Кибернетическая физика приходит в мир машин

В последнее время как-то незаметно, но все больше и больше заговорили о кибернетической физике. Появляются монографии, посвященные этой дисциплине, например – Фрадков А.Л. «Кибернетическая физика». СПб.: Наука, 2003. Кибернетическая физика – это, проще говоря, применение кибернетических методов к исследованию и описанию физических систем. Физические системы тут трактуются широко, скорее как объекты материального мира. Ими могут быть и механические устройства, и химические технологии, и живые существа.

Обычно историю киберфизики отсчитывают от работы Ott E., Grebogi C., Yorke G. Controlling chaos. Phys. Rev. Lett. 1990. V.64. (11) 1196-1199. «Управление хаосом» звучит жутковато, и навевает мрачные мысли о всевластии ZOG и всяких там «цветных революциях» да арабских вёснах, когда движения толп народа на площадях служат всяким там черным целям. Но на самом деле все достаточно просто – в статье этой описывалось, что хаотическую систему путем подачи на нее совсем-совсем маломощного управляющего воздействия можно перевести в систему с периодическими (а в отечественной терминологии теории автоматического управления – квазипериодическими) движениями.

Движения эти, конечно, происходят в фазовом пространстве, переводя фазовый портрет, совокупность координат, которые описывают состояние системы, из одного состояния в другое. У хаотической системы состояние это непредсказуемо – самое малое отклонение начальных или краевых условий переведет систему в очень разные состояния. Ну, вот простейший пример хаотической системы – зеркало. Ударим мы этим изделием из переохлажденной жидкости, каковой является стекло, и побегут по зеркалу трещины. Причем побегут в непредсказуемом порядке.

Или еще лучше – бить зеркала плохая примета, да и прямой ущерб – сделаем двойной математический маятник. Математический – не в смысле того, что он существует в виде абстракции. Нет-нет, самый что ни на есть объект материального мира, грузик на шнурке. А к грузику этому прикрепим еще один шнурок, на конце которого закрепим еще один грузик. До бесконечности процедуру можно не повторять – двойного математического маятника хватит для того, чтобы получить пример хаотической системы, совершающей непредсказуемые движения при малых отклонениях начальных условий.

Не описать хаотические системы методами классической механики. Не помогут в этом самые большие вычислительные мощности, используемые «как калькулятор». То есть – инструменты кибернетики тут бесполезны. А вот методы – наоборот, могут качественно изменить ситуацию. Что у нас кибернетика? Управление и связь? Вот вводим управление и обратные связи – и получаем качественно иную картину. Предсказуемой и даже полезной системы.

Принципиальная возможность этого была известна очень давно. Когда-то авиаторы тридцатых годов прошлого века столкнулись с выбором. Устойчивый самолет, ну, скажем как учебный У-2, прощал летчику многие ошибки, но платить за это – особенно с ростом скоростей и нагрузок – приходилось падением маневренности. Нужна на скоростях маневренность – резко росли нагрузки на пилота, требования к его квалификации, как на высотных «строгих» МиГ-3. На практике выбирался какой-то компромисс. Ну а потом, по мере развития технологий, появилась возможность совместить несовместимое.

Советский летчик-испытатель , Герой Советского Союза Дмитрий Васильевич Зюзин (1921-1976) в вышедшей в 1958 году книге воспоминаний «Испытание скоростью» рассказывал об испытаниях некоего прибора, который компенсировал ошибки пилотирования пилота, скажем, не давая машине салиться в штопор. И испытывали этот прибор в учебном бою, фиксируя результат на лентах фотопулемета. Результат был поразительным – прибор позволял пилоту, не боясь ошибок, совершать самые сложные и нужные в бою маневры. Подробностей книжечка в бумажной обложке не содержала, любили мы тогда секреты.

Потом на службу в ВВС СССР пошли машины с принципиально неустойчивым – зато очень маневренным – планером. Запас устойчивости, необходимый для нормального полета, в контур вводился системой управления. Летали и летают эти машины «по проводам». А о существовании их советские подростки эпохи заката узнавали уже из ГДРовского армейского журнальчика Armeerundschau – у нас тогда секретили все на свете…

Но это – системы просто неустойчивые, никак не хаотические. Впрочем, и их стабилизация в реальном времени требует очень больших вычислительных ресурсов. Вот как в вышедшем без малого два десятка лет назад романе «Диаспора» австралийский фантаст Грег Иган описал (русский перевод Конрада Сташевски) проблемы, с которыми столкнулись исследователи многомерного мира:

«Двуногие существа в макросфере были бы еще неустойчивее тренажеров-кузнечиков на Земле; все же и такие тела можно было бы использовать, отводя на динамическую балансировку существенные вычислительные ресурсы, но никто в К-Ц не изъявил желания одеть столь неправдоподобное пятимерное тело. Четвероногие тела на четырехмерной гиперповерхности сохраняли только одну степень неустойчивости, а если левую и правую пару ног выставить по ортогональным линиям в гиперальной плоскости, возникала своего рода крестоопора, и проблем с перемещением вперед-назад было не больше, чем у двуногого существа — с ходьбой по двумерной земле. Шестиногие макросферные существа были бы еще устойчивее, как на Земле — четвероногие, но на предмет возможных мутаций в существа с двумя руками, способные вертикально стоять, для них имелись сомнения. Казалось, что переход к восьми конечностям потребует меньших эволюционных усилий. Орландо больше заинтересовался не динамикой естественного отбора, а возможным внешним видом Алхимиков, но, как и Паоло, остановил выбор на четвероногом и четвероруком теле. Кентавроподобных верхних половин туловища не понадобилось. Гиперальная плоскость вокруг плеч и бедер оставляла вполне достаточно места для новых сочленений.»

Как видим, слишком большие вычислительные мощности, которые требовались бы для управления двуногим телом, заставляют персонажей Игана – существующих и в родной вселенной в форме вычислительных процессов – менять число конечностей. Так проще для встроенной вычислительной системы… Двадцать лет назад это было фантастикой. А сейчас достижения киберфизики «оживляют» немыслимые для классической инженерии устройства.

Моноспиннер на старте...
Моноспиннер на старте…

Посмотрим на это видео – The Monospinner: a controllable flying vehicle with a single moving part. Monospinner – дрон, с единственной движущейся частью. Все, видимо, видели драматические голливудские съемки геликоптера, у которого повреждают задний винт, и машина картинно врезается в окружающий пейзаж. А Monospinner способен не только летать – это и кирпич умеет – но и управляться. Такую способность придает ему киберфизика. Так что можно ожидать скорого пришествия в мир машин, невозможных с точки зрения классических «Механизмов» академика Артоболевского, и робототехники, отказавщейся от патентов живой природы с ее медленными нейронами.

Что будем искать? Например,ChatGPT

Мы в социальных сетях