В.3. Бионические аспекты информационных систем

Как мы уже отмечали выше, роботы создавались с целью заменить человека при выполнении достаточно сложных операций в тех случаях, когда он по тем или иным причинам не может принять непосредственное участие в их выполнении. С этим связан антропологический подход к терминологии в робототехнике, когда термины, принятые в биологии, биофизике и в психологии используются для обозначения соответствующих робототехнических категорий. Так, мы говорим о восприятии информации роботом, о принятии им решений, об (искусственном) интеллекте робота и т.п. Заметим, что такой подход, который можно в данном случае назвать бионическим, поскольку речь идет о биологических и биофизических аналогиях, мы выше применили при классификации датчиков. В его основе лежит принцип замещения или уси­ления некоторой сенсорной фун­кции человека, ко­торый должен был бы работать в данных условиях. Бионические термины достаточно широко применяются в теории и практике информационных систем, в связи с чем необходимо дать необходимые опре­деления.

Из всего множества факторов окружающей среды, воздействующих на организм, некоторые (не все!) улав­ливаются сенсорными органами. Данные факторы называются сенсорными сти­мулами. В ходе эволюции у всех организмов развились специализированные сенсорные органы, устроенные так, чтобы опти­маль­ным образом отвечать на вполне определенные стимулы. Эти органы разделяются на три группы. Экстероцепторы - это рецепторы, стимулируемые ок­ру­жающей средой. Они участвуют в реализации локационной, визуальной и тактильной сенсорной функции. Проприоцепторы определяют вариации длины мышц, натяжения сухожилий и других параметров положения и движения. Таким образом, они участвуют в формировании кинестетической и, отчасти, тактильной сенсорной функции. К группе проприоцепторов относится и вестибулярный аппарат. Ин­тероцепторы регистрируют информацию, поступающую от внутренних органов тела. К ним относятся, в частности, датчики температуры, кровяного давления, состава крови и т.п. Большая часть информации, посылаемой в цен­тральную нервную систему интеро - и проприо­цеп­то­рами не воспри­нимается сознанием.

Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через шесть основных каналов сенсорной рецепции (каналов органов чувств), образующих распределенную информационную сеть. К ним относятся слух, зрение, осязание, терморецепция, обоняние и вкус.

Вкаждом из этих каналов возбуждение регистрируется системой ЧЭ (рецепторов), специфических для разных модальностей и передается по каналу связи (нервному волокну) в виде потенциалов действий. Система рецепторов каждой модальности связана с определенными отделами центральной нервной системы. На рис. В.6 показан вид каналов связи основных сенсорных модальностей.

Распознавание сенсорного образа у человека является результатом совместной работы информационной системы и мозга. Значительная часть информации обрабатывается уже на уровне рецепторов. При этом возмож­ности рецепторов по передаче информации существенно превышают возможности информационной системы по ее переработке. Другими словами, пропускная способность рецепторных ней­ронов определяет максимальную величину потока информации. Так, у человека только в зрительной системе сосредо­точено более миллиона каналов передачи информации, способных пропустить до 10⁷ импульсов в секунду. Если каждый импульс несет хотя бы 1 бит данных, то мозг ежесекундно получал бы от зрительной системы 10⁷ бит инфор­мации. Это намного превосходит возможности нервной системы, которые ограничены единицами или десятками бит в секунду [ ]. Таким образом, количество информации избыточно и оно должно быть сокращено в процессе передачи от рецепторов к мозгу.

Главная функция начальной стадии обработки информации на уровне рецепторов заключается в выделении определенных важных сторон и свойств поступающих извне сигналов и устранение 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, в экспериментах, приведенных в [ ], показано, что образ спящей кошки идентифицируется по 38-точечному кон­тур­ному представлению.

Во всех типах рецепции действуют общие принципы интегрального описания стимулов, основанные на ана­лизе признаков действующих стимулов. Характерные признаки, соответствующие основным видам сенсорной рецепции, показаны в табл. В.2.

Таблица В.2. Признаки сенсорных функций бионической системы

Сенсорная функция	Признаки
Вкус	сладкое, соленое, кислое и горькое
Обоняние (запах)	мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный
Слух	объ­ем, громкость, плотность и высота
Терморецепция	степени тепла
Тактильная рецепция	чувствительность и разрешающая способность
Зрение	чувствительность, разрешающая способность и спектральная характеристика

Остановимся на этом более подробно, поскольку аналогичные принципы нередко применяются и в искусственных информационных системах. Так, всю гамму вкусовых ощущений представляют в виде суперпозиции четырех основных вкусовых качеств: сладкое, соленое, кислое и горькое. В этом легко убедиться при анализе органа вкуса: кончик языка чувствителен к сладкому и соленому, боковые поверхности - к кислому, спинка языка - к горькому. Вкус любого вещества имитируется смешиванием двух или трех из основных качеств вкуса. Примерно также обстоит дело и с обонянием. Человек способен распознать запах около сотни тысяч различных веществ. Однако в отличие от вкуса, характеризующегося абстрактным представлением о, например, кислом, представления о запахах конкрет­ны и связаны с каким-либо веществом. (Так, говорят о «запахе ми­н­­даля»). В соответствии с господству­ющей в настоящее время стереохимической те­орией обоняния Р. Монкриффа - Дж. Эймура, выделя­ются семь первичных запахов: мускусный, камфарный, цвето­чный, эфирный, мятный, острый и гнилостный. Выяс­нилось, что вещества, относящиеся к одной груп­пе, имеют сходство в стереомодели. (В час­тности, для молекул веществ, обладающих камфарным запахом, характерна округлая форма и размер ~10 ан­гстрем). Предполагается, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, отвечающих основным запахам.

Слуховая, визуальная и тактильная функции подробнее рас­смотрены ниже.

В табл. В.3 представлена сравнительная количественная характеристика сенсорных фун­кций человека.

Таблица В.3. Сравнительная характеристика сенсорных функций человека

Параметр	Сенсорная функция
	Слух	Зрение	Осязание	Терморецепция	Обоняние	Вкус
Число клеток	3 104	2 10 8	1 107	3 105	7 107	3 107
Количество отходящих нервных волокон	2 104	2 106	1 106	106	105	103
Пропускная способность, бит/с	1 105	1 107	2 106	2 103	105	103
Относительная чувствительность	10-1	1	10-9	10-13	1	2 10-4

Заметим, что по пропускной способности выделяется зрение, играющее основную роль в адаптации человека к окружающей среде. Можно предположить такую же роль искусственного зрения и при адаптации робота в условиях неопределенности. В то же время, слух, особенно осязание, обладают значительно более высокой чув­ствительностью и используются для тонкой коррекции движений при взаимодействии с внешней средой.

Данные к разделу о сенсорных модальностях бионической системы заимствованы из [ ].