скачать книгу бесплатно
Пример 22.21. Самоорганизующийся робот
В лаборатории вычислительного синтеза Корнельского университета (США) разработали опытный образец робота (рис. 22.28), способного синтезировать свою структуру в зависимости от окружающих его условий и обстоятельств и воспроизвести себя из универсальных элементов – кубиков (рис. 22.28а).
На поверхности кубиков имеются электромагниты, с помощью которых они могут соединяться и разъединяться друг с другом; питание подводится через контакты на поверхности монтажного стола.
Каждый куб разделен пополам по диагонали на две части, которые способны вращаться относительно друг друга. При этом робот, составленный из множества кубиков, воспроизводит сам себя. Так, трехмодульный робот способен воспроизвести себя в течение одной минуты.
Процесс происходит так. Робот изгибается, ставит свой собственный куб на стол и надстраивает его новым кубом, который подают люди. При этом новый робот помогает в комплектации его собственной конструкции.
Рис. 22.28.Самоорганизующийся робот
Первоначально робот создает свою модель и по ней синтезирует систему управления, что осуществляется в результате ограниченного количества физических экспериментов (это поисковая самонастраивающаяся система).
Алгоритм работы робота позволяет ему функционально компенсировать механические повреждения в результате коррекции собственной модели.
Саморазвивающаяся система – это самообучающаяся система, способная не только накапливать знания, но и развивать себя в соответствии с поставленными целями.
Пример 22.22. Саморазвивающаяся компьютерная система
В патенте США 5 072 406 описана саморазвивающаяся компьютерная система, память которой содержит блоки инструкций, специальных знаний и базовых данных. Блок специальных знаний включают знания конкретной области и стратегию их использования. Блок базовых данных включает знания по использованию инструкций.
При поступлении входного сигнала он обрабатывается и перепроверяется по всем блокам с учетом имеющихся инструкций и базовых данных, вырабатывая выходной сигнал. При выявлении новых знаний они заносятся в блок специальных знаний. В процессе деятельности блок специальных знаний может изменять инструкции, постоянно развивая компьютерную систему.
Пример 22.23. Саморазвивающийся робот
В швейцарском университете Чалмер (Chalmers) создали робот HR-2 (рис. 22.29). Он обладает 22 степенями свободы, что позволяет ему легко перемещаться и копировать движения человека. Робот имеет объемное зрение, делая возможным координировать движения рук. Он повторяет показанные ему движения рук. Искусственный мозг обладает развитой нейронной сетью. Робот способен различать лица людей и говорить. Он самообучается и саморазвивается.
Рис. 22.29. Саморазвивающийся робот HR-2
Самовоспроизводящаяся система – это самоорганизующаяся, саморазвивающаяся система, способная создать подобную себе систему.
Основное отличие самовоспроизводящейся системы от самоорганизующейся заключается в том, что в первой используются готовые подсистемы, а во второй – их изготовляет сама система.
Самовоспроизводящиеся системы, прежде всего, характерны для живых организмов. Клетка сама себя воспроизводит. Немалую роль в этом играют стволовые клетки.
Пример 22.24. Стволовая клетка
Стволовые клетки – это особые клетки живых организмов (клетки-родоначальницы), каждая из которых способна впоследствии изменяться (дифференцироваться[6 - Дифференцировка клеток – процесс реализации генетически обусловленной программы формирования специализированного фенотипа клеток, отражающего их способность к тем или иным профильным функциям. Фенотип клеток есть результат координированной согласованной функциональной активности определенного набора генов.]) особым образом (т. е. получать специализацию и далее развиваться как обычная клетка). Стволовые клетки могут давать начало любым клеткам организма: кожным, нервным, клеткам крови и т. д.
Они способны асимметрично делиться, из-за чего при делении образуется клетка, подобная материнской (самовоспроизведение), а также новая клетка, которая способна дифференцироваться.
Иерархия стволовых клеток показана на рис. 22.30.
Рис. 22.30. Иерархия стволовых клеток
Пример 22.25. Самовоспроизводящаяся машина
Доктор Adrian Bowyer из университета Ванны в Великобритании разработал машину RedRap (Replicating Rapid-prototyper), которая 29 мая 2008 г. в 14:00 воспроизвела свою копию (рис. 22.31). Пластмассовые детали для этой машины изготовлялись на 3D-принтере, встроенном в машину.
Рис. 22.31. Самовоспроизводящаяся машина (слева) и ее копия (справа)
22.3. Уменьшение степени управляемости
Закономерность уменьшения степени управляемости указывает на тенденцию создания простых приспособлений без механизации и автоматизации. Эта закономерность противоположена закону увеличения степени управляемости.
Пример 22.26. Инструмент для очистки апельсинов
Он представляет собой только одну деталь, отлитую из пластмассы (рис. 22.32). Инструмент одевается на палец. Полукруглая форма инструмента позволяет легко скользить по поверхности апельсина, а размер и форма ножа легко надрезает кожуру и не портит сердцевину. На конце сделана лопатка, помогающая приподнимать кожицу. Это очень простой, удобный и малогабаритный инструмент. Такого типа инструменты появлялись и в прошлом, например, различные приспособления для открывания консервов и бутылок. Они будут изобретаться и в будущем.
Рис. 22.32. Инструмент для очистки апельсинов
22.4. Закономерность увеличения степени динамичности
Развитие системы идет в направлении увеличения степени динамичности.
Динамичная система может изменять свои параметры, структуру (в частности форму), алгоритм, принцип действия и функции, чтобы наиболее эффективно достичь поставленную цель и удовлетворить потребность. Динамическая система в своем развитии может менять так же цель и потребность, приспосабливаясь к внешним и внутренним изменениям.
Изменения могут происходит:
– во времени;
– по условию.
Следствия из закона.
1. Статические системы стремятся стать динамическими.
2. Системы развиваются в сторону увеличения степени динамичности.
Пример 2.27. Катамаран
Парусные катамараны – суда с двумя корпусами, что повышает их устойчивость по сравнению с обычными однокорпусными яхтами.
Для увеличения маневренности расстояние между корпусами должно быть, как можно меньше, но это уменьшает остойчивость катамарана при большой волне.
Во время спокойной погоды корпуса катамарана должны быть на небольшом расстоянии, а при шторме – на большом расстоянии.
Корпуса должны иметь возможность раздвигаться и сдвигаться, – быть динамичным – изменяться в зависимости от состояния моря (штиль или волнение).
Соединение между корпусами сделали подвижное, которое может быть отрегулировано в зависимости от увеличенной маневренности (рис. 22.33).
Это пример изменения структуры по условию (высота волны). Статическая система стала динамической.
Рис. 22.33. Катамаран
Приведем пример на увеличения степени динамичности.
Пример 22.27. Электронная книга
Первоначально книга представляла собой свиток (рис. 22.34а), как правило, из папируса или пергамента.
В дальнейшем книги делались из отдельных листков, скрепленных вместе переплетом (рис. 22.34б). Их стало удобнее читать, и они занимали меньше места. Но книги используют бумагу, для получения которой необходимо уничтожать лес. Они много весят, занимают много места на полках и пылятся.
Далее книги слали переводить в электронный вид и читали с экрана компьютера
(рис. 22.34в). Такие книги не использовали бумагу, занимали мало места и не пылились, в одном компьютере можно иметь большую библиотеку, но появились неудобства, связанные с процессом чтения, – не везде удобно читать с компьютера, например, в кровати. В дальнейшем появились лэптопы (рис. 22.34г), мини-компьютеры, планшеты и смартфоны (рис. 22.34д). Их легко переносить и читать удобно в любом месте. Смартфоны и планшеты сегодня получили наибольшее распространение.
Общий недостаток компьютеров – не все любят читать с экрана. Кроме того, чтение с экрана портит зрение, так как экран излучает свет, который непосредственно направлен в глаза.
Выпустили электронную книгу (e-book reader), в которую можно загружать много книг (рис. 22.34е).
Такие книги используют электронную бумагу (electronic paper), в которой используются электронные чернила. Электронная бумага отражает свет, так же как обычная книга, поэтому не портит зрение.
Рис. 22.34. Увеличение степени динамичности книги
22.4.1. Основная линия увеличения степени динамичности
Увеличение динамичности происходит изменением динамичности параметров, структуры, алгоритма и принципа действия, функции, потребности и цели, которое может происходить во времени, в пространстве и по условию.
Степень динамичности увеличивается переходом от изменения динамичности параметров к изменению динамичности структуры, алгоритма, принципа действия, функции, потребности и цели.
Основная линия увеличения степени динамичности показана на рис. 22.35.
Рис. 22.35. Линия увеличения степени динамичности
Изменение параметров системы – это наиболее простой способ увеличения степени динамичности системы с целью ее адаптации к внутренним и внешним изменениям.
Изменяться может любой параметр системы, например, электрические параметры (величина тока, напряжения, сопротивления и т. д.), оптические параметры (длина волны, яркость, освещенность и т. д.), акустические параметры (амплитуда и частота звука и т. п.), механические параметры (эластичность, жесткость, вязкость, число степеней свободы и т. д.) и т. д.
Пример 22.28. Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM)
Оперативные запоминающие устройства – ОЗУ (RAM) созданы для хранения цифровой информации. Они работают, пока на микросхему подается питание. После отключения питания информация теряется.
В дальнейшем были созданы динамические ОЗУ (DRAM). С их помощью сократили время обмена информацией (запись и считывание). Динамические ОЗУ построены на электронных приборах с зарядовой связью. Информация хранится на паразитных конденсаторах (емкостях) транзисторов, как пакеты зарядов. Они обладают высокой скоростью обмена информации (пакетов зарядов), но не способны хранить ее длительное время (<1 ms).
Для решения этой проблемы в DRAM осуществляется непрерывная циклическая перезапись (обновление) информации.
Это пример изменения параметров во времени.
Пример 22.29. Мост Тысячелетия (Gateshead Millennium Bridge)
На южном берегу реки Тайн (River Tyne) в Англии, между городами Гейтшед (Gateshead) и Ньюкасл (Newcastle upon Tyne) был построен уникальный пешеходный и велосипедный мост тысячелетия.
Это первый в мире мост с использованием наклонного механизма для прохода кораблей.
Два полукруга конструкции напоминают веки, за это в народе мост называют «Моргающий глаз» (Blinking Eye). Когда по реке идут суда, мост приподнимает нижнее «веко» (рис. 22.36б). Все остальное время оно опущено (рис. 22.36а), и пешеходы легко перебираются с одного берега реки на другой.
Это пример изменения параметров по условию (проход судна).
Рис. 22.36. Мост Тысячелетия (Gateshead Millennium Bridge)
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения структуры системы – это более сложный способ динамизации, чем изменение параметров.
Под изменением структуры мы понимаем и изменение формы объекта.
Пример 22.30. Автомобиль на поворотах
На крутых поворотах (рис. 22.37а) машину заносит, что может привести к аварии. Особенно это актуально для гоночных машин.
Как сделать машину более устойчивой на поворотах?
Шасси автомобиля делают динамичным. Подвеску делают с шарнирными связями. Автомобиль имеет возможность наклоняться на поворотах (рис. 22.37б).
Это пример изменения структуры по условию (перемещение по прямой или на поворотах).
Рис. 22.37. Автомобиль на крутых поворотах
Пример 22.31. Реактивный самолет
Подъемная сила самолета зависит от общей площади крыльев и скорости движения.
При малой скорости площадь крыльев должна быть большой, а при большой скорости большая площадь крыла создает лишнее сопротивление движению.
Если сделать реактивный самолет с малой площадью крыла, то он будет маневреннее и можно будет увеличить дальность полета, так как уменьшается сопротивление движению, а следовательно, будет затрачиваться меньше горючего. Однако малая площадь крыла требует увеличенной скорости полета при взлете и посадке, что увеличивает длину взлетно-посадочной полосы.
Как быть?
Во время взлета и посадки площадь крыла самолета должна быть большой, а во время полета – маленькой.
Крыло самолета должно менять свою площадь (большой и маленькой), – быть динамичной – изменяться в зависимости от скорости полета (посадка-взлет или полет).
Создан самолет с изменяемой геометрией крыла (изменяемой стреловидностью) (рис. 22.38).
Это пример изменения формы по условию (полет или взлет-посадка).
Рис. 22.38. Самолет с изменяемой геометрией крыла F-14
Увеличение степени динамичности системы может осуществляться путем изменения алгоритма работы.
Пример 22.32. Микросхемы
Многие современные приборы используют микросхемы. При создании новых приборов приходится или подбирать микросхему из выпускаемых промышленностью или разрабатывать и выпускать новую микросхему, что достаточно дорого стоит. Это оправдывается при массовом выпуске продукции. При проведении научных и опытно-конструкторских работ (НИОКР) и при выпуске единичных и мелкосерийных продуктов разработка и выпуск новых микросхем не выгодны и существенно влияют на себестоимость продукции.
Разработали программируемые логические интегральные схемы – ПЛИС (Field Programmable Gate Arrays – FPGA). В отличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не создается при изготовлении, а устанавливается посредством ее программирования.
ПЛИС представляет собой набор элементов, расположенных в виде матрицы. Между элементами расположены соединительные трассы, представляющие собой программируемые ключи, соединяющие необходимые блоки. Пользователь может создать нужную для него структуру, программируя определенную логику.
Таким образом, данная микросхема позволяет менять ее внутреннюю структуру и алгоритм работы в зависимости от функции, которую необходимо выполнять. ПЛИС можно перепрограммировать под новую функцию.
