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.

Реклама на Компьютерре

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.