Как из хаоса возникает порядок или, другими словами, какой механизм лежит в основе самоорганизации? Это не праздный вопрос для науки. Ведь самоорганизация приводит, например, к образованию кристаллов и сложных структур вещества, благодаря ей находят свое место на орбите вокруг звезд планеты, она лежит в основе появления биоэлектрических сигналов в нервных волокнах, да и вообще без нее не возникла бы жизнь из неживой материи. Поэтому понять, как происходит таинство, означает получить инструмент для воспроизведения процесса и тем самым решить множество технологических проблем, подобрать ключи к лечению болезней, увеличению долголетия человека.
Наука о самоорганизации, созданная немецким физиком-теоретиком Германом Хакеном в 80-е годы прошлого века, называется синергетикой. Но она еще не настолько развилась, чтобы обзавестись стройной теорией, хотя к ее становлению приложил руку в том числе и «современный Ньютон» — бельгиец русского происхождения, лауреат Нобелевской премии по химии Илья Пригожин.
В 90-е годы для молодого сотрудника Института технической кибернетики НАН Беларуси (сейчас Объединенный институт проблем информатики) Александра Крота, ставшего доктором наук в 31 год и имевшего в то время монографию и несколько теоретических работ по этой теме в престижном журнале «Доклады АН СССР», послать свои труды на рассмотрение Пригожину, чтобы заручиться его поддержкой, было, как он считал, жизненной необходимостью. Ведь время для теоретических исследований ему выпало — хуже не придумаешь. Денег в институте нет, надо выживать, а тут увлекло нечто такое, под что получить финансирование было совершенно безнадежным делом.
Но кто стучится, тому открывают. Пригожин высоко оценил изыскания белоруса и неожиданно для многих согласился участвовать в продвигаемом им международном проекте. Задуманное удалось, и профессор Крот был назначен руководителем проекта, а сам нобелевский лауреат взял на себя роль координатора. Так у творческого коллектива появилась финансовая поддержка, благодаря которой и поднялась созданная и возглавляемая Александром Кротом лаборатория моделирования самоорганизующихся систем. Появились и результаты научного поиска, причем не только в виде фундаментальных трудов по изучению закономерностей самоорганизации и математическому моделированию ее процессов, но и прикладные работы, давшие начало новому направлению медицинской диагностики и прогнозированию состояния здоровья человека на основе методов нелинейной динамики.
— К сожалению, говоря о прикладных результатах того международного проекта, я могу привести примеры только из практики научных центров Флоренции, Лондона, Орландо, Мадрида, где мне приходилось бывать или поддерживать научные контакты, — признается Александр Михайлович. — Там уже используется прогнозирование состояния здоровья конкретного человека по анализу его голоса, кардиограмм, энцефалограмм. То есть если применять разработанные нами модели, алгоритмы и программы, то можно извлекать из показаний диагностических приборов гораздо больше информации, причем получать полезные данные не только о сегодняшнем состоянии здоровья человека, но и о перспективах развития физиологических процессов. Методы нелинейной динамики еще совершенствуются, но уже пользуются популярностью в мире. Наши же попытки заинтересовать отечественную медицину пока ни к чему не привели. Лишь специалисты РНПЦ «Кардиология» обратили внимание на возможность создания на основе наших теоретических разработок принципиально нового дефибриллятора — прибора для электроимпульсной терапии нарушений сердечного ритма. У нас в лаборатории даже есть договор о научно-техническом сотрудничестве с ними, но до проекта дело пока не доходит. Нет денег.
А между тем проблема достойна внимания. Дело в том, что используемые сегодня приборы — это буквально «электрическая кувалда», применять которую, чтобы не разрушить структуру миокарда, можно не более трех раз. Врач действует таким грубым инструментом наудачу. Он посылает очень сильный разряд просто в левую половину грудной клетки пациента, в то время как надо бы нацелить его в нужную область сердца, выстрелить строго в определенное время, электрическим импульсом с точно заданными характеристиками.
Все это можно проделать, если учеными будет создан компьютеризированный дефибриллятор резонансного типа. Он в доли секунды соберет нужную информацию о больном, вычислит характеристики волны возбуждения и пошлет щадящий импульс именно в тот момент, когда миокард будет готов откликнуться. Это означает, что фазы биоэлектрического и рукотворного сигналов должны совпасть, чтобы губительная спиральная волна в мышце, из-за которой сердце сбивается на хаотичное сокращение, смогла превратиться в спасительную концентрическую. То есть, говоря языком синергетики, в мире хаоса должен снова включиться механизм самоорганизации.
— Даже не имея заказчика, мы не прекращаем работу по дефибриллятору, — говорит старший научный сотрудник лаборатории кандидат физико-математических наук Виктор Дайлюденко. — Пока это фундаментальные исследования, в ходе которых выясняются частотные характеристики процесса, моделируются воздействующие сигналы. Но как только у Минздрава найдутся средства, мы будем готовы к сотрудничеству с кардиологами. Хотелось бы получить такое решение быстрее. Ведь за рубежом подобные исследования тоже начались, и, возможно, через какое-то время для системы здравоохранения придется покупать втридорога то, что можно было бы задешево сделать самим.
Конечно, медицинское приложение ученых привлекает, но в лаборатории эта тематика далеко не единственная. По договорам с машиностроительными предприятиями здесь ведутся исследования в области виртуальных испытаний конструкций на основе методов нелинейной динамики и нейронных сетей. Например, созданные под руководством заведующего лабораторией кандидатами наук Еленой Минервиной и Полиной Ткачевой компьютерные модели аэродинамических процессов внутри турбокомпрессора, разрабатываемого на Борисовском заводе агрегатов для трактора «Беларус», дали возможность выявить в нем «паразитические» течения и ударные волны, приводящие к поломкам лопаток. Там же удалось найти и самоорганизующиеся вихри, снижающие КПД. Эти результаты позволили не только подсказать конструкторам лучшее решение, но и создать задел на будущее.
Например, знание закономерностей формирования таких вихрей помогло кандидату физико-математических наук Владимиру Балдину разработать математические модели аэродинамических течений внутри роторных механизмов и применить их для совершенствования сельскохозяйственных машин. Благодаря этому гомельский силосоуборочный комбайн получил силосопровод, который выбрасывает скошенную массу исключительно точно и равномерно.
Трехмерная модель зернового фильтра для зерноуборочного комбайна, проектируемого в Гомеле, также позволила сконструировать оптимальный агрегат. Задача эта, кстати, была посложнее, чем математическое моделирование обтекания воздушным потоком самолета. Ведь авиалайнер взаимодействует только с воздухом, а в зерновом фильтре надо моделировать еще и поведение зерна, разных по массе фракций примесей, каждую из которых поток должен уносить в строго определенное место. Поэтому рассчитать динамические процессы в такой сложной системе — это высший пилотаж.
Теоретические изыскания в синергетике интересны тем, что их приложения так же разнообразны, как и сама жизнь. У Александра Михайловича, например, есть труды по эволюции Солнечной системы, опубликованные в европейских издательствах «Эльзивер» и «Шпрингер», в которых он доказал, что Земля оказалась не на своей орбите и что случилось это из-за Луны, захваченной у другой звездной системы. Он же известен и работами по цифровой спектральной обработке сигналов и изображений, в частности, по улучшению снимков земной поверхности на основе новых быстрых алгоритмов, решению прикладных задач в системах связи и радиолокации.
— А вот еще одно интересное направление, которое развивают младшие научные сотрудники Григорий Прокопович и Владислав Сычев, — знакомит меня с молодыми коллегами профессор, стараясь не наступить на снующих по полу лаборатории миниатюрных роботов, которые, в свою очередь, явно избегали встречи с его ногами. — Это антропоморфные роботы. Их память и система управления действуют по бионическому принципу, как у человека. Вернее, мы пока только стремимся к тому, чтобы их системы были именно такими, но уже достигли многого. На днях за доклад о нейросетевой ассоциативной памяти, сделанный в МГУ имени М.В. Ломоносова, ребята получили грамоту за подписью ректора. Думаю, что и это направление, позволяющее создавать компактных, самостоятельно действующих интеллектуальных помощников человека, ожидает большое будущее.
На снимке: профессор Александр Крот (третий слева) с сотрудниками лаборатории Полиной Ткачевой, Владиславом Сычевым и Григорием Прокоповичем готовят роботов к очередному циклу испытаний.
Фото: Александр ТОЛОЧКО, «Р»
