Василий Захарченко
Надбягване с разума (28)

По жив образ и подобие

Безкраен е пътят на еволюцията на живото същество. Къде, в кои дълбини на историята се е зародила живата клетка? Кой е дал първия тласък на живота — топлината, светлината или електрическите разряди на мълниите? Но веднъж зародил се, животът започнал стремително да се развива. Милиони години природата е шлифовала, извайвала и развивала живото. И дори днес, когато създаваме кибернетични машини, строим удивителни уреди и апарати, откриваме нови теории и хипотези, породени от нашата мисъл, ние все още не можем да разгадаем много тайни на природата.

Само преди няколко години възникна нова наука — биониката. Нейните владения се разположиха на границата между биологията и техниката, една зона, която винаги е особено плодотворна, тъй като две насоки я захранват и й придават сила.

Как да се използува в техниката онова, което природата е създавала през цялото време на еволюцията? Невярно ще бъде, ако кажем, че самолетът повтаря птицата, или корабът — рибата. Не, те далеч не си приличат. Но има отделни елементи, отделни части на живи същества, които напълно могат да бъдат усвоени като принцип, като идея.

Милиарди години живите организми са се приспособявали към всички изменения на заобикалящите ги условия. Природата е създала поразителни форми на живия полет, на плуването, на преместването в пространството. Природата е дала на живите организми и приспособимост, и дори средства за връзка помежду им.

Най-висшето творение на природата е мозъкът, или, както го е нарекъл физиологът И. П. Павлов — „най-висшето творение на земното кълбо“.

Да се изучи цялото богатство, натрупано от еволюцията, да се усвоят принципите на работа на мозъка — ето централния въпрос на биониката и кибернетиката.

Японските инженери най-основно са изучили формата на кита и характера на неговото плуване. И бил създаден кораб с китообразна форма. Станало ясно, че същата скорост и товароподемност се постига при мощност на двигателите на новия кораб с 25 процента по-малка.

А има ли нещо по-тромаво от пингвина? Той си има свой начин за придвижване по снега. За да не затъва, пингвинът ляга на белия пух на обтекаемото си тяло и енергично, като с весла, гребе с крилете си перки.

Именно на този принцип сега се създават всъдеходите — не с плазове и не с гъсеници. Всъдеходът от нов тип се плъзга лежешком по мекия сняг, съвсем свободно навлиза във водата и отново се качва на леда.

Спомнете си слънчогледа, който винаги се обръща към слънцето. Как става това? За сметка на какво се създава усилието на обръщането? Как потокът светлинни лъчи върти, в една посока милиони жълти съцветия? И все още тази тайна на природата не е разкрита. А колко много може да даде това на науката — на слънчевите машини, на фотоелементите!

Съществуват породи риби с феноменално обоняние. Ако в един литър вода се намира една стомилиардна част миришещо вещество, неуловима с никакви средства, рибата я чувствува. Дори обикновеното куче, което добре познаваме, различава до половин милион миризми, абсолютно недостъпни за човека.

Учените работят над локатори за миризми. Чувствителността им може да бъде доведена до едва доловими граници. Представете си, че някъде в южната част на Каспийско море са пуснали във водата една капка ароматно вещество. С помощта на локатора за миризми вие можете да откриете край устието на Волга какво е това вещество и къде е било пуснато.

А нима поразителната способност на плъховете да чувствуват радиацията не ни кара да се замислим над механизма на тази способност?

В нашия атомен век е твърде важно да се научим бързо да разпознаваме радиоактивността. А може би нейде в недрата на човешкия организъм също има анализатори на радиоактивността?

Неведнъж е говорено за чудната способност на прилепите дори в пълна тъмнина да не се блъскат в препятствия. След дълги изследвания било установено, че прилепите притежават тайната на звуковата локация. По време на полет те издават недоловими за слуха звуци и отражението на тези звуци от предмета им позволява да се ориентират в пространството. Според времето на завръщане на сигналите прилепът абсолютно точно се ориентира. Била открита и друга особеност. Някои прилепи бързо прелитат над водата и безпогрешно хващат риби, които плуват близо до повърхността. Какво става? Известно е, че 99 процента от звуковата енергия се отразява от повърхността на водата. А колко енергия достига обратно до прилепа, ако до рибата достига само един процент от трептенията през слоя вода?

Неотдавна бил създаден жироскоп с принципно нова конструкция, който използува най-тънки вибриращи пластинки. Как мислите, откъде се с родила тази идея? От наблюденията над насекомите. Много от двукрилите насекоми имат бръмчила. Когато се изменя посоката на полета, в трептящото бръмчило възниква допълнително напрежение, а съответно и дразнение, което се предава в главния мозък на насекомото. И то коригира посоката на полета. Именно този принцип се използува в жироскопа.

Съвсем неотдавна бил изобретен уред, който измерва ускорението, така необходим за самоуправляващите се снаряди и ракети. Принципът на този уред бил открит при изучаването на вестибуларния апарат на човека. Най-малкото ускорение предизвиква преместване на течностите в съдовете, където са пуснати електроди.

По време на войната били използувани изключителните способности на тюлените да чуват звуци. Те долавят от огромно разстояние шума от гребните витла. Американският физик Роберт Вууд се помъчил да използува тази особеност на тюлена. Днес чувствителността на тюлена вече е намерила приложение в хидрофоните.

Дълго време скоростта на делфина е била загадка за хората. Делфинът свободно изпреварва всеки кораб, въпреки че е необяснимо къде в толкова малък обем — тялото на животното — се побира такъв мощен мотор. Разбрало се, че работата съвсем не е в мотора, а в структурата на кожата му. Делфинът пори водата с минимално съпротивление, тъй като кожата му не предизвиква никакви турбулентни, вихрови движения. Сега в чужбина се опитват да проектират морски съдове, чиято повърхност ще наподобява кожата на делфин.

Неясно беше как гърмящата змия в абсолютна тъмнина съвсем точно се прицелва в своята жертва. Смятали са, че очите й виждат в тъмнината. Нищо подобно! Оказва се, че гърмящата змия има изключително чувствителен инфрачервен локатор, който долавя разлика в температурата от 0,001 градуса. И той именно насочва смъртоносното ухапване на змията. На същия принцип сега се строят топлинни локатори с голяма чувствителност.

Учените установили, че нилската риба „воден слон“ има на гърба си много интересен локатор. Излъчвайки трептения откъм опашката, нилският „воден слон“ ги възприема, отразени от приближаващия се противник, с неголям участък от кожата на гърба си. Днес се създават подобни уреди, които използуват електромагнитните вълни и се прилагат в мореплаването и авиацията.

В наши дни много конструкторски бюра се занимават с изследване полета на насекомите. Тия изследвания са много важни и интересни, защото именно насекомите поставят най-високи рекорди в скоростите. Струва си човек да се замисли защо витлото и реактивният двигател — носещата сила на съвременния самолет — същевременно пречат за увеличаването на скоростта. Полетът на насекомите е по-икономичен и осигурява по-голяма скорост.

Нека съпоставим скоростта на насекомите и птиците при полет със скоростта на самолета.

Земната пчела лети със скорост 18 километра в час, стършелът — до 55 километра в час, а скорецът лети с повече от 70 километра в час. Бързолетът може да развие скорост до 100 километра в час. Самолетите като че ли имат явно преимущество. Но това далеч не е така.

Нека разпределим първите места по друг принцип — като вземем предвид дължината на тялото. Тогава ще видим, че за един час стършелът изминава разстояние 30 000 пъти по-голямо от дължината му, земната пчела — 10 000 пъти, бързолетът ще бъде вече на трето място — 8000 пъти. На последно място се оказва самолетът, който лети със скорост 900 километра в час и за един час прелетява път, 1500 пъти по-голям от дължината му, т.е. 15 пъти по-малко, отколкото при стършела.

Къде се крият източниците на тази поразителна скорост? Обикновената муха, която тежи 73 милиграма, има 56 квадратни милиметра площ на крилете. По такъв начин при тегло на мухата един килограм се пада малко повече от половин квадратен метър площ на крилете. При комара на един килограм тегло се пада площ на крилете 10 квадратни метра.

Всички тези цифри са много важни за учените, които изследват и разработват нови средства за полет.

Полетът — това е общият принцип. Но всеки детайл от живия организъм може да представлява интерес за конструктора.

Каква е връзката между окото на пчелата и полета на спътниците в междузвездното пространство?

А връзка има. Окото на пчелата има фасетъчна конструкция — състои се от хиляди възприемащи кутийки. Но пчелата вижда слънцето само с няколко от тези елементи. С помощта на „биологичния си часовник“, който сякаш отброява времето, пчелата се ориентира изключително точно в пространството по слънцето. Но нали същият този принцип се прилага и при ориентирането на спътниците.

В един научен институт в Америка бил създаден апарат, които копирал действията на окото на жабата.

Същността е в това, че жабата може да се абстрахира от неподвижността на предмета, като съсредоточи цялото си внимание само върху движещия се предмет. Това й помага да лови насекоми. Днес изкуственото жабешко око заема извънредно много място. Това са седем рамки с размер един на един метър, които се състоят от фотоелементи — изкуствени неврони и неонови лампи. Броят на фотоелементите е огромен — повече от 1000 на всяка рамка, Комбинацията фотоелементи е направена по такъв начин, че те взаимно погасяват всяко неподвижно изображение, което попада в зрителното поле на „жабешкото око“. Но щом електрическото равновесие на системата бъде нарушено от движещия се предмет, той веднага ще бъде открит.

Уредът е твърде интересен и полезен. На него нищо не му струва например да открие самолет, като го различи от неподвижните сигнали — отражения на планини, стълбове на далекопроводи, заводски комини и т.н. Подвижният предмет моментално ще привлече вниманието и ще бъде фиксиран от апарата. Това е важно за управление на въздушното движение, за радиолокацията и за много други цели.

Говорихме например, че се създава модел на живи неврони. Съществуват вече около двадесет такива модели. Те се различават един от друг не само по схемите, но и по принципите си на действие. Съществуват модели на електронни неврони, на полупроводникови или на химически.

Иска ни се да вярваме, че тези модели ще спомогнат за създаването на нови „умни“ машини.

Но ще съумеем ли да постигнем някога онова забележително качество, което притежава живият мозък — умението да предвижда бъдещата ситуация, за да успее да се подготви за нея?

Нали нито една постъпка, нито едно действие ние не извършваме, без да предвидим доста ясно онези резултати, които ще получим. Без това ние не бихме могли да съществуваме и целият ни живот би станал неуправляем, безсистемен и хаотичен.

Създаването на „предвиждане“ на резултатите у електронните и кибернетичните апарати е изключително важен проблем в съвременната техника, който стои наред с проблема за надеждността на „мислещата машина“.

Спомням си разговора с „бащата на нашата родна кибернетика“ — академик Аксел Иванович Берг. Темпераментен и енергичен човек, той концентрира моето внимание върху основната тема, с която се сблъсква всеки кибернетик — надеждността.

— Няма по-надежден и по-икономичен апарат от живия мозък — говореше Аксел Иванович. — Изследователите доказаха, че може да се махне половината маса на мозъка у животно и то ще продължава да живее и да действува. И не защото тази половина не е работела — горещеше се академикът. — Не, работата е там, че останалата част от мозъка незабавно се преустройва и започва да работи и за двете половини.

— Ей такава кибернетична машина да може да се направи… — подметнах аз. — Сутринта изхвърляш половината сандъци и нищо не се изменя — работи, както и преди това.

— Уви, работата тук е по-сложна — пояснява Аксел Иванович. — Колкото и бързо да работи машината, колкото и голям да е обемът на нейната памет, дори най-малката неизправност предизвиква много груби грешки. Ако един-единствен път само една електронна лампа не предаде импулса на другите лампи, то след като е извършила поведе от 10 милиона аритметични действия, след като е решила 10 милиарда уравнения, машината безусловно ще даде неправилен отговор. Тя трябва да работи с такава надеждност, че грешката да не надминава 1/1 000 000 000. Как да се постигне това? Такава грешка не може да има в нормалния, здрав човешки мозък.

Изтъкнатият учен е прав. Тук кибернетиката трябва да се състезава с мозъка.

Дълги години член-кореспондентът на Академията на науките Е. А. Асратян се е занимавал с проблема как централната нервна система възстановява всяко нарушение?

„Способността на мозъка, особено на неговите висши отдели — казва той, — да възстановява нарушените функции поразява и най-развитото въображение.“

Наистина мозъкът е един от най-сложните агрегати, които е създала природата. Но той е и най-надеждният апарат. Работи при всякакви условия, десетки години, без да дава засечки, без да реагира на температурните изменения, на положението в пространството, на влиянието на външната среда. Свръхнадежден, свръхточен уред. В какво се състои неговата сила и къде е тайната на неговата фантастична надеждност?

Милиарди неврони — миниатюрни сложни устройства — съставляват мозайката на мозъка. Всяка нервна клетка има стотици и хиляди връзки, или, както казват кибернетиците, „изходи“, с другите клетки. А колко изхода има електронната лампа? Четири, шест — не повече.

Мозъкът се състои от две полукълба, които сякаш се дублират едно с друго, създавайки изключителна надеждност. Нека се постараем да покажем с цифри предимствата на такова дублиране. Представете си, че в двата канала стават две събития, които не зависят едно от друго. Възможността да съвпадат е почти изключена. И ако в този случай грешката в едното от изчисленията е 0,01 процента, то двете успоредни изчисления могат да дадат неверен резултат от 0,01×0,01=0,0001 процента. Това значи, че може да бъде допусната грешка едно на 10 000. Дали затова природата чудотворец не е разделила мозъка на две успоредно работещи групи? Но има и други условия за надеждността на мозъка. За да се предпази човешкият мозък от повреди, за да му се даде възможност да работи неизтощимо, след състоянието на възбуда в клетката настъпва така нареченото затормозяване. Член-кореспондентът Асратян е установил, че периодът на затормозяване на клетката незабавно се използува за нейния профилактичен текущ ремонт. Освен това всяко денонощие клетката се ремонтира и по-основно: сънят на човека позволява на мозъка напълно да почива.

Клетката е защитена също и от претоварване. Това е откритото от академик Козлов така наречено „свръхзатормозяване“. Ако се усили въздействието върху клетката, тя ще реагира енергично, но при много високо ниво на въздействие нервната система автоматично се изключва, за да може след отстраняване на въздействието отново да пристъпи към нормална работа.

Забележително качество на нервните центрове е способността им да се преустройват. В лабораторията на Асратян бил направен интересен опит. На едно куче пришили с упойка сухожилията на мускулите сгъвачи към сухожилията на мускулите разгъвачи и, обратно, сухожилията на разгъвачите към сухожилията на сгъвачите. Когато клетото куче се събудило от упойката, крайниците му започнали да се движат обратно: когато искало да си свие лапата, то я отпускало. Ала това не продължило дълго: след известно време нервните центрове напълно се преустроили и животното се научило правилно да управлява крайниците си. Иска ни се да попитаме: как може да се постигне такова съвършенство в кибернетичната машина?

Но и това не е всичко. Нервната система на човека като че ли е двуетажна. Горният етаж е кората на полукълбата, долният — системата за саморегулиране на отделните органи. Един нагледен пример може да покаже колко надеждно работи последната система. Сърцето, отделено от живия организъм, може продължително време да работи самостоятелно, ако през него се пропуска физиологичен разтвор.

Изключителната надеждност на мозъка се заключава именно в това, че съществува двуетажно изграждане на нервната система, своеобразно двойно подчинение на органите.

Могат ли всички тези поразителни качества да бъдат пренесени в машината? Разбира се, че могат.

Днес най-малкото счупване в кибернетичната машина я прави безпомощна. Защо да не се възползуваме от биологичните резерви на мозъка — от неговата способност за текущ ремонт и преустройство. Ето защо кибернетиците се замислят за създаване на кибернетични машини, построени от три типа елементи.

Първата група елементи осигурява бърза и точна работа на машината, втората група може при излизане на някой елемент от строя да го замени с друг и най-сетне третата група елементи работи не толкова бързо и точно, но осигурява на машината непрестанно действие, докато аварийната служба замени повредените основни елементи. Подобна организация на кибернетичната машина ще я приближи до известна степен по надеждност до работата на мозъка.

Възможен е и още един път за осигуряване на по-голяма надеждност на машината, копираща живата нервна система. Машината трябва да бъде построена така, че отделните й възли да са достатъчно самостоятелни и същевременно да се подчиняват на общото регулиране. Ако от строя излезе общият регулатор, по-нискостоящият възел ще работи самостоятелно, както например сърцето при захранването му с физиологичен разтвор. По такъв начин надеждността на кибернетичната машина ще се увеличи.

Обаче машината трябва да се приспособява и към околните условия, за да не губи своята надеждност.

Както е известно, в химическата, въгледобивната или нефтопреработвателната промишленост, в промишленостите, свързани с опасност от неочаквани взривове, не бива да се използува електроника. Достатъчна е една искра от лош контакт и избухва взрив. А нима трябва да се отказваме от електрониката в тази област? Или трябва така да усилим защитата на електронните устройства, че те да се превърнат в огромни, тежки блокове. Съветските конструктори тръгнаха по друг път — те създадоха не електричен, а пневматичен мозък, създадоха машина, която работи със сгъстен въздух.

По много тънки тръбички въздухът стига до различни части на пневматичния мозък, състоящ се от отделни елементи, които наподобяват по функциите си електронна лампа. Размерите на въздушните елементи са незначителни — не надминават кибритена кутийка. Обаче пневматичният мозък, който се състои от стотици такива кутийки, може да управлява редица химически производства. По негова заповед се увеличава и намалява постъпването на химикалите, регулира се температурата и налягането при един или друг процес. За своето чудесно изобретение конструкторите получиха званието лауреати на Ленинска награда.

В лабораторията на Института по автоматика и телемеханика вече е създадена клетка на въздушен мозък колкото кибритена клечка, която работи абсолютно надеждно.

За управляване на най-сложните процеси в едно съвременно промишлено предприятие вече съществуват толкова миниатюрни апарати, че машината, която се състои от такива елементи, може свободно да се събере в училищна чанта.

Но човешкият мозък, отстъпвайки на машината в скоростта на операциите, винаги ще остане за конструкторите образец за надеждност и компактност. А и нужно ли е на мозъка да настига по скорост машината! Чудесно се е изказал по този повод един учен.

„Ако мозъкът би придобил всички достойнства на електронните машини, той незабавно би загубил всички свои предимства пред тези машини. А те, както видяхме, не са малко…“

И така, ние отново се сблъскваме с основния проблем на биониката: да се изследват живите същества, за да се използуват техните предимства в света на машините, механизмите и електрониката. Може с увереност да се каже, че живият свят не е още достатъчно изследван, а той таи в себе си огромни възможности за развитие на машините.