Живые организмы - прототипы роботов

Конференция научно-исследовательских работ учащихся образовательных
учреждений Семеновского района « Ступень в будущее»
Секция: «Техническая»
Учебное исследование на тему:
Работу выполнила: Белугина Маргарита,
учащаяся 11 класса МОУ Сухобезводненской СОШ.
Семеновского района.
Научный руководитель:
Булатова Нина Сергеевна учитель физики.
2011 год
Р.п. Сухобезводное
1
Содержание:
I.Введение…………………………………………………………………….3
II.Основная часть:
1.Немного о Бионике……………………………………………………....4
2. Нейробионика и искусственный интеллект…………………………...6
3. Роботы……………………………………………………………………9
4. Живые организмы – прототипы……………………………………….16
5. Сравнение организма и робота………………………………………...20
III.Заключение………………………………………………………………..22
IV.Литература………………………………………………………………...23
V.Тезисы………………………………………………………………………24
2
I
Введение
Компьютеры и телефоны, GPS – навигаторы и плееры, это и другая самая
разнообразная техника уже плотно вошла в нашу жизнь, и многие ощущают
сильную потребность в ней, хотя ещё десятилетие назад они и представить себе
не могли подобного научно – технического скачка. Всё что вчера казалось нам
выдумкой писателей – фантастов, сегодня становится явью. Ученые с успехом
воплощают в жизнь самые смелые задумки, ведь прогресс не стоит на месте, и
роботы – не исключение.
Однако прототипами многих роботов являются живые организмы. Ученые,
изучая различные системы органов людей и животных, балуют нас всё новыми
и новыми открытиями и изобретениями.
В своём проекте я бы хотела подробнее исследовать новые технологии и
выявить степень схожести их с живыми организмами.
Цель исследования: Установить сходства и различия между живыми
организмами и ротами.
Объект исследования: Живые организмы
Предмет исследования: Прототипы роботов
Гипотеза: Прототипами многих роботов являются живые организмы, а так же
принципы работы некоторых систем органов живых организмов взяты за
основу некоторых технологий.
3
II
Основная часть
1. Немного о Бионике
Бионика (от греч. bion - элемент жизни, буквально - живущий), наука,
пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на
основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика
тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными
науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. БСЭ.1978г.
Бионика - наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и
технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют
исследования по моделированию различных биологических организмов.
Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической,
пневматической и других физико-химических основах.
Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое
осуществляется в других науках. Как правило, модели бионики - несравненно
более сложные динамические структуры. Их создание требует не только
проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и
разработки специальных методов и средств для реализации и исследования
столь сложных моделей. Формальным годом рождения бионики принято
считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и
паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы –
ключ к новой технике».
Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и
схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В
наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли
моделирование орнитоптера.
Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо. С
помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическофизические характеристики животных. И на их основе пытался разработать
алгоритмы управления живыми организмами.
4
Подобные опыты проводились и в СССР, в Российской Федерации в связи
с общим упадком науки - многие программы свёрнуты, а специалисты трудятся
в зарубежных исследовательских центрах.
Создание модели в бионике - это половина дела. Для решения конкретной
практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих
практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных
технических характеристик устройства, разработка методов синтеза,
обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.
И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое
воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое
описание модели. По ней составляется компьютерная программа - бионическая
модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать
различные параметры и устранить конструктивные недостатки.
Именно так, на основе программного моделирования, как правило,
проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается
специального технического построения модели, то такие работы являются,
несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно
воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике
практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет
общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно
необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое
распространение для решения важных задач экспериментальной и технической
физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых
разветвлённых систем связи и т.п.
Сегодня бионика имеет несколько направлений.
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым
строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и
безотходных строительных технологий перспективным направлением является
создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных
5
моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного
"морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда
жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и
трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для
покрытия автомобилей.
2. Нейробионика и искусственный интеллект
Систематизация накопленных к настоящему времени фактов нейробиологии
и полученных в настоящей работе результатов, которые реально
воспроизводимы в моделях ИС, позволяет обосновать вывод о том, что для
повышения эффективности построения и прогнозирования путей развития ИИ
первостепенное значение имеют следующие особенности мозга. Построение
динамически перестраивающейся архитектуры коры из 8 разнотипных
элементов. Генез памяти, потребности, доминанты, различных форм условных
рефлексов, составляющих основу интеллектуальных процессов мозга, в
выходных интегрирующих элементах модуля коры больших полушарий мозга.
Направленность особенностей торможения и запрещающих команд,
которые до настоящего времени не были использованы в ИС, на повышение
быстроты, точности и надежности выполнения сложных функций,
формирование пачечной активности, связанной с реализацией наиболее
сложных функций, повышение информационной значимости сигнала,
устранение ошибки в недостаточно обученной системе и при нарушениях
памяти, создание оптимального состояния последующих исполнительных
структур, эффективную борьбу с шумами. Постоянное количественно и
качественно изменение комбинации работы параллельно и иерархически
организованных структур обеспечивает необходимую минимизацию числа
связей и потоков информации, снижает перегрузки деталями работы конечных
уровней иерархии и снижает объем поступающей к ним информации,
обеспечивая сочетание быстродействия с использованием больших объемов
памяти при выполнении сложных задач. Дифференцированное поступление по
6
отдельным ветвям аксона с одного выхода интегрирующего выходного нейрона
модуля информационных и управляющих сигналов на последующие близко
расположенные и исполняющие разные функции структуры обеспечивает
возможность координации большого числа разных функций в малом объеме,
резко повышающее эффективность работы мозга. Улучшение качества
обработки и передачи сигналов по мере увеличения объема и сложности
информации и сложности работы регулирующих механизмов за счёт
раздельности реакций на силовые и временные параметры от одного сигнала.
Наибольшие возможности моделирования высших функций мозга в ИИС
лежат на путях использования целенаправленной потребностновозбудительной регуляции в элементах, реализующих конечные функции
мозга. Этим создаются возможности значительного расширения диапазона
сигналов, вызывающих данную функцию (по типу доминантности реального
мозга), снятия реакций на стимулы потерявшие актуальность, определения
информационной значимости разных сигналов и обеспечения реакции
микросети в соответствии с этим критерием, автоматизированного
отслеживания стадии выполнения задачи, принятия решения об ее окончании,
возможность обучения и формирования функций прогнозирования и т.д.
На этой основе создано программно-информационное обеспечение ИИС –
Брейнпьютер. В Брейнпьютере реализуются возможности выполнения таких
высших функций мозга, как целенаправленный выбор наиболее значимой
информации из внешней среды, реализация ситуационных стратегий по
режимам принятия решений, управление решениями задач и их ранжировка,
решение задач в условиях неопределенности и др.
Настройка потребностно-возбудительной регуляции позволяет
Брейнпьютеру эффективно решать широкий круг принципиально разных задач,
что продемонстрировано на примерах решения задач распределения ресурсов
на телевидении и управления большими системами из оборонной сферы.
Введенное нами понятие Брейнпьютер активно используется за рубежом.
Искусственные формы жизни будут созданы через десять лет
7
В течение ближайших трех-десяти лет ученые смогут создать синтетические
живые организмы.
По словам специалистов, которые сейчас ведут исследования в этой
области, технология создания искусственных живых форм жизни может
коренным образом изменить наш мир, и эти изменения даже невозможно
предсказать.
Получение первой синтетической клетки из основных химических
элементов ДНК, возможно, не особо восхитит обывателя, ведь без микроскопа
ее не разглядеть. Однако создание протоклеток, как уверяют ученые, поможет
разгадать таинственную загадку мироздания. Некоторые специалисты также
верят, что искусственные формы жизни, созданные человеком, однажды
позволят найти новые способы решения самых разных проблем - от борьбы с
болезнями до предотвращения выбросов в атмосферу парниковых газов.
А пока биологам предстоит преодолеть три основных препятствия, чтобы
получить синтетические организмы. В частности, необходимо создать
вместилище или клеточную мембрану, которая будет удерживать в клетке
"хорошие" молекулы и отсеивать "плохие". Вторая задача для ученых разработать генетическую систему, которая смогла бы контролировать
функции клетки, позволяя ей репродуцироваться и мутировать в ответ
изменения окружающей среды.
И, наконец, специалисты должны создать механизм метаболизма, с
помощью которого из окружающей среды (из пищи) будет извлекаться сырье,
перерабатываемое затем организмом в энергию.
Один из лидеров в сфере синтетической биологии, Джек Шостак из
Гарвардской школы медицины, говорит, что в ближайшие шесть месяцев
ученым удастся создать клеточную мембрану с использованием жирных
кислот. С получением нуклеотидов - строительных блоков ДНК - проблем
возникнуть также не должно. По крайней мере, в этом уверен Шостак.
Стив Беннер, биохимик из Фонда прикладных исследований в сфере
молекулярной эволюции, пытается решить проблему создания искусственных
8
организмов, выйдя за рамки естественной генетики. Нормальная ДНК состоит
из четырех азотистых оснований - аденина, цитозина, гуанина и тимина, то
есть, молекул, пары которых определяют генетический код. Беннер пробует
добавить в "генетический алфавит" еще восемь новых оснований.
Эксперты опасаются, что создание искусственных форм жизни может
выйти из-под контроля. Однако способы решения этой проблемы существуют,
да и прежде чем она возникнет, пройдет еще очень много времени. Ученые
полагают, что первые синтетические организмы будут очень слабыми, и если
они смогут прожить в лабораторных условиях хотя бы час, это будет считаться
большим достижением.
3. Роботы
Робот (чеш. robot, от robota - подневольный труд, rob - раб) - это
электромеханическое, гидравлическое, пневматическое устройство (или их
комбинация), предназначенное для осуществления различных операций,
выполняемых человеком. Данный термин изобрели писатель Карел Чапек и его
брат Йозеф (термин был впервые использован в пьесе Чапека "Россумские
универсальные роботы" ("R.U.R."), 1921 год). Около 1495 года Леонардо да
Винчи сделал первый чертёж человекоподобного робота. В его записях были
изображены детальные чертежи механического рыцаря, который был способен
раздвигать руки, двигать головой, открывать забрало. Однако неизвестно делал
ли Леонардо попытки построить робота. Роботы бывают всевозможных
размеров и форм, а также могут работать в любом режиме. Например,
термостат, сканер и т.д. - тоже являются роботами. Для таких роботов обычно
используется термин "автомат", т.к. они не имеют ни одного общего сходства с
человеком. Современные роботы выполняют какие-либо задачи, подчиняясь
командам оператора или по заранее составленной программе, а также с
помощью технологии искусственного интеллекта.
9
Роботы могут вполне конкретно помогать людям: поднимать тяжелые
грузы, работать с вредными материалами и делать много других полезных
вещей. Применения роботов с каждым годом возрастают все больше и больше.
С помощью бионики (прикладная наука о применении в технических
устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой
природы.) возникли такие необходимые человечеству роботы, как электроны
стимулятор сердца, протезы, искусственное сердце, искусственная почка.
В современном мире существуют роботы: оснащенные
упрощенными формами зрения и ощущения; способностью принимать простые
решения. Такие роботы, несомненно, полезны, они могли бы помогать по дому,
в больнице, на войне и т.д. С каждым годом роботы смогут выполнять все
больше и больше функций живых организмов. В 1738 году французский
механик и изобретатель Жак де Вокансон создал первого робота - андроида,
играющего на флейте.
С развитием технологий люди начали видеть в своих же
механических созданиях не только просто игрушки, но и то, что может
заменить самого человека. В литературе, в кино мы ни раз встречаемся с
чувством страха людей перед роботами (фильмы: "Метрополис" (1927),
"Бегущий по лезвию бритвы" (1982), "Искусственный разум" (2001); книги:
"Франкенштейн, или Современный Прометей" (1818), "R.U.R."… ). Однако, не
смотря на страхи людей, прогресс не остановить, и удачная массовая
промышленная реализация бытовых роботов началась. Одним из первых
примеров стала собачка "Aibo", изготовленная корпорацией "Sony". А в
сентябре 2005 года в свободную продажу поступили роботы, отдаленно
напоминающие человека. Эти роботы носили название "Вакамару", а
производила их фирма "Mitsubishi". "Вакамару" способен узнавать лица и
понимать некоторые фразы, а также давать справки и следить за помещением.
Разновидности роботов:
Андроид (от греч. andr-, что означает "человек, мужчина, мужской", и
суффикса -eides, означающего - "подобный, схожий") представляет собой
10
робота имитирующего движения и внешний облик человека. Существует
литературное понятие "андроид". Самым первым слово андроид употребил
французский писатель Виллифер де ЛАйл Адам (Mathias Villiers de l'Isle-Adam)
в своем произведении "Накануне завтрашнего дня" ("Tomorrow's Eve") - в книге
речь идет об искусственной женщине по имени Хэдели. Андроиды - это
разновидность роботов. Для того, чтобы андроид больше был похож на
человека в его конструкцию добавляют некоторые органические элементы:
кожу, ткани и другие. Но таких андроидов уже можно назвать киборгами.
Каждый автор в своем произведении использовал слово "андроид" со
множеством разнообразных значений, а также наряду с терминами "робот" и
"киборг".
Еще до момента овеществления роботы открыли радужные
перспективы фантазерам и прожектерам. Трудно сказать, зачем и почему
механические работники должны быть похожи именно на человека, но ни
писатели-фантасты, ни читатели сомнений в необходимости создания именно
человекоподобного (антропоморфного) робота не высказали. В свою очередь,
люди с ограниченной рамками реальности фантазией -- конструкторы и
инженеры, ни на минуту не сомневались в своем выборе: однорукие
манипуляторы, сначала примитивные, но со временем становящиеся все более
совершенными, прекрасно справляются со своей работой, обеспечивая
доступность хороших автомобилей, нужных лекарств, игрушек и компьютеров.
Несхожесть с человеком им совершенно не мешает. Но, как говорится, "не
хлебом единым", и недетская игра "в куклы" продолжает занимать далеко не
худшие умы планеты...
Самые серьезные разработки и достижения в области
антропоморфных роботов по труднопонятным причинам сконцентрированы в
Японии. То ли это отголоски специфической анимэ-культуры, то ли "восток -дело тонкое", но из двадцати шести крупных проектов, результаты которых
трудно не заметить, семнадцать -- японские. Причем пальма первенства
принадлежит не специализированным исследовательским лабораториям, а
11
крупнейшим автомобильным производителям. Honda Motor, хорошо известная
своими автомобилями, буквально атакует будущее машинами куда менее
привычными -- P1, P2, P3, Asimo. В отличие от своих колесных собратьев все
они представляют малочисленное семейство robot verticulus, "роботов
прямоходящих". Последнее поколение этих роботов -- Asimo (Advanced Step in
Innovative Mobility) действительно продемонстрировало шаг в далекое (но,
похоже, не очень) будущее: на выставке Robodex 2000 Asimo... выступили в
роли сборщиков автомобилей на модели конвейера.
Киборг (от англ. cybernetic organism - кибернетический организм) это организм, который содержит механические компоненты, расширяющие его
возможности. Термин "киборг" введен Манфредом Е. Клайнсом (был ведущим
учёным лаборатории Динамического Моделирования в госпитале Роклэнд в
Нью-Йорке) и Натаном С. Клином в 1960 в связи с разработанной ими
концепцией расширения возможностей человека для выживания вне земли.
Условия для постепенного превращения человека в киборга создают:
постоянное возрастание зависимости человека от механизмов; замена органов
тела различными механическими приспособлениями, такими как: протезы,
имплантаты, и т.д. Таким образом, совместная эволюция человека и техники в
киборга - вполне объективный процесс.
По мнению многих ученых, будущее робототехники — нанороботы.
Конечно, сейчас эта область знаний человека не доросла даже до уровня
обычной робототехники, но она динамично развивается.
Что такое нанороботы? Эти маленькие кибернетические механизмы спокойно
смогут работать с атомами (состыковывать их друг с другом, иначе говоря,
заниматься механосинтезом), передвигаться по совершенно разным
поверхностям, реплицироваться (воспроизводить сами себя). Таким образом,
можно будет через микромир получить практически любую конструкцию в
макромире. Нанороботы будут «строить» из атомов наши дома, технику и
многое другое. В теле человека они будут круглосуточно следить за его
12
здоровьем, лечить его (уничтожать вирусы и раковые клетки, следить за
состоянием сердца и т. д.), сигнализировать в случае серьезных повреждений.
Как же будут нанороботы создавать сложные макрообъекты? Да
элементарно! Ведь любой объект можно описать как совокупность атомов,
находящихся в «нужных» местах. Таким образом, с помощью «армии»
нанороботов можно будет получить точную копию объекта в макромире.
Все, что я написала про нанороботов, выглядит чистейшей воды ненаучной
фантастикой. А вот и нет! НАСА проводила длительные исследования и
подтвердила возможность создания самореплицирующихся роботов. А
компания Zyvex (www.zyvex.com) пообещала, что представит первого
наноробота-ассемблера до 2010 года.
Роботы в искусстве:
Практически каждое изобретение человека находит отражение в искусстве. С
роботами же вышло наоборот: произведения многих фантастов вдохновляли
ученых на работу над робототехникой. А началась «эра» роботов в искусстве в
январе 1921 года, когда в Праге состоялась премьера новой пьесы драматурга
Карела Чапека. Сюжет пьесы был достаточно привычным для нас, но для того
времени предельно авангардным: роботы R.U.R. (Rossum’s Universal Robots)
сначала во всем помогают людям, а затем захватывают контроль над
человечеством. Кстати, именно Чапек ввел в нашу речь слово «робот» —
немного измененное чешское «robota», что переводится как принудительный
труд.
Но время не стоит на месте, и вскоре людям понадобились новые
механические герои. И их подарил нам знаменитый фантаст Айзек Азимов. В
1940 году журнал Super Science Stories опубликовал его цикл рассказов под
названием A Strange Playfellow. Они повествуют о взаимоотношениях мальчика
и робота Roobie, созданного для его защиты. В этом цикле Азимов вывел
основные законы робототехники, которые остаются актуальны и в наше время
(и, скорее всего, будут актуальны всегда, пока существуют роботы):
13
Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием
допустить, чтобы человеку был причинен вред.
Робот должен подчиняться командам человека, если эти команды не
противоречат первому закону.
Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не
противоречит первому и второму закону.
Конец ХХ века однозначно принадлежит кинематографу. В 1977
на экраны вышли эпохальные для робототехники «Звездные войны» Джорджа
Лукаса. Герои этого фильма — роботы R2-D2 и C3PO — долгое время
вдохновляли ученых на их работу. В наше время Голливуд дарит нам фильмы о
роботах буквально каждый день. «Искусственный интеллект», «Я, робот»... Но
эти фильмы уже не заставляют людей мечтать и работать над воплощением
мечты, как «Звездные войны». И это не так плохо, как может показаться на
первый взгляд: в 70-х роботы были чем-то революционным, фантастичным.
Сейчас же мы воспринимаем их как нечто само собой разумеющееся. Это не
революция, а эволюция.
Современная робототехника:
Современная робототехника основана на компьютерных технологиях:
без компьютеров роботы не смогли бы и десятой части того, что они могут.
Современных роботов можно условно разделить на две категории:
рабочие (т. е. роботы, сконструированные для служебных задач) и домашние.
Промышленные роботы составляют больше 80% от всех существующих на
сегодня устройств. Они способны практически полностью заменить человека на
многих заводах: например, на большинстве автомобильных заводов всю
сборочную работу выполняют именно роботы, человеку же остается только
контролировать их. В таком подходе много плюсов: механические «рабочие» не
допускают ошибок, не устают, им, в конце концов, не нужно платить зарплату.
У большинства людей слово «робот» ассоциируется с андроидом, то есть с чемто, похожим на человека. Но в большинстве случаев такое представление
14
оказывается ложным. Типичный промышленный робот состоит из следующих
частей:
Контроллер — чип, координирующий все действия робота.
Роботизированная рука. Основной задачей руки является перемещение т. н.
END-эффектора.
Роботизированные руки различают по количеству степеней свободы:
чем их больше, тем лучше.
Большинство промышленных роботов имеют руки с 6 степенями
свободы.
Привод — двигатель, который обеспечивает подвижность руки.
Управляется контроллером.
END-эффектор — грубо говоря, насадка на руке робота. Такие насадки могут
быть совершенно разными: от примитивного зажима до сварочного аппарата.
Сенсор, который обеспечивает «чувства» робота: именно благодаря ему робот
распознает объект, с которым предстоит работать.
Как только появились первые образцы более-менее развитых роботов,
человеку захотелось, чтобы механические создания заменили его во многих
опасных местах. Например, без робота Dante II человек никогда бы заглянул в
кратер действующего вулкана. Без робота Sojourner наши знания о Марсе были
бы намного более скудными. Этот агрегат в 1997 году высадился на
поверхность планеты и передал на Землю огромное количество фотоснимков.
Домашние роботы не приспособлены к экстремальным условиям,
они не могут выполнять сложную работу. Их задача — помочь человеку в быту
и развлечь его. Существует огромное количество недорогих домашних роботов:
роботы-пылесосы, роботы-газонокосильщики и многие другие. Но если с
первой задачей — помочь в быту — они справятся, то со второй — развлечь —
дела обстоят намного сложнее. Очень небольшое количество роботов способны
развлечь человека. Например, робот PaPeRo компании NEC, помимо чисто
бытовых функций, умеет говорить. Этот робот знает более 300 фраз, а
распознает и того больше.
15
Но больше всех умеет разработка компании Sony — собачка Aibo.
Этот небольшой зверек имеет отличное зрение, слух, осязание. Собачка
способна узнавать своего хозяина, реагировать на команды, ласку. Aibo имеет
четыре стадии взросления: младенчество, детство, юность и зрелый возраст. И
только от вас зависит, каким будет взрослый Aibo: характер собаки может быть
разным, так как собачке присущи различные эмоции — от счастья до злобы.
Кстати, в отличие от большинства других роботов эта собака весьма и весьма
подвижна, она умеет бегать, прыгать, потягиваться, выполнять акробатические
трюки. Кстати, при желании можно научить Aibo играть в футбол и танцевать.
4. Живые организмы – прототипы
Основными направлениями нейробионики являются изучение
нервной системы человека и животных и моделирование нервных клетокнейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и
развивать электронную и вычислительную технику.
Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед
самыми современными аналогами, изобретенными человеком:
Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют
себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный
орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C;
электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает
потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на
единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в
воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).
Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы,
которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть
бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть
каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения
температуры в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение,
имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения
16
магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние
миграции). Есть те, кто воспринимает инфра - и ультразвуковые колебания:
совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза
пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана — на инфракрасный .
Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство
которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу,
самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т.
д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы
(угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных
берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же
самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у
них есть две системы ориентации — дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя
— по запаху (химизм прибрежных вод).
 Почему же при современном уровне развития техники
природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы
понять устройство и принцип действия живой системы,
смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и
приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после
длительного процесса дробления научных дисциплин, только
начинает обозначаться потребность в такой организации
знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на
основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь
занимает особое положение.
 А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур
биологических систем поддерживается за счет их
непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со
структурами, которые непрерывно разрушаются и
восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период
деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах
процессы распада и восстановления компенсируют друг
17
друга, и вся система находится в динамическом равновесии,
что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои
конструкции в соответствии с изменяющимися условиями.
Основным условием существования биологических систем
является их непрерывное функционирование. Технические
системы, созданные человеком, не имеют внутреннего
динамического равновесия процессов распада и
восстановления, и в этом смысле они статичны. Их
функционирование, как правило, периодично. Эта разница
между природными и техническими системами очень
существенна с инженерной точки зрения.
Изучение гидродинамических особенностей строения китов и
дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей,
которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности
двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не
смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет
турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным
сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое
время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно
возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих
вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После
многочисленных аварий конструкторы нашли выход — крылья стали делать с
утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были
обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения
называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения,
построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета
птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.
Особенно следует подчеркнуть значение рождённого в практике
бионических исследований специального подхода к организации и ведению
научного исследования - бионического подхода. Он возможен в любом
18
техническом исследовании. Бионический подход - это искусство применения
биологии для небиологических целей. Бионический подход в научном
исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда,
когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры. Дружная
работа различных специалистов, преодоление профессиональных
"перегородок", выработка понимания друг друга с полуслова, создание единых
методов работы - всё это, как правило, помогает решать трудные задачи.
Постоянные поиски сравнений интересующего объекта, явления,
процесса, свойства, характеристики и т.д. с чем-то подобным в живой природе,
скрупулёзный анализ найденных аналогий и связей, границ их применимости в этом существо бионического подхода. Работа на стыке наук и особенно в
непосредственной связи с биологией - столбовая дорога развития всех разделов
современной науки, техники и практического производства.
Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка
биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс
исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших
животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и
исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны
друг с другом. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение
основных задач обработки информации, - общая цель всех четырёх названных
направлений. Именно проблемы, связанные с созданием разнообразной
информационной техники, привлекают главное внимание бионики.
Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и
безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек
предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно
отправляться на промысел, море будет спокойным.
Животные -
«биосиноптики» от природы наделены уникальными сверхчувствительными
«приборами».
Задача бионики — не только найти эти механизмы, но и понять их
действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.
19
Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц,
преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно
возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов,
способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и
распознавания объектов.
В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического
прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека.
Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических
конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их
необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования.
Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в
них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно
узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда
доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за
кадром".
5. Сравнение организма и робота
Промышленные роботы составляют больше 80% от всех
существующих на сегодня устройств. Они способны практически полностью
заменить человека на многих заводах: например, на большинстве
автомобильных заводов всю сборочную работу выполняют именно роботы,
человеку же остается только контролировать их. В таком подходе много
плюсов: механические «рабочие» не допускают ошибок, не устают, им, в конце
концов, не нужно платить зарплату.
Однако, нервная система живых организмов имеет ряд
преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными
человеком:
1. Гибкое восприятие внешней информации, независимо от формы, в которой
она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).
20
2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке
одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели
даже нескольких сотен тысяч клеток.
3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом
элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м3,
тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм3.
4. Экономичность потребления энергии — разница просто очевидна.
5. Высокая степень самоорганизации — быстрое приспособление к новым
ситуациям, к изменению программ деятельности.
В чем главное отличие интеллекта человека от интеллекта
универсальных вычислительных машин? Чтобы ответить на этот вопрос,
вспомним слова великого русского физиолога И. М. Сеченова: «…все
бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности
сводится окончательно лишь к одному явлению — мышечному движению».
Другими словами, вся интеллектуальная деятельность человека
направлена, в конечном счете, на активное взаимодействие с внешним миром
посредством движений. Точно так же элементы интеллекта робота служат,
прежде всего, для организации его целенаправленных движений. В то же время
основное назначение чисто компьютерных систем ИИ состоит в решении
интеллектуальных задач, носящих абстрактный или вспомогательный характер
и обычно не связанных ни с восприятием окружающей среды с помощью
искусственных органов чувств, ни с организацией движений исполнительных
механизмов.
Первых роботов трудно назвать интеллектуальными. Только в 60-х
годах появились экземпляры с органами чувств, управлявшиеся
универсальными компьютерами. К примеру, в 1969 году в Электротехнической
лаборатории (Япония) началась разработка промышленного интеллектуального
робота. Цель ее — создание «очувствленного» манипуляционного робота с
элементами искусственного интеллекта для выполнения сборочно-монтажных
работ с визуальным контролем. Робот Электротехнической лаборатории мог
21
распознавать простые предметы, ограниченные плоскостями и
цилиндрическими поверхностями, при специальном освещении. Стоимость
экспериментального образца составляла примерно 400 тысяч долларов.
Постепенно роботы совершенствовались, но и по сей день они далеки по
понятливости от человека, хотя некоторые операции уже выполняют на уровне
лучших жонглеров. К примеру, удерживают на лезвии ножа шарик для
настольного тенниса.
Итоги:
Основным преимуществом Человека является: гибкое восприятие
внешней информации, высокая надежность, миниатюрность, экономичность
потребления энергии и высокая степень самоорганизации, то есть основное
преимущество человека - это его нервная система.
Однако люди уступают роботам в точности и физической
выносливости. Человек не может работать без отдыха, чего не скажешь о
роботах.
Ш
Заключение
В итоге проведённой мной работы я выявила различия между
живыми организмами и роботами. А так же я выяснила, что многие природные
свойства растений и животных легли в основу некоторых технологий. Кроме
того я выяснила, что роботы очень полезны для решения некоторых бытовых
задач, например они могут вполне конкретно помогать людям: поднимать
тяжелые грузы, работать с вредными материалами и делать много других
полезных вещей. Огромную роль в робототехнике играет нейробионика, а
именно создание Искусственного Интеллекта, так как без компьютеров роботы
не смогли бы и десятой части того, что они могут. То есть компьютеры - это
буквально - мозг робота.
Не смотря на то, что роботы сильно отстают от
человека в плане нервной системы, люди уступают роботам в точности и
физической выносливости.
22
IV
Литература
Artificial Neural Networks: Concepts and Theory, IEEE Computer Society Press,
1992.
Keun-Rong Hsieh and Wen-Tsuen Chen, A Neural Network Model which Combines
Unsupervised.
Richard P. Lippmann, An Introduction to Computing with Neural Nets, IEEE
Acoustics, Speech, and Signal Processing Magazine, April, 1987.
Монахова Е. «Нейрохирурги» с Ордынки, PC Week/RE, № 9, 1995.
Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. — М., Мир, 1992.
Родион Кудрин "КОМПЬЮТЕРРА", N 21, 2003 г. www.computerra.ru
http://masu-inform.ru:8888/index.php/История_развития_робототехники
http://robotecs.ru/
http://www.mobimag.ru/ShowArticle.php?id=183&prn=1
http://www.i-am-robot.info/rotech.htm
http://www.robo-homo.ru/robo-lenta/robo-debates/133.html
V
23
Тезисы
Прототипами многих роботов являются живые организмы. Ученые,
изучая различные системы органов людей и животных, балуют нас всё новыми
и новыми открытиями и изобретениями.
В своём проекте я бы хотела подробнее исследовать новые технологии
и выявить степень схожести их с живыми организмами.
Объект исследования: Живые организмы
Предмет исследования: Прототипы роботов
Гипотеза: Прототипами многих роботов являются живые организмы, а так же
принципы работы некоторых систем органов живых организмов взяты за
основу некоторых технологий.
Цель исследования: Установить сходства и различия между живыми
организмами и роботами
В итоге проведённой мной работы я выявила различия между живыми
организмами и роботами. А так же я выяснила, что многие природные свойства
растений и животных легли в основу некоторых технологий. Кроме того я
выяснила, что роботы очень полезны для решения некоторых бытовых задач,
например они могут вполне конкретно помогать людям: поднимать тяжелые
грузы, работать с вредными материалами и делать много других полезных
вещей. Огромную роль в робототехнике играет нейробионика, а именно
создание Искусственного Интеллекта, так как без компьютеров роботы не
смогли бы и десятой части того, что они могут. То есть компьютеры - это
буквально - мозг робота.
Не смотря на то, что роботы сильно отстают от человека в плане
нервной системы, люди уступают роботам в точности и физической
выносливости.
24