Модуль 1. Принцип динамического расширения — сжатия фазового пространства в теории управления
1.2. Биомеханика и управление
Синергетические процессы обнаружены в различных физических и химических системах, но наиболее ярко они проявляются в биологии, где образование упорядоченных и эффективно функционирующих структур непременно происходит на основе кооперации между отдельными частями целостного организма. Такого рода кооперативные, внутренне согласованные процессы проявляются во всем многообразии биосистем, а синергетические процессы давно изучаются биологами. Так, в работе выдающегося российского ученого Н.А. Бернштейна [24], посвященной проблеме изучения движений животных, была впервые сформулирована задача управления движениями как задача построения механизмов координации движений. Он сделал принципиальный по своей важности вклад в биомеханику, сформулировав проблему изучения управляемых движений человека как способ познания мозга. На этом пути были открыты такие фундаментальные явления в управлении движением человека и животных, как сенсорные коррекции, известные в кибернетике под названием “обратной связи”, выдвинут принцип иерархического уровневого управления и др. При этом он почти на 20 лет раньше Н. Винера — основателя кибернетики описал сущность понятия “обратной связи”. Можно продолжить обзор работ Н.А. Бернштейна, однако лучше всего, на наш взгляд, обратиться непосредственно к его мастерски написанным текстам из его знаменитых монографий [8, 9] и привести некоторые цитаты:
“Если учесть, что движения в очень многих суставах и подвижных органах совершаются совместно, в одно и то же время, а для таких целостных действий, как смотрение, ходьба и бег, метание и т.п., обязаны протекать совместно в виде стройных и дружных синергий, то одна из трудностей уже сразу встает перед нами во весь рост. Какое огромное распределение внимания потребовалось бы, если бы все эти элементы сложного движения должны были управляться сознательно, с обращением внимания на каждый из них!
В физиологии бывало неоднократно, что какое-нибудь из сложных самодействующих устройств нашего тела, облегчающих нам жизнь, а подчас абсолютно необходимых, просто не замечалось, воспринималось как что-то разумеющееся само собой, пока не попадался на глаза болезненный случай, при котором это устройство выходило из строя. Вот тут-то и вскрывалась впервые со всей яркостью незаметная, но великая польза, приносимая этим устройством в здоровой норме. Так было с описываемой задачей — распределять внимание между десятками и сотнями видов подвижности и стройно согласовывать все их между собою. Такова первая трудность управления двигательным аппаратом нашего тела. Однако эта трудность — далеко не главная.”...
“Весь наш предыдущий краткий обзор показал, с какой безмерною щедростью организм рассыпает по всем своим членам десятки и чуть ли не сотни степеней свободы подвижности. Мы уже установили, что даже в случае всего двух степеней свободы выбор той или иной определенной траектории возможен только на основе бдительного управления движением через органы чувств. Очевидно, что те необозримо богатые средства подвижности, которыми располагает наше тело и необъятность которых мы лишь теперь начинаем расценивать как следует, только в том случае и смогут правильно обслуживать наши потребности и не приводить к полной двигательной анархии, если каждая из степеней свободы будет оседлана и обуздана определенным видом чувствительности, который будет вести за нею ответственную слежку. Трудность управления, которую мы обозначили номером первым и которая создается необходимостью распределять внимание между десятками подвижных шарниров, — эта трудность полностью стушевывается перед трудностью номер два: трудностью преодоления огромного, непомерного избытка степеней свободы, которыми насыщено наше тело”...
“Координация и есть не что иное, как преодоление избыточных степеней свободы наших органов движения, т.е. превращение их в управляемые системы. Степени свободы, упоминаемые в этом определении, могут быть, как уже сказано, кинематические и динамические. Нетрудно будет дать точное обозначение и тому основному принципу, который позволил природе обеспечить управляемость костно-мышечных двигательных аппаратов и которому уже в целом ряде устройств подражает по мере сил современная техника, — принципу, опирающемуся на контролирование движений посредством органов чувств”...
“Для того, чтобы органы движения слушались приказаний мозга и точно выполняли то, что ему требуется, нужно, чтобы мозг был в состоянии иметь непрерывный контроль за ходом движения. Это значит, что органы чувств (или рецепторы, как мы обозначили их в третьем очерке) должны все время сигнализировать мозгу о том, как протекает предпринятое движение, и обеспечить этим возможность немедленно вносить в него требуемые поправки коррекции. Всего одна лишняя степень свободы подвижности сверх той первой, которая соответствует движениям по одному неизменному пути и без которой вообще нет подвижности, — и это прибавление уже означает безграничную свободу для выбора движений. Поэтому для управляемости каждая лишняя степень свободы должна быть оседлана и обуздана соответственной подходящей, сенсорной коррекцией.”...
“Согласно современным воззрениям, всякая подвижная система, не обладающая вынужденным движением по фиксированным траекториям (как преобладающее большинство машин), т. е. наделенная более чем одной степенью свободы, уже тем самым нуждается в специальной организации, обеспечивающей ее управляемость. Периферически костно-суставно-мышечный двигательный аппарат человека обладает огромным избытком степеней свободы, исчисляемым многими десятками. Совокупность психофизиологических механизмов координации движений и есть организация управляемости этого периферического двигательного аппарата, достигаемая путем преодоления его избыточных степеней свободы.
Возраставшее смысловое усложнение двигательных задач, решение которых возлагалось на сравнительно мало эволюционировавший периферический двигательный аппарат, вело естественным порядком к возрастанию и усложнению чисто координационных требований управления, предъявлявшихся к этому аппарату. Во все более сложных, точных и быстрых или тонко дозируемых по силе двигательных актах требовалось все большее обилие, разнообразие и подходящая по качествам (адекватная) точность сенсорных коррекций. Ни у одного уровня не могло хватить в его собственном сенсорном синтезе ресурсов для управления всем многообразием сторон координационной отделки движения. В результате среди движений стали вычленяться в возрастающем количестве двигательные акты осложненного координационного строения. В актах этого рода управление не могло уже сосредоточиваться в одном уровне построения; ведущим уровням пришлось привлекать себе помощников в виде нижележащих, более древних уровней. Тот уровень, которому было посильным в смысловом отношении правильное решение двигательной задачи в ее целом, сохранял за собой верховное управление соответствующим двигательным актом, его важнейшие смысловые коррекции, но в то же время все большее количество вспомогательных, технических коррекций, обеспечивающих движению его плавность, быстроту, экономичность и т. п., передоверялось центральной нервной системой нижележащим уровням, наилучше оснащенным именно для этих видов коррекций. Мы обозначаем верховный ответственный уровень данного двигательного акта термином “ведущий уровень”: подчиненные ему низовые, обслуживающие данный двигательный акт технически, называем “фоновыми уровнями”, а сами выполняемые ими вспомогательные коррекции — “фоновыми коррекциями” или просто “фонами” данного движения.
Нельзя не подчеркнуть здесь двух важнейших характеристических черт всех координационных фонов: 1) находясь в фоновой роли, координационные уровни функционируют уже не независимо, как при несении обязанностей ведущего, а стилизованно под возглавляющим влиянием ведущего уровня, податливо подчиняясь ему; 2) фоны не представляют собою движений или частей движения: это есть сенсорные коррекции вспомогательного назначения. Понятно, что двигательные акты, оснащенные координационными фонами (фондированные акты), представляют собою уже целые структуры, доходящие на высших уровнях и у наиболее высокоорганизованных существ до очень большой сложности и многоэтажности, а потому нуждаются в их постепенном построении.”... [8, 9].
Таким образом, согласно Н.А. Берштейну, проблема координирующего управления биомеханическими процессами движения в конечном итоге сводится к отысканию способов борьбы с избыточным числом механических степеней свободы. Очевидно, что такие способы могут быть различными, но наиболее простым и распространенным является способ введения жесткой связи между степенями свободы. В этом случае число степеней свободы редуцируется, а задача управления движениями существенно упрощается. Указанные формы движений, когда на механические степени свободы наложены связи, а сами движения каждый раз осуществляются идентично, получили в биологии название синергий. Итак, в биологии уже давно изучаются синергетические процессы, во многом определяющие фундаментальные свойства биосистем. В последнее время в ряде работ биофизиков [] обобщены и поставлены задачи управления, имеющие, на наш взгляд, принципиальное значение для развития теории управления не только биосистемами, но и системами любой природы.
Синергетичкеский подход предполагает использование базовых понятий и явлений современной нелинейной динамики (хаос, странные аттракторы, параметры порядка, нелинейные колебания, волновые процессы и др.) и для исследования биомеханических характеристик животного и человека. Этот подход базируется на фундаментальной предпосылке, что биомеханические движения — это высоко скоординированные, когерентные процессы, которые возможны только в результате обмена информацией между различными частями и иерархическими уровнями биомеханической системы. В отличие от традиционного подхода, в соответствии с которым некоторые моторные программы биосистем предназначены для выполнения некоторых действий, в новом синергетическом подходе биологические явления, в том числе и биомеханические движения, представляют собой не что иное, как различные процессы самоорганизации. Именно самоорганизация играет определяющую роль в процессах обработки информации, протекающих в биосистемах. При этом возникает новый тип информации, связанный с коллективными переменными — параметрами порядка биосистемы. Коллективное состояние биосистемы может быть описано одним или несколькими параметрами порядка — синергетическими информаторами. Состояние же отдельных частей биосистемы определяется на основе принципа подчинения этих частей выделенным параметрам порядка. Это эквивалентно согласованному поведению отдельных частей биосистемы, что и отражает процесс самоорганизации. Синергетический подход к исследованию биомеханических движений предполагает, что, несмотря на сложность этих процессов, ряд паттернов биомеханического поведения может быть описан с помощью параметров порядка. Использование параметров порядка — информаторов для макроскопического описания биомеханических движений позволяет обеспечить колоссальное сжатие информации, т.к. рассматриваются не индивидуальные микродвижения, а изучаются глобальные свойства биомеханической системы в виде динамически связанных аттракторов. Информация проявляется на макроскопическом уровне, что существенно увеличивает эффективность этой системы. В синергетической системе в результате самоорганизации образуются пространственные, временные или функциональные структуры, отражающие соответствующие биомеханические характеристики сложной самоорганизующейся биосистемы.
Кстати о понятии “система”, которое стало повсюду применяться. Имеются разные определения этого понятия, базирующиеся в основном на свойстве взаимодействия между компонентами, входящими в общую систему. Однако выдающийся физиолог П.К. Анохин считал это недостаточным и дал следующее замечательное определение системы: “Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретают характер взаимоСОдействия компонентов на получение фиксированного полезного продукта” [10].
В этом определении свойство взаимодействия компонентов реализуется путем освобождения их от тех избыточных степеней свободы, которые в данный момент не нужны для достижения конкретного результата. Те же степени свободы, которые способствуют достижению поставленной цели, непременно сохраняются механизмом взаимодействия компонентов системы. Весьма важно, что сам результат является тем решающим фактором, который активно влияет на отбор степеней свободы, нужных для достижения поставленной цели, т.е. именно желаемый результат создает упорядоченную форму взаимодействия между компонентами биосистемы. Другими словами, выделенное П.К. Анохиным фундаментальное свойство взаимосодействия представляет собой ярко выраженный и повсеместно проявляющийся в биосистемах синергетический процесс.
И в заключение приведем удивительные биомеханические рассуждения Джека Лондона (“Белый Клык”): “Другим его преимуществом была способность верно оценивать время и расстояние. Он, понятно, не делал этого сознательно. Все было автоматично. Его глаза видели верно, а нервы передавали видимое его мозгу. Он обладал наилучшей, далеко наилучшей нервной, умственной и мышечной координацией. Когда его глаза препровождали в мозг движущееся изображение действия, то мозг его, без осознаваемого усилия, знал уже то пространство, в котором заключено действие, и то время, которое требуется, чтобы выполнить его”...
Опираясь на изложенные концептуальные положения биомеханики, перейдем теперь к дальнейшей конкретизации синергетического подхода в задачах управления.