Біокібернетика Миколи Амосова | Історія ІТ в Україні

Біокібернетика Миколи Амосова

Микола Михайлович Амосов відомий насамперед як хірург – один із найкращих у світі. Однак мало хто знає, що він також є засновником біокібернетики в Україні. Микола Амосов був не лише лікарем, а й талановитим інженером: саме він зробив перший в Україні апарат штучного кровообігу, працював над питанням штучного інтелекту і навіть зміг за відсутності матеріалів викроїти тристулковий серцевий клапан із нейлонової сорочки. Його прагнення до всебічного пізнання людини визначило ще один, не менш важливий, напрям зацікавлень Миколи Михайловича – моделювання фізіології, мислення, психіки та соціальної поведінки людини.

EVM_Biokibernetika

Біографії:

Amosov
Амосов Микола Михайлович

В 1960 році в Інституті кібернетики АН УРСР за підтримки В. М. Глушкова був створений відділ біокібернетики. Понад 30 років його незмінним керівником та ідейним натхненником був Микола Амосов.

У своїй книзі спогадів «Голоси часу» М. Амосов розповідає, що його кібернетика почалася із знайомства з ученицею С. О. Лебедєва – Катериною Шкабарою: «Пам’ятаю, як на нашій сцені з’явився новий персонаж із дуже серйозними наслідками – Катерина Олексіївна Шкабара. Від неї почалася моя кібернетика: вона просвітила, дала книжку Ешби, потім Вінера, познайомила з академіком В. М. Глушковим. Дуже мудра жінка. Але лідер. Навіть занадто. Через це потім і розійшлися – намагалася командувати. Проте саме вона створила для мене відділ біокібернетики у складі Інституту кібернетики».

Біокібернетика в Україні почалася від створення комп’ютерних програм для діагностики хвороб. Амосов згадує: «Кібернетику ми почали з діагностичних машин. Катя (Шкабара) розповіла про перфокарти, я розробив форму історій хвороб, щоб були ознаки хвороб: набивай їх на перфокарти, встромляй в машину –  матимеш діагноз. Звісно, що перед тим слід зробити статистику – з якими ознаками хвороба. Це також моя робота. Якраз доречно з’явився Озар Мінцер. Він налагодив механічну обробку перфокарт. Одразу зауважу, що з цим медичним напрямом кібернетики нічого не вийшло: машина погано ставила діагнози. Зрештою, користь таки була: ще й досі діє так звана «формалізована» історія хвороби. Всі ознаки мають бути підготовані завчасно, лиш підкреслюй, виставляй цифри і зовсім трохи тексту – ось і допомога лікарям».

У відділі біокібернетики Амосов керував роботами навколо математичного моделювання фізіологічних органів та систем, з урахуванням можливостей людини, з використанням обчислювальної техніки та теорії керування. Під його керівництвом були проведені фундаментальні клініко-фізіологічні дослідження системи саморегуляції серця.

Беручи до уваги результати цих дослідів, вчені спромоглися створити кілька апаратів штучного кровообігу з оригінальною конструкцією. Однак спершу однією з найважливіших ідей була ідея створення діагностичної та лікувальної машини, здатної до самонавчання. Саме ця ідея стала підґрунтям самостійного наукового напряму – медичної кібернетики.

Створення першого в Україні апарата штучного кровообігу (АШК) дало початок новому етапу хірургічної практики в клініці Амосова. А все почалося з того, що в жовтні 1957 року Микола Михайлович у складі радянської делегації поїхав до Мексики на конгрес хірургів. У тому відрядженні Амосов дізнався чимало нового як на професійному, так і на побутовому рівні. По-перше, на його думку, «немає кращих людей під час подорожей за кордон, ніж хірурги. Вони не є скнарами, вільно теревенять про політику, крамолу добирають і читають по черзі, не приховуючи. На стриптиз ходять. Горілку п’ють». По-друге, на тлі досягнень американської техніки Микола Михайлович побачив величезні прогалини вітчизняної науки, попри помпезність радянських керівників. А найголовніше – Амосов став свідком унікальної операції, яка кардинально змінила його подальше життя. «Найбільшою подією поїздки до Мексики була операція з АШК, яку мені пощастило побачити вперше в житті, – напише в своїх спогадах видатний хірург. – Ми дивилися втрьох: Б.В. Петровський, О.О. Вишневський і я. Пригадую велику будівлю, гарну операційну, лікаря середнього віку – типового мексиканця. Оперували хлопчика років дванадцяти з приводу тетради Фалло, з апаратом штучного кровообігу найпершої моделі Лiллігая. Знав про нього з журналів. Груди розітнули впоперек, дістали серце, впорснули гепарин i приєднали АШК. Запустили помпу, штучний кровообіг почався. Взагалі хірург вдало зробив операцію, зашив отвір у перегородці серця, розширив вхід до легеневої артерії. Враження величезне. Хай там що, але треба якнайшвидше добути АШК i почати оперувати! Тільки ж у нас нічого немає. Я чув, що в Москві, в Інституті інструментарію мають справу з АШК, та для Києва це недоступно. Отже, потрібно робити апарат самотужки! Конструкція не така вже й складна – я ж інженер. Проте в нас нема таких трубок і головне – нема гепарину проти згортання крові. Та я маю ще 15 доларів! Я не втримався: знайшов крамницю з медичними засобами і, виклавши всі свої збереження, купив трубки та трохи потрібних ліків. Подорож скінчилася, залишилися наслідки. Принаймні два: анестезіологія і штучний кровообіг».

Повернувшись до Києва, Амосов відразу ж узявся до ескізів апарату штучного кровообігу. За тиждень він накреслив рисунок за всіма інженерними правилами. Принцип кров’яної помпи Амосов запозичив у Креффорда. Оксигенератор для насичення крові киснем – у Ліллігая. Машина вийшла не дуже складна, але вона потребувала точності. Знайшлися й інженери-ентузіасти, але бракувало тисячі карбованців. Добули. Апарат виготовили за два місяці, і вже в 1957 році вперше випробували його. Постали труднощі, але їх перебороли, і нарешті 10 березня 1960 року хлопчика з тяжкою вадою серця успішно прооперували, застосувавши АШК. Микола Амосов не був першим в СРСР хірургом, який робив операції на серці за допомогою АШК. На півроку його випередив О. Вишневський. Він зробив операцію за допомогою апарата, що його створив московський Інститут інструментарію. Другим був Інститут Бакулєва. Вони запросили бригаду з апаратом штучного кровообігу з Англії. Англійські лікарі зробили п’ять операцій з одним смертним випадком, залишивши апарат в СРСР. І хоч Амосов був третім, проте його Інститут зробив найбільше операцій з мінімальною смертністю хворих.

Того ж таки 1957 року помічники Миколи Михайловича В. Ліщук і О. Лисова створили справжню експериментальну лабораторію для дослідження серця, оздобивши її всіма технічними засобами. Серце випробовували як помпу: реєстрували характеристики зміни роботи серця, підвищуючи венозний підпір. Спочатку це була лабораторія, де вдосконалювали операції з АШК, а потім там почали ще вести фізіологічні дослідження серця за участю інженерів і математиків. Згодом на базі тієї лабораторії хірурги на чолі з Амосовим освоювали протезування серцевих клапанів, а ще пізніше – трансплантацію серця.

Як і з АШК, лікарі зазнали чимало труднощів з серцевими клапанами. «Дітей, старших шести років, ми вже могли оперувати з основними природженими вадами серця, а от із набутими вадами зазнали цілковитого провалу, – бідкався Амосов. – Коли в стулках самий кальцій, то потрібні штучні клапани. Що робити? Американських стулок я не маю і не матиму, імпорт недосяжний для радянських хірургів. Хворим судилося вмерти за 2–5 років. Це виправдовує ризик операції. От і розсудіть: право експериментувати на людині. Повірте, дуже тяжко зважитися на нову неперевірену операцію, для якої, крім саморобок, зовсім нічого немає. Куди легше сказати: «Як нема, то й дарма». Стану осторонь. Нехай вмирають, врятуємо, кого зможемо. Мені така позиція була не до вподоби. Вважав за можливе ризикнути одним-двома приреченими пацієнтами».

Перші тристулкові клапани вирізували з нейлонової сорочки, що її Амосов привіз з Італії: нейлону в СРСР тоді ще не було. Зробили 11 операцій, але через півроку довелося робити повторні – хірурги не сподівалися, що тканина набуде властивостей пергаменту і стане нерухомою. В 1963 році американський хірург Стар опублікував статтю про нові клапани. Саме цю (вдосконалену зусиллями інженерів) конструкцію використав Амосов у подальших операціях. Згодом ці клапани застосовували в усьому СРСР протягом 20 років.

В 1964 році Микола Михайлович Амосов висунув гіпотезу про те, як людський мозок перетворює інформацію. У своїй гіпотезі він сформулював системні уявлення про структуру й механізми мозку, які запускають психічні функції людини. Принципово важливим було те, що об’єктом моделювання були не поодинокі структури, механізми чи функції (наприклад, пам’ять, сприймання, навчання, тощо), а мозок людини як соціальної істоти – мозок homo sapiens. Саме в цьому й полягало новаторство опублікованої в 1965 році монографії «Моделювання мислення і психіки», яка на два десятиріччя стала «Біблією» для кількох поколінь дослідників. «Моделювання – це зміст усієї моєї кібернетики. Моделі клітини, організму, розуму, суспільства» – так висловився про свою роботу в цій науковій галузі сам учений. Ідеї, викладені в цій книжці, він розвинув у подальших працях: «Моделювання складних систем», «Штучний розум», «Алгоритми розуму», «Людська природа».

Теоретичні положення Амосова про механізми перетворення інформації мозком та принципи виникнення складних психічних функцій були використані для створення особливого класу нейроподібної мережі, що отримала назву М-мережа. М-мережу, як інструмент моделювання механізмів перетворення інформації, запропонували О. Касаткін та Л. Касаткіна в 1966 році. Розроблені ними комп’ютерні моделі інтелектуальної поведінки РЕМ (1965–67 рр.) і МОД (1968–71 рр.) довели принципову можливість створення нейромереж, які імітують механізми, що породжують складні психічні функції. Зокрема, були змодельовані механізми породження впливу емоцій на формування поведінкових актів. РЕМ і МОД створювалися як прототипи інтегральних роботів, спроможних самостійно оцінювати власний стан (стан свого «тіла») та стан довкілля, планувати свою поведінку та ухвалювати рішення для реалізації або коригування плану. Моделі РЕМ і МОД були першими серйозними спробами відбити засобами нейромережі психологічні аспекти поведінки вищих тварин та людини. Це також була перша спроба модельної реалізації гіпотези Амосова.

Шляхом зміни структури М-мережі (або лише ваги окремих зв’язків) створювалися різні типи «особистості» РЕМа – агресивний, спокійний, боязкий. В ході експерименту структура М-мережі не змінювалася. Експериментів було чимало, хоч за тих часів проводити їх було складно: М-220 була єдиною «великою» обчислювальною машиною в Інституті кібернетики, і дістати машинний час було доволі нелегко. Після РЕМа було зрозуміло, що керуючись гіпотезою Амосова дійсно можна було створювати нейромережеві структури, які зумовлюють розумну поведінку і, що було ще цікавішим, розумну мотивацію цієї поведінки. Наступна модель (МОД) була реалізована на більш потужній та швидкодійній ЕОМ «БЭСМ-6».

Початкова націленість праць школи Амосова на моделювання психічних функцій значною мірою визначила «робототехнічну» тенденцію подальших дослідів відділу кібернетики. Варто зазначити, що сам Амосов спершу був категорично проти вбирання своїх ідей у «залізо». Проте його змогли переконати, і кінець кінцем розробили та дослідили цілу сім’ю таких роботів. Ініціатором та керівником робіт цього напряму був Е. М. Куссуль. Отже, у 1972–75 рр. був створений перший в СРСР автономний транспортний робот «ТАЇР». Робот демонстрував цілеспрямований рух у звичайному середовищі, обхід перепон, тощо. «ТАЇР» являв собою триколісний самохідний візок, оснащений системою передавачів (дальномір і тактильні передавачі). Керування ним здійснювалося за допомогою апаратно реалізованої нейронної мережі.

Вивчення й удосконалення алгоритмів керування роботом під час руху в звичайному середовищі продовжилося в 1984–86 рр. на макеті «МАВР». Цю роботу проводили з наказу Міністерства оборони СРСР, метою було створення автономного робота, що був би спроможний цілеспрямовано пересуватися складною перетятою місцевістю. Інформація про зовнішні умови надходила на програмно реалізовану нейронну мережу (бортовий комп’ютер) з дальномірів, а також з оптичних і тактильних передавачів. Після обробки вхідної інформації ухвалювалося рішення про напрямок пересування  та інші операції, які були внесені до блоку ухвалення рішень. Ухвалені рішення активували відповідні виконавчі механізми.

Усередині 1980-х рр. у галузі моделювання мозку виник новий термін –  «нейрокомп’ютер». Очікування, пов’язані з першими працями навколо створення систем штучного інтелекту (ШІ), тепер самі собою покладалися на нейрокомп’ютери, які в ширшому розумінні мали стати прототипами «штучного мозку» – розумної системи, котра повинна була мати будову і функціонувати аналогічно до мозку людини. Перший макет нейрокомп’ютера (1989 р.) був створений на елементній базі, виробленій в СРСР, і являв собою приставку до персонального комп’ютера. У подальших макетах була використана більш новітня елементна база. В 1992 році разом із японською фірмою WACOM був розроблений і експериментально випробуваний на завданнях розпізнавання образів останній варіант нейрокомп’ютера.

Крім іншого, М. М. Амосов дуже цікавився суспільним ладом і зв’язком між людиною і суспільством. За допомогою моделювання він шукав відповіді на питання, що торкалися структури суспільства. Які переваги й недоліки капіталізму порівняно із соціалізмом, що таке «ідеальне суспільство»? М. М. Амосов сподівався віднайти відповіді на ці питання за допомогою евристичних моделей.

За носії психологічних рис людини в моделі суспільства М. М. Амосов пропонував узагальнені моделі особистостей, що віддзеркалювали основні риси різних соціальних груп.

Була вироблена функціональна схема узагальненої моделі особистості, в якій відбито взаємодію почуттів, трудових зусиль і «платні» за працю. Усі психологічні риси особистості та відповідні реакції суспільства відтворені в його моделі нелінійними функціями з насиченням, коли враховано обмежені фізичні можливості людини і обмежені ресурси суспільства. Налагодження моделей полягало в ув’язуванні балансів розподілу та русі праці й оплати з замиканням через мотиви. Вплив ідеології позначався за посередництвом спеціально розроблених шкал: праця–оплата, праця–втома, рівень побажань (криві «оплата–почуття»).

В 1982 році Амосов, який втомився від успішних операцій на серці, а ще більше – від операцій із смертельним кінцем, вирішив повністю присвятити себе кібернетиці. Він припинив оперувати й на все літо перебрався на дачу. З усамітнення його змусила вийти зустрічі з Б. Є. Патоном. На початку жовтня вони їхали разом поїздом до Москви, і Амосов поділився з науковцем своїми думками з приводу переходу від хірургічної «практики» до біокібернетичної «теорії». Патон вигукнув: «Ви з’їхали з глузду! Хіба можна кинути операції?! Що вам кібернетика?! Там більше слів, аніж діла». Тоді видатний хірург замислився: «Моделі суспільства нікому не потрібні, – пише він у спогадах. – Штучний інтелект (ШІ) – такий, як я хочу – у сфері мрій. Мої помічники намагаються приземлити ідею, націлилися на роботів, на розпізнавання образів. Так і повернувся до клініки. Про кібернетику й моделі не згадував. Хіба можна їх порівняти з хірургією, з життями людей?»

Незважаючи на неймовірні успіхи в біокібернетиці, головною справою Миколи Михайловича Амосова завжди була хірургія. «Амосов пройшов усю Велику вітчизняну війну із своїм польовим шпиталем і вийшов з неї загартованим: поспішав зробити для медицини більше, ніж інші, – згадує його учень і новий директор Інституту серцево-судинної хірургії Геннадій Книшов. – Він був новатором і неординарною людиною. Випробував себе в усьому: в медицині славетний хірург, у кібернетиці працював над штучним розумом, в літературі став відомий на весь світ своєю повістю «Думки і серце». Крім того, він створив найкращу в СРСР лабораторію дослідження роботи серця й легенів, протягом 18 років був депутатом Верховної Ради СРСР, заснував Інститут серцево-судинної хірургії. Звісно, що, як і в кожної людини, в житті Амосова були злети й падіння. Проте він завжди повертався до серцевої хірургії, без якої просто не міг жити».

#photodescription12-1

#photodescription12-2

#photodescription12-3

#photodescription12-4

#photodescription12-5

#photodescription12-6