книги из ГПНТБ / Сочивко В.П. Человек и автомат в гидросфере очерки системотехники

организмов найдет широкое использование в металлургии будущего. Достаточно очевидно, насколько необычной и сложной будет система управления такого рода техноло­ гическими процессами.

Математическая модель системы управления микроор­ ганизмами может быть только статистической, так как количество бактерий в 1 см3 воды может достигать 20 мил­ лионов.

Не должна обманывать кажущаяся простота микроор" ганизма. Например, С. Т. Вильховер совместно с А. Л. Чи­ жевским открыли, что особые включения микроорганиз­ мов — волютииовые зерна — самым сложным образом реа­ гируют на незначительные изменения солнечной актив­ ности, а это в свою очередь влечет за собой соответствую­ щие изменения в поведении микроорганизмов.

Можно предполагать использование в органических

•системах управления также одноклеточных, или простей­ ших. Способность простейших к перемещениям в среде

•еще более усложняет структуры поведения. Здесь прихо­ дится учитывать воздействие электромагнитных и электро­ статических полей, освещенности, радиации и т. д. Хотя по вопросу о способности простейших к обучению, о на­ личии у них памяти, а также механизмов выработки подо­ бия условных рефлексов продолжаются споры, многие эксперименты подтверждают возможность направленного изменения поведения простейших.

Перейдем к рассмотрению механизмов сенсорики (вос­ приятия) и центральных логико-информационных преоб­ разований.

Все гидробионты обладают той или иной реактивной чувствительностью к воздействиям извне — стимулам. Одно из первыхмест в гидросфере занимает акустическая ■стимуляция. При этом реакция многих гндробионтов — млекопитающих, рыб и др. — на акустическое воздей­ ствие достаточно сложна. Полная гамма акустических стимулов, простирающаяся от инфразвуковых до высоко­ частотных ультразвуковых колебаний, позволяет осу­ ществлять широкие и многообразные программы направ­ ленного изменения акустического поведения. Наиболее простыми методами использования акустических стимулов являются методы, основанные на управлении поведением -с помощью звуковых репеллентов (средств отпугивания) м звуковых апеллентов (средств привлечения).

1 6 7

противника. -Разумеется, проблема имеет не только воен­ ный аспект. Демонстрируя с помощью подводного теле­ видения возможность привлекать рыбу к тому месту, где установлена передающая телекамера, А. Мюрберг сказал: «Если мы заставляем одну рыбу вертеться перед камерой, нам, может быть, удастся заставить другую рыбу прыгнуть в сеть».

Приманивая и отпугивая гпдробионтов, можно синтези­ ровать достаточно сложную структуру поведения. Однако очевидно, что в управляемых морехозяйствах системы управления гндробионтамп должны использовать инфор­ мацию о самых разнообразных аспектах их поведения. Сигналы, определяющие поведение даже относительно простых существ —■рыб — крайне многообразны. Это и акустические сигналы, вызывающие поворот «все вдруг» у стаи рыб. Это и своего рода поведенческий «язык». Примером может служить хорошо изученное поведение рыб вида хемихромис. Во главе стаи этих рыб плывет вожак, ведущий за собой молодь по зигзагообразной траектории. Прямолинейный проплыв означает сигнал смены вожака. После смены вожака стаи новый самец снова ведет стаю молоди зигзагами. Вечером самка плав­ ником подает знак молоди, которая по этому сигналу вся заплывает в гнездо на.ночь.

Стайное поведение рыб стало объектом исследования натуралистов сравнительно недавно. Однако уже известно, что стая рыб — это своеобразная целостная органическая система, это сотни глаз, следящих за опасностью. Установ­ лено, что стайное плавание имеет много преимуществ перед одиночным плаванием п что даже рыбы, склонные плавать порознь, собираются в стаю в случае опасности.

Стаи тем крупнее, чем мельче отдельные рыбы, входя­ щие в объединение. Во всех случаях групповое поведение стаи подтверждает сформулированный выше системный принцип организации, гласящий, что для всякой хорошо организованной системы целое больше, чем сумма его частей.

Некоторые исследователи предлагают различать два класса рыбных стай: стан с однородной структурой (без вожаков) и стаи с иерархической структурой (поведение стаи определяется вожаками). По мере накопления дан­ ных складывается представление, что иерархические струк­ туры явно преобладают. Не только научный, но и сугубо практический интерес представляет изучение стайных

скоплений трески. На I Международном океанологиче­ ском конгрессе в Нью-Йорке был заслушан доклад о прин­ ципах организации стай трески. Установлено, что стая трески — это организованное сообщество с одним гла­ венствующим самцом.

Показательны также опыты по изучению поведения рыб в учебных лабиринтах. Установлено, что рыбы, обучающиеся в составе стаи, ориентируются в лабиринте намного быстрее, чем рыбы этой же стаи, обучаемые в оди­ ночку. Некоторые биологи делают отсюда вывод, что групповое поведение оказывается в конечном счете более эффективным. Другие биологи иначе оценивают резуль­ таты этих экспериментов, давая им следующее толкова­ ние. Высказывается мысль о том, что среди рыб, живущих стаями, неизбежно некоторые плывут впереди, а остальные следуют за ними. При опытах в лабиринте впереди будут плыть наиболее легко обучающиеся рыбы, которые и будут увлекать за собой всю стаю, вследствие чего результаты обучения каждой рыбы в стае будут близки к результатам рыб, плывущих впереди. Последнее толкование имеет слабую сторону, так как не объясняет причину, по кото­ рой вся стая следует именно за передовыми особями, и чем отличаются передовые особи от рядовых членов стаи.

Стайное (групповое) поведение характеризуется рядом отличительных особенностей. Некоторые из них пока не получили вообще никакого объяснения. Известен, например, такой факт: стая рыб поглощает значительно меньше кислорода, чем то же количество рыб, не органи­ зованных в стаю. Убедительных объяснений этот факт не имеет.

Интересен вопрос изучения гидродинамики рыбной стаи. Есть строгое физическое толкование эффекта гидро­ динамического поля, существующего вокруг движущихся в воде объектов — кораблей, рыб и т. д. Именно этот эффект объясняет случаи столкновения судов, идущих строго параллельными курсами поблизости друг от друга, срывы с якоря малых судов, притянутых к борту прохо­ дящего мимо корабля большого водоизмещения, и другие случаи взаимодействия движущихся в воде объектов.

Исследователи давно заметили, что несмотря на отно­ сительный беспорядок, возникающий внутри стаи, внеш­ няя ее граница обычно сохраняет вполне определенную форму. Так, стаи, состоящие из мелких рыб, обычно имеют форму капли, ориентированной в соответствии

170

с траекторией движения стаи. Физическое объяснение этому явлению одним из первых дал академик В. В. Шу­ лейкин [77]. Несколько упрощая, стаю рыб можно рас­ сматривать как движущееся в воде большое тело, форма которого совпадает с формой стаи. Пусть начальная форма стан изменилась за счет отделения одиночной особи от ос­ новной группы рыб. Тогда на отдалившуюся рыбу будет действовать внешняя .гидродинамическая сила притяже­ ния к стае, такая же, какая действует на малое судно при попадании его в гидродинамическое поле огромного (по сравнению с.этим судном) движущегося корабля.-Рас­ четы и экспериментальные измерения показывают, что сила притяжения рыбы к стае оказывается довольно большой. По данным В. В. Шулейкина, сила притяжения рыбы длиной около 15 см при удалении со скоростью 37 см/сек на расстояние в 5 см от стаи, состоящей из не­ скольких десятков рыб того же размера, составляет около 5 гс. Но та же рыба длиной 15 см может развить скорость примерно в пять раз большую. Тогда сила при­ тяжения возрастает в 25 раз, т. е. составит уже 125 гс, что превышает вес самой рыбы. Этим и объясняется неиз­ менность формы внешних обводов стаи и инстинктивное стремление каждой рыбы к сохранению порядка в группе.

Исследование группового поведения рыб уже нашло практическое использование в рыбном промысле. Наблю­ дения за поведением косяков рыб возле трала и за работой трала при его движении на разных глубинах очень быстро позволили сформулировать рекомендации по дальней­ шему развитию орудий и методов лова рыбы.

До сих пор мы исходили из предположения, что пове­ дение гидробионтов в значительной степени определяется воздействием физико-химических стимулов, поступающих

у человека и животных», в которой было показано, что животные способны передавать друг другу зрительные и другие сигналы, выражающие угрозу, опасность, призыв самцом самки и т. д.

Наибольшее количество современных исследований концентрируется вокруг изучения языка дельфинов. В большей части этих исследований априорно предпола­ гается существование такого языка с достаточно обшир­

171

ным словарным запасом н своеобразной грамматикой. Для одних исследователей характерен аналитический подход к проблеме. Они пытаются установить языковые закономерности в сигналах дельфинов для последующей расшифровки этих сигналов. Для других исследователей характерен синтетический подход. Так, в одной из аме­ риканских программ разработан язык-посредник, пред­ назначенный для перевода звуков речи человека на язык дельфинов и обратно. Словарь языка-посреднпка вклю­ чает несколько десятков звуковых сигналов, каждый из которых могут воспроизводить как человек, так п дельфин. Эти звуковые сигналы выполняют функции знаков со строго определенным информационным содер­ жанием.

С некоторыми результатами изучения языка дельфи­ нов читатель может познакомиться по работам [35, 68, 75, 78].

При изучении языка дельфинов к обычным трудностям работы с гндробпонтамп добавляются дополнительные. Во-первых, голос дельфина охватывает более двенадцати

рых, для приема и записи звуков, издаваемых дельфином, требуется уникальный комплекс специальной акустиче­ ской и измерительной аппаратуры, работающей в диапа­ зоне от 0 до 200 000 Гц. Практически таким комплексом до сих пор не располагает ни один исследовательский кол­ лектив. В-третьих, обработка сигналов в рассматриваемом случае принципиально невозможна без использования достаточно мощных электронно-вычислительных машин.

На рис. 43 дана блок-схема стандартного набора при­ боров, используемых для регистрации сигналов, издавае­ мых дельфинами.

Современный этап изучения возможностей управления органическими системами, в частности гидробионтами, оформился в самом начале 50-х годов. Именно в 1951 г. научно-исследовательский отдел Военно-морского мини­ стерства США приступил к изучению живых организмов как биологических моделей в надежде найти новые прин­ ципы для разработки электронных систем управления. Таким образом, имеющийся опыт пока еще недостаточно велик, но определенные результаты уже получены.

Наиболее широко освещен в литературе проект «Оркон» (Огсоп— аббревиатура словосочетания Organic control,

172

которое можно перевести как управление с помощью жи­ вых организмов). Одним из вариантов проекта «Оркон» является проект «Голубь». Согласно этому проекту три живых голубя использовались в системе наведения ра­ кеты. Напомним, что сразу после своей реализации проект «Голубь» оказался ненужным, так как к этому времени инженеры создали достаточно эффективную систему управ-

М ш и т н а я запись

Ге н е р а т о р сигналов

ления ракетами. Но голуби не были забыты. Так, согласно сообщению английской газеты «Санди телеграф», Пентагон решил использовать их для ведения воздушной разведки, обнаружения минных полей и для некоторых операций по поиску и уничтожению цели. Военное ведомство США заключило контракт на сумму 600 тыс. долларов, по кото­ рому факультет психологии Миссисипского университета должен провести необходимые исследования.

Известно также о применении голубей в системах контроля и управления в мирных целях. Как в нашей стране, так и за рубежом проводились эксперименты по использованию зрительного анализатора голубя для контроля и отбраковки на конвейере такой продукции, как шарикоподшипники, пуговицы, таблетки и т. п. Результаты экспериментов показали, что на дрессировку голубя требуется две-три недели. Для работы голубя

173

в качестве контролера характерны исключительная добро­ совестность, определяемая стойкостью выработанных ус­ ловных рефлексов, бдительность, возможность достаточно быстрой перестройки на другую работу.

Интересны работы Управления научными исследова­ ниями ВМФ США, осуществляемые по программе иссле­ дований передвижения крупных рыб, дельфинов, морских

Рис. 44. Передатчик, устанавливаемый на дельфине.

/ — антенна; 2 — коаксиальный кабель; 3 — латексовый колпа­ чок; 4 — усилитель-передатчик; 5 — источник питания; 6 —

датчик.

черепах, китов, акул. Для проведения этих исследований создано специальное автоматизированное судно длиной 4,5 м, имеющее скорость 30—60 км/ч. Управление авто­ матизированным судном осуществляется с основного ко­ рабля, который может находиться от судна на расстоянии до 10 км.

Для более четкой регистрации траектории перемеще­ ния гидробионтов используются приборы, укрепляемые на изучаемых животных (рис. 44). По существующим нор­ мам вес прибора не должен превышать 2% от веса живот­ ных. Каждый такой прибор представляет собой уникаль­ ное устройство, изготовление которого требует тонкой, часто виртуозной ручной работы. Большие трудности возникают также при размещении приборов на теле жи­ вотного.

174

В качестве каналов связи используются в основном оптический, радиотехнический (рис. 45) и гидроакустиче­ ский, хотя в ряде работ показано, что для ограниченной акватории можно использовать сигналы и другой физиче­ ской природы.

Ввод сигналов управления поведением гидробионта не­ посредственно в мозг осуществляется с помощью вживлен­ ных электродов (из нержавеющей стали, платины или зо­ лота в лавсановой или нейлоновой изоляции), на которые подаются сигналы в виде электрических импульсов чере­

Рис. 45. Схема телесвязи с подопытным гидробионтом.

/ — телевизионная камера; 2 — система приема, анализа и

регистрации данных.

дующейся полярности (во избежание возникновения элек­ тролиза мозговой жидкости).

Методика гидроакустического прослеживания рыб и морских животных с надводного судна все шире исполь­ зуется специалистами рыбопромыслового флота. В част­ ности, этим методом прослеживалась миграция осетровых в Волгоградском водохранилище. Дистанция уверенного контроля составляла 200—350 м. Для осуществления таких исследований созданы специализированные подвод­ ные и надводные суда (рис. 46 и 47).

Интересным представляется направление, предпола­ гающее использование машин для обучения гидробионтов. В основу положена идея формирования сложных типов поведения животного по методике поощрения (или под­ крепления), причем применение обучающих машин позво­ ляет обеспечить четкий режим подкрепления. Основные

175

способы формирования реакции следующие. Во-первых, программирование: разработка последовательности дей­ ствий, приводящих животное к усвоению сложных форм поведения. Подкрепляется каждое движение, которое со­ ставляет хоть какой-нибудь элемент задания. Во-вторых, управление при помощи стимула: одна и та же реакция подкрепляется или не подкрепляется в зависимости от того, на какой стимул она выдана. В-третьих, программирова­ ние с оценкой вероятности реак­ ции: прерывистое подкрепление

сразличными режимами.

Спомощью рационального про­

граммирования оказывается воз­ можным формировать характер поведения гидробионта, устанав-

Одним из применений метода управления при помощи стимула в сочетании с методом программирования яв­ ляется выработка у гидробионта способности издавать определенные звуки при условии четкой дифференциации этих звуков человеком или каким-либо устройством.

В Мурманском морском биологическом институте ве­ дется изучение механизмов подражания у рыб и исследо­ вание структуры стайности и стадообразования. Полу­ чены интересные данные, проливающие свет на тонкие механизмы подражания у рыб. Эти данные имеют науч­ ную ценность и могут быть использованы при разработке новых способов лова рыбы, а также в управляемых морехозяйствах — для самых различных целей.

176