Бионические аспекты информационных систем

Общие сведения

Роботы создавали с целью заменить чело­века в тех случаях, когда он по тем или иным причинам не может принять непосредственное участие в выполнении достаточно сложных операций. …возникли такие понятия, как восприятие информации роботом, принятие им решений, искусственный интеллект робота и т. п. – антрополо­гический подход. В основе антрополо­гического (бионического) подхода лежит принцип замещения или усиления некоторой сенсорной функции человека.

Из всего множества воздействующих на организм факторов окружаю­щей среды лишь некоторые улавливаются сенсорными органами. Эти фак­торы называются сенсорными стимулами.

Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через шесть ос­новных каналов сенсорной рецепции, образующих распределенную инфор­мационную сеть. Это каналы органов чувств — слух, зрение, осязание, терморецепция, обоняние и вкус. В каждом из них возбуждениерегистрируется системой ЧЭ (рецеторов), специфических для разных сенсорных модаль­ностей, и передается по каналу связи (нервному волокну) в виде потенциа­лов действий. Система рецепторов каждой модальности связана с опреде­ленными отделами центральной нервной системы. Вид каналов связи ос­новных сенсорных модальностей показан на рис. ВЗ.

Распознавание сенсорного образа у человека является результатом со­вместной работы информационной системы и мозга.. При этом возможности рецепторов попередаче информации существенно превышают возможности ИС по ее переработке. Количество поступающей информации избыточно и должно быть сокращено благодаря предварительной обработке в процессе передачи от рецепторов к мозгу.

· Главная функция обработки информации на уровне рецепторов заключается в выделении определенных важных сторон и свойств поступающих извне сигналов и устранении избыточности. Важнейшей задачей здесь является выделение контраста стимула. Информация о стимуле, который все длится и длится, мозгу нужна существенно меньше. Например, в зрении основное значение имеет контурная информация. Так, экспериментально показано, что образ спящей кошки идентифицируется по 38-точечному контурному представлению.

Во всех типах рецепции действуют общие принципы интегрального описания стимулов, основанные на анализе их признаков.

Одним из основных принципов является использование нескольких типов ощущений для формирования всего их разнообразия.

Всю гамму вкусовых ощущений представляют в виде суперпозиции четырех основных вкусовых качеств: сладкое, соленое, кислое и горькое.

Примерно также обстоит дело и с обонянием. Человек способен распознать запах около сотни тысяч различных веществ, представления о запахах конкретны и связаны с каким-либо веществом (миндалем, камфарой и др.). В соответствии с господствующей в настоящее время стереохимической теорией обоняния Монкриффа — Эймура, выделяют семь первичных запахов: мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный.

Из сравнительной количественной характеристики сенсорных функций человека (табл. ВЗ) (анализируются: число клеток, число отходящих нервных волокон, пропускная способность, чувствительность), видно, что по пропускной способности выделяется зрение, играющее основную роль в адаптации человека к окружающей среде. В то же время слух и особенно осязание обладают значительно более высокой чувствительностью и используются для тонкой коррекции движений при взаимодействии с внешней средой.

Кинестетическая рецепция

Важнейшую роль в очувствлении робота играют кинестетические сенсоры. Кинестетическая функция служит для обеспечения согласованных движений опорно-двигательного аппарата человека. Она реализуется нелокализованной системой рецепторов, в которой достаточно сложно выделить отдельные датчики параметров. С позиции бионики кинестетические рецепторы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элементами исполнительного уровня управления (как бы датчиками соответствующих контуров регулирования). Они регистрируют изменения относительного положения отдельных элементов двигательной системы.

Кинестетическая функция, связанная с обеспечением надлежащей ориентации в пространстве всего организма, реализуется вестибулярным аппаратом. В этом смысле он соответствует информационной системе тактического уровня управления. Его функционирование, как и работа собственно кинестетических сенсоров, осуществляется под управлением нервной системы.

Исполнительным механизмом организма является скелет, двигательная активность которого формируется посредством связок и суставов (кинематических пар), а также мышц (приводов).

В физиологии кинестетическую сенсорную функцию связывают с рецепторами трех подсистем: мышечной и сухожильной (они контролируют характеристики перемещения, скорости и усилия), кожной (связанной с измерением параметров давления и проскальзывания) и вестибулярным аппаратом.

Относя кожную подсистему к разделу тактильной рецепции, можно считать, что применительно к роботу кинестетическая функция описывается в терминах позы и движения. Чувство позы определяется углами между суставами, оно позволяет, например, синхронизировать движения обеих рук в тестах с завязанными глазами. Чувство движения связано с восприятием направления и скорости относительного перемещения суставов.

Важнейшую роль в кинестетической функции играют мышечные веретена, представляющие собой рецепторы растяжения.

Передача информации в кинестетической системе осуществляется путем частотно-импульсной модуляции: во время растяжения рецепторов частота импульсации увеличивается. При этом мышечные веретена возбуждаются главным образом при изменении длины мышцы, а сухожильные органы — при ее напряжении.

Следовательно, у каждой мышцы есть две системы обратной связи:

− регуляция длины с мышечными веретенами в качестве датчиков положения

− регуляция напряжения, датчиками в которой служат сухожильные органы

З. Слуховая рецепция

Для звукового восприятия характерно четыре измерения: объем, громкость, плотность и высота. Эти субъективные свойства звука определяются двумя физическими переменными сигнала: его амплитудой и частотой.

Слуховой аппарат животных и человека состоит из трех основных частей: наружного, среднего и внутреннего уха.

Зрительная рецепция

Визуальные анализаторные системы человека — это сложные многоуровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов. То, что воспринимается зрением, есть результат взаимодействия сенсорных и двигательных механизмов глаза и центральной нервной системы. Мозг создает целостную картину из последовательности дискретных изображений.

Человек относится к числу так называемых фронтальных млекопитающих, у которых зрительные ноля (области, воспринимаемые каждой сетчаткой отдельно) перекрываются. Это позволяет человеку выполнять точные манипуляции руками под контролем зрения, а также обеспечивает точность и глубину видения (стереоскопическое, или бинокулярное зрение). Бинокулярное зрение характеризует возможность совмещения образов объекта, возникающих в каждой сетчатке. Зона перекрытия зрительных полей обоих глаз около 120°, в то время как зона монокулярного видения составляет около 30° для каждого глаза (именно такой угол зрения имеет глаз относительно его центральной точки).

Бинокулярное зрение у людей не является врожденным и формируется в возрасте 8—27 недель.