активность является лучшей характеристикой функцио­нирования организма.

Установлено, что кривая электрической активности изме­няется при изменении состояния исследуемого организма. Электрическая активность несет основную информацию о про­текании всех процессов в организме. Наиболее наглядный эксперимент, демонстрирующий это замечательное явление, был проведен киевскими учеными В. И. Кием и Г. Ф. Колесни­ковым. Они снимали электрическую активность с одной конеч­ности одного человека и через усилитель подавали ее на соот­ветствующую конечность другого человека. При этом второй испытуемый совершенно безукоризненно повторял все движе­ния, которые совершал первый испытуемый, хотя они и нахо­дились в разных комнатах.

Одна из первых биоэлектрических систем была построена для решения одной из массовых задач медицины. Для диагно­стики многих болезней сердца чрезвычайно важно получить рентгеновский снимок сердца при определенном состоянии его сжатия, как говорят специалисты, в определенной фазе. Но сердце менее чем за одну секунду проходит все фазы. Рентге­нолог, естественно, не может вручную успеть включить рентге­новский аппарат в нужный момент. Ученые решили использо­вать электрическую активность сердца больного, как сигнал для автоматического управления рентгеновским аппаратом. По кривой электрической активности легко определить любую фазу, в которой находится сердце в данный момент. Усилен­ный сигнал электрической активности поступает на специаль­ное электронно-релейное устройство, которое включает рентге­новский аппарат. Параметры этого устройства можно изме­нить так, чтобы получался снимок любой заданной фазы сердца.

Первый такой прибор в Советском Союзе был построен доктором медицинских наук В. С. Гурфинкелем и кандидатом физико-математических наук М. Л. Цетлиным. Он был назван кардиосинхронизатором. После этого советские ученые реши­ли расширить принцип использования биотоков организма для целей управления, примененный в кардиосинхронизаторе.

Был создан активный протез руки, работающий на анало­гичном принципе. На Международном конгрессе по проблемам автоматизации, проходившем в Москве, человек искусственной рукой написал на доске: «Привет участникам конгресса!». Ак­тивный протез представляет собой устройство, которое преоб­разует электрическую активность одной из мышц в сигнал уп­равления электромеханического протеза. Человек быстро нау­чается использовать соответствующие мышцы для целей уп­равления электромеханическим протезом. Такая искусствен­ная рука может быть использована не только как активный протез. Она позволит человеку непосредственно осуществлять манипуляции в ядерном реакторе и в других труднодоступ­ных для него условиях.

Человек получает возможность работать руками великана, манипулировать огромными массами и энергиями непосредственно. В случае необходимости такая работа может прово­диться на огромном расстоянии от промышленного объекта с помощью телевизионного наблюдения. Но это не все. Исполь­зуя те же принципы управления, человек получает возмож­ность манипулировать и с микрообъектами под линзой микро­скопа, для которых его собственные руки чрезвычайно велики.

Принцип «искусственной руки» не только придает руке че­ловека желаемый размер, силу и позволяет осуществлять не­посредственное вмешательство в ранее совершенно недоступ­ные области. Он в буквальном смысле увеличивает число рук человека.

Представьте себе современный реактивный сверхзвуковой самолет. Это очень сложная машина. Десятки стрелочных и сигнальных приборов, десятки ручек управления. Более того, пилот находится в очень стесненных условиях в машине. Это продиктовано необходимостью придания самолету большой маневренности на фантастических скоростях.

В такой ситуации на лице летчика может быть прикрепле­но несколько электродов, которые позволят улавливать элект­рическую активность мышц лица. Изменяя мимику лица, лет­чик будет менять биотоки мышц. В свою очередь биотоковый сигнал, предварительно усиленный, может осуществлять из­менение положения управляющих рукояток и кнопок с по­мощью соответствующего электромеханического устройства, целой системы искусственных рук. Глазами по показаниям приборов летчик будет осуществлять контроль за работой био­токов своих мышц. Этому, конечно, предварительно надо бу­дет научиться, но опыт обучения человека управлению с по­мощью биотоков технической системой, накопленный в эксплу­атации искусственной руки, показывает, что это не такая уж трудная задача.

Вспомним опыты киевских ученых Кия и Колесникова. Они передавали усиленные биотоки, возникающие при сокращении мышц одного человека, на соответствующие мышцы другого человека. В случае, когда пациент, с которого снимают биото­ки, совершает какие-то движения, его «коллега» их в точности повторяет.

Эти опыты, помимо большого научного значения, связанно­го с доказательством того, что биотоки несут очень полную ин­формацию о движении, имеют и большое практическое, при­кладное значение. Так, они наводят на мысль о новых путях использования биотоков для управления и обучения. Ведь эти биотоки можно записать на магнитофон, а потом «проиграть» их когда угодно и сколько угодно раз.

Сохранение биотоков опытного рабочего, записанных на магнитофонную ленту во время выполнения им сложных и от­ветственных технологических операций, открывает новые воз­можности перед техникой станков с программным управлением. Самые ювелирные операции можно будет поручить универ­сальному станку-автомату. Для этого достаточно будет сме­нить у него магнитную ленту, точно так же как мы это делаем, когда хотим послушать другую магнитофонную запись.

Библиотека таких магнитофонных лент позволит совершен­но по-новому подойти к проблеме обучения квалифицированных кадров в тех отраслях человеческой деятельности, где че­ловек долгие годы останется незаменимым.

Хорошо известно, как важна роль учителя в каком бы то ни было деле, будь то обучение управлению мощным подъем­ным краном или музыкальной игре, технике балетного танца или высшего пилотажа. Опытный учитель, знающий свое дело, играет огромную роль в формировании будущих специалис­тов. В наш век, когда учеба носит массовый характер, неволь­но приходится изобретать такие методы, которые оставляют мало времени на индивидуальные занятия, учителя с каждым учеником. Современный преподаватель, обучающий вождению автомобиля, не может одновременно ехать с каждым учени­ком, держа вместе с ним рулевое колесо. Так делает мамаша с карандашом или ручкой» помогая сыну-первокласснику ов­ладеть тайнами чистописания. Дело, конечно, здесь не в том, что плохо вместе с маминой рукой учиться выводить буквы. Дело в том, что учитель один, а учеников много.

Библиотеки магнитофонных лент с записями «лекций» био­токов позволят необычайно широко использовать опыт самых лучших специалистов. Кстати, это касается и такого дела, как чистописание. Можно представить время, когда каждому пер­вокласснику родители, так же как ручки и карандаши, купят комплект магнитофонных лент биотоков, на этикетке у которо­го будет написано: «Курс чистописания».

Широкое применение найдет этот метод и в медицине — родоначальнице биоэлектрических систем управления. Каби­неты физиотерапии пополнятся новыми совершенными прибо­рами для проведения лечебной гимнастики. И, может быть, пройдет несколько лет, и больные, разбитые параличом, полу­чат приборы, которые сделают их подвижными… В магнитофо­не карманного типа поставлена склеенная в кольцо магнито­фонная лента, на которой записаны биотоки, снятые с нижних конечностей здорового человека во время его ходьбы. С по­мощью такого прибора человек с парализованными ногами сможет самостоятельно совершать небольшие переходы.

Многое еще можно рассказать о разработках различных биоэлектрических систем. В настоящее время это самые близ­кие к практическому осуществлению из исследований, прово­димых в плане непосредственного использования живого, в технических системах управления и связи. Разработки таких систем во многих странах проводятся в очень широких масш­табах.

Несколько слов об источниках питания управляющих сис­тем. Биологическая техника проникает и сюда. От источников питания управляющих систем, как правило, не требуется боль­ших мощностей. В связи с развитием ракетной техники в на­стоящее время самое большое внимание уделяется их сроку службы.

Помимо изысканий в области создания совершенных кон­струкций солнечных батарей и новых видов аккумуляции энергии, ученые все больше внимания уделяют биологическим источникам питания. Уже созданы первые конструкции биохи­мических батарей, построены первые радиопередающие устройства, питаемые энергией человеческого голоса, который подлежит передаче.

Мы уже говорили об электрических скатах, угрях, сомах и других «электрических» рыбах. У них есть мощные электри­ческие источники, которые с успехом могут быть использованы в технических системах. Более того, любая живая ткань яв­ляется довольно мощным источником электричества. Ведь суммарное напряжение одного нерва, содержащего 60 тысяч нервных волокон, составляет 300 вольт! Невольно вспомнишь предупреждающую надпись: «Осторожно! Высокое напряже­ние!» Нет сомнения в том, что биологическим источникам пи­тания для систем управления и связи принадлежит большое будущее.

Итак, мы совершили небольшую экскурсию в новую об­ласть человеческих знаний — бионику. Познакомились с со­держанием этой науки и ее задачами. Следует, однако, отме­тить, что сегодня бионика находится еще на самой заре своего развития. Еще многое в ней не ясно, еще не отточены многие формулировки и положения. Еще не все предположения и до­гадки подтверждены экспериментом.

Бионику сегодняшнего дня можно сравнить с младенцем, который делает свои первые, но уже уверенные шаги. Тем не менее уже сегодня со всей отчетливостью видно, насколько широки перспективы развития этой науки и внедрения ее до­стижений в практику. Именно этим объясняется большой инте­рес к бионике со стороны ученых всего мира.

Значительный вклад в развитие бионики вносят и совет­ские ученые. В Москве и Ленинграде, Киеве и Новосибирске, Тбилиси и Харькове, в Горьком и многих других городах Со­ветского Союза весьма интенсивно развиваются научные ис­следования бионического характера, в которых принимают участие ученые и инженеры различных специальностей. И это не случайно, так как самой характерной чертой развития сов­ременной науки является объединение различных отраслей знания для решения конкретных задач, выдвигаемых прак­тикой.

Список ученых, работающих в области бионики в Совет­ском Союзе, включает в себя немало имен, хорошо известных не только в нашей стране, но и далеко за ее пределами. Кол­лективы наших ученых-биоников ежегодно пополняются та­лантливой молодежью. И это единение опыта и знаний с мо­лодым задором и энергией в значительной мере способствует успеху развития молодой науки.

Многие из этих коллективов уже сегодня имеют весьма су­щественные практические результаты. Так, очень большую и интересную работу по изучению различных органов чувств животных и, в частности, по изучению органов зрения насеко­мых ведут сотрудники Института биофизики Академии наук СССР. В этом институте есть лаборатория физиологии зрения, которую возглавляет доктор физико-математических наук Н. Д. Нюберг. Под его руководством коллектив лаборатории проделал множество тончайших и остроумнейших эксперимен­тов, благодаря которым удалось раскрыть немало интересных загадок природы.

Решая общую проблему — изучение механизмов зрения че­ловека и животных, сотрудники лаборатории нашли ответы на вопросы: какие функции осуществляются этим механиз­мом, каковы должны быть свойства системы, выполняющей эти функции, как работают различные физиологические струк­туры и какую роль они могут играть в работе всего меха­низма?

Изучено со значительной полнотой цветное зрение многих животных — от беспозвоночных до млекопитающих и челове­ка. Разработана уникальная методика на человеке (изобра­жения, неподвижные относительно сетчатки), которая позво­лила вскрыть целый ряд неожиданных новых свойств механизма зрения. Проведены экспериментальные и теоретические исследования по работе аппарата зрения в целом, которые проливают свет на работу механизмов узнавания зрительных образов в естественной обстановке. При этом многие ориги­нальные эксперименты и гипотезы подкрепляются моделиро­ванием на электронной вычислительной машине. В частности, на машине моделируются процессы узнавания животным и че­ловеком зрительных образов.

Немало сделано и другими коллективами советских уче­ных, возглавляемыми П. К. Анохиным, М. А. Айзерманом, И. Д. Гельфандом, В. И. Варшавским, А. Н. Малаховым, В. В. Париным и В. А. Полянцевым и многими другими, одна­ко подробный рассказ об их работе выходит за рамки данной брошюры, которая ставит своей целью лишь первое знакомст­во широкого читателя с бионикой.

• ← Живі очі автоматів