Автоматы металлические и автоматы животные

История автоматов началась в незапамятные времена. И мы никогда не узнаем имени изобретателя первого автомата; ведь этим автоматом была простейшая западня или какой-нибудь силок, установленный первобытным охотником на звериной тропе. И хотя человек этот не умел ни читать, ни писать, он был настоящим инженером, гениальным изобретателем. Потому что его нехитрый автомат сам, без участия хозяина, ловил зверя.

Другими, хотя и не столь древними, но все-таки очень старинными автоматами являются музыкальные шкатулки, различные органчики или шарманки и самые распространенные в мире автоматы - часы.

Изобретатели первых автоматов не отдавали себе отчета в том, что их детища - машины особого рода, что они отличаются от всех других чрезвычайно важными особенностями, что эти особенности общи для всех автоматов, как бы ни различались они по своему назначению и конструкции. Инженеры поняли это всего лишь несколько десятилетий назад, когда мир уже вступил в эпоху автоматизации.

Автоматы металлические и автоматы животные

В те годы фантасты едва лишь начинали осваивать проблему роботов, наделяя их разнообразными человеческими свойствами, а подлинные роботы, никем, кроме инженеров, еще не узнанные, уже занимали рабочие места. Теперь мы встречаемся с ними всюду: они продают газированную воду, дают сигналы точного времени, соединяют наш телефонный аппарат с любым другим, управляют движением транспорта, изготавливают самые разнообразные товары, наводят на цель ракеты и даже обучают людей.

Автоматы разнятся не только по роду работы, но и по типу устройства: одни - электронные, другие - гидравлические, третьи - механические, четвертые - электрические. Но как бы ни отличались они по назначению и конструкции, главный принцип организации един для всех автоматов, и все они состоят из одинаковых по роду обязанностей органов. Вот эти органы:

чувствительный орган,
управляющий и запоминающий орган,
исполнительный орган,
источник энергии.

Чувствительные органы - в технике их называют датчиками, а теперь все чаще рецепторами - позволяют вести наблюдения за состоянием внешней среды, например, обрабатываемого продукта и собственных исполнительных органов автомата. Чувствительный орган в зависимости от вида автомата связан с управляющим "линией связи": либо электрическими проводами, либо воздухопроводом, либо металлической тягой и так далее. По этим линиям связи в управляющий орган и поступают сигналы, несущие информацию о состоянии внешней среды и исполнительных органов. Чувствительные органы могут быть самыми разнообразными. В холодильнике это электрический термометр, в системе включения и выключения уличных фонарей - фотоэлемент.

Блок-схема автомата

Сигналы от чувствительного органа поступают в управляющий орган. Но если бы в него вводились только сигналы от датчиков, управляющий орган не смог бы управлять работой автомата. Сами по себе сигналы от датчиков не имеют смысла. Чтобы понять их, управляющему органу необходимо знать и помнить, какими должны быть сигналы от датчиков при нормальных условиях работы автомата. Только в этом случае управляющий орган сможет разобраться в сигналах от датчиков, решить, насколько и в какую сторону они отклоняются от требуемых, и послать правильную команду на исполнительные органы. Поэтому управляющий орган непрерывно сравнивает сигналы от датчиков с сигналами, хранимыми в собственной "памяти", в запоминающем органе. В нем, помимо образцов сигналов, хранятся и инструкции, программы работы автомата, которые задают всю последовательность действий и нередко позволяют производить эти действия в различных и даже не всегда предусмотренных заранее случаях. Запоминающие органы могут быть самыми разнообразными по выполнению. В музыкальной шкатулке это валик, с укрепленными на его поверхности металлическими шпеньками, в токарном автомате, в двигателе внутреннего сгорания - кулачковый вал, в ткацких станках и в вычислительных машинах - карты с пробитыми отверстиями, в других автоматах - ленты с пробитыми отверстиями, ленты, подобные магнитофонным, кинопленки с прозрачными и непрозрачными участками, наборы особым образом соединенных магнитных сердечников и многие другие.

Управляющий орган сравнивает сигналы, поступающие от датчиков и от запоминающего органа. Как производить сравнение, какие решения принимать в том или ином случае, ему опять-таки подсказывает запоминающее устройство, в котором хранятся не только образцы сигналов, но и многочисленные инструкции, программы работы. Сигналы, полученные в результате сравнения, подаются в исполнительный орган, который и выполняет принятую команду.

Роль источника энергии ясна. Как и всякой другой машине, автомату нужна энергия. Без нее он не может работать, он мертв.

Единство принципов построения любых металлических автоматов инженеры установили лишь в тридцатые годы нашего столетия. Правда, и тогда они еще не могли объяснить, почему эти принципы едины, но само единство уже не вызывало сомнений. И этого было уже достаточно, чтобы возникла и бурно начала развиваться инженерная наука об автоматах.

Вряд ли кто станет теперь оспаривать мысль, что развитие всех наук взаимосвязано. В наши дни очень легко показать взаимные связи физики и химии, физики и математики, биологии и медицины. Но подобные связи не всегда столь хорошо заметны и проследить скрытую подчас связь отдельных наук очень трудно.

Именно так обстояло дело с наукой об автоматах и физиологией нервной деятельности. Ведь только в последнее время эти науки сблизились настолько, что можно указать, в чем их сходство. Но и значительно раньше уже существовали какие-то общие философские идеи, вдохновлявшие и тех, кто изучал автоматы, и тех, кто пытался постигнуть законы нервной деятельности животных. Ведь вряд ли можно лишь совпадением объяснить, почему примерно в то же самое время, когда заканчивалась эпоха стихийного изобретательства автоматов и закладывались прочные основы науки об этих новых машинах, почему в то же самое время в физиологии - старой заслуженной науке - тоже завершался этап стихийного изучения нервной деятельности и начинался новый, когда физиология нервной деятельности получила прочную научную основу. Завершал старый этап физиологии и начинал новый Иван Петрович Павлов.

Мы уже представляем, как организован и работает металлический автомат. Теперь попробуем разобраться в некоторых процессах нервной деятельности животных и человека.

Для этого необходимо вникнуть в понятие "рефлекс" - основное понятие в физиологии нервной деятельности.

Оно существует в науке уже очень давно. Его ввел великий французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт (1596-1650). Он считал, что в организме существуют чрезвычайно легкие частицы материи, названные им "животные духи", которые движутся от органов чувств к мозгу и, подобно световым лучам в зеркале, отражаются мозгом к мышцам, заставляя их напрягаться или расслабляться. По-латыни отражение, отбрасывание назад - "рефлексус". Декарт, писавший, как и все ученые тех времен, по латыни, ввел слово "рефлекс".

Декарт не имел никаких полученных из опыта данных, которые подтверждали бы его объяснение нервной деятельности; в те далекие времена их попросту не существовало. И поэтому понятие рефлекса было чисто умозрительным. И, разумеется, не очень-то конкретным. Но если отбросить "животных духов" и вместо них говорить о "животном электричестве", о нервных импульсах, мы сразу поймем, что догадка Декарта была в чем-то очень близка к действительности.

Дальнейшее изучение рефлексов знаменитым английским физиком, химиком и философом Робертом Бойлем (1627- 1691) и итальянским естествоиспытателем Ладзаро Спалланцани (1729-1799), с которым нам еще придется встретиться на страницах этой книги, показало, что у лишенных головного мозга лягушек - именно с такими работал и Гальвани - одни и те же раздражения нервов вызывают всегда одинаковые движения лапок. Затем удалось установить, что, если разрушить спинной мозг, раздражение нервов уже не вызовет движений. Стало ясно, что рефлекс связан со спинным мозгом.

Исследования рефлексов продолжались, и постепенно накопилось много фактов, которые помогли уточнить понятие рефлекса. Под рефлексом стали понимать неизменные реакции организма, которыми ведают низшие отделы центральной нервной системы. Ученые поняли, что рефлексы играют важнейшую роль в жизни животных и человека. Но в одном они ошибались: они думали, что рефлексы совершенно не зависят от высших отделов центральной нервной системы. Что же касается мышления, осознанных поступков, то есть психической деятельности человека, то она считалась совершенно не связанной с рефлексами, существующей независимо от них, абсолютно произвольной и на этом основании признавалась непознаваемой. Признание этой независимости приводило к тому, что нервная деятельность была разделена на два не связанных и даже противопоставляемых вида: низшую и высшую.

Против подобной точки зрения резко выступил Иван Михайлович Сеченов (1829-1905), великий предшественник Павлова. Он утверждал, что все проявления "сознательной и бессознательной жизни суть рефлексы". Сеченов был убежден, что даже самые сложные психические явления можно исследовать экспериментально. Свои воззрения он изложил в труде "Рефлексы головного мозга". В нем Сеченов настаивал на познаваемости явлений психики или высшей нервной деятельности и утверждал, что мышление человека вполне можно объяснить, не прибегая к таким понятиям, как бог и душа. Однако подтвердить свои теоретические положения опытом Сеченов не мог; еще не были разработаны нужные экспериментальные методы и необходимые лабораторные приборы.

То, что не удалось Сеченову, сделал Павлов. Но он не просто доказал опытным путем теоретические положения своего предшественника. Он сделал необыкновенно важные открытия и создал теорию высшей нервной деятельности человека и животных.

Едва появившись на свет, ребенок начинает дышать. Никто не учил его этому, и много дней пройдет, прежде чем можно будет заметить в нем первые признаки сознания. Но он сосет молоко, кричит, засыпает и просыпается, его кровеносная и пищеварительная системы работают точно и слаженно. Действиями всех его органов, всех систем управляют безусловные или врожденные рефлексы, полученные им по наследству от далеких и близких предков. Именно о них, о врожденных рефлексах, говорили ученые, начиная от Декарта, кончая Сеченовым.

Безусловные рефлексы действуют в нас на протяжении всей жизни. Когда мы дышим, пьем, пережевываем пищу, чихаем, мы совершаем непроизвольные рефлекторные действия. Мы совершаем их не задумываясь, автоматически. Таких действий огромное количество - автоматически сужается и расширяется зрачок глаза, бьется сердце, работают органы пищеварения, железы...

Но по наследству передаются не только отдельные независимые друг от друга безусловные рефлексы. Наблюдатели жизни животных, рыб, насекомых, в особенности пчел, муравьев, термитов, не раз бывали поражены удивительной целесообразностью их действий. Трудно отделаться от мысли, что строительство гнезд, выкармливание птенцов и перелеты птиц в далекие страны, сбор нектара пчелами, сооружение сотов и многие другие сложные действия совершаются без участия сознания. И все же, как это ни удивительно, это факт: многочисленные опыты показывают, что ни птицы, ни рыбы, ни насекомые, ни даже человек не обучаются некоторым очень сложным действиям, а рождаются с уже готовым умением совершать их. До поры оно дремлет в организме, но приходит время, и это умение неотвратимо и безошибочно проявляет себя. Поведение такого рода называется инстинктом и представляет собой сложную цепь точно координированных во времени и в пространстве безусловных рефлексов. Итак, даже очень сложные действия могут быть врожденными и совершаться без участия разума, бессознательно, автоматически.

Но есть и другие действия, которым животное и человек обучаются. Мы учимся говорить, писать и читать, управлять машинами, играть на пианино или скрипке. В начале обучения каждое действие мы совершаем неловко, неточно; мы должны сосредоточить на нем все свое внимание, всю волю. Но постепенно вырабатывается навык и даже самые сложные действия можно научиться совершать автоматически. Скрипач не думает о том, как вести смычок и располагать пальцы на струнах. Выучив пьесу, он все это совершает автоматически, и лишь самой музыке - мысли, в ней заключенной, - отдает все силы разума. Так же работают и опытный токарь, и художник, и летчик - никто из них не думает, какие и в какой последовательности должны сокращаться и расслабляться мышцы, чтобы резец выточил сложную деталь, чтобы из сочетания линий и пятен получился пейзаж, чтобы самолет совершил целый каскад сложнейших фигур высшего пилотажа.

Все подобные действия, хотя и совершаются автоматически, не унаследованы от предков, им человек обучается.

До Сеченова и Павлова никто не пытался объяснять, как происходит обучение. Говорили, что это чисто психический процесс; и, словно этим все было сказано, даже не пытались опытным, объективным путем разобраться, в чем же конкретно заключается процесс обучения.

Павлов не побоялся экспериментально исследовать высшую нервную деятельность и создал удивительные по своему совершенству методы опытного изучения. Его смелость и необыкновенный талант экспериментатора были вознаграждены открытием нового вида рефлексов - условных рефлексов.

Условные рефлексы, в отличие от безусловных, не являются врожденными, а образуются под воздействием внешней среды в процессе обучения. Если безусловные рефлексы практически одинаковы у всех животных данного вида и "запрограммированы" так, что передаются из поколения в поколение, а некоторые одинаковы для всех животных данного класса, то условные рефлексы часто различны у животных данного вида, ибо определяются собственным опытом каждого отдельного животного. Условные рефлексы - как бы доведенный до автоматизма личный опыт. Они могут образовываться только в ответ на достаточно частые и неизменные воздействия среды. Условные рефлексы, например, быстро образуются у рабочих конвейера, у балерин и спортсменов, часами отрабатывающих какое-то определенное движение, у музыкантов, у первоклассников, выводящих в тетрадках буквы. Благодаря существованию безусловных и условных рефлексов животные могут приспосабливаться к вечно меняющемуся миру, жить в нем и продолжать свой род,

Павлов указал на различие между высшей нервной деятельностью животных и человека. Оно объясняется существованием у человека двух сигнальных систем. У животных имеется всего лишь одна - так называемая первая сигнальная система; есть она и у человека. Эта сигнальная система воспринимает воздействия физических раздражителей: света, звука, запаха, тепла... Вторая сигнальная система, имеющаяся только у человека, действует на основе первой, но для нее сигналами (раздражителями) оказываются уже не сами явления во внешней или внутренней среде организма, а слова, их обозначающие. Вторая сигнальная система формировалась одновременно с речью. Именно наличием второй сигнальной системы отличается человек от всех прочих животных; эта система позволяет человеку воспринимать мир не только чувствами, но и через слова, отвлеченно," она позволяет обобщать. Иначе говоря, вторая сигнальная система дает человеку возможность мыслить.

Различие между высшей нервной деятельностью животных и человека

Какие же элементы нервной системы принимают участие в образовании рефлекса? Или, выражаясь терминами физиологии, что входит в состав рефлекторной дуги? Вот эти элементы:

рецептор;
нервное волокно, по которому импульсы передаются в центральную нервную систему;
нервные центры, участвующие в образовании данного рефлекса;
нервное волокно, по которому передаются импульсы из нервных центров к рабочим органам;
рабочий орган;
источник энергии.

Слева показана схема рефлекса такой, как ее представляют себе инженеры, а справа - такой, как ее представляют себе биологи

Не напоминают ли названия этих элементов другие - названия органов автомата? Разумеется, да! И хотя названия эти в каждой области науки возникли независимо, сходство не случайно: назначение элементов рефлекторной дуги и органов автомата сходно.

Рецептор выполняет ту же роль, что и датчик. Он преобразует физические воздействия в сигналы. Нервные волокна, хотя они и значительно сложнее, можно уподобить проводам, "линиям связи", по которым сигналы направляются к нервным центрам и оттуда к рабочему органу. Название рабочего органа говорит само за себя; он, так же как и исполнительный орган автомата, исполняет полученные команды. Не трудно найти сходство и между управляющим органом и нервным центром, в котором есть и запоминающее устройство, память.

Какой простой, естественной и совершенно очевидной кажется нам в конце шестидесятых годов аналогия между металлическим автоматом и животным автоматом - рефлекторной дугой! Но в тридцатые годы некому было проводить такое сравнение: физиологи не знали общих принципов построения автоматов и их теории, а инженерам была неведома физиология нервной деятельности, Представители обеих наук считали их столь далекими, столь разными, что даже и не пытались найти общее между ними. Да если бы они и захотели сделать это, то вряд ли смогли бы найти общий язык, понять друг друга.

В те годы теория металлических автоматов и теория животных автоматов создавались и развивались независимо одна от другой.

В сущности, научных фактов, накопленных в этих двух областях науки, хватило бы для возникновения новой революционной науки, которой суждено было объединить столь далекие, на первый взгляд, теории. Вы, вероятно, уже догадались, что имя этой новой науки - кибернетика. Но хотя накопленных знаний было уже достаточно, два мощных научных течения - автоматика и физиология нервной деятельности - не могли еще слиться воедино. Они уже вынесли науку к берегам неведомого бескрайнего моря, однако ученые еще не знали, куда стремятся потоки, они не замечали еще и самого моря и уж тем более не знали его имени. Слишком много еще оставалось знакомого и привычного по берегам; так много, что даже самое новое, самое удивительное было трудно выделить и различить в привычном и знакомом.

Чтобы заметить это удивительное, ученым нужно было по-новому взглянуть на известные факты, разобраться в сформулированных уже теориях "металлических автоматов" и "животных автоматов". Но для этого требовалось еще одно: чтобы биологи и инженеры нашли общий язык, поняли друг друга. И самое главное, чтобы они захотели сделать это.