Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Кроме того, проводится математическое моделирование органов слуха. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в Лейденском университете в связи с исследованием механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить механизм слуха и, в частности, объяснить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике. Одна зарубежная фирма создала электронную модель уха, обеспечивающую, подобно человеческому уху, различение слабых сигналов на фоне шумов за счет корреляционного процесса. Другая разработала модель внутреннего уха, где используются аналоги нейронов — нейромимы.

Интересная разработка выполнена сотрудниками Ленинградского электротехнического института связи имени проф. Бонч-Бруевича. Они создали систему, получившую название "электронное ухо". Электронный прибор определяет, насколько хорошо звучат музыкальные инструменты. Для оценки качества звучания гитары устройству требуется меньше минуты, тогда как весьма компетентный экспертный совет затрачивает на это несколько часов. "Электронное ухо", как опытный педагог-музыкант, выводит инструменту "отметку" по пятибалльной системе.

Уже первый опытный экземпляр "электронного уха" позволил организовать своеобразный "конкурс ушей". Гитарист за занавесом по нескольку раз исполнял специально составленную программу. "Электронное ухо" работало параллельно с советом экспертов. Эксперты-музыканты ставили оценки, на основе которых каждому инструменту был выведен средний балл. Когда их сравнили с оценками прибора (эксперты до этого ничего не знали об оценках, поставленных "электронным ухом" тому или иному инструменту), получилось полное соответствие.

Рис. 4. Блок-схема аналоговой модели уха (по В. Колдуэллу, Э. Глессеру, Дж. Стюарту)

Ряд удачных моделей уха создан фирмами и учебными заведениями США. Примером может служить аналоговая модель уха, разработанная американскими учеными В. Колдуэллом, Э. Глессером, Дж. Стюартом. Модель предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произнесенные разными людьми. Блок-схема устройства показана рис. 4.

Из рисунка ясно, что блоки системы точно воспроизводят функции, которые выполняют разные части человеческого уха. Так, входной предусилитель модели играет роль ушной раковины, которая усиливает звук, передаваемый ею на барабанную перепонку. Второй каскад выполняет функцию среднего уха.

Почему человек не слышит звуков, частота которых превосходит 20 кгц? Потому что колебания такой частоты очень плохо воспроизводятся барабанной перепонкой и слуховыми косточками. Дело в том, что эти части уха слишком тяжелы и не успевают колебаться вслед за слишком "быстрыми" ультразвуковыми колебаниями. Иначе говоря, амплитуда ультразвуковых колебаний "на выходе" из среднего уха равна нулю. Но те же слуховые косточки плохо передают низкие частоты в несколько герц — колебания получаются слишком медленными и очень слабыми. Таким образом, среднее ухо работает так же, как обычный узкополосный (резонансный) усилитель, более или менее одинаково усиливающий колебания в диапазоне от нескольких герц до 20 кгц (второй каскад блок-схемы). "Усилителем мощности", рассеиваемой в улитке уха (третий каскад блок-схемы), служит вся гидравлическая система улитки, в которой создается давление на чувствительные элементы (оно должно быть достаточным для четкого восприятия звука). Модель улитки представляет собой линию с распределенными R, L, С, к разным точкам которой подключены "чувствительные элементы" — усилители. В разных точках аналога улитки (линии с распределенными параметрами), к которым подключены усилители, звуковой сигнал звучит по-разному. Исследователей интересовали только величины его амплитуд в разных точках, а не частоты; поэтому усилители (они же чувствительные элементы) еще детектировали усиливаемый сигнал, так что на экране осциллографа изображалась по очереди форма огибающих сигнала, соответствовавшая разным частотам. Очередность подачи на вход осциллографа сигналов с разных точек "улитки" обеспечивал коммутатор. Аналогичного устройства в ухе нет, но предполагается, что сигналы возбуждения, передаваемые нервными волокнами, претерпевают в мозге весьма сложную коммутацию: "оттуда — сюда, отсюда — туда".

Результаты исследования "звуковых узоров", воспроизводимых моделью на экране осциллографа, получились весьма неожиданными. Оказалось, что "узоры", соответствующие одному и тому же звуку или фонеме, произносимым одним человеком, зачастую совершенно непохожи друг на друга. Например, при 100 повторениях буквы I (ай) одним и тем же лицом получалось 30 различных картин. Так что мозг и слуховой аппарат человека производят поистине титаническую работу, отыскивая признаки, по которым можно определить (и действительно определяют!), что слово "бионика", произнесенное гнусавым басом и свистящей фистулой, — одно и то же слово.

Способность человеческого мозга разбираться с помощью слухового аппарата в джунглях звуков, выделять из кажущегося хаоса значимые формы является одним из его самых чудесных свойств. В раскрытии этого свойства, его моделировании ныне кровно заинтересована бионика, пытающаяся внести свой посильный вклад в решение одной из важнейших современных проблем, которую кратко именуют "человек-машина".

Представьте себе такую гипотетическую ситуацию.

Скорая помощь привезла в больницу тяжелобольного. Человека положили на операционный стол. Положение чрезвычайно серьезное, дорога буквально каждая секунда: хирург должен сейчас, сию минуту принять решение, а диагноз заболевания еще далеко не ясен. Остается одно — обратиться за помощью к имеющейся в больнице диагностической вычислительной машине, в "памяти" которой накоплен огромный опыт врачей многих стран и поколений. За доли секунды она может "просмотреть" тысячи историй болезни, найти аналогии и на основе их анализа поставить абсолютно точный диагноз. И даже дать рекомендации по лечению. Хирургу нужно задать всего лишь один вопрос своему электронному консультанту. Только машина может дать единственно правильный ответ, и она может сообщить его почти мгновенно. Получив точный диагноз, выиграв время, можно приступать к операции...

Но... Существующие сейчас электронные вычислительные машины, находящиеся на вооружении промышленных предприятий, научно-исследовательских организаций, больниц и клиник, глухи и слепы! Всю информацию они собирают на ощупь, с продырявленных — перфорированных — карточек и лент. С электронными вычислительными машинами мы разговариваем не на своем языке, не так, как удобно нам, а так, как удобно им, машинам. Здесь принята сложная система программ, специальных машинных языков. Машинный язык — язык цифр. Какую бы задачу, вычислительную или логическую, ни решала бы быстродействующая электронная вычислительная машина, она совершает операции над цифрами и только над ними. Тысячи математиков и программистов заняты составлением алгоритмов и программ для машин, или, иными словами, переводом рабочих заданий с языка человеческого на язык машинный. Представьте себе бригаду землекопов, насыпающих по лопатке ковш гигантского экскаватора, — нечто подобное происходит и в современных вычислительных центрах. В нашем же конкретном случае вопрос хирурга попадает в диагностическую машину не раньше чем через час — время, требуемое для кодирования вопроса и перфорации ленты или карты. А час — это очень много, когда приходится сталкиваться с цейтнотом в "игре", где ставка — жизнь. Вот и приходится врачу в подобных случаях надеяться лишь на собственный опыт да интуицию.