Введение

Ускоряющийся процесс кибернетизации в различных областях научных исследований, производства и военного дела приводит к значительному росту сложности радиоэлектронной аппаратуры. Отдельные радиотехнические системы, по мнению ряда специалистов, уже в ближайшие годы будут насчитывать по несколько миллионов элементов [1]. С усложнением аппаратуры и ростом числа комплектующих элементов неизбежно связано снижение ее надежности^*. Вместе с тем ответственность задач (особенно в области освоения космоса и обороны), которые аппаратуре предстоит решать, выдвигает требования резкого повышения надежности ее функционирования.

^* (Имеется в виду усложнение аппаратуры, не связанное с резервированием.)

Вполне естественно, что одновременное удовлетворение этих двух противоречивых требований (увеличение сложности при одновременном повышении надежности аппаратуры) вызывает необходимость либо радикально повысить надежность элементов, либо искать какие-то принципиально новые пути решения этой проблемы.

Обеспечение должного уровня надежности при возросшей сложности потребовало бы снижения интенсивностей отказов^* комплектующих элементов по крайней мере на два порядка, что технологически трудно выполнимо и экономически невыгодно.

^* (Интенсивность отказов - вероятность отказа не восстанавливаемого изделия в единицу времени после данного момента времени при условии, что до этого момента времени отказ не возникал.)

Поэтому становится актуальным поиск новых принципов и методов построения схем, высокая устойчивость работы которых сохранялась бы при сравнительно низкой надежности элементов, разбросе значений их параметров или даже при выходе части элементов из строя.

Один из возможных путей решения той проблемы намечается бионикой - научным направлением, использующим знание элементов и систем живой природы для решения инженерных проблем. При этом в бионике вовсе не стремятся копировать отдельные части живого организма, но зато заимствуют у природы некоторые общие принципы организации механизмов переработки информации. Высокое совершенство их отработано природой в результате длительного процесса эволюции, в результате многих миллионов лет конкурентной борьбы и естественного отбора. Целью такого заимствования является повышение эффективности технологических устройств, обрабатывающих и передающих информацию. Так, Мак-Каллок [2] главным содержанием бионики считает изучение тех приемов, к которым прибегает природа для "решения" различных задач, а конечной целью ее - воплощение познанных принципов в аппаратуре. При этом, -расширяя границы бионики, Мак-Каллок проводит аналогию между нею и биомимезисом - подражанием одних форм жизни другим. Если исключить источники энергии и колесо, отмечает он, то большая часть созданного человеком носит характер подражания. Причем от длительнейшего периода подражания мышцам только с зарождением кибернетики мы перешли к подражанию природе в действиях, главным результатом которых является полученная информация.

Эволюцией выполнена грандиозная работа по созданию много-функциональных совершенных живых организмов. Бионика занимается более скромными задачами - синтезом аппаратуры, чаще всего однофункциональной, но работающей на некоторых принципах, лежащих в основе жизнедеятельности.

В бионике различают три основных направления: биологическую бионику, изучающую физические процессы в биологических системах; теоретическую бионику, занимающуюся построением математических моделей процессов, изученных биологической бионикой; техническую бионику, применяющую полученные знания для решения конкретных инженерных задач. Техническая бионика на основе математических моделей имитирует изученные биологической бионикой процессы, причем созданные ею устройства лишь работают на некоторых принципах биологических систем, но отнюдь не тождественны последним.

Ученые, впервые принявшие термин "бионика", довольно метко определили ее основные цели в коротком лозунге: "Живые прототипы - ключ к новой технике" [3]. От анализа биологических систем через математическую формализацию к синтезу новых, существенно более совершенных технических систем переработки информации - такова методология бионики. Вклад в технику, вносимый бионикой, заключается не в решении частных задач или проектировании отдельных электронных устройств, а в революционном воз-действии целого ряда новых понятий и оригинальных точек зрения на принципы проектирования, появление которых связано с анализом, формализацией и синтезом наиболее удачных "решений" природы.

Существует тенденция рассматривать бионику прежде всего как науку о нервных процессах и их аналогах. Это относится, в частности, к таким функциям, как обработка, хранение и исправление информации, сложные вычисления и принятие решений. Вместе с тем для бионики представляет несомненный интерес и ряд других объектов исследования, например сенсорные функции организмов, способности к распознаванию образов, биологическая способность к самоорганизации и приспособлению к изменяющимся условиям внешней среды, способность к размножению и росту. Поразительны навигационные и локационные способности многих животных и птиц, целый ряд еще не раскрытых секретов наследственности и многое другое.

Одной из наиболее важных задач этого типа являются анализ, формализация и синтез биологических принципов надежности, открывающих некоторые новые перспективы в построении высоконадежных сложных радиоэлектронных систем. Настоящая работа, главным образом, посвящена второму направлению указанной проблемы, т. е. формализации накопленных знаний о некоторых общих принципах функционирования элементов мозга и его систем, обеспечивающих высокую надежность их работы.

Надежность - ключевая, острейшая проблема современной радиоэлектроники и кибернетики - блестяще разрешена живой природой в устройстве головного мозга и нервной системы животных и человека. Нейрофизиология дает множество примеров сохранения функций мозга даже при выходе из строя большого числа элементов, принимающих участие в осуществлении той или иной функции. Высочайшая надежность биологических систем является результатом длительного эволюционного процесса в условиях изменчивой внешней среды. Много миллионнолетняя конкурентная борьба за существование явилась источником надежности живых организмов и, в частности, мозга. Множество вредных разрушительных воздействий обрушивается на мозг. Его подвергают наркозу, но человек не погибает от расстройства дыхания; мозг может опьянеть (в результате чего сдвигаются пороги в нейронах, что влечет изменение вычисляемых ими функций), но "хозяин" его находит дорогу домой; мозг претерпевает механические, термические и лучевые травмы, инфекции и кровоизлияния разрушают те или иные его участки, он выдерживает различные виды злоупотреблений им, вызывающие местные или общие сдвиги порогов, гибель многих и многих тысяч клеток-нейронов и - живет. По мнению некоторых специалистов, при самых благоприятных условиях существования каждый час жизни безвозвратно погибает около тысячи нейронов [4] (по мнению подавляющего большинства специалистов, нейроны - единственный вид клеток, которые совершенно не размножаются делением). Но и в этих чрезвычайных условиях существования мозг обеспечивает жизнедеятельность организма в течение многих десятков лет, а в ряде случаев даже восстанавливает нарушенные функции.

Так, например, в работе Вулдриджа [5] описан поразительный случай, происшедший в сентябре 1848 г. с железнодорожником Финеасом Гейджем. Металлический стержень более метра длиной и диаметром три сантиметра насквозь пронзил головной мозг Гейджа, войдя через его левую щеку и выйдя около темени. Гейдж прожил после этого случая еще двенадцать лет, в течение которых у него не обнаружилось нарушений психики или явлений потери памяти и он был в состоянии заниматься своим делом. После смерти мозг Гейджа был исследован, причем оказалось, что тяжелому повреждению подверглась не только левая лобная доля, но травма распространилась и на правую лобную долю. Череп Гейджа и металлический стержень поныне экспонируются в Гарвардском университете как символ исключительной надежности человеческого мозга.

А рядом с жизнью - в мире техники - повреждение одного элемента может привести к выходу из строя огромной сложной системы. Отсюда вытекает одна из важнейших задач бионики - учиться у природы, в частности у ее высшего творения - человеческого головного мозга,- обеспечению высокой надежности функционирования сложной системы, надежность элементов которой существенно ниже, чем надежность системы в целом.

Однако не может быть и речи о слепом перенесении природных принципов надежности в технику. Поэтому нас будут интересовать не специфичные детали функционирования мозга, а лишь основные принципы, обеспечивающие правильную деятельность мозга в целом, в то время как масса отдельных нейронов вследствие изменения порогов дает "сбои." - вычисляет несвойственные им логические функции или вообще погибает.