Кибернетика и бионика.pptx
- Количество слайдов: 10
Регулирование и стратегия управления в биологических системах. Кибернетика и бионика. Местная регуляция физиологических процессов.
Кибернетика — это наука, изучающая общие закономерности строения сложных систем управления и протекания в них процессов управления. Так как любые процессы управления связаны с принятием решений на основе получаемой информации, то кибернетику часто определяют еще и как науку об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах.
Методы кибернетики Кибернетика использует для исследования систем три принципиально различных метода. Два из них — математический анализ и физический эксперимент. Сущность первого метода состоит в описании изучаемого объекта в рамках того или иного математического аппарата (например, в виде системы уравнений) и последующего извлечения различных следствий из этого описания путем математической дедукции (например, путем решения соответствующей системы уравнений). Сущность второго метода состоит в проведении различных экспериментов либо с самим объектом, либо с его реальной физической моделью. Одним из важнейших достижений кибернетики является разработка и широкое использование нового метода исследования, получившего название вычислительного эксперимента, или математического моделирования. Смысл его состоит в том, что эксперименты производятся не с реальной физической моделью изучаемого объекта, а с его математическим описанием, реализованным в компьютере.
Кибернетические системы Основным объектом исследования в кибернетике являются так называемые кибернетические системы. Примерами кибернетических систем могут служить разного рода автоматические регуляторы в технике (например, автопилот или регулятор, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в помещении) и электронные вычислительные машины (ЭВМ или компьютеры). Рис. 1. Кибернетическая система контроля В схематичном виде этот процесс показан на рис. 1. Из приведенной диаграммы видно, что система управления включает следующие звенья. 1. Процесс (поддержание комнатной температуры) постоянно отслеживается при помощи автоматического регулятора (термостата). 2. Отклонения от установленного уровня (желаемой температуры) выявляются при помощи автоматического регулятора. 3. Регулирующие действия начинаются в том случае, если ожидаемый результат (температура) не соответствует заданному уровню. Автоматический регулятор меняет исходные параметры, включая подогреватель, если температура падает ниже заданного уровня. Когда результат (температура) соответствует заданному уровню, нагреватель отключается.
Бионика - наука, находящаяся на границе между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц. Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы: 1. Изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток - нейронов, нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов автоматики и телемеханики. 2. Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения. 3. Изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике. 4. Исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Примеры бионики в жизни На идее пчелиных сот построены многоэтажные здания. Не точный повтор конструкции, а идея о том, что под одной крышей - разные ячейки жизни. Застёжки-липучки копия приспособлений семян репейника для распространения в среде обитания. Опорные конструкции Эйфелевой башни и ей подобных, - это копия переплетений костной ткани в трубчатых костях человека. Так достигается прочность и гибкость одновременно. Присоски на игрушках и сувенирах - точная копия присосок у пиявок. Идея об автономных отсеках в подводных лодках "подсмотрена" во внутреннем строении дождевого червя.
Регулирование и стратегия управления в биологических системах. Живой организм — сложная обособленная система, внутренние силы которой постоянно уравновешиваются с внешними силами окружающей среды. В основе уравновешивания лежат процессы регуляции, управления физиологическими функциями. Управление, или регуляция, в живых организмах представляет собой совокупность процессов, обеспечивающих необходимые режимы функционирования, достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов. Управление возможно только при наличии взаимосвязи органов и систем организма.
Принцип управления С позиций медицинской кибернетики, управление в живых организмах осуществляется управляющей системой. Она включает в себя датчики на входе (сенсорные рецепторы) и выходе (рецепторы исполнительных структур), воспринимающие сигналы из внешней среды и передающие их внутрь системы, входные и выходные каналы связи (жидкие среды организма, нервные проводники), по которым они обмениваются сигналами с внешней средой, управляющее устройство (центральная нервная система), частью которого является запоминающее устройство (аппараты памяти). Рис. 1. 1. Схема простейшей системы управления Простейшая система управления показана на рис. 1. 1. Сигналы управления, вырабатываемые управляющим устройством (УУ) на основании информации Z поступают в так называемый исполнительный орган (ИО), изменяющий управляющее воздействие Y на объект О в соответствии с сигналами управления.
Местная регуляция физиологических процессов Регуляция — это совокупность действий, производимых над органами или системами, направленных на достижение определенной цели или положительного результата. Регуляция может проявляться в двух вариантах: торможение или активация (стимуляция) деятельности органа. Местной регуляцией называют информационные взаимодействия между соседними клетками. Они могут взаимодействовать при помощи сигналов самой разнообразной природы.
Местная регуляция осуществляется по трем вариантам: 1) По типу нервной регуляции – за счет наличия в органе периферической рефлекторной дуги 2) По типу гуморальной регуляции – в органе во время работы могут накапливаться метаболиты, которые участвуют в регуляции микроциркуляции в работающей мышце. Например, в работающей мышце появляются метаболиты молочная кислота, аденозиндифосфат, ионы калия – они блокируют сосудосуживающий эффект адренергических веществ (адреналина, норадреналина), в связи с этим диаметр сосудов в работающей мышце возрастает, что создает условие для гиперемии (чрезмерное переполнение кровью какого либо органа). 3) Этот вариант местной регуляции осуществляется за счет использования физических, физико-химических, биохимических и физиологических свойств объекта регулирования. Например, в мышцах имеется система регуляторных белков (тропонина и тропомиозина), которая позволяет регулировать состояние актина и миозина (сокращения и расслабления).
Кибернетика и бионика.pptx