Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Декабря 2013 в 18:41, курсовая работа
Нейробионические структуры могут явиться эффективной элементной базой для создания роботов, обладающих в той или иной степени искусственным интеллектом. Константность восприятия и управления движением в константно воспринимаемой среде — вот главное их достоинство.
Прикладные задачи нейробионики определяются требованиями техники, промышленности и направлены в основном на разработку многоэлементных информационных систем, в которых используются принципы организации нейронных структур мозга, на разработку практических рекомендаций по их созданию.
Перед этой наукой длинный и трудный путь. Надо переходить к интенсивному этапу развития бионики, т. е. от копирования (порой слепого) живых объектов — к функциональному моделированию живых систем. Новый путь, может быть, и сложнее, и проще имитации живого.
Биологический аспект бионики в целом должен быть направлен не только на познание механизмов работы биологического прототипа для имитации его техническими системами, но и дать «ключ» для управления жизненными процессами с помощью физических и химических факторов.
В 60-х гг. формулировался основной лозунг бионики: от живой природы — к повой технике. Появились такие направления бионики, как моделирование органов чувств животных и человека, изучение и использование ориентации и навигации живых организмов, биоэнергетика, моделирование высшей нервной деятельности, изучение и моделирование действия внешних факторов (магнитного и электромагнитного, акустического и других полей) на организм человека и животных, исследование характеристик человека как звена в системе управления, и на этой основе — оптимизация систем «человек - машина». Отсюда и идет изначальный процесс развития бионики, который можно назвать экстенсивным[3,с. 154].
Нужно обратить особое внимание на роль и значение развития биотехнических (в частности, нейроэлектронных) систем. Создание их — насущная задача бионики, нейробионики. Выдвинуты, например, предложения по использованию мозга животных (кошки) для включения его в систему управления ракетой. При этом используется как информация, содержащаяся в биопотенциалах мозга, так и предусматривается электростимуляция зон мозга для изменения его состояния в нужную форму.
В медицине описаны проекты (частично осуществленные) так называемых следящих систем, призванных поддерживать на определенном уровне функциональное состояние мозга (наркотическое состояние, сна, гипноза, эпилепсия, скорость и количество введения медикаментов).
Академик Н. П. Бехтерева подчеркивает: сочетание воздействий, технически основанных на принципе обратной связи (а в общем плане — на принципе условного рефлекса), с новыми данными об организации мозга открывает ещё одну возможность в лечении его заболеваний. «Разрушение» устойчивого патологического состояния, формирование новых отношений в мозгу может быть осуществлено на основе электрических воздействий на зоны, активация которых в заданном направлении изменяет (подавляет) болезненную симптоматику в четкой зависимости от появления или непоявления этой симптоматики (при автоматизированном включении подкрепляющих воздействий). Формирование новых устойчивых состояний принципиально осуществимо при использовании эмоционально активных зон — тех областей мозга, активация которых вызывает положительные или, наоборот, отрицательные эмоциональные реакции. Повторное подкрепление желаемой реакции (состояния) воздействием, вызывающим положительные эмоции, и, наоборот, болезненной реакции — воздействием, вызывающим отрицательную эмоцию, может оказаться исключительно активным приемом переобучения мозга. Эффект может развиться необычайно быстро, быть прочным и достигаться за счет «вынужденного» и направленного ис¬пользования резервов, компенсаторных возможностей мозга и, таким образом, заданного формирования новых функциональных систем[3, с. 46].
На основании анализа Иванова-Муромского К.А отечественного, зарубежного и личного опыта им была предложена классификация нейроэлектронных систем.
Класс А. Пассивные системы: 1) изучение психофизиологических показателей для диагностики и прогнозирования состояния человека и животных в различных (в том числе экстремальных и патологических) условиях с помощью технических средств обработки и отображения информации. Создание мониторов различного ранга для автоматизации сбора и переработки информации о состоянии организма человека и животных, прежде всего психического; 2) использование биологических систем в качестве датчиков (оптических, слуховых, тактильных) для технических систем. Создание систем, использующих биофизические и биохимические тестирующие сигналы о состоянии организма на основе физико-химических и биологических принципов; 3) использование средств теоретической и технической кибернетики для изучения мозга («нейро-антибионика»).
Класс Б. Активные, адаптивные системы: 1) использование принципов отрицательной и положительной обратной связи, саморегуляции для целенаправленного изучения и влияния на различные системы организма, прежде всего мозга. Определение путей использования «скрытых резервов» центральной нервной системы. Самоуправление функциональным состоянием центральной нервной системы; 2) создание нейро-бионических систем с целью нормализации и интенсификации деятельности человека-оператора, ликвидации патологических состояний различной этиологии (психические расстройства, расстройства памяти, сна; задержка действия ядов, шокогенных факторов, ионизирующей радиации; наркоз, гипноз и т. д.). Управление организмом с помощью динамических моделей активности мозга и электрической активности «активных точек» поверхности тела; 3) изыскание новых форм создания гибридных бионических систем, использующих целенаправленное поведение живых организмов для контактного или телеметрического управления техническими устройствами; 4) нейрокиборгизация (морфо-функциональное протезирование нервной системы) — взаимодействие реальных и искусственно созданных нервных и нейронных сетей.
Следует расшифровать пункт из класса «Б» — «самоуправление функциональным состоянием центральной нервной системы». Оказалось, что с помощью обратной связи (прежде всего, зрительной) можно научить человека регулировать такие вегетативные функции, которые, казалось бы, не подвластны нашей воле: увеличивать или уменьшать частоту сердцебиений, дыхания, величину зрачка, температуру тела и т. д., ориентируясь на подаваемые сигналы (скажем, зажигание лампочек различного цвета). Видимо, многие «секреты» йогов объясняются именно развитой способностью саморегуляции жизненных функций.
Исследовались биологические системы различных уровней сложности (моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, разработка методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозгу с помощью электрических токов и магнитного поля, моделирование свойств возбудимых тканей).
Изучалась электрическая активность корково-подкорковых структур мозга кроликов при воздействии ряда химических (эфир, барбитураты, аминазин) и физических факторов (импульсный ток). Проведен сравнительный анализ взаимодействия структур при различных функциональных состояниях, при котором использовались методы математической обработки с помощью ЭВМ. В мировой литературе таких работ — единицы. Описанная методика позволяет дать четкую оценку функционального состояния структур мозга. Получаемые данные положены в основу гипотезы о принципах работы мозга[3,с. 159].
Теперь разработаны методики для изучения эмоциональной устойчивости человека-оператора к стрессовым ситуациям (что позволяет проводить профотбор по этому качеству) и коррекции функционального состояния пациента в кабинете активной релаксации с помощью комплекса безлекарственных средств; портативный комплекс методик для изучения индивидуальных особенностей человека и одорологических исследований в практике МВД.
Проведены исследования: а) по изучению функциональной значимости различных фаз дыхательного цикла, в результате чего было доказано существование индивидуальных вариаций связи этих фаз с процессами возбуждения и торможения в ЦНС (что необходимо учитывать при выработке рекомендаций по управлению функциональным состоянием человека с помощью коррекции дыхательного цикла); б) по изучению информативности различных электрических характеристик биологически активных точек для диагностики неврологических и сердечно-сосудистых заболеваний; в) по определению регуляционных характеристик систем организма.
Проведены работы в области разработки комплексной методики безлекарственных воздействий на пациента с целью оптимизации его функционального состояния; создания автоматизированной системы для многостороннего исследования личности; выяснения механизмов высшей и внутренней синхронизации систем организма с целью управления функциональным состоянием с помощью ритмостимуляции; изучение информативности различных электрических характеристик биологически активных точек кожи для диагностики и прогнозирования течения некоторых заболеваний; выяснение закономерностей адаптационного процесса систем организма человека в разных условиях.
Проведены работы по изучению индивидуальных и общих закономерностей адаптационного процесса в условиях моделирования различных функциональных состояний.
В будущем ученые будут стараться добиваться направленного воздействия физических факторов на определенные участки центральной нервной системы, уяснять в полной мере механизм адаптивных реакций организма на системном уровне.
III Заключение
Главное отличие современных инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в энергоэффективности. 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 эффективном обмене энергией между разными формами жизни. Природные материалы относительно недороги и распространены в достаточном количестве, а их «качество» значительно лучше произведенных человеком. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий. В автомобилестроении уже используются такие решения, как парковочный радар, системы управления конструкцией отдельных узлов и т. д. Перспективные биоинтеллектуальные системы автомобиля смогут самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химическим состав отдельных узлов и т.д.
Бионический принцип преобразования информации в самой общей форме заключается в том, что элементарные образы разной сложности посредством специальной организации нейроподобных сетей отображаются в точки на специальных экранных поверхностях. Точки представляют собой отдельные нейроны-детекторы. При изменении сигнала на таком экране происходит перемещение отображающих сигнал точек — перемещение возбужденной области по множеству детекторов. Экранные структуры могут взаимодействовать между собой так, что экран более высокого уровня является инвариантом, на котором отображаются определенные соотношения сигналов нижележащих экранов.
Экран такого типа является удобной формой представления внешнего пространства инвариантно по отношению к расположению воспринимающих органов.
Особенностью отображающих экранных структур является то, что процесс переработки информации в них происходит параллельно во множестве образующих экранную структуру каналов. Замечательным свойством сетей из нейроподобных; элементов является то, что на входе анализирующих структур используются обладающие малой селективностью элементы, а на выходе таких структур в результате специальной организации связей между нейроподобными элементами образуются элементы с высокой селективностью. В основе организации таких структур лежит принцип латерального торможения.
Бионический принцип управления также сводится к принципу организации экранных структур. В основе его — кодирование номером канала: каждому элементу экрана соответствует отдельный канал управления.
Нейробионика делает первые шаги, но уже видно ее значение. Она может помочь конструктору ЭВМ в создании необычайно емкой памяти машины; конструктору приборов эта наука способна будет предложить новые варианты высокочувствительных электронных «глаз», «ушей», «носа». Нейробионика поможет врачу в автоматизации наркоза и анабиоза, позволит добиться управления возбуждением и торможением в центральной нервной системе, сформировать надежные методы оценки нервно-психологического состояния человека. А это — средства борьбы с различными тяжелыми заболеваниями, в том числе и психическими, сохранения работоспособности оператора, вынужденного справляться со сложнейшими задачами, которые ставит перед человеком НТР.
IVСписок литературы: