Kybernetika

Kybernetika (z gréckeho slova „kybernetes“ čo znamená kormidelník) vznikla ako samostatný vedný odbor po 2. svetovej vojne. Je to veda o riadení a komunikácii v dynamických systémoch, skúmajúca spoločné zákonitosti na základe analógie medzi systémami rôznej fyzickej podstaty, ktorými sú technické zariadenia, živé organizmy i spoločnosť. Kybernetika zasahuje do veľmi širokého spektra odborov, čo jej mnohí vyčítajú.

Kybernetika je disciplína, ktorá skúma riadiace a regulačné procesy v biologickej sfére, v technike, v spoločnosti a navrhuje modely na znázornenie, transformáciu a spracovanie informácií. Všetky automatické zariadenia na spracovanie dát sú v tomto zmysle kybernetickými strojmi a samotná informatika je náuka o kybernetických strojoch a metódach.

Delí sa na tri základné súčasti:

• teoretická kybernetika
  • teória systémov
  • teória automatického riadenia
  • teória informácií – teória algoritmov
  • teória hier
  • teória automatov
  • teória učenia
• aplikovaná kybernetika
  • technická kybernetika
  • informatika
  • umelá inteligencia
  • biologická a lekárska kybernetika
  • ekonomická kybernetika
  • pedagogická kybernetika
  • robotika
  • teória ELK
• experimentálna kybernetika

Predmetom kybernetiky je spracovanie informácií pre potreby riadenia.

Metódami kybernetiky sú systémový prístup a modelovanie pri riešení problémov.

Oblasťami uplatnenia kybernetiky je dianie v ľudskej spoločnosti, ako aj v prírode: pri riešení matematických úloh, hromadné spracovanie údajov, organizácia, riadenie a vyhodnocovanie procesov, napodobňovanie procesov, inžinierske projektovanie, tvorba zložitých a veľkých systémov…

Dejiny

Ktesibiove vodné hodiny.

Počiatky kybernetiky

• Za prvý samoregulujúci stroj sa pokladajú antické, Tesibiove vodné hodiny (285 – 222 pred Kr.), ktoré pracujú na podobnom princípe ako splachovacie toalety v dvadsiatom storočí. Tento prístroj využíva jednoduchý mechanizmus, ale dokáže pracovať bez akéhokoľvek vonkajšieho zásahu. Ktesibios, Herón z Alexandrie a Su Song sú považovaní za prvých, ktorí študovali a využívali princípy kybernetiky.

• Ďalší veľký krok vpred nastal až v druhej polovici 18. storočia, kedy James Watt vynašiel parný stroj. Jeho parný stroj obsahoval odstredivý regulátor, ktorý pomocou negatívnej spätnej väzby kontroloval výkon parného motora.

Kybernetika prvej polovice 20. storočia

Moderná kybernetika nevznikla štandardným procesom odštiepenia od všeobecnejšej vedy, naopak vznikala postupne fúziou vedných odborov, ako matematická logika, teória elektrických obvodov, evolučná biológia a neurovied.

Za miesto zrodenia kybernetiky sa považuje americká univerzita MIT. V troch krokoch, každým od seba vzdialeným približne 10 rokov (1940, 1950, 1960), definovali kybernetiku tak ako ju poznáme dnes. MIT stála pri zrode kybernetiky, pri riešení najkritickejších problémov aj pri obmedzovaní jej rastu.

• V štyridsiatych rokoch bolo prvým krokom zmena trendu od strojov k žijúcim organizmom. V tomto období boli predmetom odborných prác pojmy ako spätná väzba, konečnosť. To otvorilo priestor automatizácii a počítačovým vedám.

• V päťdesiatych rokoch druhý krok viedol k návratu od žijúcich organizmov k strojom s dôrazom na pamäťové koncepty, schopnosť rozpoznávania, schopnosť adaptácie, nové objavy v bionike. Rozvíja sa najmä umelá inteligencia a priemyselná robotika.

• V šesťdesiatych rokoch sa za tretí krok pokladá návrat kybernetiky k žijúcim organizmom, ale tentoraz ľuďom. Urýchľuje pokrok v neurológii, percepcii (vnímanie) a mechanizmoch predikcie. Kybernetika a teória systémov začínajú byť súčasťou priemyslu, spoločnosti a ekológie.

Norbert Wiener a jeho prínos

Norbert Wiener učil matematiku na MIT od roku 1919. V roku 1940 Wiener pracoval s mladým inžinierom, Julianom H. Bigelowom na vývoji automatického vyhľadávača protivzdušných pozemných kanónov. Pracovali so servomechanizmami, ktoré na základe predošlých trajektórií striel boli schopné predpovedať, kde sa nachádza protivzdušný kanón. Inak povedané tento stroj dokázal zo skúsenosti (nahrávky minulých udalosti) predikovať budúce udalosti.

Boli užasnutí dvoma faktami: pseudointeligentným správaním tohto stroja a „chorobami“, ktoré ho kvôli nemu mohli postihnúť. Vyskytol sa tu jeden zvláštny defekt, po ktorom sa celý systém dostal do série nekontrolovateľných oscilácií.

Zaujatý touto chybou stroja sa Wiener opýtal svojho kamaráta neurofyziológa Artura Rosenbluetha, či takéto správanie bolo niekedy pozorované u ľudí. Odpoveď bola kladná, u niektorých ľudí s poškodenou miechou sa vyskytol jav, kedy sa pacient snažil zdvihnúť pohár s vodou, no neúspešne a pri každom ďalšom pokuse rozlial viac vody. Od tohto okamihu Wiener usudzoval, že nato aby mohla byť vykonávaná činnosť s konkrétnym zámerom musí byť zabezpečená cirkulácia informácii v uzavretej slučke:„a closed loop allowing the evaluation of the effects of one's actions and the adaptation of future conduct based on past performances“.

Bigalow a Wiener objavili, že uzavretý tok informácií v slučke je nevyhnutný pre presnosť akejkoľvek akcie – slučka negatívnej spätnej väzby – a túto myšlienku generalizovali na ľudský organizmus.

V knihe vydanej v roku 1948 Cybernetics: Or Control and Communication in the Animal and the Machine zhrnul základné princípy kybernetiky, preto sa pokladá za otca kybernetiky.

Vývoj kybernetiky

Je potrebné spomenúť aj mnohých ďalších, ktorí sa významnou mierou podieľali na definovaní kybernetiky. Pionierom spätnej väzby bol ruský fyziológ Pyotr Anokhin, ktorého práca Проблема центра и периферии в физиологии нервной деятельности(Problémy centra a periférie v fyziológii nervovej aktivity), publikovaná v roku 1935, bola inšpiráciou pre Norberta Wienera.

Priamo na túto prácu nadväzovali ďalšie dve kľúčové publikácie a to: Behavior, Purpose and Teleology od Artura Rosenblutha, Norberta Wienera a Juliana Bigalowa a A Logical Calculus of the Ideas Immanent in Nervous Activity od Warrena McCullocha a Waltera Pittsa. Tieto práce môžeme považovať za zlomové v definovaní kybernentiky.

Ďalším významným vedcom vtedajšej doby bol John von Neumann, známy predovšetkým svojim podielom na vzniku a rozvoji počítačových vied, priniesol aj do kybernetiky niekoľko zaujímavých konceptov a to: Von Neumannov celulárny automat a Von Neumannov univerzálny konštruktor. Tieto koncepty si kybernetika osvojila a postupne sa stali jednými z kľúčových súčasti tohto vedného odboru. Neskôr našli tieto celulárne automaty prekvapujúco široké využitie.

Azda najväčším medzníkom bolo objavenie programovateľného digitálneho elektronického počítača, založeného na prací matematika Alan Turinga a iných. Práca Alana Turinga, teória algoritmov naznačovala, že stroj by mohol byť schopný zo symbolov jednoduchých ako "1" a "0" simulovať akýkoľvek mysliteľný proces matematickej dedukcie, čo naznačovalo obrovský potenciál, ktorý prišiel do kybernetiky s výpočtovou technikou.

Novodobá kybernetika

Humanoidný robot Asimo

Aplikácie kybernetiky

Robotika

Jedným z najrýchlejšie rozširujúcich sa pododborov kybernetiky je robotika. Vyvíjajú sa rôzne typy robotov s rozličnými architektúrami pre rozmanité úlohy.

Roboty môžeme rozdeliť na priemyselné, domáce, vojenské, pričom špeciálnu skupinu by mohli tvoriť humanoidné roboty.

• V domácnosti využívame robotov napr. na upratovanie, na hranie… Zaujímavým príkladom sú autonómne vysávače, ktoré aj napriek urgenciám svetových firiem, sa ešte stále netešia veľkej popularite.
• Priemyselný robot je definovaný podľa normy ISO ako automaticky samoregulujúci, znovu programovateľný, mnohoúčelový manipulátor programovateľný v troch a viac osiach. Parametre definujúce priemyselného robota: počet osí, stupeň voľnosti, pracovný priestor, kinematika, nákladná kapacita, akcelerácia, presnosť a opakovateľnosť.
• Vojenské roboty – sú to autonómne alebo diaľkovo ovládané roboty napr. odmínovacie roboty, drony (bez-pilotné lietadla), autonómne obranné systémy,
• Humanoidné roboty – sú roboty, ktoré majú tvar ľudského tela. Niektoré boli vyvinuté na špecifický účel, iné majú za úlohu simulovať ľudské správanie.

Využitie priemyselných robotov v procese automatizácie výrobnej linky.

Automatizácia

Teória automatizácie je veda, zaoberajúca sa možnosťami používania rôznych druhov regulačných systémov na riadenie strojov, výrobných liniek, prepínania telefónnych liniek, brzdenia či stabilizácie letu so snahou o minimálnu, ak nie nulovú intervenciu človeka.

Automatizácia je ďalším krokom po mechanizácii. Zatiaľ, čo mechanizácia umožňovala človeku vykonávať činnosti pomocou strojov, automatizácia má človeka z tohto procesu úplne vylúčiť. Je úzko prepojená s priemyselnou robotikou. Najväčšou výhodou automatizácie sú : šetrenie námahy a peňazí, presnosť, rýchlosť a stabilita.

Zložité automatizované systémy sa využívajú na riadenie výrobných liniek, námorných lodí alebo lietadiel.

Počítačové videnie

MRI snímok spracovaný metódami počítačového videnia

Je oblasť počítačovej vedy, ktorej cieľom je vytvárať numerickú reprezentáciu reálneho sveta, vhodnú pre spracovávanie počítačmi.

Množstvo aplikácií:

• Riadiace procesy, napr.: priemyselný robot;
• Navigácia, napr.: autonómne autá, mobilné roboty;
• Detekcia obrazov napr.: pre sledovanie ľudí alebo počítanie ;
• Organizácia informácií, napr.: indexovanie databáz obrázkov alebo filmov ;
• Modelovanie objektov alebo prostredí napr.: spracovanie údajov z elektrónových mikroskopov, MRI, počítačovej tomografie, röntgenových snímok;
• Interakcia napr.: vstup pre interakciu robota a človeka

Kybernetika na Slovensku

Katedra kybernetiky a umelej inteligencie Fakulty elektrotechniky a Informatiky Technickej univerzity v Košiciach realizuje výskum, vývoj vzdelávanie v oblastiach: kybernetiky a automatizácie, informačno-riadiacich systémov, umelej inteligencie a hospodárskej informatiky.

Katedra vznikla v roku 1964 ako „Katedra základov automatizácie a regulácie“. Zakladateľom tejto katedry bol Prof. J. Spal, CSc., ktorý bol 8 rokov aj jej vedúcim. Ďalším významným medzníkom bol vznik Fakulty elektrotechniky v roku 1969.

V roku 1989 sa katedra rozdelila na dve časti a to : Katedru počítačov a informatiky a Katedru kybernetiky a umelej inteligencie.

Aktuálnym vedúcim katedry je prof. Ing. Peter Sinčák, CSc.

Zdroje

• FILIT – zdroj, z ktorého pôvodne čerpal tento článok.
• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Cybernetics na anglickej Wikipédii (číslo revízie nebolo určené).
• https://pespmc1.vub.ac.be/CYBSHIST.html
• https://www.asc-cybernetics.org/foundations/history.htm
• Norbert Wiener, Cybernetics or the control and communication in the animal and the machine, 1948 MIT Press
• https://web.tuke.sk/kkui/historia Archivované 2013-12-03 na Wayback Machine