Возможноти нейробионики. 
Нейробионика как наука

Нейробионика — наука об организации технических систем из нейроподобных элементов. Основным этапом нейробионических исследований является моделирование нейроподобных систем при помощи ЭВМ или на базе уже имеющихся функциональных элементов. Под нейроподобными системами понимаются физические системы или математические модели, воспроизводящие наиболее существенные информационные свойства нейронных структур.

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 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 потребностно-возбудительной 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.

Можно выделить два класса нейроподобных структур: сети их нейроподобных элементов и локальные цепи, в которых элементами выступают отдельные компоненты нейронов. Частным случаем локальных цепей является взаимодействие дендритов.

После выяснения организации тех или иных нейронных механизмов оказывается возможным из нейроподобных элементов строить системы, не имеющие прямых биологических прототипов, но отвечающие общим принципам их построения.

Важным условием развития нейробионики как науки об общих принципах нейронной организации с последующим использованием этих принципов в технике является создание соответствующей элементной базы. Такой базой являются, в частности, нейроподобные суммирующие аналоговые элементы со многими входами, коэффициенты связей (веса) которых могут временно или длительно изменяться. Эти изменения достигаются либо воздействием на связи сигналов от других элементов, выполняющих функции управления связями, либо в процессе прохождения по ним сигналов.

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.

Так же нейробионика занимается разработкой манипуляционной системы с биоэлектрическим управлением. Сегодня биоэлектрические протезы могут выполнять многие функции руки человека, за исключением игры на фортепиано и поднятия больших тяжестей. Протезы могут даже чувствовать. Тензометрические чувствительные элементы на концах пальцев измеряют частоту колебаний зуммера, закрепленного на руке рядом нервом, ведущим к мозгу. При сжатии пальцев с силой до 3 кг, искусственная рука чувствует изменения порядка 0,1 кг. Имеются протезы, в которых тензометрические чувствительные элементы управляют сервомеханизмами, сжимающими пальцы. Применяют также логические и программные устройства, которым достаточно одного сигнала, чтобы протез выполнил целый ряд действий. Все говорит за то, что наибольшее распространение получат протезы с обратной связью (с сигнализацией в виде колебаний или электрических импульсов, передаваемых коже). Биоэлектрические протезы будущего научатся реагировать на температуру и состояние поверхности предмета.

Можно также ожидать, что инвалиды будут пользоваться несколькими добавочными руками, подключенными параллельно живым.

Уже построен «мощный» робот высотой 5 м, управляемый биосигналами сидящего в нем человека. Достаточно легкого движения руки человека — и робот вырывает дерево вместе с корнями.

Создано также и другое устройство — усилитель мускульной силы человека. Это легкий стальной «скелет» с сервомеханизмами, управляемыми биоэлектрическими импульсами. Человек при использовании такой конструкции развивает силу, в шесть раз большую, чем обычно.

Имеются уже биоэлектрические «рукавицы», благодаря которым космонавт или подводник может свободно одной рукой выполнять работу, требующую приложения силы около 40 кг. Добавлением служат усилители силы пальцев. Энергия для усиления человеческих мускулов берется от электрических или гидравлических систем[2, с.53].

Искусственные руки становятся все длиннее. Это значит, что вместо проводов, соединяющих их с человеком, применяются радиоволны. Такие руки, управляемые на расстоянии с помощью биоэлектрических импульсов, работают при больших температурах, в атомных устройствах и т. п.

Рост скоростей в технике привел к тому, что нормальные реакции водителя или пилота стали недостаточными. Ученые начали интересоваться системами «человек—машина». Скажем, в системе «человек—автомобиль» время реакции водителя с момента принятия решения до включения ножного тормоза 0,4 … 0,5 с. Само время передачи нервных импульсов от мозга до мышц ног (при скорости распространения нервных импульсов порядка 100 м/с) — около 0,15 с. За время 0,5 с автомобиль со скоростью 100 км/ч пройдет путь около 12,5 м[4].

Конструкторы попытались сократить путь нервных импульсов и время реакции. Водитель во время опыта получал очки со стальными спиральными пружинками, снабженными серебряными электродами, которые прижимаются к надбровным дугам. Электроды соединены с транзисторным усилителем, на выходе которого находится реле, управляющее сильным электромагнитом, связанным с автомобильным тормозом. В случае опасности достаточно водителю нахмурить брови, чтобы автомобиль начал тормозить уже через 0,15 с. При скорости 100 км/ч путь, пройденный автомобилем до момента торможения, будет составлять только 3,75 м вместо 12,5 м. Кроме автоматического тормоза, который срабатывает через 0,15 с, автомобиль имеет и обычный ножной тормоз.

Сейчас пытаются использовать изменения выражения лица пилота для управления сверхзвуковыми самолетами. Миниатюрные электроды заменят известные сегодня виды управления (ручное и ножное).

Пилоты космических станций получат возможность управлять с помощью движения глаз. Речь идет о том, что поворот глаза на 10 вызывает изменение биоэлектрических потенциалов глазных мышц в пределах 10 … 40 мкВ. При этом сохраняется линейная зависимость между углом поворота глаз до 30° и амплитудой биотоков. Эту линейную зависимость можно использовать для управления с помощью усилителей и сервомеханизмов.

Пытаются также использовать нетипичные реакции мышц, возникающие в момент перегрузок, для управления движущимися объектами.

Интересные результаты дают эксперименты, связанные с непосредственной передачей мыслей на расстояние. В будущем такой метод управления позволит усовершенствовать различные производственные процессы и транспортирование.

Много усилий затрачивается на поиск источников электроэнергии у животных. В качестве биоэлектростанции можно применить, например, электрического угря. Во время опыта в течение 8 ч мышь без вреда для здоровья питала своей энергией радиопередатчик. Может быть, в будущем крупные животные будут в течение всей своей жизни поставлять нам дешевую энергию, получаемую от биотоков.

Биологический элемент, состоящий из двух электродов (из платины и нержавеющей стали), имеет э. д. с. 0,1 … 0,65 В и мощность 114 … 155 мкВт. Один электрод приживляется на животе крысы, собаки или кролика, а другой — под кожей на груди. Электроды можно также разместить в любом месте системы кровообращения. Тем самым мы как бы получаем разновидность «жидкого топлива"[3, с. 73].

Установлено, что даже растения имеют электрические потенциалы, хотя и менее интенсивные, чем у людей или животных. Речь может идти о биоэлектрической стимуляции развития растений. Если это удастся, то урожаи будут более частыми и обильными.

В России и США в последние годы построены чувствительные приборы, регистрирующие токи нервных волокон растений и деревьев. Благодаря этому можно получить, например, «электрический пейзаж». Случайно открыто, что длинные волосы и борода могут дополнительно влиять на музыкальное восприятие, так как являются особого рода рецепторами[6].