Некоторые кибернетические аспекты информатики

      В последующие после 1974 годы von Foerster, его  коллеги и члены Американского  Кибернетического Общества пытались утвердить  эту новую, или обновленную, концепцию  кибернетики и определить ее влияние  на другие научные области. Были достигнуты некоторые успехи. Значительная часть  специалистов по кибернетики и системным  исследованиям, по крайней мере, услышали о кибернетике второго порядка  и многие ее признали. Однако, эти  идеи не оказали серьезного влияния  на широкое научное сообщество. Такая  ситуация находится в глубоком противоречии с быстрым и широким признанием других научных идей, например, концепции  научной революции Thomas Kuhn или более  современной теории хаоса. 

       Таблица 1

      ОПИСАНИЕ  КИБЕРНЕТИКИ ПЕРВОГО И ВТОРОГО  ПОРЯДКОВ

      2.2. В биологии

      Кибернетика в биологии — исследование кибернетических систем в биологических организмах, прежде всего сосредотачиваясь, как животные приспосабливаются к их окружающей среде, и как информация в форме генов передаются от поколения к поколению.

      2.2.1. Биологическая кибернетика

        Кибернетика биологическая, биокибернетика, научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств кибернетики в биологию. Зарождение и развитие Кибернетика биологическая связаны с эволюцией представления об обратной связи в живой системе и попытками моделирования особенностей ее строения и функционирования (П. К. Анохин, Н. А. Бернштейн и др.). Эффективность математического и системного подходов к исследованию живого показали и многие работы в области общей биологии (ДЖ. Холдейн, Э. С. Бауэр, Р. Фишер, И. И. Шмальгаузен и др.). Процесс «кибернетизации» биологии осуществляется как в теоретической, так и в прикладной областях. Основная теоретическая задача Кибернетика биологическая — изучение общих закономерностей управления, а также хранения, переработки и передачи информации в живых системах.   Всякий организм — это система, способная к саморазвитию и управлению как внутренними взаимосвязями между органами и функциями, так и соотношениями с факторами среды. Стремясь понять природу живого, ученые часто старались отыскать в организме то, что можно было исследовать изолированно. Цель Кибернетика биологическая — изучение организма с учетом основных взаимосвязей начиная с клеточного, тканевого, органного уровня и кончая организменным. Живая система характеризуется не только обменом вещества и энергии, но и обменом информации. Кибернетика биологическая рассматривает сложные биологические системы во взаимодействии со средой именно с точки зрения теории информации. Одним из важнейших методов Кибернетика биологическая является моделирование структуры и закономерностей поведения живой системы; оно включает конструирование искусственных систем, воспроизводящих определенные стороны деятельности организмов, их внутренние связи и отношения. Кибернетика биологическая рассматривает живой организм как многоцелевую «иерархическую» систему управления, осуществляющую свою интегративную деятельность на основе функционального объединения отдельных подсистем, каждая из которых решает «частную» локальную задачу. Особенность организма как сложной динамической системы — единство централизованного и автономного управления. Саморегуляция, характерная для всех уровней управления живой системы, обеспечивается автономными механизмами, пока не возникают такие возмущения, которые требуют вмешательства центральных механизмов управления. В последнее время всё большее внимание биологов привлекают функциональные характеристики биологических систем управления, обусловленные периодическими (ритмическими, циклическими) процессами. Живые организмы с высокой точностью способны «измерять» время («биологические часы»). Это выражается в периодических изменениях дыхания, температуры тела и др. процессов жизнедеятельности. Природа биологических ритмов ещё во многом неясна, но есть все основания полагать, что периодичность — фундаментальная характеристика функционирования биологической системы и процессов управления в ней. Процессы, происходящие на каждом из уровней живой системы, характеризуются своей специфической периодичностью, определяемой как внутренними, так и внешними факторами. А между периодической активностью отдельных уровней в нормально функционирующем организме существуют определенные фазовые сдвиги (сдвиги во времени), обусловленные специфической организацией управления на каждом из уровней. Нарушение этих нормальных фазовых сдвигов может вызвать нарушение работы всей живой системы или ее части. Это ведет к сбоям в работе системы управления и накоплению ошибок, что можно описывать как появление «шумов». Коррекция сбоев требует внутренней перенастройки системы (ее алгоритма) либо внешних управляющих воздействий за счёт включения механизмов управления более высокого уровня. Живые существа объединяются в системы разного порядка (популяции, биоценозы и т.д.), образуя своеобразную иерархию живых систем. Во всех этих надорганизменных системах, как и в жизни клетки, развитии организма, эволюции органического мира в целом, имеются внутренние механизмы регуляции, для изучения которых также применимы принципы и методы Кибернетика биологическая. Механизмы управления определяют течение жизненных процессов не только в норме, но и в патологии. Клетка — сложная саморегулирующаяся система. Она обладает многими регуляторными механизмами, одним из которых являются колебания её структуры, связанные с деятельностью митохондрии и совпадающие с колебаниями окислительно-восстановительных процессов. Синтез белков в клетке управляется генетически детерминированными механизмами, связанными с процессами хранения, переработки и передачи генетической информации. Изучение жизнедеятельности организма в целом и его разных функций, а также механизмов, управляющих работой отдельных органов и систем — это та область, где Кибернетика биологическая оказалась наиболее результативной. В связи с этим сформировались самостоятельные направления — физиологическая кибернетика и нейрокибернетика, изучающие механизмы поддержания гомеостаза; принципы саморегуляции функций организма и протекания в нем переходных процессов; закономерности нервной и гуморальной регуляции в их единстве и взаимодействии; принципы организации и функционирования нейронов и нервных сетей; механизмы осуществления актов поведения и др. проблемы. Изучая закономерности работы человеческого мозга, в основе которой лежит комплекс алгоритмов, т. е. правил преобразования информации, Кибернетика биологическая позволяет моделировать (в том числе и на ЭВМ) различные формы работы мозга, выявляя при этом новые закономерности его деятельности. Созданы, например, программы для ЭВМ, обеспечивающие возможность обучения, игры в шахматы, доказательства теорем и др. Развивается так называемое эвристическое программирование, когда исследуют и моделируют правила обработки информации в мозге при тех или иных творческих процессах. Анализ механизмов индивидуального развития и процессов управления в популяциях и сообществах, включающих хранение, переработку и передачу информации от особи к особи, — также сфера исследований Кибернетика биологическая На уровне биогеоценозов, включая и биосферу в целом, Кибернетика биологическая пытается использовать метод моделирования для целей оптимизации биосферы, в частности для определения путей наиболее рационального вмешательства человека в жизнь природы.   Вопросы эволюции с позиций Кибернетика биологическая были впервые рассмотрены И. И. Шмальгаузеном, который отметил иерархичность управления, выделил основные каналы связи между особями, популяцией и биоценозом, определил возможности потери информации и ее искажений и описал эволюционный процесс в терминах теории информации. С этих же позиций исследуются механизмы различных форм отбора. Примером применения Кибернетика биологическая в прикладных целях может служить создание устройств для автоматического управления биологическими функциями (так называемое биопротезирование), автоматических устройств для оценки состояния человека во время трудовой или спортивной деятельности, при творческой работе, в субэкстремальных и экстремальных условиях. Использование методов и средств кибернетики для сбора хранения и переработки информации получаемой в ходе биологических исследований позволяет вскрывать новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений.   Большую роль в деле развития Кибернетика биологическая в СССР сыграли конференции совещания и симпозиумы по биологическим аспектам кибернетики по биоэлектрическому управлению, нейрокибернетике. Вопросы Кибернетика биологическая освещаются в ряде советских и зарубежных журналов. 

2. Медицинская кибернетика

      Кибернетика медицинская, научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств  кибернетики в медицину. Развитие идей и методов кибернетики в  медицине осуществляется в основном в направлениях создания диагностических  систем для различных классов  заболеваний с использованием универсальных  или специализированных ЭВМ; создания автоматизированного электронного медицинского архива; разработки математических методов анализа данных обследования больного; разработки метода математического  моделирования на ЭВМ деятельности различных функциональных систем; использования  математических машин для оценки состояния больного. Об  истории  развития и теоретических основах  Кибернетика медицинская подробнее  см. Кибернетика биологическая. Внутренняя организация диагностической системы  состоит из медицинской памяти (аккумулированный медицинский опыт в данной группе заболеваний) и логического устройства, позволяющего сопоставить с существующим медицинским опытом симптомы, выявленные при обследовании больного, а также  быстро произвести сложную статистическую обработку клинического материала  в любом заданном направлении. Метод  математического моделирования  на ЭВМ деятельности разных функциональных систем организма позволяет раскрыть многие важные стороны их деятельности. Для выявления ряда закономерностей  взаимодействия изучаемых систем по соответствующим параметрам, характеризующим  функцию той или иной системы  организма (например, сердечно-сосудистой), составляют математические уравнения. Решение этих уравнений позволяет  судить о закономерностях исследуемой  системы. Математические машины используются для быстрой оценки состояния  больного во время большой и сложной  операции и в послеоперационный  период. При таких операциях контроль за состоянием важнейших функций  оперируемого осуществляют при помощи различных электронных приборов и аппаратов многие специалисты (физиолог, биохимик, гематолог и  др.). Усилия врачей и математиков, работающих в области Кибернетика медицинская, направлены на создание кибернетической  системы, позволяющей в течение  нескольких секунд оценить, сопоставить  и интегрировать показания многочисленных приборов и указать правильное решение  о принятии необходимых мер для  восстановления жизненно важных функций  больного.   Дальнейшее развитие Кибернетика медицинская направлено на разработку средств, существенно  помогающих врачу и увеличивающих  его логические и творческие возможности. 

      2.2.3. Нейрокибернетика

      Нейрокибернетика  — научное направление, изучающее  основные закономерности организации  и функционирования нейронов и нейронных  образований. Основным методом нейрокибернетики является математическое моделирование, при этом данные физиологического эксперимента используются в качестве исходного  материала для создания моделей. Одним из наиболее перспективных  направлений нейрокибернетики —  на стыке между психологией, биологией  и информатикой — является моделирование  на основе нейронных сетей. Нейрокибернетика имеет широкий спектр приложений - от медико-биологических разработок до создания специализированных нейрокомпьютеров. Термин neurocybernetics, используемый за рубежом, имеет несколько иное значение, близкое  к бионике. Русскому термину нейрокибернетика соответствует иной английский термин, neural engineering.

      По  данным ВОЗ, сегодня на земле проживает  более миллиона кибернетических  организмов. Слово киборг (кибернетический  организм) вошло в арсенал писателей- фантастов в 60-е годы. Под ним  подразумевается живое существо, в организм которого встроены электронные  приборы.

      Первыми киборгами стали люди с имплантированными  в сердце искусственными водителями ритма. Но интерес к интенсивно развивающейся  электронике у человечества на этом не исчерпался.

      Современная медицина предлагает пациентам:

• искусственный череп (его отдельные фрагменты);
• протез среднего уха;
• имплантаты в кору головного мозга;
• электронное зрение;
• электронное обоняние;
• искусственное сердце;
• имплантаты в органы пищеварения;
• искусственные суставы;
• протезы рук и ног, управляемые мозгом.

      Этот  внушительный список - лишь начало летописи освоения компьютерами человека. Так  или иначе, киборга, оснащенного  новейшими протезами, уже почти  невозможно распознать. А сами они  этого, естественно, не афишируют.

4. Бионика

      В последнее десятилетие бионика  получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные  технологии позволяют копировать миниатюрные  природные конструкции с небывалой  ранее точностью. В то же время, современная  бионика во многом связана не с  ажурными конструкциями прошлого, а  с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами. Концепция  бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика  обрела второе дыхание, современные  технологии позволяют копировать миниатюрные  природные конструкции с небывалой  ранее точностью. Так, несколько  лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный  аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом обзорном материале перечислены  несколько перспективных направлений  современной бионики и приведены  самые известные случаи заимствований  у природы.

      Энциклопедическая справка

      Бионика (англоязычные названия – «биомиметика») – многообещающее научно- технологическое  направление по заимствованию у  природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий. Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно используется термин «биомиметика», но иногда говорят о  биогенезе. Суть этого перспективного научно-технологического направления  состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать  их в виде оригинальных конструкторских  и дизайнерских решений, а также  новых информационных технологий. В  последнее десятилетие бионика  получила значительный импульс к  новому развитию. Это связано с  тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень  и позволяют копировать миниатюрные  природные конструкции с небывалой  ранее точностью. Современная бионика  в основном связана с разработкой  новых материалов, копирующих природные  аналоги, робототехникой и искусственными органами. 

      Умная природа

      Главное отличие человеческих инженерных конструкций  от тех, что создала природа, состоит  в невероятной энергоэффективности  последних. Совершенствуясь и эволюционируя  в течение миллионов лет, живые  организмы научились жить, передвигаться  и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме  животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами  жизни. Таким образом, заимствуя  у природы инженерные решения, можно  существенно повысить энергоэффективность  современных технологий. Природные  материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных  человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать  людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие  процессы для получения тех или  иных сверхпрочных веществ, а природа  делает их гораздо более интеллектуальными  и эффективными способами. Для этого  используются окружающие натуральные  вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» —  оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях  пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных  «ноу-хау». Дизайн природных конструкций  тоже не идет ни в какое сравнение  с попытками человека сконструировать  что-либо претендующее на природную  эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного  адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в  совокупности обеспечивает невероятную  прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства. В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути. Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?