Читать книгу: «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.
Программным языком в принтерах на данном этапе является G-код, построенный на командах управления оборудованием для печати. На этой стадии можно перейти к рассмотрению программ-слайсеров, которые обеспечивают перевод 3D-модели для печати на 3D-принтере в понятный контроллерам код. Основными задачами программ – слайсеров является установка параметров, в соответствии с которыми будет осуществляться печать. Выбор конкретной программы определяется типом принтера.
Наличие способности мехатронных систем взаимодействовать со своим окружением, планировать и адаптировать свое собственное поведение согласно окружающим условиям, учиться новым моделям и линиям поведения, и на основе активной семантической памяти, соответственно, быть самооптимизирующимися позволит мехатронизации связывать виртуальное пространство Интернета с реальным миром. Эти способности обеспечат эффективный выпуск даже минимальных партий при быстром внесении изменений в продукцию и большом количестве вариантов, будут способствовать будущему созданию экологически безопасного производства.
В целом мехатронизация – это оптимальный выбор принимаемых научных, технических и технологических, организационно – экономических и информационных решений с интеллектуализацией движений. Обеспечение работы в средах с препятствиями, в реконфигурируемых системах, когда требуется оптимизировать конфигурацию цепи, в недетерминированных внешних средах: пожары, наводнения, космическая, подводная, подземная, радиоактивная и других средах с использованием в основном нелинейных базисов исполнительных движений направление развития мехатронизации.
Интеллектуализация движения мехатронных систем, функционирующих в изменяющихся и неопределенных внешних средах, требует автоматического контроля и диагностики собственного состояния, адаптации и оптимизации функций в условиях, изменяющейся внешней среды, при наличии существенных возмущающих воздействий, значительной автономности и гибкости при планировании и исполнении движений при минимальном участии человека.
Именно мехатронизация в состоянии решить вопросы характерных особенностей нелинейности базовых исполнительных движений (БИД) систем движения. Вопросы анизотропии и неоднородности динамических, упругих и скоростных свойств, переменности параметров в нелинейных уравнениях, что может приводить к потере управляемости системой в сингулярных положениях, сложности задания движений манипуляторов в обобщенных координатах, связанных со степенями подвижности, исполнении пространственных по криволинейным траекториям движений и реализацию сложных законов перемещения во времени.
Мехатронизация позволяет создавать универсальные машины перемещения по многим степеням свободы с параллельной кинематикой (МПК)
Из холистических представлений в мехатронизации исходит современная тенденция построения машин нового поколения, которая заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новую задачу.
Сейчас механические устройства все чаще становятся узким местом в сложных машинах. Мехатронный подход предполагает не дополнение, а замещение функций, традиционно выполняемых механическими элементами системы на электронные и компьютерные блоки.
К перераспределению функциональной нагрузки, в сторону увеличения интеллектуальной составляющей, служит и метод электронной редукции, когда исполнительный механизм отслеживает движение задающего устройства.
Учитывая увеличение интеллектуальной составляющей, следует иметь в виду, что целевые функции, задачи верхнего и нижнего уровней управления обычно гармонизируются слабо. Это вынуждает вводить соответствующие коррективы в целевые функции нижнего уровня, не разрушая упорядоченность распределенной системы.
Следовательно, одна из функций системы верхнего уровня должна состоять в том, чтобы оказывать соответствующее влияние на системы нижнего уровня, которое позволяло бы обеспечить состояние, при котором было бы желательным взаимодействие между ними.
Задача описания движения многомерной мехатронной системы в мехатронизации разделяется на две взаимосвязанные подзадачи: движение в пространстве и во времени.
Законы пространственного перемещения всех звеньев мехатронной системы определяются технологической постановкой задачи движения.
Законы движения во времени исполнительных приводов определяется, с одной стороны, желаемым законом перемещения рабочего органа, а с другой − кинематикой многомерной системы.
Нам не важно, что есть во Вселенной такое физическое явление как “черные дыры”, важно то, какую задачу Вселенная поставила перед “черными дырами”, одним из ее рабочих органов в совершенствовании самой себя.
Нам не важно, что есть НЛО, важно то, что если мы пойдем в обратном направлении философии мехатронизации – холизма, то мы придем к частному, а именно, к разумному существу и возникает вопрос” А откуда он?”
Это отступление сделано для того, что бы убедить читателей в необходимости изучения основ мехатронизации, которая объединит множество наук и технических достижений под своим крылом.
Основным принципом мехатронизации является концепция аппарата конфигурируемого управления (controlconfiguredvehiсle–CCV) АКУ – конфигурация, у которой маневренность является приоритетной функцией.
Неоднородность характеристик (кинематических, скоростных, динамических, упругих) среды, анизотропия (приложение вектора силы в заданном направлении), в которой работают мехатронные системы, требует решения задачи управления в пространстве и во времени.
В случае же аппарата конфигурируемого управления существует механическая неустойчивость, которая часто оказывается необходимой для обеспечения соответствующих динамических характеристик. Устойчивость достигается благодаря наличию контуров управления.
То, что говорится о «четвертой промышленной революции», в действительности является развитием мехатронизации. Научно-исследовательские организации и промышленный сектор усиленно работают для того, чтобы воплотить Индустрия 4.0 в реальность.
В немецком исследовательском центре искусственного интеллекта (DFKI) в Кайзерслаутерне уже несколько лет эксплуатируется первое в мире умное производство в качестве «живой» лаборатории» Данное производство – эталонная архитектура для Индустрии 4.0 в мехатронизации.
Важным фактором успеха мехатронизации является интеллектуальная интерпретация информации об окружающей среде. Соответственно, здесь ключевую роль играет программное обеспечение.
Особенность программного обеспечения заключается в его масштабной неэкономичности. С накоплением информации, которую необходимо обработать, очень сильно возрастают трудности, связанные с созданием программного обеспечения. При превышении некоторого объема могут даже сложиться неудачные обстоятельства, для решения которых в большинстве случаев желательно использовать иерархические структуры программных средств.
Но, тем не менее, выбор децентрализации позволяет повысить интеллектуальную составляющую мехатронных систем за счет распределения ЭВМ, сократить объем информации, передаваемой в системе, упростить физические схемы, один канал связи может использоваться многократно.
Это положение нашло воплощение в том, что в качестве языков программирования стали использовать структурные языки, унифицированные описательные языки и Интернет в качестве коммуникационной платформы на предприятии. Еще одним направлением развития стало распределение программных средств по функциональным блокам.
По своей сути мехатронизация не может существовать без ителлектуализации движения. Модули движения, мехатронные модули движения – это переходной этап мехатроники, этап, когда новое еще слабо, а старая аппаратно – релейная система управления не хотела сдаваться. Мехатронизацию невозможно представить без интеллектуализации движения, за ней будущее.
Глава 2
Новая парадигма
2.1. Постановка задачи исследования
Задача исследования показать, что человечество переходит к культу разума (изменению конструктивных принципов машин, обеспечению нового системного качества, перенос функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным – электронным, компьютерным и информационным компонентам, интеллектуализации движения, освоению биоприводов), Культ силы (мощности машин, ускорения различных переходов процесса производства) остается в прошлом.
2.2. Описание исследования
Новая концепция в области хранения информации – переход с аналоговых форматов к цифровым форматам. Особенно эта необходимость сказалась в спутниковой связи, где имеет место значительного удаления приемника от передатчика, ограничения мощности. Спутниковая связь плохо подходит для передачи аналогового сигнала. Поэтому сигнал, с целью обеспечения помехоустойчивости, оцифровывают, применяют специальные передающие антенны и системы исправления ошибок. Следует отметить, что многие страны перешли с аналогового телевизионного вещания к цифровому телевидению.
Новая научно-техническая концепция – голография и голографическое телевидение. Найден метод перезаписи голографического изображения и таким образом устройство голографического изображения не за горами. Экран может быть вертикальный или горизонтальный, и герои фильмов и особенно мультфильмов будут ходить прямо по журнальному столику у телезрителей в доме. Лучшие детские фильмы придется перезаписывать в голографическом изображении, что естественно потребует исследований и разработок нового оборудования.
Развития голографического телевидения позволит небосвод использовать как экран и даже может быть как цветной, будет светиться всеми цветами радуги. Возникнет голографическая индустрия, новые отрасли.
Новая научно-техническая концепция – электромобили. Экологические, в первую очередь, а так же эконмические проблемы заставили человечество вернуться вначале XXI века к электромобилям. К этому времени аккумуляторы стали более совершенны. Так в 2010 году на одном заряде аккумулятора электромобиль Daihatsu проехал 1000 километров, а электромобиль Ventura развил максимальную скорость 515 км/ч. Процесс совершенствования аккумуляторов и самих мехатронных систем электромобилей повысит возможности внедрения электромобильной техники. Курортные города полностью перестраивают сервисное обслуживание под эксплуатацию электромобилей. Экологический и экономический эффект будет значительным.
Новая концепция – нанонаука. Разработана наноразмерная архивная память, которая способна длительно хранить данные высокой плотности. В основе конструкции такой памяти лежат углеродные нанотрубки и кристаллические наночастицы железа, которые под воздействием низкого напряжения могут двигаться и конечная позиция наночастицы фиксируется и прочитывается простым измерением сопротивления.
Останавливаясь на нанотрубках, следует отметить необычные свойства фуллеренов, частным случаем которых являются нанотрубки. Использование для смазки добавок на основе фуллереновой сажи повышает антифрикционные и противоизносные свойства трущихся тел, фуллерен используется в качестве материала для полупроводниковой техники.
Нанотрубки нашли применение в радиоаппаратуре, механические колебания нанотрубки позволяют слышать радиосигналы. Радио нанотрубки за счет малых размеров применяют в радиоуправляемых устройствах довольно малых размеров, чтобы существовать в человеческой крови.
Применение нанотехнологии позволяет осуществлять прямое преобразование светового потока в движение. Так, например, использование оптотермального отопления приводит к появлению градиентов поверхностного напряжения жидкости, в результате предмет, изготовленный на основе вертикально связанных нанотрубок, встроенных в пластик, эффективно поглощает свет и преобразует его в тепло. Когда предмет асимметрично нагревается, возникает движущая сила на предмет по поверхности жидкости.
Для очистки кровеносных сосудов от отложений холестерина нужны наноскопические двигатели – размером с молекулу. Группа ZETTL смогла создать нанодвигатель – мехатронный модуль, с использованием многочисленных слоев углеродных нанотрубок. Мехатронный модуль представляет собой вращающуюся пластину из металла, и закрепленной на ней углеродной нанотрубкой.
Низкие внешние напряжения с высокой точностью контролируют скорость работы и положение ротора – пластины. Это высокий уровень мехатронизации.
Сейчас мы приступаем к рассмотрению следующей научно-технической концепции, основной для новой парадигмы – искусственный интеллект (ИИ).
Самый общий подход предполагает, что ИИ будет способен проявлять поведение, не отличающееся от поведения человеческого, причём в нормальных ситуациях. Эта идея является обобщением подхода теста Тьюринг, который утверждает, что машина станет разумной тогда, когда будет способна поддерживать разговор с обычным человеком, и тот не сможет понять, что говорит с машиной (разговор идёт по переписке).
Наука об ИИ прошла путь, от зарождения фундамента математической теории вычислений – теории алгоритмов, когда были созданы первые компьютеры, до гибридного подхода, который предполагает, что только синергийная комбинация нейронных и символьных моделей достигает полного спектра когнитивных и вычислительных возможностей.
Например, экспертные правила умозаключений могут генерироваться нейронными сетями, а порождающие правила получают с помощью статистического обучения. Сторонники данного подхода считают, что гибридные информационные системы будут значительно более сильными, чем сумма различных концепций по отдельности.
Было предложено создание систем искусственного интеллекта, основанных на моделировании рассуждений, где теоретической основой служит логика, через агентно-ориентированный подход, развиваемый с начала 1990 годов, основанным на использовании интеллектуальных (рациональных) агентов.
Согласно этому подходу, интеллект – это вычислительная часть (грубо говоря, планирование) способности достигать поставленных перед интеллектуальной машиной целей. Сама такая машина будет интеллектуальным агентом, воспринимающим окружающий его мир с помощью датчиков, и способной воздействовать на объекты в окружающей среде с помощью исполнительных механизмов.
Этот подход акцентирует внимание на тех методах и алгоритмах, которые помогут интеллектуальному агенту выживать в окружающей среде при выполнении его задачи. Так, здесь значительно тщательнее изучаются алгоритмы поиска пути и принятия решений.
Логический подход может быть проиллюстрирован применением для этих целей языка и системы логического программирования Пролог. Программы, записанные на языке Пролог, представляют наборы фактов и правил логического вывода без жесткого задания алгоритма как последовательности действий, приводящих к необходимому результату.
Искусственный интеллект развивается. Проблематика машинного обучения касается процесса самостоятельного получения знаний интеллектуальной системой в процессе её работы. Это направление было центральным с самого начала развития ИИ.
В середине XX века Рей Соломонофф изложил отчёт о вероятностной машине, обучающейся без учителя. Сторонники данного подхода считают, что феномены человеческого поведения, его способность к обучению и адаптации есть следствие именно биологической структуры и особенностей её функционирования. Данный подход отличается от понимания искусственного интеллекта по Джону Маккарти, когда исходят из положения о том, что искусственные системы не обязаны повторять в своей структуре и функционировании структуру и протекающие в ней процессы, присущие биологическим системам.
Следующая научно -техническая концепция – робототехника. В 1962 году вышли в свет первые в США промышленные роботы «Версатран» и «Юнимейт», причём некоторые из них функционируют до сих пор, преодолев порог в 100 тысяч часов рабочего ресурса.
Если в этих ранних системах соотношение затрат на электронику и механику составляло 75 % к 25 %, то в настоящее время оно изменилось. Конечная стоимость электроники продолжает неуклонно снижаться. Появление в 1970-х годах недорогих микропроцессорных систем управления, которые заменили специализированные блоки управления роботов на программируемые контроллеры, способствовало снижению стоимости роботов примерно в три раза. Это послужило стимулом для их массового распространения по всем отраслям промышленного производства. Важнейшие классы роботов широкого назначения – манипуляционные и мобильные роботы.
Манипуляционный робот–мехатронизированная машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде – манипулятора имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.
Мобильный робот – мехатронизированная машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колесными, шагающими гусеничными. Существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.
Совершенствуется управление робототехническими системами. Решается комплекс задач, связанных с адаптацией робота к кругу решаемых им задач, программированием движений, синтезом системы управления и её программного обеспечения.
Снаучно – техническая концепция – военная техника. Ярким представителем мехатронных систем является самолет с обратной стреловидностью крыла Су-47 «Беркут» производит впечатление футуристичной машины, которая летает вопреки законам физики. Конечно, все это, кажется только на первый взгляд. Подогревает интерес к самолету нетрадиционная модель крыла. А его маневренность восхищает специалистов и пилотов.
Россия одной из немногих стран довела идею обратной стреловидности крыла до логического завершения. Эта работа была трудоемкой, затратной для бюджета, но все труды имели смысл. Возможно, по этой причине Су-47 «Беркут» является предметом гордости конструкторов и военных, неоднократно выступает украшением авиационных шоу. Самолет получил передовую авионику. Су-47 «Беркут» близок по характеристикам проекту «Стэлс». Технологии русского истребителя также позволяют оставаться незамеченным для радаров.
Еще одной интересной мехатронной системой является бронеавтомобиль «Каратель». Машина предназначен для транспортировки военнослужащих спецназа, причем в десантном отсеке бойцы размещаются спина к спине, что обеспечивает им круговой обзор и возможность вести огонь через бойницы.
Кроме того, машина оборудована системой из шести видеокамер, которые позволяют оценивать окружающую обстановку при сложных метеоусловиях и в ночное время. Броня «Карателя» соответствует шестому классу. Подвеска и дно машины защищены от минной опасности.
Весьма оригинальной является конструкция дверей: каждая из них состоит из верхней и нижней створки. При этом нижняя створка выполняет функции подножки при десантировании. Определенные вопросы вызывает дизайн передней части броневика с большими окнами, расположенными под чрезвычайно острым углом, водителю удобно смотреть на дорогу с хорошим углом обзора.
Следующая научно -техническая концепция – микроэлектромеханические системы (МЭМС). Для них характерны два признака. Первый – это размер, второй – наличие движущихся частей и предназначение к механическим действиям. В мире они известны под аббревиатурой MEMS – MicroElectroMechanical Systems.
С микроситемами связывают тот технологический рывок, который человечество совершит в 21 веке, им предрекают совершить такой же переворот, который совершила в 20 веке микроэлектроника.
Микротехнологии развиваются на основе научно-технологического задела микроэлектроники. Вместе с тем, микроэлектромеханические системы, призваны активно, взаимодействовать, с окружающей средой. Кроме того, конструкции систем обладают выраженной трехмерностью.
От классических механических систем их отличает размер – материалы в таком масштабе ведут себя несколько иначе, чем в объемном виде, хотя микросистемы еще подчиняются законам классической физики, в отличие от наносистем. Тем не менее, классическая физика предсказывает для микроустройств особенные свойства. Все это требует ряда совершенно новых подходов к проектированию, изготовлению и материалам МЭМС.
Новые задачи в проектировании связаны с необходимостью расчета и моделирования не только задач схемотехники и логики, но и совокупности проблем механики твердого тела, термоупругости, газо- и гидродинамики – порознь или одновременно появляющихся в изделии. Что касается материалов, то несмотря на то, что монокристаллический кремний – традиционный материал микроэлектроники – имеет ряд уникальных свойств, необходимы другие материалы с новыми сочетаниями электро-физико-механических свойств.
Новые задачи технологии связаны с наиболее характерными отличиями микросистем от изделий микроэлектроники: если последние по существу двумерны и механически статичны, то микросистемы – это реальные трехмерные структуры, элементы которых должны иметь возможность относительного механического перемещения. Эти новые свойства требуют развития новых технологических операций для 3-D формообразования.
Поскольку МЭМС развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, требуется участие в работах специалистов самых разных областей знания, которые могли бы эффективно взаимодействовать.
В ходе перехода на вторую ступень независимости от среды обитания – зависимости от Земли человека будет интересовать и сам человек, его устройство с точки зрения создания промышленного аналога.
Бионизация как новая концепция мехатронизации позволит создать мехатронные системы на основе биоприводов (это не только мускульных приводов) – приводов с использованием достижений остеологии, синдесмологии, миологии и неврологии (нейробионики), то есть создать бионика.
Бионик – промышленный аналог человека. Подумайте – не робот, не раб, а промышленный аналог человека, с искусственным интеллектом на основе нейробионики. Его отличие от человека будет в отсутствии генотипа, и самое не желаемое – у него не будет природного (а для кого – то божественного) датчика – души, но зато можно говорить о том, что жизнь может самозарождаться.
Основной закон мехатронизации – максимально эффективное интеллектуализированное движение при минимальных затратах энергии.
Самый простой пример, если архитектор разработал дорожки движения людей к объекту, а люди идут по другому пути к объекту значит, архитектор не знает основного закона мехатронизации. Люди экономят свою энергию. Для этого архитектор должен рассчитать движения людского потока и принять правильное логистическое решение, обеспечив эффективность движения.
Многие современные системы являются мехатронными или используют элементы мехатроники, поэтому постепенно мехатроника охватывает все отрасли, все производства, проникает в другие науки, идет процесс мехатронизации. Мехатронизация охватывает и будет охватывать все и вся.
Глава 3
Развитие мехатронизации – искусственный интеллект, приводы и источники энергии
3.1.Постановка задачи исследования
В данной главе акцентируется внимание на двуединой задаче мехатронизации, необходимости скорейшего осознания значимости мехатронизации, красоты мехатронизации. Рассмотрены вопросы степени мехатронизации, во взаимосвязи с уровнем развития искусственного интеллекта, выделены проблемы развития мехатронизации, введено понятие – развитие мехатронизации.
Эта глава посвящается развитию мехатронизации.
Задача состоит в том, чтобы на основе исследования концепций, исследования изменения конструктивных принципов показать, что степень мехатронизации будет определяться уровнем развития искусственного интеллекта.
Темпы мехатронизации, развития технологий мехатронизации и как следствие развития общества постоянно увеличиваются. Исходя с задач мехатронизации – снижение зависимости человечества в отношении его среды обитания и сохранение этой среды обитания, особый интерес сегодня вызывает искусственный интеллект (ИИ). В1956г. Джон Маккарти вводит термин «искусственный интеллект» и в университете Карнеги-Меллон производится первый запуск программ искусственного интеллекта.
3.2.Описание исследования
Искусственный интеллект – это не магия и не научная фантастика, а сплав методов науки, техники и математики.
Искусственный интеллект с совершенными приводами и рабочим органом образуют искусственную интеллектуальную систему (ИИС). Автономные действия искусственных интеллектуальных систем, особенно так называемые контр автономные действия, когда подвергнувшаяся испытанию искусственная интеллектуальная система учится, делает выводы из случившегося и сама выбирает способы решения, как выдержать испытания, делают искусственную интеллектуальную систему все более умной и возможности её возрастают.
Искусственный интеллект в составе этих систем превращается с каждым разом в искусственный супер интеллект (ИСИ).
Но сразу же встает на повестку вопрос о том, как должны вести себя ИИ-системы сегодня и в будущем. Должны помогать человеку, быстрее принимать лучшие решения или допустить исключение человека из сферы принятия решений.
Опыт освоения киберпространства говорит о том, что успех достигается за счет скорости обработки информации. В этом плане человек становится слабым и медленным звеном в цепочке принятия решений и соответственно всегда будет искушение создать полностью автономную систему, а со временем полностью интеллектуализированное на базе сообщества искусственных интеллектов – автономное искусственное интеллектуальное пространство.
В соединении с совершенными (им же самим усовершенствованными) приводами движения и возможностью в своем искусственном интеллектуальном пространстве иметь свой супер источник энергии общество получит элемент развития с высочайшей степенью мехатронизации.
Важно чтобы не был утерян контакт с ИИ. Лишить его приводов не возможно, это не в интересах человека, ИИ надо совершенствоваться, т.е. ему надо обеспечить движение или самому двигаться – основа мехатронизации.
Исследование концепций показывает, что степень мехатронизации будет зависеть не от уровня функциональной микроэлектроники, а от уровня развития искусственного интеллекта.
Предположительно существуют следующие основные категории искусственного интеллекта:
•Ограниченный Искусственный Интеллект (ANI, Artificial Narrow Intelligence). Он представляет собой ИИ, специализирующийся в одной конкретной области.
Пока искусственный интеллект может решать только отдельные задачи: например, сыграть партию в шахматы, распознать речь, найти изображение или же дорисовать его. Может обеспечить работу умных домов, анализируя предпочтения жильцов, корректируя факторы окружающей среды под привычные и комфортные (температура, освещение, поддержание уровня влажности, подавление шума и т.д.). Внесение изменений в программу приводит к изменению его структуры. Модификация не является быстрой и легкой.
Системы ограниченного искусственного интеллекта не представляют никакой угрозы для человека. В худшем случае сбой в такой системе может вызвать локальную обеспокоенность вроде скачка напряжения.
Переход от ограниченного искусственного интеллекта к общему искусственному интеллекту очень сложен: навыки, кажущиеся простыми для человека, потому что они развивались в течение миллионов лет эволюции, искусственному интеллекту сложны. Когда вы замахиваетесь ногой для удара по мячу, ваши мышцы, связки, кости и глаза совершают целую серию операции, которые согласуются с целью.
Компьютеры должны обладать такими же мыслительными способностями, как и человек. Одним из способов добиться этого является увеличение количества операций в секунду.
•Общий Искусственный Интеллект (AGI, Artificial General Intelligence). Такой ИИ представляет собой компьютер, чей интеллект напоминает человеческий, то есть он может выполнять все те же задачи, что и человек: обосновывать, планировать, решать проблемы, мыслить абстрактно, сравнивать комплексные идеи, быстро обучаться, использовать накопленный опыт.
В мехатронизации широко применяются технологии общего искусственного интеллекта в составе интеллектуальных роботов, которые играют важную роль в реабилитации пациентов с различными травмами и заболеваниями. Общаясь с искусственным интеллектом – голосовым помощником посредством гаджетов, приложений по обработке фотографий мы осуществляем его глубинное обучение.
Появление двойного нейромодуля, наделившего гаджеты новыми интел-лектуальными функциями, которые управляют расходом энергии, подключением к сетям, безопасностью и другими компонентами операционной системы позволяет им самим понять, на какие задачи бросить большое количество мощностей, а в каких случаях сэкономить энергию и сократить расход энергии источника. Например, интеллектуальная функция регулировки тактовой частоты позволяет мгновенно повысить производительность графического модуля. Скорость распознавания изображений выросла в два раза по сравнению с предыдущим поколением процессоров – с 12 до 6 секунд.
Программа с искусственным интеллектом может поглощать новые модификации, сортируя весьма независимые фрагменты информации воедино. Следовательно, возможно изменять кусочки информации из программы, не затрагивая структуру самой программы. Модификация быстрая и легкая.
Совершенствование общего искусственного интеллекта и превращение его в искусственный супер интеллект идет по двум направлениям:
• ученые работают над так называемым обратным проектированием мозга человека. Эта работа завершится к 2030 году, и мы узнаем все секреты нашего мозга. Примером подобной системы является искусственная нейронная сеть.
•имитация функций мозга человека. В ходе этого эксперимента планируется делить мозг на множество тончайших слоев и просканировать каждый из них. Затем используя специальную программу, нужно будет создать 3D-модель, а затем внедрить ее в мощный компьютер. После этого мы получим устройство, которое официально будет обладать всеми функциями мозга человека – ему останется лишь собирать информацию и учиться.
•Искусственный Супер интеллект (ASI, Artificial Superintelligence). Супер интеллект – это такой феномен, который мы не в силах даже отчасти осознать. В нашем представлении умный человек имеет IQ 130, а глупый – менее 85, а искусственный интеллект будет иметь, примерно, IQ 12952.
Развитие искусственного интеллекта и развитие мехатронизации будут взаимно дополнять друг друга, развитие одного будет подталкивать к развитию другого.
Под развитием мехатронизации понимается совершенствование приводов и рабочих органов, источников энергии и их синхронизация с развитием искусственного интеллекта.
В ходе развития и совершенствования мехатронизации, а увязывая ее развитие с развитием искусственного интеллекта, возникают проблемы мехатронизации по линии искусственного интеллекта, которые по мере развития необходимо будет сообществу решать. Это:
• контроль над искусственными интеллектуальными системами;
• защита при хакерских атаках;
• принятия решение в чрезвычайной ситуации;
•ошибки и ответственность за ошибки искусственной интеллектуальной системы;
•способы синхронизации искусственных интеллектуальных систем.
Исходя из того, что мехатронизация – это интеллектуализированное движение, движение используемого рабочего органа, принимающего, множество форм, человек будет вынужден совершенствовать приводы движения, а принимая во внимание основной закон мехатронизации – максимально эффективное движение при минимальных затратах энергии, также совершенствовать источники энергии.
Контролировать количество энергии и при необходимости ограничивать количество энергии с определенным условием послушания ИИ возможно до определенного момента развития искусственного интеллект.
Источники энергии
Современные li-ion аккумуляторы очень надёжны и безопасны, способны выдерживать большое количество циклов заряда – разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес. Благодаря таким свойствам, li-ion аккумуляторы нашли широкое применение во многих устройствах.
Изделие может применяться в качестве АКБ, в виде батареек для бытовой техники, а также как высокоэффективный тяговый источник электроэнергии. На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками: высокая стоимостью; не любят глубокие разряды; могут отказать при низких температурах; теряют емкость при перегреве.
В качестве более совершенных аналогов можно применить литий – полимерные или литий – титанатные аккумуляторы с большим количеством циклов заряда – разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес, большую ёмкость и высокое напряжение.
Мощным ускорителем развития мехатронизации является успешное освоение энергии мирного атома. Люди сравнительно недавно сумели успешно направить ее на служение себе. Главное качество радиационных технологий – универсальность, возможность применения практически во всех областях развития и сферах существования человечества.
Теперь, когда перед человечеством стоит вопрос перехода на вторую ступень снижения зависимости от среды обитания – зависимости от Земли, а затем и на третью ступень снижения возможной зависимости от среды обитания – зависимости от Солнца, мирный атом открывает безграничные возможности. Свойства радиации невероятны. С ее помощью можно создать космический двигатель, способный унести космический научно-исследовательский аппарат к планетам и другим небесным телам Солнечной системы, а в будущем – и к далеким звездам в нашем Млечном Пути, разгадать загадки человеческой цивилизации и даже сохранить хрупкую жизнь на планете Земля.
Досмотровые системы контроля аэропортов, железнодорожных вокзалов, метрополитена, стадионов и в целом мест массового скопления людей созданы на основе свойств уже известных нам Х-лучей, способных видеть скрытые элементы.
Системы бесконтактного сканирования на основе радиационных технологий разрешены Всемирной организацией здравоохранения как совершенно безопасные, в том числе для детей и животных.
Разработана технология сканирования багажа MagRay, основанная на комбинации рентгенографии и ядерного магнитного резонанса. Методика позволяет отличать опасные вещества от безопасных и исключает необходимость вынимать ноутбук или телефон из багажа, петербургский научно-технический центр «Ратэк» разработал систему досмотра багажа, в которой тепловые нейтроны помогают определить химический состав объекта. Так можно обнаружить взрывчатые вещества, яды и наркотики, не вскрывая чемодан. На экран монитора выводится не картинка, а таблица с информацией о содержании химических веществ в досматриваемом объекте.
Энергия мирного атома – лучший помощник в космосе.
Без применения радиационных технологий невозможно представить существующие и перспективные мировые космические программы. Еще в советское время компактные ядерные энергоустановки «Бук» и «Топаз» обеспечивали энергоснабжение бортовой космической аппаратуры различных космических аппаратов.
Нашло свое применение и тепло, выделяемое в процессе радиоактивного распада. Советские «Луноходы» во время путешествия по естественному спутнику Земли обогревались именно за счет радиоизотопного источника тепла на основе изотопа полоний-210.
Марсоход NASA Curiosity укомплектован ядерной батареей, которая сохраняет тепло внутри аппарата и обеспечивает его энергией для движения. На нем же установлен и генератор нейтронов, созданный специалистами Росатома. Именно этот прибор подтвердил наличие воды на Марсе.
Принцип действия аппаратуры основан на облучении поверхности потоком нейтронов, которые излучает нейтронный генератор. А отраженное (так называемое вторичное) излучение от объекта улавливается детектором. Полученные данные затем обрабатываются компьютером.
Тепло радиоактивного распада тоже можно преобразовывать в электрическую энергию. Так появились знаменитые РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) – стабильные и долговечные источники электроэнергии, способные работать в условиях космического холода и высоких радиационных полей планет-гигантов.
Американские космические аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2», «Галилео», «Улисс», «Кассини», а также спускаемые зонды первого и второго «Викингов» были снабжены радиоизотопным «сердцем» – РИТЭГом, на основе радионуклид плутоний-238. Это уникальные устройства выполнили важнейшие задачи по исследованию Солнечной системы. Некоторые из них работают до сих пор. Например, на сегодняшний день «Вояджер-1» достиг пределов Солнечной системы и продолжает надежно функционировать. Это первый космический аппарат в истории человечества, передавший сигналы из межзвездного пространства.
Освоение космического пространства – одна из основных задач мехатронизации. Очевидно, что при исследовании дальнего космоса, тех его мест, где звездный свет уже не удастся использовать для получения электричества при помощи фотоэлементов, незаменимыми станут именно радиоизотопные источники энергии.
Мировое сообщество работает над созданием термоядерной электростанции,
человечество получит дешевый, очень надежный и практически бесконечный супер источник энергии (СИЭ).
Нанотехнологическое зарядное устройство
В развитии мехатронизации значительную роль сыграют нанотехгологии
Нанотехнология позволит создать новый источник энергии – «наногенератор». Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.
Такой «наногенератор» работает как губка, только впитывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в смартфон, приборную панель каждого автомобиля. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании.
Мехатроприводы
Создавать приводы космического уровня, которые обеспечивают приливы и отливы на Земле, вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца человечество на данном этапе развития мехатронизации не может. Смогло только обеспечить полеты спутников, мехатронных систем, на геоцентрической орбите и других орбитах с коррекцией орбиты время от времени, но темпы развития мехатронизации позволяют сделать вывод, что космические приводы не за горами.
Значительный вклад в совершенствование мехатроприводов вносят нанотехнологии.
Нанороботы роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы – репликаторы, способные к созданию своих копий.
В настоящее время уже есть электромеханические наноустройства, способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов.
Молекулярные роторы синтетические наноразмерные двигатели, способные генерировать крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии.
Использование мехатроприводов, многофункциональных датчиков с высокими статическими, динамическими и частотными характеристиками, величинами входных и выходных сигналов позволило мехатронным системам значительно потеснить традиционные средства автоматизации. К основным преимуществам мехатронных систем следует отнести: относительно низкую стоимость благодаря высокой степени интеграции, унификации и стандартизации всех элементов и интерфейсов; высокое качество реализации сложных и точных движений вследствие применения методов интеллектуального управления; высокую надежность долговечность и помехозащищенность; конструктивную компактность модулей вплоть до миниатюризации.
Специалистами в области мехатронизации постоянно ведутся работы по созданию самых разнообразных управляемых искусственным интеллектом исполнительных устройств на базе известных в природе эффектов и явлений.
В последние годы широкое распространение в мехатронизации получили исполнительные устройства, построенные на базе пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).
В этом классе исполнительных устройств в качестве электромеханического преобразователя используется пьезоэлектрическая керамика, которая способна деформироваться при изменении подведенного электрического потенциала (режим обратного пьезоэффекта), а также может генерировать на своих поверхностях электрический потенциал при деформировании внешней силой (режим прямого пьезоэффекта).
В отличие от традиционных электромагнитных преобразователей, в основе работы которых лежит изменение электромагнитного поля, в ПЭП используется электрическое поле, что значительно повышает надежность, и помехозащищенность исполнительных устройств в условиях внешних возмущающих электромагнитных полей.
Глава 4
Устойчивая неустойчивость и неустойчивая устойчивость
4.1.Децентрализованная централизация и централизованная децентрализация.
Мехатронизация – главный драйвер развития
Возникла аномалия во многом политико-экономическая, но имеет место и техническая. Возьмем глобальное информационное пространство. Налицо в этом пространстве происходит децентрализация, но всем понятно, что мы не можем обойтись и без централизации. Иными словами пространство характеризуется децентрализованной централизацией и централизованной децентрализацией.
Если исходить из того, что человек, человеческое сообщество высокоразвитые мехатронные системы природы, то мы имеем еще одно направление развития мехатронизации, как новой парадигмы – это синхронизация целевых функций, задач верхнего и нижнего уровней управления. Это введение корректив в целевые функции нижнего уровня, не разрушая упорядоченность распределенной системы, оказывать соответствующее влияние на системы нижнего уровня, которое позволяло бы обеспечить состояние, при котором было бы желательным взаимодействие между ними.
Мехатронизация – главный драйвер, с помощью которого человечество решает (неосознанно), и будет решать свою основную задачу: освобождение человечества от зависимости в отношении его среды обитания и сохранение этой среды обитания – одну из главных задач эволюции.
Это понятно, что человечество независимо от среды обитания не будет никогда, но максимально минимизировать ее влияния, подстроиться к ней и продолжить свое существование – это возможно.
4.2. Социальная и когнитивная институционализация мехатронизации.
Судя по всему, сейчас необходима социальная и когнитивная институционализация новой парадигмы. Социальная функция есть, нужны люди, сообщество, связанные со специализированной деятельностью для ее воплощения в жизнь. В предыдущих статьях по кооперативному объединению наук мной были предложены высказывания, предложена малая эпистема, построена система аксиоматизированных знаний.
Мехатронизация – требует специалистов транспрофессионалов, умеющих свободно общаться с разными науками и областями деятельности, использующих основной принцип мехатроники – аппарата конфигурируемое управление средствами и способностями для решения комплексных задач.
Создание машин, оборудования и товаров народного потребления, основанных на устаревших научных и технических концепциях, неизбежно вызывает потери в экономике, замедляет рост производительности труда.
В начале статьи оговаривалось словосочетание «устойчивая неустойчивость». Это о том, что многие изобретения, открытия сделаны и будут еще сделаны изобретателями – одиночками или небольшими группами специалистов с фантастическими идеями, которые административно – иерархический фактор в научном мире не принял бы.
Но есть и другое словосочетание «неустойчивая устойчивость», т.е. это мощные, крупные организации , которые могут претворить в жизнь невероятные идеи одиночек или группы разработчиков.
Мехатронизации приемлемы оба состояния: опора на мелкие научные группы с определенной автономией, которые получают необходимые средства для реализации своих, сразу кажущихся фантастическими, научно-технических идей, так и опора на государственные институты.
При этом соблюдается основной закон жизни, завещанный нашими предками в камне, «закон египетских пирамид», который оправдывает себя и в социальной жизни – широкая опора на лиц, способных выдвигать новые и разрабатывать перспективные идеи с обязательной централизацией их внедрения, т.е. «децентрализованная централизация и централизованная децентрализация»
На данном этапе идет становление новой парадигмы – мехатронизации. Вспоминая слова академика И.Н. Бардина: самый дорогой процесс в технике – это топтание на месте, предлагается в технической и научной литературе больше опираться на новую парадигму, рассматривать ее как основу в разработках. Использовать идеи, проверенные временем, экономить за счет этого средства без риска – заманчиво, но это приводит к отсутствию движения, а движение – это жизнь, а интеллектуализированное движение – это мечта.
Основной закон мехатронизаци – максимально эффективное интеллектуализированное движение при минимальных затратах энергии должен стать основой во всей технической и социальной жизни человечества. Схематично логотип мехатронизация изображен в виде окружности с треугольником внутри.
Сторонами треугольника являются: внизу основа мехатронизации, как и основа жизни – источники энергии, легкие, автономные, портативные и высоко емкие, а со временем чистая энергия космоса, слева мехатроника – наука о прецизионном управляемом движении, справа искусственный интеллект – элемент совершенствования мехатронных систем.
В центре мехатронизация – процесс охвата этой наукой – мехатроникой, общества, отраслей производства, ее проникновение в другие науки.
Мехатронизация решает потребность ученых в неформальных транспрофессиональных организационных структурах, неформальном профессиональном общении за пределами административно – иерархического фактора, решает проблему времени, верней запаса времени, а он у человечества ограничен. Время на Земле запрограммировано Вселенной, и человечеству надо торопиться с развитием, чтобы достойно встретить перепрограммирование.
Именно мехатронизация с ее пониманием жизни, как «устойчивой неустойчивости и неустойчивой устойчивости», как «децентрализованной централизации и централизованной децентрализации» позволит человечеству ускорить процесс развития. Поразительным примером вышеизложенного являются биологические системы. Несмотря на то, что сами биологические системы (имеются в виду биоклетки) очень малы, они могут осуществлять весьма разнообразные и очень активные действия: вырабатывать различные вещества, изменять собственную форму и выполнять другие сложные операции.
Мехатронизация не может быть одним из направлений научно-технического процесса. Мехатронизация – это сам процесс, это само интеллектуализированное движение, которое не отодвигает человека от участия в движении, а заставляет мыслить другими категориями.
4.3.Мехатронизация и автоматизация
Если автоматизация недопроектированная и недоделанная мехатронизация в силу определенного научно-технического развития на тот момент, то в мехатронизации философия проектирования иная. Она использует синергетическую интеграцию мехатроники, искусственного интеллекта и совершенных источников энергии, требует временного, опережающего существующие научно – технические концепции, и пространственного интегрирования функций в инженерных устройствах и технологических процессах для производства качественно новых изделий, процессов и систем.
В основе проектирования сложных систем в мехатронизации лежит:
• функционально – структурный анализ и эволюционный синтез сложных технических систем. Функционально – структурный подход базируется на идее приоритета функции системы над ее структурной организацией с высокими результатами по выбранным критериям качества;
• методология параллельного проектирования систем;
• структурный синтез и оптимизация технических систем по критериям сложности. Эволюционный синтез предусматривает нахождение рациональных решений путем многоэтапной процедуры оптимизации. Поиск вариантов производится из базы перспективных структурных решений, которая открыта для развития и имеет иерархическую структуру.
Планирование исследования Луны при помощи роботов с элементами искусственного интеллекта должно остаться в прошлом. В мехатронизаци это рассматривается как планирование исследования Луны при помощи искусственного интеллекта с элементами высокоточных прецизионных приводов.
То же, а в принципе уже не то, изменена функциональная задача, а именно мехатронизация подразумевает, что так называемый робот – набор элементов высокоточных прецизионных приводов, и ему необходима структура обеспечивающая жизнедеятельность так называемого робота. Вот в чем разница между роботизацией и мехатронизацией, мехатронизация обеспечивает жизнедеятельность самого робота.
Изменена задача, и проектировщикам стыдно отправить груду металла с маленьким мозгом, они будут вынуждены создавать искусственный интеллект с выполнением закона мехатронизаци – максимально эффективное интеллектуализированное движение при минимальных затратах энергии и уже с учетом возможностей искусственного интеллекта и источника энергии комплектовать высокоточные приводы. Подход к проектированию и созданию совсем иной.
Надо помнить народную мудрость о том, что не бывает ничего более постоянным, чем временное, и сразу проектировать и создавать совершенные системы с максимально качественным решением функциональных задач.
Надо по – новому понять смысловую составляющую новой парадигмы, исходить из того, что мы отправляем в космос, пускай еще детский искусственный интеллект с высокого уровня мехатронной системой в составе мехатронизированного космического аппарата. Именно искусственный интеллект с элементами автоматики и робототехники (скорей мехатроники), а не наоборот.
Сама природа учит нас, как надо проектировать и создавать – вначале мозг и сердце эмбриона, а затем все остальное.
Мехатронизации присуще образование кластеров инновационных наук, объединение различных организаций, позволяющее использовать преимущества внутренней иерархии, дает возможность более быстро и эффективно распределять новые знания, открытия и изобретения.
Благодаря формированию устойчивых связей между участниками кластера в кластере происходит эффективное преобразование новых разработок и технологий в инновации. Инновационные кластеры создают такой механизм взаимодействия, который позволяет им сотрудничать с другими предприятиями, образующими кластер, и за его пределами. То есть в инновационных кластерах образуется элемент кооперации.
Учитывая, что отличительной чертой модели инновационного кластера в мехатронизации является синергетическая интеграция, т.е. сочетание различных наук и информационных технологий для проектирования, производства и эксплуатации интеллектуальных автоматических систем, то ядром инновационного кластера могут быть крупные научно-исследовательские учреждения, предприятия, выпускающие инновационную продукцию.
Таким образом, в мехатронизации весь процесс – от идей до производства и реализации потребителю инновационной продукции осуществляется в инновационном кластере.
Предложен главный драйвер развития на столетия – мехатронизация.
Глава 5
Безальтернативность
5.1.Интенсивность развития мехатронизации
В тртьей главе были предложены три степени развития мехатронизации, одной из которых является ANI – мехатронизация. Интенсификация мехатронизации пока идет по пути помощи человеку, а именно быстрее принимать лучшие решения. Исключение человека из сферы принятия решений на данном этапе интенсификации не наблюдается.
Именно уровень развития искусственного интеллекта, интенсификация развития составляющей искусственного интеллекта – нейронных сетей на данном этапе характеризует интенсивность развития мехатронизации в повседневной жизни общества и в экономике. Нейросети все еще находятся на начальном этапе развития и нуждаются в популяризации. Нейросети довольно часто выдают парадоксальные решения, поэтому разработчики в поисках пределов возможностей искусственного интеллекта ищут необычные способы его применения.
Рост вычислительных мощностей способствует распространению алгоритмов искусственного интеллекта, например перевод с иностранных языков – Google Translate работает с 2016г. с высокой номенклатурой языков для перевода, с высокими результатами при установке на телефоны, а Яндекс. Переводчик с 2017г с возможностью перевода на языки малых народов.
Для создания более универсальных интеллектуальных систем требуется другой подход. Это привело к тому, что исследователи искусственного интеллекта обратили внимание на биологические нейронные сети, которые лежат в основе человеческого мозга. Нейронные сети в искусственном интеллекте − это упрощенные модели биологических нейронных сетей. На этом сходство заканчивается.
Мозг человека гораздо более сложный объект, и поэтому воспроизвести его точно не представляется возможным, это почти то же самое, что создать «искусственную вселенную». Человек начал свое путешествие в искусственной вселенной, самостоятельно создавая ее – искусственные нейронные сети, например, версия Алисы – начало было с 3-слойной нейронной сети, а теперь используется огромная 120-слойная нейронная сеть. Алиса старается отвечать на произвольные фразы.
У нейронных сетей много важных свойств, но ключевое из них – это способность к обучению. Обучение нейронной сети в первую очередь заключается в изменении веса связей между нейронами, к настройке весовых коэффициентов для оптимизации заданного критерия качества функционирования нейронной сети. На сегодняшний день нейронные сети являются одним из приоритетных направлений исследований в области искусственного интеллекта, т.е. в интенсификации мехатронизации. Кроме этого развиваются и другие направления исследований в области искусственного интеллекта: генетические алгоритмы и многоагентные системы.
Интенсификация создания и применения искусственных нейронных сетей имеет большое значение для развития науки, совершенствования образования, техники и новых технологий, экономики и в целом общества. Все более интенсивное использование искусственных нейронных сетей в мехатронизации приведет к разработке новых мехатоприводов , совершенствованию функциональной электроники и источников энергии.
5.2.Основные направления применения искусственных нейронных сетей
С помощью нейронных сетей решаются задачи:
в области науки, научных исследованиях;
• в области проектирование и оптимизация сетей связи (нахождение оптимального пути трафика между узлами);
• в области распознавания речи и образов – наиболее популярного применения нейронных сетей;
• в области управления производством, торговлей. В результате использования нейронной системы осуществляется выбор оптимальной стратегии производства с точки зрения максимизации объёма продаж или прибыли;
• в области медицинской диагностики;
• в области проектирование и создания промышленной и специальной робототехники;
• в области проектирование и создания космической и авиационной техники;
• в области проектирование и создания военной техники, особенно техники с гиперзвуковыми скоростями;
• в области автомобилестроения и создания специальных транспортных средств;
• в области проектирование и создания медицинского и спортивного оборудования;
• в области проектирование и создания бытовой техники;
• в области проектирование и создания тренажеров для подготовки операторов сложных технических систем и пилотов;
• в области логистики транспортных потоков (железнодорожного, морского и автомобильного).
5.3. Исследование применения искусственных нейронных сетей
Альтернативы теории мехатронизации нет. Чем глубже человечество будет погружаться в космос и в земной океан, тем значимость мехатронизации будет возрастать. Для мехатронизации характерна такая черта как создание благоприятной среды для объекта с определенной функцией, поведение которой и последующее состояние описывается как предсказуемыми величинами, так и случайными (в целом стохастическими).
На первом этапе развития мехатронизации т.е. ANI – мехатронизации использовалась для решения практических задач. Детерминированность – способ решения, в котором определена однозначно последовательность шагов, одним и тем же исходным данным должен соответствовать всегда один и тот же результат.
На данном этапе развития нейронных сетей используется целевая детерминация, когда предполагаемые субъектом цели в его возможном будущем определяют его поведение в настоящем.
Второму уровню мехатронизации – общей мехатронизации, AGI – мехатронизации соответствует интенсификация процессов изучения, разработки и внедрения искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов и многоагентных систем.
Исследование применения искусственных нейронных сетей показывает направленность инновационных технологий на человека: создание жизненных удобств, снижения экологических проблем.
Так американская компания Caper создала тележки, оснащенные технологией искусственного интеллекта. Вместо того чтобы устанавливать интеллектуальную систему оформления покупок в самом здании, продуктовым сетям предлагается использовать «умные» корзины для покупок, позволяющие покупателям сканировать и оплачивать товары. Интегрированные датчики в тележке предназначены для идентификации товаров, выбранных клиентом – когда они помещаются в тележку, на экране отображается стоимость каждого товара. Версия тележки подразумевает, что клиент просто помещает товары в корзину, а встроенная технология распознает их.
Российский кластер инновационных наук разрабатывает систему, которая будет сортировать мусор с помощью искусственных нейросетей. Отмечается, что новая система будет выполнять задачу гораздо быстрее людей. Сортировщик с помощью вычислителя на основе нейронных сетей, производящего идентификацию видов твердых бытовых отходов и тактильного манипулятора, ответственного за перемещение распознанных объектов быстрее людей. На настоящий момент инженеры уже создали базовые алгоритмы распознавания отходов по категориям и занимаются опробованием в реальных условиях производства.
Специалисты компании Amazon Robotics разработали специальный жилет, который призван сделать взаимодействия сотрудников и роботов более безопасными. Безопасность является серьезной проблемой, когда речь идет о взаимодействии человека с роботом на рабочем месте. Исследования показывают, что по большей части аварии роботизированных систем возникают в нестандартных условиях эксплуатации, таких как программирование, обслуживание, тестирование, настройка или регулировка. Во время многих из этих операций человек может временно находиться в рабочей зоне робота, где непреднамеренные действия могут привести к травмам.
Важным в разработке и совершенствовании нейронных сетей, интенсификации мехатронизации является условие «движение навстречу друг другу». Например, можно совершенствовать источники питания, а можно совершенствовать с помощью нейронных сетей уровень потребления энергии.
Специалисты из компании IBM создали искусственный интеллект, работа которого основывается на взаимодействии нейронов человеческого мозга. Испытания показали, что новый алгоритм выполняет задачи так же эффективно, как обычная искусственная нейросеть, но при этом потребляет лишь 1% энергии.
Чип IBM, как и нейронная сеть, написанная на программном обеспечении, имитирует синапсы, которые соединяют отдельные нейроны в мозге. Эти синаптические подключения должны быть настроены для того, чтобы сеть могла обучаться. В своей разработке исследователи использовали два типа синапсов – краткосрочные для быстрых вычислений и долгосрочные для длительного хранения информации.
Если новая искусственная нейросеть получит распространение, вероятно, в будущем системы искусственного интеллекта смогут производить максимальное количество вычислений при минимальном потреблении энергии, может сделать машинное обучение более удобным для использования на небольших устройствах, таких как смартфоны.
Безопасность воздушных полетов является серьезной проблемой, особенно при взлете и посадке самолетов. Назрела необходимость использовать мехатронические элементы, т.е. создание умных посадочных полос, которые например, меняли бы силу сцепления колес самолета с поверхностью полосы, а сила сцепления оценивалась бы искусственной нейронной сетью, и таким образом уменьшилось бы число выездов за полосу. Создание беспилотных вертолетов для тушения пожаров, а скорее для недопущения пожаров при неудачной посадке самолетов. Вылет, рабочее тело для тушения, уровень высоты, с которой возможно тушение пожара на самолете определяла бы нейронная сеть.
Ярким примером условия мехатронизации «движение навстречу друг другу» может быть разработка инженерами Массачусетского технологического института робота, которым можно управлять с помощью силы мысли.
Машина, названная Baxter, умеет читать человеческие мозговые волны и движения мышц в режиме реального времени, чтобы определять, когда человек недоволен совершаемыми роботом действиями. Так, если человек думает, что была допущена ошибка, Baxter меняет тактику.
Пользователь может думать и совершать определенные жесты рукой, чтобы направить машину на выполнение другой задачи. Важно отметить, что система работает с людьми, которых она никогда не видела раньше, а это означает, что она может использоваться без необходимости обучать пользователей.
Инновация заключается в том, что данная технология предназначена для того, чтобы роботы действовали так, как хочет человек, без какой-либо предварительной подготовки. Конечная цель состоит в том, чтобы «отойти от мира, где люди должны адаптироваться к ограничениям машин», роботизированная система будет более естественным и интуитивным помощником.
Такая технология помогает сделать общение с роботом более похожим на общение с другим человеком. Разработчики надеются, что в один прекрасный день созданная ими система станет полезной для пожилых людей, а также людей с расстройствами речи или ограниченной мобильностью.
Решение насущной проблемы общества – сортировки мусора и его последующей утилизации по месту жительства может быть решена с помощью создания умных мусоросборников на основе искусственных нейросетей с обвязкой по номерам домов и квартир к данному мусоросборнику. В полной мере выполнению условия мехатронизации «движение навстречу друг другу» будет удовлетворять разработка документации по эксплуатации умного мусоросборника с контролем объемов закупки продуктов по мобильной связи и сдачи отходов по видам каждым жильцом и на основе набранной статистики искусственными нейросетями указывать уровень сдачи твердых отходов и дальнейший их вывоз.
Когда речь заходит о движении навстречу друг другу, то в мехатронизации это внедрение новых инновационных технологий с одной стороны, а с другой стороны − законодательные инициативы общества по эксплуатации инновационных технологий.
Французская фирма Wandercraft разработала экзоскелет, с помощью которого пациент с полным параличом нижней части тела сможет ходить без костылей и ходунков. Роботизированное устройство, получившее название Atalante, использует сложные компьютеры и двигатели, чтобы подражать ходьбе людей.
Atalante имеет две подвижные ноги и спинку, которые прикрепляются к пользователю через ремни, помогающие равномерно распределять давление. Микрокомпьютер определяет, как машина должна балансировать и ходить. Пациент может использовать жесты для управления устройством. На данный момент устройство двигается относительно медленно, но в дальнейших версиях ожидается значительное улучшение данного показателя. Важнейшим фактором является то, что устройство должно найти идеальный баланс, чтобы не навредить пациенту
Как уже отмечалось ранее, на сегодняшний день системы искусственного интеллекта достигают наилучших результатов, функционируя совместно с человеком.
Российские специалисты из Национальной технологической инициативы AutoNet разрабатывают проект программно-аппаратного комплекса с элементами искусственного интеллекта, который будет призван уменьшить дорожную нагрузку и повысить среднюю скорость движения машин в городах.
Сообщается, что работа системы будет осуществляться благодаря обмену данными о дорожной обстановке в режиме реального времени. Для этого большая часть автомобилей в городе должна будет иметь модули связи V2X, обеспечивающие обмен данными между транспортом и инфраструктурой.
Таким образом, автомобили будут направлять системе информацию о своем местоположении, работе светофоров и дорожной обстановке, в то время как программное обеспечение с искусственным интеллектом будет изменять трафик.
Стоит отметить, что вся информация, передаваемая транспортными средствами, будет обезличена в целях безопасности. Предполагается, что использование новой технологии будет бесплатной, но отклонение от предлагаемого маршрута будет предусматривать определенный «штраф»
Нейронные сети, являющиеся одним из перспективных направлений развития мехатронизации, были созданы в результате наблюдения за процессами, происходящими в нервной системе человека.
Наблюдения за процессом эволюции живых организмов привели к созданию нового направления в области искусственного интеллекта, к генетическим алгоритмам, занимающихся созданием упрощенных моделей эволюции живых организмов для решения задач оптимизации.
По Джону Холланду эволюционируют не сами живые существа, а хромосомы, из которых они состоят. В дальнейшем Холланд выдвинул несколько гипотез и теорий, помогающих лучше понять природу и принципы работы генетических алгоритмов. Следует отметить, что с помощью генетических алгоритмов успешно могут решаться задачи, для которых ранее использовались только нейронные сети. Сегодня становятся более популярными методы решения задач, основанные на совместном использовании нейронных сетей и генетических алгоритмов.
Рассмотренное развитие искусственного интеллекта, а вместе с ним мехатронизации формирует на наших глазах «искусственную вселенную», были звездные системы – нейронные сети и генетические алгоритмы, с применением многоагентных систем в искусственном интеллекте в «искусственной вселенной» как бы появляются галактики.
В многоагентных системах решение какой-либо задачи сводится к созданию некоторой одной интеллектуальной системы, называемой агентом.
Знания, способности и вычислительные ресурсы агента способны решить некоторую глобальную проблему.
Для решения сложной задачи необходимо создать некоторое множество агентов и организовать между ними эффективное взаимодействие, что позволит построить единую многоагентную систему. Каждому агенту присваивается некоторая роль, сложность которой определяется исходя из возможностей агента.
Для организации процесса распределения задачи в многоагентных системах создается либо система распределенного решения проблемы либо децентрализованный искусственный интеллект. Первый вариант требует некоторого единого «центра».
Децентрализованный искусственный интеллект использует распределение заданий в процессе взаимодействия агентов и носит больше спонтанный характер. Многоагентные системы – это активно развивающееся направление искусственного интеллекта, которое в настоящее время еще находится в стадии становления.
Глава 6
Мехатроницизм
6.1. Механицизм
Механицизм – метод познания, основанный на признании механической формы движения материи единственно объективной. В своем конкретном применении механицизм выступает как крайняя форма редукционизма. Для механицизма характерно отрицание качественной специфики более сложных материальных образований.
Механицизм – как метод сведения сложных явлений к механике, физическим причинам, и противопоставлялся, витали́зму – учению о наличии в живых организмах нематериальной сверхъестественной силы, управляющей жизненными явлениями. Теория витализма постулирует, что процессы в биологических организмах зависят от этой силы, и не могут быть объяснены с точки зрения физики, химии или биохимии.
Выдвигая на первый план механические формы движения, механицизм переносит понятия механики в область физики, химии и биологии и в духе механики трактует такие философские категории, как причинность, взаимосвязь и др. На протяжении нескольких столетий (вплоть до начала XX в) причинность действительно подразумевала существование некого механизма.
Понятие причинности стали использовать и при рассмотрении дальнодействия, например, в случае тяготения. Согласно концепции Ньютон, причинность присуща самой природе физического мира. Следуя такой концепции, Ньютон ввел универсальную силу тяготения, как причину эллиптичности планетных орбит.
Совершенно иное толкование причины и следствия предложил Кант. Находясь под сильным влиянием науки той эпохи, Кант вступил в защиту системы небесной механики и даже существенно дополнил ее в работе “Всеобщая естественная история и теория неба” (1755 г.). Нельзя сказать, что механическое движение не связано с каким-либо отдельно взятым структурным уровнем организации материи.
Взять хотя бы используемый природой – Вселенной «метод центрифугирования» (от авт. предлагается введение в космологию) для создания различных форм мироздания (можно сказать с помощью этого метода создаются уровни организации материи). Этот метод наряду с гравитацией, с сенсибилизацией позволил создать солнечную систему, планеты солнечной системы.
В этой связи хотелось бы отметить Ломоносова М. В. со сформулированным им законом в 1748 году в следующем виде: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Ломоносов М. В., своей формулировкой, предопределил закон связи причины и действия, а именно перераспределение – диффузии материи из области с высокой концентрацией в область с меньшей концентрацией. Можно предположить, что перераспределение – диффузия материи из области с высокой концентрацией в область с меньшей концентрацией приводит к тому, что возникает поле высочайшего напряжения между этими областями, препятствующее дальнейшему перераспределению – диффузии материи, что в свою очередь приводит к взрыву и движению в бесчисленном множестве форм, объектов и систем.
Может быть, именно это мы и наблюдаем сейчас в ближайшей к нам (несколько миллиардов световых лет) области Вселенной. Таким образом, прогресс науки выявил ограниченность механицизма. Факт того, что система может описываться законами классической механики, не говорит о том, что каждый ее элемент или немеханические объекты подчиняются действию этих законов.
Объяснить с точки зрения механики химические, электромагнитные, биологические и социальные явления невозможно. Достижения естествознания разрушили механистическую картину мира и требуют нового диалектико-материалистического объяснения природных и общественных процессов.
6.2. Мехатроницизм
Мехатроницизм – мировоззрение, уточняющее развитие природы и общества законами мехатронизации, а именно законами интеллектуализированного движения материи. Неудачи в плане понимания механизмов целесообразности мира есть результат непонимания конечной цели Вселенной, самой природы.
Оценка природы через моделирование отражает наиболее существенные стороны явления и не учитывает второстепенных сторон. Это впоследствии может привести процесс познания в тупик, потому что через неучтенные стороны реальное явление остается необъяснимым.
Состояние Вселенной можно охарактеризовать словами: устойчивая неустойчивость и неустойчивая устойчивость, децентрализованная централизация и централизованная децентрализация. Отказ от противоречивости приводит к самообману, так как сама природа изначально противоречива. Именно от этих состояний материи отталкивается мехатроницизм.
С ростом сложности структуры системы растет количество факторов, определяющих ее поведение. Особенно наглядно это видно в случае живых организмов. Если в плане понимания законов, управляемых «неживой материей» наука достигла определенных успехов, то понимание феномена жизни для нее, похоже, недостижимо без коренной перестройки самих ее основ.
В основе мехатроницизма лежит мехатронизация, составляющей которой является мехатроника, которая в свою очередь синергетически связана с прецизионной механикой, подчиняющейся законам механики. Любая, сколь угодно сложная и развитая форма движения материи заключает в своем составе механическое движение как одну из сторон. Поэтому мехатроницизм использует законы механики в познании Вселенной, и только.
Законы логики порождены опытом человеческих действий, опытом человеческого познания, накопленным опытом повседневной практики человечества. Они порождены миром, то есть всеми теми отношениями, в которые вступает человек. Гуманитарная культура склонна к холизму в силу того, что содержание ее духовных ценностей обычно не поддается окончательному анализу и пониманию или вообще еще не познано. Мозг при этом является специфической структурой, посредством которой разум осуществляет свою деятельность.
Мехатроницизм не оставляет в отличие от механицизма без внимания условия, при которых мозг действительно мыслит. Мехатроницзм учитывает потребности людей, их самостоятельной выработки целей и критерий отбора действий, учитывает все действительно движущие причины процесса мышления.
Веками люди наблюдали сложное движение планет по небу, сравнимое по сложности с многообразием характеров и судеб людей, с разнообразием качественных и количественных состояний. Предположительно целостность системы обеспечивается возможностью самоконтроля Вселенной через пространственную фазу муаровой картины, возникшей в результате дифракционно – интерференционных физических процессов распространения электромагнитных волн.
Мехатроницизм – мировоззренческая позиция, которая изначально двуедина. Исходя из того, что материя может принимать различные формы, мехатроницизм не отталкивает, ни одну из форм, в том числе и нечто идеальное. Точно также мехатроницизм приверженец концепции единства мира через материалистическое мировоззрение. Данная приверженность обладает большей обоснованностью.
Устанавливается иерархия форм материи – налицо переход от движения силы к движению разума. Разум требует все большей свободы и подчинения движения силы движению разума, не игнорирующего принцип творческого развития и конкретности истины.
Человеческое сознание активно влияет на процессы материальной жизни людей. Сознание обеспечивает функционирование и развитие общества как целого. Учитывая эту особенность социального движения, Ф. Энгельс определял человеческое мышление как специфическую форму движения материи. В своем развитии специфическая форма движения (жесткая централизация, идеология, религия) отчасти задержало человечество в своем развитии и оно отстало от развития материи.
Социальное движение не может осуществляться без развития индивидуального и общественного сознания, без сенсибилизации. Мехатроницизм не отрывает сознание от материи и его двуединство не означает дуализм
6.3. Мехатроницизм и искусственный интеллект
Искусственный интеллект определяющая составляющая мехатронизации и естественно мехатроницизма. Мехатроницизм через искусственный интеллект (ИИ) решает вопрос познания природы человеческого интеллекта.
Предполагается, что ИИ будет способен проявлять человеческое поведение . ИИ станет разумным тогда, когда человек не сможет понять, что разговаривает с ИИ, когда ИИ будет способен чувствовать и творить. Мехатроницизм двуедин и он выбирает комбинированный подход в создании искусственного интеллекта, который предполагает, что синергийная комбинация нейронных и символьных моделей достигает полного спектра когнитивных и вычислительных возможностей.
Гибридные информационные системы будут значительно более сильными, чем сумма различных концепций по отдельности. Мехароницизм предполагает, что умственный труд человека не подлежит автоматизации, поскольку автоматизация сама есть результат недостаточности умственного труда.
Автоматизация – устаревшая парадигма, она отводит искусственному интеллекту в решении функциональных задач вторые роли, а это приводит к неправильным решениям даже в выборе источника энергии, так, как всем известно, что интеллект (условно мозг) потребляет больше энергии, чем другие элементы (органы) автоматизации (человека).
Настал исторический период, когда человечество должно в своей жизнедеятельности во всем ставить искусственный интеллект на первые роли.
В последние десятилетия складывается ситуация, в которой человек уже не в состоянии воспринять и переработать весь объем информации.
Интеллектуальная деятельность потребовала решения новых задач, не возникавших ранее в теории автоматического управления. Прогресс в области цифролизации практически всех сфер деятельности человека, в том числе в мехатронике и робототехнике связан с тем, что часть интеллектуальной нагрузки берут на себя компьютеры. Одним из способов достигнуть максимального прогресса в этой области, является искусственный интеллект.
Появление искусственного интеллекта решает вопрос интеллектуализации движения – основы мехатронизации и нового мировоззрения – мехатроницизма, объясняющее развитие природы и общества законами мехатроники, искусственного интеллекта и соответствующих источников энергии.
Человечество, вооруженное искусственным интеллектом, устремляется предположительно к той же цели, что и Вселенная, а именно к созданию «Вечного Двигателя».
Заключение
В результате исследований совокупности новых научно-технических концепций, определяющей конкретные исследования и разработки можно сделать вывод, что они должны быть объединены под новой парадигмой, а именно под общим названием – мехатронизация.
Старая парадигма – автоматизация, выполнила свое назначение на определенном этапе развития общества, но в ней есть один немаловажный фактор – автоматизация неэффективности – неэффективна, мехатронизация исключает данный фактор.
Изложен основной закон мехатронизации – максимально эффективное интеллектуализированное движение при минимальных затратах энергии.
В ходе проведенного исследования обосновывается необходимость введения определения мехатронизация в терминологию технического прогресса.
Даже, если однажды подтвердится телепортация, то и она будет легко освоена в мехатронизации как мехатронная технология интеллектуального движения.
Кроме того в результате исследований совокупности новых научно-технических концепций, определяющей конкретные исследования и разработки можно сделать вывод, что развитие мехатронизации, степень мехатронизации всеобъемлюще будет связано с использованием искусственного интеллекта.
Степень мехатранизации связана с уровнем развития искусственного интеллекта, применяемого в мехатронизированной системе.
Приводы и источники энергии будут соответствовать интеллекту данной степени мехатронизации.
Предлагается три степени мехатронизации: ограниченная, ANI – мехатронизация; общая AGI – мехатронизация; супер ASI – мехатронизация
В результате исследований совокупности новых научно-технических концепций, определяющей конкретные исследования и разработки можно сделать вывод, что в производительную силу общества, важнейший социальный институт наука превращается тогда, когда имеет место кооперативный эффект. Это значит, что наука живет в сообществе наук, и тогда личностные свойства имеют меньшее значение, чем их поведение в сообществе. Таким кооперативным эффектом обладает новая парадигма – мехатронизация.
Изложена необходимость социальной и когнитивной институционализация новой парадигмы, подготовка специалистов транспрофессионалов, этаких “хаусмастеров” в науке.
Рассмотрено использование инновационных кластеров и отражена необходимость крупных кластеров, в составе которых будут учреждений высшего образования, научно-исследовательские организации и крупные холдинги, в мехатронизации и на примере этих кластеров мы будем наблюдать эффективность децентрализованной централизации.
В ходе исследования направлений интенсификации мехатронизации и одной из составляющих мехатронизации – искусственного интеллекта, установлен факт ускоренного применения искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов и освоения многоагентных систем для решения новых функциональных задач науки, техники и производства стоящие перед мехатронизацией.
Подтверждается определение мехатронизации как интеллектуализированное движение материи во времени и пространстве в бесчисленном множестве форм, объектов и систем и этот процесс расширяется и ускоряется.
Изложено и обосновано новое мировоззрение – мехатроницизм, воззрение соответствующее новому развитию наук, согласно которому системы могут описываться законами интеллектуализированного движения, законами мехатронизации.
