книги из ГПНТБ / Мясников, В. А. Программное управление оборудованием

тер. Главной ее чертой является наличие возбуждающих и тормоз­ ных горизонтальных связей. В тактильном рецепторном поле экспериментально установлено также тормозное взаимодействие. А. И. Есаков и др. исследовали активность одного тактильного рецептора и влияние на нее раздражения соседних рецепторов, принадлежащих к тому же рецепторному полю. Раздражение со­ седних тактильных рецепторов приводило к резкому уменьшению частоты ответа исследуемого тактильного рецептора, причем величина последействия тормозной сети оказалась весьма боль­ шой (влияние торможения сказывалось спустя 5—6 мин после подачи раздражающего импульса). Тормозное взаимодействие ох­ ватывает также рецепторы симметричных участков коры; уста­ новлено, что такое «отдаленное» в пространстве взаимодействие замыкается через спинной мозг. По-видимому, на это следует об­ ратить внимание при конструировании тактильных рецепторов рабочих органов манипуляторов и шагающих машин.

Дыхательный центр. Обилие новых свойств континуальных сред делает однородные системы очень привлекательными для создания все новых и новых моделей (умозрительных, так как физические модели пока отсутствуют). Но в последнее время от­ четливо определился поворот к второму этапу — объяснению поведения исходных биологических прототипов исходя из эле­ ментарных свойств КС. В первую очередь это теории возникно­ вения фибрилляции и аритмий сердца, это планомерная и, видимо, надолго спланированная «осада» коры мозжечка.

С. Б. Кузьминых исследовал проблему моделирования дыха­ тельного центра (ДЦ). Им сделана успешная попытка объяснить механизмы управления ДЦ на основе теории континуальных сред. При моделировании С. Б. Кузьминых подошел к проблеме с биоло­ гической точки зрения, когда в конечном счете интересует, «как это устроено», а не «как это может быть устроено». В первую оче­ редь рассматривалась надежность — специфически биологиче-, ское свойство системы, объясняемое тем, что биологические си­ стемы малочувствительны к ошибкам в организации связей между огромным количеством малонадежных активных элементов, так как отказ элемента можно рассматривать как изменение всех связей с ним.

В процессе дыхания ДЦ стимулируется накоплением в крови углекислоты и (в меньшей мере) снижением содержания кисло­ рода. Химические сдвиги крови действуют на ДЦ, раздражая хеморецепторы сосудов; кроме того, нервные клетки ДЦ могут стимулироваться углекислотой, находящейся в омывающей их тканевой жидкости.

Регуляция дыхательного акта осуществляется импульсами, которые возникают в рецепторах легких и передаются в ДЦ по волокнам блуждающего нерва. В результате афферентного син­ теза всех потребностей организма ДЦ посылает к дыхательным инспираторным мышцам определенное количество импульсов,

311

вызывающих сокращение мышц. Растяжение легкого в форме обратной аффереитацни о результатах действия сигнализируется по блуждающему нерву в ДЦ. Блуждающий нерв активирует антиинспираторные нейроны ДЦ, вследствие чего возникает со­ кращение экспираторных мышц и происходит активный выход (при пассивном выдохе легкие спадают за счет упругости).

В модели ДЦ все элементы (нейроны) объединены в однород­ ную плоскую среду; каждый элемент при возбуждении воздей­ ствует на входы всех остальных элементов одновременно через воз­ буждающие и тормозные связи.

Кроме воздействий от других эле­ ментов слоя (латеральных влия­ ний) каждый элемент может ис­ пытывать внешние по отношению к слою воздействия тормозного пли возбуждающего характера, которые суммируются с латераль­ ными.

Характер латеральных связей модели ДЦ таков, что вокруг зоны возбуждения образуется зона тор­ можения (рис. 164). Весовые функ­ ции описываются уравнениями вида:

S B = / h r a r ;

ST= Ве~рг,

где А, а, В, р — постоянные ко­ эффициенты; Л’> В; а > Р; а > 0; Р >• 0; г — радиус рассматривае­

мой зоны, в центр которой посту­ пает возбуждение.

Очевидно, что в такой среде реализуются: а) ритмическая активность; б) управление временем и интенсивностью возбу­ ждения центральной зоны внешним торможением; в) управление временем и интенсивностью торможения центральной зоны внеш­ ним возбуждением.

Ретикулярная формация образована из указанной среды. В не­ которой малой области этой среды оканчиваются нервы, несущие информацию относительно главных параметров состава крови, и другие нервные пути, непериодическая активность которых воздействует на ретикулярную формацию возбуждающе. В окре­ стности данной области размещены входы нейронов 1 (рис. 165), инервирующих инспираторную мускулатуру 5. Зона размещения

этих входов называется инспираторной (Я). По периферии дан­ ной области ретикулярной формации размещены входы нейронов, инервирующих выдыхательную мускулатуру 4. Эта зона иазы-

312

вается экспираторной (Э). Область, лежащая между зонами И и Э, служит для подавления активности зоны И и называется антиинспираториой (АИ). Предполагается, что она не имеет внешних

выходов, но что на ней оканчиваются легочные ветви блуж­ дающих нервов 7 и другие ветви регуляторных афферентных путей.

Растяжение легких при вдохе приводит к возбуждению легоч­ ных механорецепторов; это возбуждение по волокнам блуждаю­ щего нерва 7 передается в зону А И. Возбуждение этой зоны при­ водит к торможению ранее возбужденной зоны И и одновременно

Рис. 165. Схема организации дыхательного центра:

Э —А И — И — з о н ы о д н о р о д н о й с р е д ы ; 1 — в х о д ы н е й р о н о в ; 2 — в ы х о д ы п н с п н р а т о р п ы х н е й р о н о в ; 3 — в ы х о д ы э к с п и р а т о р н ы х н е й ­ р о н о в ; 4 , 5 — м ы ш ц ы ; 6 — л е г к и е ; 7 — б л у ж д а ю щ и е н е р в ы

волна возбуждения переходит в зону Э\ выходы экспираторных нейронов 3 вызывают активность экспираторных мышц 4 и про­

исходит активный выдох. При меньшей степени возбуждения зоны АЙ по-прежнему тормозится зона Я, но возбуждения зоны Э

не происходит и выдох получается пассивным. Основными парамет­ рами среды, определяющими ее поведение, являются простран­ ственные (Л, В, а, Р) и временные (SB и ST) характеристики.

Изменение временных параметров определяется биохимичес­ кими процессами в клетках ДЦ и зависит от содержания в крови кислорода и углекислоты. Таким образом производится регуля­ ция ДЦ в функции состава крови.

Все эти разнообразные биологические структуры объединяются в класс «однородные» общим законом строения, который заклю­ чается в следующем: все ячейки структуры охвачены возбуждаю­ щими (положительными) и тормозными (отрицательными) обрат­ ными связями и реагируют на стимулирование инерционно. Интенсивность, пространственно-временное распространение возбуждающих и тормозных стимулов определяются весовыми

313

функциями связи S, имеющими простой физический смысл: локаль­ ное раздражение среды вызывает одновременно и возбуждение, и торможение окружающих ее областей. И возбуждение, и тормо­ жение затухают в окрестностях возбужденной зоны с разными постоянными времени затухания.

32. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНТИНУАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Элементарные ячейки континуальных систем

Кратко рассмотрим физические модели континуальных систем, реально изготовленные пли достаточно убедительно описанные в форме проекта.

Электрохимические модели. По-видимому, первой однородной моделью возбудимой биологической системы является модель Р. Лилли. Модель выполнена из железной проволоки, помещенной в стеклянную тонкую трубку и погруженной в азотную кислоту. При взаимодействии FIN03 с железной струной протекают следую­ щие процессы: растворение Fe, сопровождающееся уходом его ионов в раствор, и окисление Fe, приводящее к образованию на поверхности струны плотной пленки окисла. При достаточно высокой концентрации H N 03 второй процесс преобладает и так как окисная пленка препятствует растворению, устанавливается равновесное состояние, в котором растворение и окисление прак­ тически прекращаются, вся поверхность Fe покрывается пленкой окисла и разность потенциалов между железом и раствором при­ нимает равновесное значение. Такое состояние железа называется пассивным, а процесс перехода в это состояние — пассивацией.

Если теперь искусственно уменьшить разность потенциалов до некоторой пороговой величины, то окисная пленка разрушится и железо перейдет в активное состояние, характеризующееся бур­ ным растворением.

Одновременно происходит процесс образования азотистой кис­ лоты HNOo. Так как пленка обладает большим электрическим сопротивлением, то к тому месту, где она разрушается, из раствора притекае ток. При этом разность потенциалов железа и. раствора вблизи места разрушения снижается. Если размер разрушенного участка достаточно велик, то снижение разности потенциалов бу­ дет настолько сильным, что ее пороговое значение будет превзой­ дено на некотором участке поверхности струны, еще покрытом окисной пленкой. Это вызовет разрушение оксидной пленки на новых участках поверхности струны, примыкающих к перво­ начально разрушенному месту, так что по поверхности струны в обе стороны пойдет фронт разрушения оксидной пленки. Однако активное состояние поверхности продолжается не до полного раст­ ворения струны: в средней ее части благодаря возрастанию концен­ трации HNOo снова начинает образовываться оксидная пленка, которая в конце концов полностью пассивирует поверхность, так

314

что за фронтами активации начинают распространяться в обе стороны фронты пассивации.

Таким образом, формируются два импульса активации поверх­ ности струны, которые распространяются в противоположные стороны. Спустя короткое время после начала процесса импульсы становятся стационарными и распространяются _с постоянной скоростью без искажения. Замкнув проволоку в кольцо, можно получать в ней не затухающие в течение нескольких минут колеба­ ния (сравним с опытом И. А. Ветохина по стимуляции колебаний в кольце из мышцы медузы).

Полупроводниковые модели. Полупроводниковые модели си­ стем с распространяющимся возбуждением — нейристоры пред­ назначаются для использования в микроэлектронных ЭВМ. Боль­ шинство нейристоров основано на использовании N- и S-характе­

ристик многослойных твердотельных компонентов. Наибольшее распространение получили S-иейристоры из полураспределеииой тиристорной структуры. Эти системы являются частично мозаич­ ными вследствие использования дискретных Л?С-цепочек; нейристор выращивается на одном кристалле, в котором методами микро­ электроники формируются р-п-переходы.

Напомним, что нейристор— это прибор, представляющий собой канал, вдоль которого могут распространяться сигналы аналогично тому, как это происходит в аксоне. Нейристор состоит из источника энергии, накопителя и элемента с отрицательным сопротивлением. В данном случае таким элементом служит тири­ стор, образованный р-ц-р-л-каналами; на рис. 166, а область,

занятая одним из тиристоров, находится между вертикальными штриховыми линиями. Для того чтобы процесс распространения сигнала сопровождался последующим восстановлением к перво­ начальному состоянию, нагрузочная линия 2 (рис. 166, б) в исход­

ном состоянии должна пересекать в одной точке вольт-амперную характеристику 1 активного элемента.

К. Ф. Комаровских и др. указали три механизма, приводящие

вдвижение область сопротивления от тиристора к тиристору.

1.Включение элемента ведет к повышению концентрации неосновных носителей в его базовых областях. Возникающий

градиент приводит к диффузии неосновных носителей, приводя к увеличению обратного тока коллекторного перехода соседнего элемента и к переходу этого элемента в состояние низкой прово­ димости.

2. Распределение неосновных носителей вдоль /i-базы, имею­ щей конечное продольное сопротивление, носит линейный ха­ рактер при включении одного из элементов. Такое распределение эквивалентно наличию управляющего базового тока, вызываю­ щего лавинное отпирание соседнего элемента.

3. Шунтирование коллекторного р-/г-перехода закрытого эле­ мента малым сопротивлением, возникающее вследствие резкого понижения сопротивления сработавшего тиристора, приводит

315

к деформации вольт-амперной характеристики закрытого тирис­ тора (от кривых I к кривым 3, 4 на рис. 166, б), уменьшению на­

пряжения срыва и в конечном итоге к открыванию тиристора. Известны нейристорные липни с управляемой скоростью распро­

Более перспективными являются нейристоры на основе S-дио­ дов. К /V-нейристорам относятся схемы на туннельных диодах.

Д. Нисидзава разработал оптоэлектрониый мозаичный пейристор. Каждый каскад нейрнстора состоит из последовательно

Рис. 166. Полураспределениый тиристорный нейрнстор: а — схема попе­ речного сечения структуры; б — вольт-амперные характеристикпр—р-об­ ласть, п—я-область; I — расстояния между элементами

который заряжается, кстгда фоторезнстор освещен. Свет от лазера переводит в проводящее состояние соседний фотодиод, вызывая разряд конденсатора через последовательно включенный сосед­ ний лазер, который облучает следующий фотодиод, и т. д. Одно­ временно подготавливается (заряжается) конденсатор, помещенный через одну ветвь — дальше по направлению распространения.

Наиболее близким функционально к описанному устройству является оптоэлектронный регистр [32]. В этом регистре пере­ движение дискретной информации осуществляется при помощи тактовых импульсов. Привлекает внимание то, что память в ре­ гистре осуществляется чисто оптронным способом, за счет устой­ чивой цепи обратной связи от электролюминофора к фоторезистору каждой ячейки модели. В регистре отсутствуют навесные детали, конденсаторы и т. п. — все его элементы выполнены в пленочном исполнении (рис. 167). Импульсы, поступающие на шины пита­ ния А, В, С, взаимно сдвинуты по фазе. Подготовка очередного

каскада регистра к возбуждению осуществляется подсветкой от предыдущего каскада. В качестве световода служит стеклянная подложка устройства. Оптроны хранят информацию благодаря оптической обратной связи; боковая подсветка не приводит к рас­ пространению возбуждения, так как напряжение па соседних—

3 1 6

по отношению к рассматриваемому оптрону — фоторезисторах отсутствует. В Момент переключения питания (с шины А на шину В)

ранее возбужденные оптроны гаснут; зажигаются оптроны, под­ ключенные к шине В, которые были ранее возбуждены боковой

подсветкой. Так как конструкция регистра предусматривает только ближнюю боковую подсветку, то загорается только ближайший разряд регистра.

Модели рецепторных полей. Функциональные модели рецеп­ торных полей с латеральным торможением, построенные многими

ройств. То же относится и к модели сетчатки И. Н. Шеталова. В модели М. Хершера и Т. Келли

сделана попытка преодолеть технологический порог примене­ нием оптической междуслойпой связи. ' Модель осуществляет четыре операции над изображением, имеющим место в глазу лягушки: выделение границы, опознание движущихся выпукло­ стей, потемнения и изменения контраста. Биполярные и гангли­ озные клетки моделировались с помощью пороговых логических схем с применением пары неоновая лампа—фоторезистор. Анало­ гичная модель, но с применением электролюминесцентных пане­ лей была построена Е. Лебнером. Передача информации между панелями осуществлялась с помощью света, причем использова­ лось цветовое кодирование.

Модели систем с распространяющимся возбуждением и латеральным торможением

Электролюминесцентный преобразователь изображения. Ис­ ходными предпосылками для разработки континуальных биоподобных иейристоров и континуальных моделей рецепторных полей являются основные закономерности, наблюдаемые в биологи­ ческих системах, которые можно кратко сформулировать сле­ дующим образом.

317

1.Каждая ячейка КС оказывает на соседние ячейки возбуж­ дающие и тормозящие воздействия.

2.Интенсивность воздействий определяется пространственно-

временными функциями связи.

3.КС обладает свойством пространственной и временной суммации возбуждающих и тормозящих воздействий.

4.Каждая ячейка КС является инерционным элементом.

5.Линии связи между ячейками КС проводят возбуждающие

итормозящие сигналы безынерционно.

Указанные закономерности положены в основу конструкций

скости многослойную систему из полупроводниковых соединений групп А п—£ VI и Л111—S v .

Типовая конструк1?ия двухэлектродного ЭЛУ показана на

рис. 168. ЭЛУ представляет собой прозрачную стеклянную пла­ стинку 6, покрытую прозрачным слоем 5 (Sn02; ln20 3; CdO),

служащим тыловым контактом усилителя. На контакт наносится слой электролюминофора 4. Между электролюминофором и фото­ слоем 2 помещается непрозрачный или прозрачный оптический экран 3, предназначенный для прерывания или, наоборот, форми­

рования оптической положительной связи между этими элемен­ тами. Входное оптическое изображение, сформированное на фото­ слое 2, преобразуется в световое изображение, излучаемое электро­ люминофором 4 с заданной степенью разрешения, усиления и кон­

трастности. Вторым электродом является либо также прозрачная проводящая пленка 1, либо сетка из тонких металлических про­

водников, уложенная в толще фотослоя.

Возбуждающее переменное напряжение повышенной частоты прикладывается между двумя электродами системы. Единствен­ ными материалами, которые в настоящее время пригодны для построения ЭЛУ с большой площадью и высокими оптическими характеристиками, являются электролюминофоры и фотопровод­ ники на основе соединений Л11 BVI как в виде порошковых слоев,

так и в виде тонких сублимированных пленок. Из материалов

318

А 11 BVI требованиям усилителей преобразователей изображения

нанлучшим образом удовлетворяют соединения Zn с S и Se для электролюминесцентных слоев и соединения Cd с S, Se и Те для фо-

и Я,-2, расщепляется оптической системой 9 на два одинаковых изображения, которые после прохождения через фильтры 10, 11 и оптические системы 4, 5 подаются на вход ЭЛУ. Фильтр 10 выделяет зеленую полосу (А.г), а фильтр 11 — инфракрасную (А,2).

319

В модели с обратным торможением (рис. 169, а) входное изо­

бражение проектируется па фоточувствнтельиую поверхность ЭЛУ, выходное изображение ЭЛУ (излучение с длиной волны А,

параметры, благодаря чему воспроизводятся различные виды воз­ буждающих и тормозных функций связи 5 В и 5 Т.

МРВ построена на основе ЭЛУ с положительной обратной связью. Входными и выходными сигналами служат оптические изображения, первое из которых проектируется длительно или кратковременно на входную плоскость оптрона, а второе излу­ чается электролюмннофором в виде динамической картины бегу­ щих световых воли. Эффект распространения светового возбужде­ ния достигается благодаря «растеканию» светового пятна по по­ верхности оптрона вследствие того, что изображение по каналу

320