скачать книгу бесплатно
От мехатронизации до мехатроницизма
Виктор Сергеевич Камлюк
Дмитрий Викторович Камлюк
Предлагается новая парадигма современного этапа развития науки и техники, человечества в целом, возникшая на основе новой совокупности концепций, мехатронизация. Рассмотрены научно – технические концепции, определяющие конкретные исследования и разработки, объединенные данной парадигмой, актуализируется понятие мехатронизация, сформулированы задачи мехатронизации, предлагается новое мировоззрение – мехатроницизм, даны общие характеристики направлений мехатронизации, акцентируется внимание на двуединой задаче мехатронизации. Рассмотрена роль централизации и децентрализации информационного пространства, рассмотрены кластеры инновационных наук в мехатронизации. Предложены степени мехатронизации, во взаимосвязи с уровнем развития искусственного интеллекта, применяемого в мехатронизированной системе.
Виктор Камлюк, Дмитрий Камлюк
От мехатронизации до мехатроницизма
Предисловие
20-ый век был веком кибернетики и автоматизации. Кибернетика, как наука привнесла в общество понятие «обратная связь», общие закономерности получения, хранения, преобразования и передачи информации в сложных управляющих системах. Рука об руку с ней появилось направление научно-технического прогресса – автоматизация.
Сказать, что это две сестры прогресса видимо нельзя, скорее это мать и дочь. Использование методов математического моделирования и саморегулирующих технических средств позволило автоматизации максимально уменьшить степень участия человека в выполняемых операциях и трудоёмкость выполняемых операций. Термин автоматизация начал широко использоваться после того как в 1947 году, Форд создал отдел автоматизации.
21-ый век будет веком мехатронизации. Кибернетика и автоматизация ее основа. Наукой развития нового направления научно – технического прогресса на данном этапе является мехатроника, но ее взаимодействие с другими науками будет сопровождаться взаимным проникновением свойств одних в другие, в результате чего они будут меняться в рамках мехатронизации. Это наука и техника, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами.
Электротехнический. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения. Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
Электронный. Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
Компьютерный. Сюда относятся микроконтроллеры и электронно-вычислительные машины высшего уровня.
Одной из актуальных проблем экономики является повышение эффективности за счет внедрения инновационных технологий. Одним из перспективных способов повышения эффективности является применение комплексных интеллектуальных компьютерных технологий, представляющих собой вычислительные структуры, состоящие из большого количества однотипных элементов, каждый из которых выполняет относительно простые функции ? искусственных нейронных сетей (ИНС).
Процессы в искусственных нейронных сетях иногда ассоциируют с процессами, происходящими в нервной системе живых организмов, которой необходима минимальная информация об объекте и которая производит параллельную обработку информации, значительно увеличивая скорость обработки.
Использование нейросетевых подходов, нечеткую логику, эволюционное моделирование и сочетания этих подходов, позволяет получать оценочные характеристики технологических процессов в условиях промышленного внедрения.
Появление искусственных нейронных сетей, искусственного интеллекта напрямую подводит нас к вопросу о централизации и децентрализации процесса управления.
Централизация – основа существования жизни в прошлом и этой централизации были посвящены все помыслы фараонов, царей и жрецов. Естественно это нашло отражение в архитектуре того времени. В период строительства египетских пирамид предположить другую организацию социальной жизни было невозможно
Пирамида характеризует собой централизацию власти в руках фараонов, царей и жрецов, а именно четыре стороны пирамиды – это четыре части света, и по всей Земле в подтверждение этого образа организации жизни строились пирамиды. Правда, некоторые из них строились с усеченными вершинами, с организацией наверху площадки для жертвоприношения. Таким образом, стоящим внизу указывалось на то, что централизация требует жертв. Можно условно считать, что это время жизни планеты Земля подчинялось «закону египетских пирамид».
Но с момента парламентаризма, института президентства «закон египетских пирамид» был нарушен и с тех пор закон все больше и больше совершенствуется. А что же наука? Наука с момента становления в 16 – 17 веках и в ходе исторического развития превратилась в важный социальный институт, оказывающий значительное влияние на жизнь в целом.
Она изначально была более демократична в сравнении с социальной жизнью и ее развитие до нашего времени совершенствует «закон египетских пирамид». В технике тоже происходят изменения в иерархии приоритетов в управлении. Целевые функции верхнего и нижнего уровней обычно гармонизируются слабо. Это вынуждает вводить соответствующие коррективы в целевые функции нижнего уровня. В этом случае необходимо сохранить упорядоченность.
Аксиома упорядоченности – это когда для задач принятия решений на верхнем уровне объединяются задачи принятия решений нижнего уровня и когда в целом находится решение задачи принятия решений. Как в жизни, так и в науке, и в технике.
С появлением искусственных нейронных сетей, искусственного интеллекта стало меняться мировоззрение людей.
В конце XVIII века многие ученые придерживались материалистической линии развития, главенствующей роли материи и возможности ее изучения. Ученые представляли человека как машину. Это представление характерно для сторонников редукционизма, но в XX-ом веке произошел значительный поворот к холизму.
В природе все взаимосвязано. Среди многих форм связей важнейшей является причинная, определяющая все другие формы. Сущность причинности состоит в порождении одного явления другим. Вместе с тем, причина сама по себе еще не определяет следствия, она зависит от условий, в которых протекает действие причины. Для возникновения следствия нужны все определяющие его факторы – причина и условия. Необходимая обусловленность явлений множеством факторов называется детерминизмом.
Детерминированность – определимость. Под жёсткой детерминированностью процессов в мире понимается однозначная предопределённость, то есть у каждого следствия есть строго определённая причина. В таком смысле детерминированность является антонимом стохастичности.
Все фундаментальные законы классической механики – детерминистические. Именно на этой основе возник механицизм – мировоззрение, объясняющее развитие природы и общества законами механического движения материи, которые рассматриваются как универсальные и распространяются на все виды материального движения.
Предлагается новое мировоззрение – мехатроницизм, в основе которого лежит холизм, объясняющее развитие природы и общества законами интеллектуализированного движения материи во времени и пространстве в бесчисленном множестве форм, объектов и систем.
Ключевые слова: парадигма, мехатронизация, степень мехатронизации, мехатроприводы, графический символ мехатронизации, мехатроницизм, мехатроника, холизм, эмерджентность, зенит, надир, автоматизация, кибернетика, синергетика, бионика, бионизация, редукционизм, идеальное пространство, очувствление, интеллектуализированное движение, самооптимизирующиеся, семантическая память, машины с параллельной кинематикой, миология, неврология, бионик, датчик – душа, остеология, синдесмология, нейробионика, нанотехнологии, нанотрубки, искусственный интеллект (ИИ), искусственная интеллектуальная система (ИИС), искусственное интеллектуальное пространство (ИИП), искусственный супер интеллект (ИСИ), супер источники энергии, устойчивая неустойчивость, неустойчивая устойчивость, децентрализованная централизация, централизованная децентрализация, «закон египетских пирамид», кластер, драйвер, социальная и когнитивная институционализация, транспрофессионал, механицизм, детерминизм, «искусственная вселенная», нейронные сети, «метод центрифугирования», антоним стохастичности, сенсибилизация, цифролизация, фуллерены.
Условные обозначения
АКБ – аккумуляторные батареи
АКУ – аппарат конфигурируемого управления
БИД – базовые исполнительные движения
ИИ – искусственный интеллект
ИИС – искусственная интеллектуальная система
ИСИ – искусственный супер интеллект
ИНC – искусственные нейронные сети
МПК – мехатронные машины с параллельной кинематикой
МЭМС – микро электромеханические системы
НЛО – неопознанные летающие объекты
ПЭП – пьезоэлектрических преобразователей
РИТЭГ – радиоизотопные термоэлектрические генераторы
СИЭ – супер источник энергии
Введение
В конце XX века и вначале XXI века происходит переход к информационному обществу, сопровождающийся лавинообразным ростом накапливаемой информации, и её обесценивания за 4-5 лет, в связи с этим приходится мобильно реагировать на изменения.
Чем больше информации получает человек об окружающих его объектах, тем в большей степени он раскрывает их сущность, получает возможность целенаправленно воздействовать на них. Уровень развития общества, поэтому во многом зависит от объемов накопленной информации, способов ее хранения, обработки и передачи.
Новая научно-техническая концепция информатизации общества на основе информационных технологий с применением ЭВМ по своей значимости можно сравнить лишь с наиболее выдающимися техническими открытиями в истории человечества; их применение позволило увеличить скорость обработки информации в миллионы раз. Персональный компьютер сделал эти возможности доступными буквально для каждого человека.
Диалектика развития системы такова, что в процессе накопления информации выявляются научные и технические достижения, которые не вкладываются в действующую парадигму и требуется новая.
Еще более подвиг к этому Интернет, возможность общения между собой самых удаленных уголков Земли, проведение управления производством на расстоянии, возможность к более тесному общению людей с психофизическими отклонениями с миром, с себе подобными, например, глухонемые.
Немаловажна следующая научно-техническая концепция – спутниковая и мобильная связь, в которой четко прослеживается фундаментальные результаты науки, воплотившиеся в технике и ставшие мощным ускорителем производства.
Множество других концепций, которые будут рассмотрены в ходе исследований, дают нам совокупность концепций, которые могут быть объединены под новой парадигмой – мехатронизация.
Понимание нового направления научно-технического прогресса – мехатронизации, понимание основной двуединой задачи мехатронизации – найти оптимальное соотношение желаемого и возможного позволит максимально сохранить среду обитания и снизить зависимость человечества от среды обитания. В настоящее время человек достиг колоссальных «успехов» в истреблении природных ресурсов, загрязнении экологической среды планеты, изменении климата, опустошении и в невосполнении природных богатств.
Земля представляет собой мехатронную систему в общей сложной мехатронной солнечной системе и у нее есть свои супер приводы, очень совершенные, которые сочетают в себе и привод, и рабочий орган, например приливы и отливы огромных масс воды при изменении положения Луны.
Перепрограммирование Земли: строительством высотных зданий, созданием новых озер, каналов, водохранилищ, вырубкой лесов, контролируется солнечной мехатронной системой, которая сканирует поверхность и через свои приводы – рабочие органы, пытается изменить ситуацию. И как бы это не выглядело смешным и нереальным, но Земля отвечает землетрясениями, цунами и наводнениями, аномальной жарой и холодом.
Земля как будто проводит процесс очищения и восстановления своих сил, природных запасов, энергии солнца. Негативные мысли, эмоции, отрицательная энергетика человека, ненависть, жестокость, насилие также отражаются в природе, откликаются действиями планеты. Процесс обновления проводится планетой постоянно, планета предупреждает и изменяет сознание людей через свое информационное поле.
Человечество, человек, как высокосовершенные мехатронные системы в целом и каждая в отдельности, исходя с философии мехатронизации, должны срочно найти общий язык с планетой Земля в выполнении двуединой задачи мехатронизации.
Существующая модель экономических отношений, находится в кризисе.
Можно её охарактеризовать словами: устойчивая неустойчивость и неустойчивая устойчивость. Что это означает? А это означает как в басне Крылова: «Лебедь, щука и рак», это означает необходимость сочетание единых духом наук. Лебедь, щука и рак – устойчивая неустойчивость, каждый следует своему инстинкту, а воз – неустойчивая устойчивость, пытается сдвинуться в том или ином направлении, но в конечном итоге стоит на месте.
В производительную силу общества, важнейший социальный институт наука превращается тогда, когда имеет место кооперативный эффект, т.е. наука живет в сообществе наук и тогда личностные свойства имеют меньшее значение, чем их поведение в сообществе.
Но вот именно такого кооперативного научного – технического эффекта и не наблюдается. Не было научного – технического драйвера, который смог бы вести общество, науку, технику и естественно экономику вперед.
Технологическое развитие должно объединять, что нужны справедливые принципы взаимодействия в таких ключевых областях, как высокотехнологичные услуги, образование, трансфер технологий, отраслей новой цифровой экономики и глобальное информационное пространство.
В XXI веке стоят все те же вопросы взаимопроникновения наук синтезирующих полную картину формирования Вселенной, о цели стоящей перед человечеством в этом Мире, возможностях человеческого разума. Сегодня интеграционные функции наук помогают решать все возрастающие проблемы механики, физики, химии, биологии и медицины.
Мир един, многомерен и многообразен, – считает наука. Многообразие мира предполагает только кажущуюся семантическую несоединимость. Понятие «картина мира» – включает в себя положения структурности Вселенной, но в то же время оно оказывается за пределами естественных наук.
Ученые стремятся умственно охватить мир в целом, они включают в него не только общество, но и проблематичные миры, вселенский разум. Некоторые ученые и философы от мира науки говорят о том, что мы живем в холистической Вселенной, в которой сложное целое фундаментальнее, чем его части. Вселенная сама тонко настроила законы в соответствии с соображениями о ценности.
Глава 1
Мехатронизация
1.1. Постановка задачи исследования
Эта глава посвящается новому этапу развития человечества – от автоматизации к мехатронизации.
Задача главы состоит в том, чтобы показать актуальность вопроса мехатронизации как направления научно – технического прогресса.
Мехатронизация – это интеллектуализированное движение материи во времени и пространстве в бесчисленном множестве форм, объектов и систем.
Задача мехатронизации – снижение зависимости человечества в отношении его среды обитания и сохранение этой среды обитания – одна из главных задач эволюции.
Мехатронизация – это инструмент, с помощью которого человечество решает, и будет решать свою основную задачу на новом уровне развития.
1.2. Описание исследования
Первую ступень снижение зависимости от среды обитания человек преодолевает с рождением. Теперь перед ним стоит вопрос перехода на вторую ступень снижение зависимости от среды обитания – зависимости от Земли, гармонизации отношений с планетой. Далее человечеству предстоит третья ступень снижение зависимости от среды обитания – зависимости от Солнца, затем четвертая ступень снижения зависимости от среды обитания – зависимости от Галактики и последняя ступень снижение зависимости от среды обитания – слияние с Вселенной.
Уже на второй ступени независимости мы видим, как количество перерастает в качество и выполняется основной философский постулат мехатронизации – приоритета целого по отношению к его частям.
Философией мехатронизации является – холизм. Холизм – соотношения части и целого, исходящая из качественного своеобразия и приоритета целого по отношению к его частям.
Из холистических представлений исходит часто используемое понятие синергии. Практическим воплощением идеи холизма является возникшее в синергетике понятие эмерджентности, то есть возникновения в системе нового системного качества, несводимого к сумме качеств элементов системы.
Наглядный пример этому – муравейник, где каждое насекомое по отдельности не является особо интеллектуальным, но когда одновременно взаимодействует большое количество муравьев, они могут вырабатывать удивительные решения по поиску пищи и защите от хищников. В сущности, целое всегда больше суммы его частей.
Мехатронизация включает в себя автоматизацию, роботизацию, мехатронику, и на начальном этапе – бионику и другие науки будущего. На смену мехатронизации придет следующий этап научно – технического прогресса – бионизация. По своей сущности эти два научно – технических прогресса не могут существовать в своем развитии без интеллекта.
Наступили век, тысячелетие мехатронизации и бионизации, эра нового промышленного и социального развития общества.
Что в зените мехатронизации – освоение Вселенной, что в надире мехатронизации – освоение Океана, земной коры, мантии и земного ядра, биологических систем с их наноразмерами и изменяющейся формой, использование молекул фуллерена в качестве самостоятельных наноразмерных устройств. Надир мехатронизации не менее сложное направление, чем зенит и во многом с меньшими затратами поможет развитию освоения Вселенной.
Начну с последней ступени снижения зависимости от среды обитания – слияние с Вселенной. Это не означает подойти к окончательной теории. Сама идея окончательной теории в мире бесконечности пространства, материи, движения и как следствие этих составляющих ? времени противоречива. Мы не знаем ограниченности во времени в прошедшем и будущем. Раз время беспредельно, то также беспредельно пространство. Ограничение того или иного сразу приводит к вопросу”А что там, за ограничением?”
Редукционизм мог бы помочь в разработке окончательной теории, если бы Вселенная не развивалась и не совершенствовала сама себя. Предположение Стивена Вайнберга о том, что наша Вселенная не единственная очень желаемо, но тогда возникает проблема идеального пространства между Вселенными.
Как можно предположить, в идеальном пространстве нет никакой материи (ни светлой, ни темной), нет движения, а значит, нет времени. Возможно ли это?!
Понимание законов, которым подчиняется наша Вселенная – стремление человечества во все времена.
Основой Вселенной или Мира, является материя. Универсальными формами существования материи в бесконечной смене свойств и форм являются движение, пространство и время.
Философия определяет: материя несотворима и неуничтожима, вечна во времени и бесконечна в пространстве, является субстанциональной основой всевозможных свойств и форм движения.
Последняя ступень мехатронизации не предполагает управление Вселенной человечеством, а снижение зависимости человека от среды обитания – Вселенной, умение человека с помощью высоко интеллектуализированных мехатронных систем сохранить себя в вечно развивающейся и совершенствующейся саму себя Вселенной.
Может возникнуть вопрос: “Почему с последней ступени мехатронизации?” Ответ: “Для того, что бы увидеть какой пласт технического совершенства необходимо человечеству одолеть”
В частности, так называемые предположительно неопознанные летающие объекты (НЛО), не что иное предположительно, как голографическое изображение в земной атмосфере и именно поэтому так легко перемещаются они и их невозможно догнать. Само НЛО находиться на достаточно большом расстоянии от Земли и достаточно ему незначительно переместиться и его голографическое изображение в атмосфере переместиться на тысячи километров за секунду. Предположительно сам НЛО величайшее достижение мехатронизации.
Использование в мехатронизации голографии как метода записи, воспроизведения и преобразования, волновых полей, основанного на интерференции волн, на регистрации интерференционной картины, которая образована волнами, позволит расширить возможности информационных технологий, как в космосе, так и в океане.
Мелкими шажками человечество идет к своему НЛО: микродроны, напоминающие НЛО, беспилотные авиационные системы, использование солнечной энергии в летательных аппаратах с большим размахом крыла. Следующий этап макродроны, по форме напоминающие традиционные НЛО, на верхней поверхности, которых будут установлены солнечные преобразователи, и от формы НЛО в виде тарелки, в будущем летательных объектов никуда не уйти. Кроме того эта форма поможет избегать катастроф летательных аппаратов и естественно жертв.
Если посмотреть состав беспилотных авиационных систем, то можно увидеть, что это еще одно достижение мехатронизации и он включает в себя: собственно сам беспилотный летающий аппарат, пункт управления (пульт оператора, приёмопередающая аппаратура, специализированные вычислители на базе цифровых сигнальных процессоров или компьютеры, под управлением операционных систем реального времени), систему связи (это может быть прямая радиосвязь или спутниковая связь). Программное обеспечение пишется обычно на языках высокого уровня, таких как Си, См++, Модуль -2.
Именно мехатронизация лежит в основе всех этих новшеств. В специализированных изданиях часто упоминается термин «Индустрия 4.0». Как считают многие специалисты возможность обмена мехатронных систем между собой данными, возможность изготовителя систем контролировать посредствам Интернета выполнение правил эксплуатации систем потребителем и упреждать нарушения, коренным образом изменит традиционное промышленное производство.
Мехатронизация производства в корне изменит традиционную логику производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо выполнить для производства.
Мехатронные системы требуют их высокой степени очувствления, то есть создание высокочувствительных многофункциональных датчиков. Датчики различного типа, как, например, датчики давления и температуры, электрооптические и инфракрасные датчики, будут функционировать совместно, создавая общую картину происходящего и определяя то, что происходит в их окружении.
Большое количество датчиков будут регистрировать свое окружение с невероятной точностью, а встроенные процессоры будут сводить воедино различные данные от датчиков для идентификации сложных событий и критических состояний и их интерпретации на основе сложившейся ситуации и самостоятельно принимать решения, независимо от центральной системы управления производством, исходя из полученных результатов.
В мехатронизации мехатронные модули на основе МЭМС-технологии (технологии использующие микро электромеханические системы) нашли самое широкое применение. К типичным измеряемым параметрам мехатронными модулями МЭМС-технологии относятся перемещения, скорости и ускорения (линейные или угловые), действующие силы и моменты. Примерами сенсоров, изготовленных на основе МЭМС – технологий, могут служить акселерометры – датчики ускорений.
МЭМС – технологии позволили создать интеллектуальные сенсоры, где реализовано объединение функций измерения текущих параметров механического движения, их преобразования и обработки по заданным алгоритмам в едином блоке.
Интеллектуализация сенсоров позволяет добиться более высокой точности измерения, программным путем обеспечив фильтрацию шумов, калибровку, линеаризацию характеристик вход/выход, компенсацию гистерезиса, перекрестных связей.
Устройства для трехмерной печати сами по себе являются достижением мехатронизации. Знание общих принципов того, как работает 3D-принтер, позволяет говорить о большом потребительском потенциале этих устройств. Теоретически с помощью такого оборудования можно наладить безотходное производство. На данном этапе его возможности оценивают в основном специалисты, которые используют печать 3D в решении своих профессиональных задач.
