Введение (Учебник - информационные системы), страница 3

В каждом 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

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

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 [ ].

В.3.1. Кинестетическая рецепция

Важнейшую роль в очувствлении робота играют кинестетические сенсоры. Кинестетическая функция служит для обеспечения согласованных движений опорно-двига­тельного аппарата [ ]. Она реализуется нелокализованной системой рецепторов, поэтому достаточно сложно выделить отдельные датчики параметров. С бионических позиций - кинестетические рецепторы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элементами исполнительного уровня управления (датчиками соответствующих контуров регулирования). Они регистрируют кинематическое и динамическое изменение относительного положения отдельных элементов двигательной системы. Другая часть кинестетической функции, 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). Масса скелета, состоящего из 233 костей, составляет в среднем 11 кг. Длина самой большой кости - бедренной, соответствует ~ 0,5 м, самой маленькой - стремечка в среднем ухе - 3 мм.

Мышечная ткань представляет собой самый тяжелый и объемный орган. На скелете содержится 639 мышц, масса которых достигает ~ 45% общей массы тела. Мышцы потребляют до 60% кислорода, поступающего в организм, и в состоянии максимального напряжения способны развить усилие до 25 тонн. Каждый грамм мышц содержит около 5000 не­р­вных волокон, связывающих их с мозгом. Приводная система организма обладает достаточно высокой мощностью. Так, для мышцы руки, мощность, определяемая как произведение развиваемой ею силы на скорость укорочения, достигает 200 Вт, при скорости сокращения ~ 2,5 м/с. КПД составляет 30 ... 40%.

В физиологии считают, что кинестетическая сенсорная функция связана 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. Вынося кожную подсистему в раздел тактильной рецепции, будем 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. Амплитудный порог этого восприятия зависит от угловой скорости. Так, для плечевого сустава, при скорости движения 0,3⁰/с он составляет 0,2 ... 0,4 ⁰, а для сустава пальца, скорость которого ~ 12,5 ⁰/с достигает 1,0 ... 1,3⁰/с. Дополнительно к ним чувство силы ощущается как степень мышечного усилия, необходимого для выполнения движения и поддержания позы. Благодаря нему, человек может, например, определить разницу веса предметов при их взвешивании обеими руками. Эта величина не превышает 3 ... 10%.

Важнейшую роль в кинестетической функции играют мышечные веретена, представляющие собой рецепторы растяжения. При активации мышцы ее длина уменьшается примерно на 1%, что и определяет динамический диапазон этих рецепторов. Их размеры варьируются в широких пределах: диаметр 15 … 100 мкм, длина 4 … 500 мм. Мышечные веретена есть практически во всех мышцах; их количество составляет от 40 (в мелких мышцах) до 500 (в трехглавой мышце плеча), а общее количество достигает ~ 20000. Другая многочисленная группа рецепторов - сухожильные органы (или рецепторы Гольджи), как следует из названия, располагаются в сухожилиях всех мышц. Они также представляют собой рецепторы растяжения. По приблизительным подсчетам их ~ 50 ... 80 на каждые 100 мышечных веретен.

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 - ее напряжения. Следовательно, у каждой мышцы есть две системы обратной связи: регуляция длины с мышечными веретенами в качестве датчиков положения и регуляция напряжения, датчиками в которой служат сухожильные органы. С позиций теории управления наличие двух таких контуров позволяет отслеживать изменение нагрузки на мышцу либо изменением ее длины, либо напряжения при постоянной длине мышцы. Возможно, что так поддерживается постоянство жесткости мышцы, как отношения изменения напряжения к изменению длины.

Вестибулярный орган, отвечающий за чувство равновесия, филогенетически близок сенсорному органу слуха [ ]. Они не только находятся рядом образуя внутреннее ухо, но и произошли в ходе эволюции из одной структуры. Вестибулярный аппарат состоит из двух частей, заполненных жидкостью (эндолимфой): отолитового аппарата и полукружных каналов, а также си­стемы волосковых рецепторов - ресничек. В отолито­вом аппарате находится желеобразная структура с включениями каменистых образований, получившая название ото­литовой мем­браны. Перемещение мембраны (ее пло­т­ность составляет ~ 2,5 г/см³) в эндолимфе под действием силы тяжести воспринимается рес­­ничками. Рецепторы формируют импульсные посылки в любом положении вестибулярного органа. Поворот головы в одном направлении увеличивает частоту импульсации, поворот в другом - уменьшает. Таким образом, при любой ориентации головы возникает специфическая картина возбуждения нервных волокон. Данная система, вообще говоря, может определить положение организма в поле действия любой силы. Однако, поскольку в повседневной жизни ускорение силы тяжести намного превышает другие ускорения (например, при разгоне автомобиля), последние играют для вестибулярной системы подчиненную роль. Полукружные каналы, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и также заполненные эндолимфой, содержат желеобразную структуру - купулу, плотность которой точно равна плотности эндолимфы. Каналы действуют как замкнутые круговые трубки. Вследствие равенства плотностей купулы и эндолимфы линейные ускорения, включая гравитационные, на этот орган не влияют. При поворотах же головы (и полукружных каналов) в результате инерционности возникает разность давлений по обе стороны купулы, она отклоняется в сторону противоположную движению, возбуждая, тем самым, соответствующие реснички. При вращении головы относительно любой диагональной оси мозг выполняет векторный анализ информации, определяя истинную ось вращения. Купулярная система весьма точна (фикси­руется быстрый поворот ~ 0,005⁰), но инерционна (t ~ 10 ... 30 с).

В.3.2. Слуховая сенсорная функция

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

Первые исторические сведения об исследованиях в области звука относятся к Пифагору, который еще в VI веке до н.э. исследовал отношения музыкальных интервалов к длине колеблющейся струны. Именно его считают родоначальником науки о звуке - акустике. Аристотель в IV веке до н.э. обнаружил, что распространение звука сопровождается сжатием и растяжением среды, а эхо является результатом отражения. После средневекового научного застоя лишь в XVII веке Г. Галилей и М. Мерсенн установили связь высоты тона с частотой колебаний звучащих тел, и М. Мерсенн вычислил скорость распространения звука в воздухе. По его оценкам она составила 414 м/с. В XVIII веке Л. Эйлер определил пределы частот слышимых звуков. Согласно его исследованиям диапазон воспринимаемых частот составил 20 ... 4000 колебаний в секунду. Позже эти значения неоднократно уточнялись. В XIX веке В. Вебер обнаружил стоячие волны, было открыто явление интерференции. Сейчас акустика представляет собой весьма обширную область, имеющую большое прикладное значение.

К настоящему моменту установлено, что слуховой аппарат млекопитающих (и человека) состоит из трех основных частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо представляет собой резонатор; у человека он имеет собственную резонансную частоту  3 кГц, Среднее ухо содержит систему мелких косточек - молоточек, наковаленку и стремечко, отделенную от наружного барабанной перепонкой. Абсолютная чувствительность уха весьма велика, человек, например, способен слышать удары молекул воздуха о барабанную перепонку. Диапазон амплитуд барабанной перепонки составляет 10^-9 … 2 10^-5 см. Внутреннее ухо - улитка, представляет собой спирально закрученный костный канал (у человека он име­ет 2,5 витка, у других видов до 5). В улитке находится основной орган слуха - базилярная мембрана с расположенными на ней волосковыми рецепторами. Для объяснения эффекта слуха используется теория «бегущей волны» Дж. Бекеши, в соответствии с которой при восприятии звука на базилярной мембране возникает волна, движущаяся от основания улитки к ее вершине. Амплитуда бегущей волны зависит от жесткости мембраны в конкретной точке. Таким образом, базилярная мем­брана представляет собой фильтр: высокочастотные колебания про­бегают малое расстояние - лишь в области, где жесткость мем­браны высока, низкочастотные волны проходят всю мембрану, вплоть до ее вершины.