Кольцо управления

Знакомьтесь - роботы!

Итак, изнутри и извне от чувствительных клеток "вверх", в мозг, текут потоки дискретных сигналов по той части нервной системы, которую называют сенсорной. А из мозга "вниз", к мышцам, также в форме дискретных сигналов, но по другой - моторной - части нервной системы текут программы управления живыми двигателями.

Система управления движениями не всегда действует по такой двухпоточной (вверх-вниз) схеме, а действуя по ней, не всегда включает в нее головной мозг. Функции, которые выполняет этот механизм интеллекта, чрезвычайно разнообразны. Поскольку мы сейчас подошли к обсуждению очень важного вопроса, не будем торопиться и прежде всего на нескольких примерах познакомимся, как этот механизм действует в различных "управленческих ситуациях".

Войдя в темную комнату, вы хотите повернуть выключатель, а вместо этого натыкаетесь на оголенные провода и мгновенно отдергиваете руку. Вы еще не успели сообразить, в чем дело, не успели подумать, как поступить, а система управления уже сработала. А что тут думать? Будешь думать, держась за оголенные провода, все равно ничего не придумаешь лучше, чем по возможности быстрее отдернуть руку!

Самое удивительное, что живая система автоматически действует именно так, как подсказал бы головной мозг, если бы до него дошел угрожающий сигнал. Но он до него не доходит, вернее, доходит, но уже после того, как совершилось действие. В спинном мозгу сенсорный тракт, по которому сигнал двигался "вверх", "закоротился" с моторным трактом, по которому возбуждение передалось "вниз", на мышцы руки, вызвало их сокращение, рука отдернулась.

Когда вы приходите на медицинский осмотр и попадаете в кабинет невропатолога, он велит вам сесть на стул и положить ногу на ногу. Затем берет небольшой молоточек и слегка ударяет им по колену. Даже если вы уже бывали в этом кабинете и знаете, что произойдет, все равно голень дернется раз и два; сколько раз ударят, столько раз дернется. Врач-невропатолог по известному уже вам способу проверяет, в порядке ли ваши рефлексы.

Если сигналы, приходящие из органов чувств, настолько просты, что нужная, например защитная, реакция организма не требует прямого участия мозга, то система управления срабатывает по варианту, обеспечивающему максимальное быстродействие: тревожный сигнал проходит по минимально необходимому пути (только до спинного мозга, а ведь он конструктивно расположен ниже головного, то есть ближе к "периферии", к мышцам, к двигательной системе), а главное, не тратится драгоценное время на обработку информации, принятие решения. Ведь в данном случае не ставится задача отдернуть руку на такое-то расстояние, с такой-то скоростью, в точно таком-то направлении и так далее. Единственно, что требуется сделать, причем самым срочным образом, это отдернуть руку - подальше и побыстрей.

Такие реактивные движения, совершающиеся без непосредственного участия головного мозга, выполняемые автоматически, называются рефлекторными.

Рефлекторные движения далеко не единственные, в процессе которых система управления действует автоматически. Дело в том, что работой многих мышц нашего тела мы вообще не можем распоряжаться по собственному произволу, они сокращаются и расслабляются автоматически, причем ими управляет специальная нервная система. Эти мышцы, образующие так называемую гладкую мускулатуру, обслуживают многие органы тела, а также кровеносные сосуды. Они периодически сужают и расширяют артерии, помогая сердцу проталкивать кровь, обеспечивают действие пищеварительного тракта, в общем, выполняют всю работу, требующую автоматических движений, управление которыми совершается по значительно более сложной схеме по сравнению с рефлекторными движениями.

Рассматривая устройство глаза, мы мельком упомянули, что происходит, когда меняется освещенность и в глаз поступает то много, то мало света. При этом меняется размер зрачка: много света - зрачок сужается, мало света - зрачок расширяется. Глаз приспосабливается, как говорят, адаптируется, к различным условиям освещенности. Как?

В радужную оболочку глаза "встроены" две мышцы, расширяющие и сужающие зрачок, который выполняет роль диафрагмы оптической системы. Система управления этими мышцами тоже действует автоматически, и это тоже не простые рефлекторные движения. Сужение и расширение зрачка точно согласовываются с освещенностью рассматриваемого объекта. Сигналом управления в этой системе служит разность между количеством света, поступающего в глаз, и тем его количеством, при котором изображение на сетчатке получается "самым хорошим" для его перекодирования и посылки в мозг. Конечно, выражение "самым хорошим" не очень четко определяет характеристики управляющего сигнала. Но здесь мы не будем пытаться вникать во все тонкие вопросы работы живых механизмов. Иначе мы не скоро доберемся до того, что нас непосредственно интересует, до механизмов управления произвольными движениями.

Мы живем и работаем в динамичном мире, в котором непрерывно происходят самые разнообразные изменения. Свет сменяет тьму, тепло сменяет холод. Люди взбираются на горные вершины, летят в космос, опускаются в глубины океана, оказываются в самых различных условиях; а если они живут на одном месте, то и там часто меняются влажность воздуха, температура, атмосферное давление. Все эти изменения влияют на состояние и функционирование живого организма.

Конечно, цивилизация, обувь, одежда и зонтики, различные технические средства уменьшают эффект этих влияний, но не могут их устранить. И живой организм вынужден приспосабливаться, адаптироваться. Он буквально насыщен самыми различными адаптивными системами, реагирующими на изменения освещенности, температуры, атмосферного давления, на самые разные изменения, происходящие вне и внутри тела. Забота всех этих систем нацелена на одно - не допустить конфликта между организмом и окружающей средой, помочь организму приспособиться, адаптироваться к изменчивым внешним условиям, сохраняя на некотором постоянном уровне функционирование всех органов тела.

Любая адаптивная система, в том числе система, диафрагмирующая зрачок, работает по замкнутой схеме. Взаимодействие частей этой системы носит двусторонний характер: сокращение или расслабление мышцы изменяет величину потока света, поступающего в глаз, а изменение потока света, в свою очередь, воздействует на уровень возбуждения мышцы. Это известная в теории автоматического управления система с обратной связью, нашедшая широкое применение в самых разных технических устройствах, системах автоматизации, автоматах, роботах.

Опять аналогии, опять сходство между человеком и автоматом, теперь уже касающееся не того, как организованы потоки информации, а того, как они действуют вместе, в единой системе управления. Это сходство глубже, оно относится к более сложным механизмам интеллекта, и понятно, что к этим интересным, важным и полезным аналогиям надо относиться еще более серьезно и вдумчиво.

По подобной же схеме с обратной связью действует система управления произвольными движениями, теми движениями, программы которых мы намечаем в соответствии с нашими намерениями, желаниями, трудовыми обязанностями. Именно она нас интересует в первую очередь.

Водитель такси непрерывно следит за ситуацией, что складывается в пути, в соответствии с ней намечает наилучшую траекторию и скорость движения и управляет машиной так, чтобы ее фактические траектория и скорость минимально отклонялись от намеченных. Мозг человека-руки-машина-глаза-мозг - вот действующая в этом случае система управления, замкнутая в кольцо.

Половину этого кольца составляют мозг-руки-машина. Если вам кажется, что этой половины достаточно, чтобы успешно справиться с задачей управления, то попробуйте предложить самому опытному водителю проехать 200-300 метров по пустынному и прямому как стрела шоссе с завязанными глазами. Скорее всего он откажется. Каждый водитель знает, что даже при движении прямо всегда приходится непрерывно поворачивать руль то в одну, то в другую сторону, пусть на самую малую величину, чтобы компенсировать влияние на движение машины неровностей шоссе, неравномерности нагружения колес, колебаний машины и многих других, подчас совершенно случайных обстоятельств, которые непрерывно возникают при движении машины.

И водитель непрерывно сравнивает желаемое с действительным и непрерывно вносит соответствующие поправки, устраняя непрерывно возникающие рассогласования. Нет, без второй половины кольца управления, которую образуют машина-глаз-мозг, обойтись нельзя!

И.И.Артоболевский, А.Е.Кобринский, 1979 год