Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич (мир бесплатных книг TXT) 📗

Если произойдет отпирание полупроводникового прибора Т₂ и запирание Т₃, потенциал точки А резко снижается, а потенциал точки Б возрастает. В результате этого на выход возбуждения подается положительный импульс напряжения, а на выход торможения — отрицательный. Длительность импульсов зависит от выбора значений сопротивления R_т и емкости конденсатора С_т. Изменением величины емкостей С₂ и С₃ можно регулировать время возвращения системы в устойчивое состояние. Значением отрицательного напряжения, подаваемого на полупроводниковый прибор Т₂ с сопротивления R₆, определяется пороговая величина срабатывания аналога нейрона.

А возможно ли в этой схеме временное и пространственное суммирование, характерное для нейрона? Да, возможно. Для этой цели служат входные цепи, содержащие R₁, С₁ и полупроводниковый прибор Т₁. Пространственное суммирование имитируется подачей сигналов на параллельные входы, временное — накоплением энергии в конденсаторе С₁. Импульсы на вход аналога нейрона подавались определенной амплитуды и длительностью одна миллисекунда. Они были случайно распределены во времени. На выходе получался стандартный сигнал напряжением 15 в и той же длительности, что и входной сигнал.

Такая схема позволяет воспроизвести многие характеристики нейрона, кроме его способности адаптации, то есть изменения порога срабатывания в зависимости от величины входных сигналов.

Модель одного из образцов нейрона на магнитном элементе показана на рис. 25.

Рис. 25. Модель нейрона на магнитном элементе.

Ток первой обмотки многоотверстного сердечника создает основной поток Ф, расщепляющийся на два потока Ф₁ и Ф₂ там, где есть отверстия (показаны в нижней части рисунка). Сердечник намагничен до насыщения.

Во вторую обмотку поступают токи входных сигналов. Если в сумме они больше некоторой пороговой величины, то в наружных частях сердечника, где есть отверстия, произойдет изменение направления магнитного потока Ф₂.

Третья обмотка питается переменным током, четвертая — представляет собой выход модели нейрона. Как же сигнал поступает на выход? Когда нет сигнала во второй обмотке, в четвертой не индуктируется э. д. с., так как в один полупериод магнитодвижущая сила будет совпадать с потоком Ф₁, в другой полупериод — с потоком Ф₂. Сердечник насыщен, и увеличения потока не будет ни в тот ни в другой период. Иное дело, когда поступит сигнал на вторую обмотку. Тогда Φ₁ и Ф₂ совпадут по направлению. И хотя в один полупериод они не смогут увеличиться, зато в другой полупериод они уменьшатся. А всякое изменение магнитного поля связано с наведением в проводнике, находящемся в этом поле, электродвижущей силы. Так возникает выходной сигнал в четвертой обмотке.

При имитации сложных нервных связей можно использовать и другие отверстия магнитного сердечника.

Какое значение все это имеет для техники? Оказывается, очень большое. Среди других задач усовершенствования электронных машин изучение процесса передачи информации нейронами дает возможность поставить вопрос об обеспечении высокой надежности действия этих машин. Известно, что при решении некоторых задач электронной вычислительной машине приходится проделывать, например, более десяти миллионов умножений. Поскольку в машине применяется двоичная система записи чисел, она десять миллионов раз будет умножать друг на друга тридцатизначные числа. Всего приходится выполнять 10¹⁰ элементарных актов. Чтобы эти вычисления дали безошибочный результат, вероятность ошибки должна быть меньше 10^-10. Обеспечить такое положение даже с помощью самых совершенных радиоэлектронных средств (транзисторов, ферритов и т. д.) пока не удается. Всегда может оказаться в схеме одна ненадежная деталь, которая и вызовет ошибку. Как же выйти из этого положения? Как создать надежную машину из недостаточно надежных порой деталей?

И ученые вспомнили о механизме передачи информации нейронами. Специалисты рассудили так. Отдельные элементы машины могут сделать две независимые друг от друга ошибки: не подать импульса, когда он требуется, и подать его, когда он не нужен. Следовательно, желательно иметь устройство, которое бы занималось восстановлением первоначальных данных. Это устройство должно подключаться к множеству входных цепей органов переключения. Такая схема есть не что иное, как воспроизведение процесса передачи информации нейронами. Как мы видели из рис. 22, синапсы В-нейронов являются окончаниями случайно сцепленных боковых отростков А-нейронов.

Выше отмечалось, что нейрон с очень высокой вероятностью возбуждается лишь тогда, когда импульсы получат определенное число синапсов. Отсюда следует вывод: можно иметь не одну, а несколько, например три, параллельно работающие машины. Они соединяются со смесителем, где устанавливаются совпадения хотя бы двух из трех результатов вычисления, и дальнейшие операции ведутся на основе совпавших результатов. Так «большинством голосов» устанавливается, что считать достоверным для дальнейшей работы. Таким путем можно строить машины, у которых вероятность ошибки может быть резко снижена.

Смеситель в этом случае выполняет функции нейрона. Поэтому сейчас ученые активно исследуют вопрос о том, какие бы автоматы можно было построить из нейронов. Все глубже изучаются сами нейроны. Теория нейронных автоматов открывает широкие возможности для совершенствования электронных вычислительных машин, повышения их надежности, улучшения переключателей, совершенствования их «памяти» в десятки раз. Характерно, что на первом симпозиуме в США по бионике большинство докладов было посвящено воспроизведению функций нервных клеток (нейронов), самообучающимся и самоприспосабливающимся машинам. В США ряд фирм разрабатывает электрические аналоги нейронов, чтобы с помощью их собрать схемы, обладающие большой скоростью обработки информации и свойством «самоорганизации».

Теперь о «памяти» электронных вычислительных машин. Выше, на рис. 20, мы в число непременных частей машины включили оперативную и долговременную «память». Такое разделение «памяти» происходит оттого, что технически трудно в едином устройстве воплотить требования быстродействия и большой емкости. Поэтому оперативное запоминающее устройство имеет небольшую емкость, но обеспечивает быстрые запись и съем числа. В долговременном запоминающем устройстве требуется больше времени для считывания, но емкость его весьма велика. Какие существуют технические устройства «памяти»?

Процесс «запоминания» может представлять собой запись двоичных чисел на магнитную ленту или на барабан, покрытый магнитной лентой. Поскольку число в двоичной системе кодируется 1 и 0, то есть наличием или отсутствием импульса электрического напряжения, то при проходе тока по катушке с сердечником, расположенным вблизи ленты или барабана, они намагничиваются и хранят импульс. Можно фиксировать импульсы в форме электрических зарядов на диэлектрике. Таким диэлектриком может служить экран электронно-лучевой трубки, похожий на те, которые применяются в обычных телевизорах. Точечные заряды, образуемые пучком электронов, обозначают единицы чисел и хранятся довольно долго.

Существует также и ультразвуковая система «запоминания» — линии задержки. Они содержат в своем составе трубки, наполненные жидкостью (нередко ртутью). Напряжение прикладывается к пьезоэлектрическому материалу, расположенному в контакте с трубкой. Под действием напряжения в пьезоэлектрическом материале происходит механический толчок, который вызывает в жидкости ультразвуковую волну. Она движется от одного конца трубки до другого, где имеется выходная пластинка из пьезоэлектрического материала. Она преобразует ультразвук снова в электрический импульс. Время прохождения ультразвуковой волны (а она движется достаточно медленно) и есть время задержки импульса. Поскольку жидкость продолжает свои колебания и дальше, время «запоминания» может быть во много раз большим, чем период первичного движения волны.