CC BY
38
УДК 573.6
ПАРАДИГМА БИОМАШСИСТЕМ
В.И. Черноиванов, академик РАН ФГБНУ ГОСНИТИ E-mail: gosniti@list.ru
И.П. Савченкова, доктор биологических наук
Всероссийский НИИ экспериментальной ветеринарии им. ЯР. Коваленко E-mail: admin@viev.ru
Г.К. Толоконников, кандидат физико-математических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства
E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Биомашсистемы - новое понятие, выработанное для систем, взаимодействующих со средой как целое, состоящих из подсистем, кодируемых триадой «человек-машина-живое». Ключевой особенностью рассматриваемых биомашсистем является наличие в них автономной интеллектуальной подсистемы управления. Помимо традиционных способов реализации элементов автономности биомашсистемы используют оригинальные разработки в виде блока Поста и биоблока, которые вводятся в решатели системы управления. Вариант решателя биомашсистемы в виде блока Поста реализован на основе новых исчислений, так называемых, исчислений гиперграфовых конструкций. При этом расширяется традиционный подход Маккарти, включая ситуационные исчисления, в первую очередь за счет отказа от фиксированной логики исчисления, за которую в традиционном подходе обычно берётся классическое исчисление предикатов и основанные на нём формальные системы. Введены новые понятия теле-биомашсистемы, биомаштехнологии. Телебиомашсистемы имеются в биомашсистемах и обеспечивают информационный обмен между ее частями, а также информационное взаимодействие с другими био-машсистемами. В качестве развития практического проекта биомашсистемы, реализуемого ВНИИМЖ совместно с ГОСНИТИ и ВИЭВ, предлагается новый двухкамерный биореактор, представляющий полнофункциональную биомашсистему.
Ключевые слова: биомашсистема, системообразующий фактор, исчисления, алгоритмы, стволовые клетки, нейрональные клетки, миоциты.
В традиционной теории систем собственно под системой понимают некоторую совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом, обособленную от среды и взаимодействующую со средой как целое (Л. фон Берталанфи, Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко).
Столь общее описание понятия системы мало пригодно для практических задач. Важнейший принцип, превращающий понятие системы в орудие исследования, был введен академиком Петром Константиновичем Анохиным - это наличие для того, что мы хотим называть системой, системообразующего фактора, чаще всего сводящегося к наличию цели, для которой существует система. Системообразующий фактор выстраивает элементы системы определенным образом (адекватным для достижения системой постав-
ленной перед ней цели), превращая, тем самым, разрозненные элементы, собственно, в систему. В описание понятия системы включают некоторые свойства помимо целостности, например, иерархичность (некоторые элементы системы сами являются системами, а исходная система может быть элементом другой, более обширной системы).
Понятие системы применяют в рамках так называемого системного подхода к исследованию некоторого явления или объекта. С учетом наличия системообразующего фактора по Анохину современное понимание системного подхода опирается на следующие требования:
- каждый объект в процессе его исследования должен рассматриваться как система и одновременно как элемент более общей системы;
- необходимо выявить элементы, составляющие данную систему;
- необходимость выяснения внутренних связей и зависимостей между элементами данной системы, позволяющих получить представление о внутренней организации (строении) исследуемой системы;
- предполагается выявление ресурсов, требующихся для функционирования системы, для решения системой той или иной проблемы;
- предполагается выявить функции, для выполнения которых создана и существует данная система;
- необходимость научного определения целей и подцелей системы, их взаимной увязки между собой;
- требование определения совокупности качественных свойств системы, обеспечивающих ее целостность и характеристики;
- необходимость выявления внешних связей данной системы с другими системами, то есть ее связей с окружающей средой;
- выяснение условий возникновения исследуемой системы, пройденные ею этапы, современное состояние, а также возможные перспективы развития.
Под отраслевой парадигмой (от греч. «пример, модель, образец») понимают совокупность фундаментальных научных установок, представлений и терминов, методов и подходов к формулировке и решению отраслевых проблем (в данной научно-практической области деятельности), принимаемую и разделяемую в перспективе отраслевым сообществом и объединяющую большинство его членов.
Понятие биомашсистемы возникло из традиционных эргатических систем «человек-машина-животное», обобщенных в 2013 году до триад с обратной связью «человек-машина-живое». В печати понятие биомаш-системы впервые появилось в статье Черно-иванова В.И., Гулюкина М.И., Толоконнико-ва Г.К. в «Вестнике ВНИИМЖ» в 2015 г. [1].
Биомашсистемы. Биомашсистема состоит из взаимодействующих между собой для достижения определенных целей человека (коллектива, групп людей и т.п.), машины
(комплексов машин и механизмов, компьютеров и т.п.) и живого (животных, растений, живых биомасс микроорганизмов и пр.).
Каждая из трех указанных частей в процессе функционирования (достижения целей) формирует воздействия в сторону других частей и получает воздействия от других частей, при этом изменяется под указанными воздействиями со стороны других частей. Изменения удовлетворяют целевым ограничениям (изменения приближают достижение целей) и учитывают взаимодействие био-машсистемы с окружающей средой. Человек, как часть биомашсистемы, получает сам и через сенсоры и датчики машины сигналы от живого о его состоянии и проблемах, изменяет свое поведение по отношению к машине, создает управляющие воздействия на машину для удовлетворения проблем живого, машина, получая с датчиков сигналы от живого, перестраивается, в том числе, самостоятельно, не дожидаясь управляющих воздействий человека, живое, получая воздействие от машины, изменяет свое поведение. Все изменения организуются для достижения целей биомашсистемы.
Ключевым характеризующим биомашси-стему элементом является наличие в ней в той или иной степени автономной интеллектуальной системы управления (см. схему).
Указанная система управления реализуется на основе как традиционных подходов искусственного интеллекта (ИИ), так и новых, предлагаемых в теории, биомашсистем методов.
Основная задача ИИ сводится к проблеме поиска удовлетворяющего тем или иным требованиям вывода - последовательности переходов между состояниями системы из исходного состояния к целевому состоянию. К сожалению, как задача описания пространства состояний системы, так и задача поиска выводов весьма далеки от решения в традиционном ИИ, в результате имеющиеся интеллектуальные системы управления весьма неавтономны, а роботы и другие машины, в которых предпринята попытка их работы без человека, как правило, остаются дистанционно управляемыми.
Автономность означает способность системы управления машины вырабатывать новые алгоритмы поведения в ситуациях, для которых заложенных в память алгоритмов поведения (или некоторых их классов) недостаточно. Имеющиеся традиционные подходы в ИИ дополнены в теории биомаш-систем методами, сводящимися к включению в систему управления так называемых блока Поста и/или биоблока.
Помимо задачи автономности в теории биомашсистем решается задача переноса в систему управления знаний и профессиональных навыков человека-оператора, управляющего машиной, а также знаний экспертов.
Блок Поста. Математик Эмиль Пост в 1943 году напечатал статью, в которой доказал, в частности, теорему об универсальном исчислении. Исчисления включают, как частный случай, алгоритмы. Теорема утверждает, что существует универсальное исчисление, которое порождает все другие исчисления. Подобные исчисления построены явно самим Постом, а позднее С.Ю. Масло-
вым, академиком Ю.В. Матиясевичем и другими математиками.
Теоретически, таким образом, для придания автономности возможно включить в решатель системы управления блок (блок Поста), который бы при необходимости вырабатывал (на основании теоремы) подходящий новый алгоритм поведения для робота или машины, позволяя выйти из нештатной или затруднительной ситуации. Практиче-
екая реализация этой идеи упирается в трудности, связанные с указанной выше проблематикой основной задачи ИИ. В теории биомашсистем для создания блока Поста применяются новые исчисления гиперграфовых математических конструкций, разрабатываемых одним из авторов (Г.К. Толоконни-ков). Одна из идей состоит в расширении известного подхода Дж. Маккарти в теории исчислений, в т.ч. ситуационных исчислений, в ИИ, в отказе от ограничения использовать только классическую (или временную и/или некоторые другие из используемого в ИИ ограниченного списка логик) логику, применив аналог теоремы Поста для выбора подходящей для задачи оптимальной логики. Значительные возможности здесь открываются также, если применить общие исчисления гиперграфовых математических конструкций.
Биоблок. Живые организмы в отличие от современных роботов демонстрируют практически непрерывное автономное поведение, прекрасно решают задачу поиска новых алгоритмов поведения, необходимых для выхода из сложившихся затруднительных ситуаций. Это демонстрируют не только мле-
копитающие, но и обычные одноклеточные животные (бактерии и т.п.). У млекопитающих и человека выработка новых алгоритмов происходит в неокортексе, тонкой в 2 мм толщиной нейрональной пленке, покрывающей почти на 100% кору головного мозга.
Идея создания биоблока, вырабатывающего для машины новые алгоритмы поведения, состоит в конструкции биоблока, содержащей живые участки неокортекса, в которых сохранена лишь функция выработки новых алгоритмов.
Из всего многообразия функций, которые выполняет неокор-текс для организма, для наших целей создания автономной системы управления необходима, таким образом, лишь одна - способность выработки новых алгоритмов. Живой мозг сформировавшегося животного слишком сложен, чтобы указанную функцию выделить. Уже имеющийся в лаборатории стволовой клетки ВИЭВ [2], а также в работах других специалистов [3] опыт культивирования живых нейронов из стволовых клеток пока приводит лишь к совокупностям нейронов и участков неокортекса, которые не функциональны. В проводимых работах по культивированию из стволовых клеток участков неокор-текса по крайней мере с одной указанной функцией порождения новых алгоритмов оказывается полезной построенная одним из авторов (Г.К. Толоконников) модель неокор-текса, опирающаяся на свойства гиперграфовых математических конструкций [4].
Телебиомаш-
системы, составляющие исходную биомаш-систему? Обычно нетрудно выделить особую биомашсистему, обеспечивающую коммуникации между биомашподсистемами. Эту биомашсистему называют телебиомаш-системой.
Как в технике, так и в других биомашси-стемах, например, в случае фермы и ее управления, или даже в случае целой отрасли, имеющей местный, региональный и федеральный уровни, можно выделить теле-биомашсистему, обеспечивающую взаимодействие всех частей исходной системы. Важным примером телебиомашсистемы является создаваемая в настоящее время федеральная система телеветеринарии.
Биомаштехнология. В теории биомаш-систем выделяется отдельный тип биомаш-систем, для которых целевой системообразующий фактор играет приоритетную роль. Такие биомашсистемы называются биомаш-технологиями.
система. Иерархичность присуща системам и, соответственно, био-машсистемам изначально: составляющие биомашсистему элементы сами являются биомашсистемами, а исходная биомашсистема входит в вышестоящую.
Как взаимодействуют и обмениваются командами и другой информацией биомаш-
Подобными биомашсистемами являются технологические комплексы, рассматриваемые в первую очередь с точки зрения системного подхода. Технологическая цепочка и каждый ее элемент подчинены основной цели получения продукта. Рассмотрение из-
вестных технологических процессов, целых производств от поступления сырья и оборудования до выпуска готовой продукции, как биомаштехнологий, является прорывным подходом, позволяющим резко увеличить за счет внедрения принципов биомашсистем выпуск продукции.
Биореактор как биомашсистема. В 2013 году группой специалистов ГОСНИТИ, ВНИИМЖ и ВИЭВ начаты работы по созданию биореактора для культивирования из стволовых клеток мяса in vitro [4]. В настоящее время в связи с разработкой понятия биоблока для современной биомашсистемы целесообразно расширить задачи по созданию биореактора, приспособить его не толь-
ко для культивирования мяса in vitro, но и для культивирования нейрональных клеток. Подобная работа будет важным шагом на пути создания биоблока, использующего культивируемые из стволовых клеток функциональные участки неокортекса. Предлагаемый ниже новый двухкамерный биореактор будет более подходящим, чем многие известные типы биореакторов с перемешиванием среды вместе с биоматериалом, для культивирования из стволовых клеток мио-цитов, а также приспособлен для культивирования нейрональных клеток. Приведем принципиальную схему предлагаемого биореактора. Основные детали работы биореактора понятны из его приведенной схемы.
Принципиальная схема биореактора как биомашсистемы
Блок управления биореактором представляет собой интеллектуальную автономную систему управления на основе исчисления гиперграфовых математических конструкций. Стрелками условно отмечены управляющие сигналы, которые этот блок направляют в отдельные узлы биореактора. Информация о состоянии отдельных частей биореактора, культуральной среды собирается в информационном блоке, указанном овалом в центре схемы. Клеточные сигналы поступают в блок управления двумя путями, непо-
средственно из камеры роста, где в культу-ральной среде находятся клетки, и с биохимического датчика, анализирующего проходящую среду, частично отработанную в камере роста; биохимический датчик-анализатор отмечен квадратом рядом с овалом информационного блока. Среда медленно циркулирует, при этом не только снимаются показания датчика-анализатора, но и происходит добавление порций среды, в обычном режиме объем среды за цикл нарастает в два-три раза. Этим достигается уменьшение кон-
центрации токсических продуктов метаболизма клеток, а также добавление в среду питательных веществ, которые потребляются клетками. Как видно из схемы, подготовка культуральной среды отделена от камеры роста, клетки не испытывают механических воздействий турбулентных потоков перемешивания, возможных в отдельной камере.
Важнейшей частью биореактора является набор блоков подготовки среды. В резервуар с концентрированной средой попадают растворитель среды, отдельные компоненты культуральной среды, в частности, те, которые потребляются клетками в камере роста в процессе своего метаболизма. В камере подготовки лигандов и экзосом, которую контролирует блок управления, проводятся настройки лигандов по типу и концентрации, собираются экзосомы для той программы клеток-мишеней, которую вырабатывает блок управления с учетом клеточных сигналов от клеток из камеры роста.
Заключение. Развитие теории биомаш-систем и ее приложений в АПК требует интенсивной работы многих специалистов различного профиля, в связи с чем считаем целесообразным: разработать дорожную карту развития биомашсистем и внедрения их в агропромышленный комплекс; организовать рабочую группу, состоящую из квалифици-
рованных специалистов различного профиля с целью ускорения работ по интеллектуализации машин и технологий АПК; проводить два раза в год семинары с обсуждением вопросов широкого применения биомашсистем в подразделениях АПК.
Литература:
1. Черноиванов В.И., Гулюкин М.И., Толоконников Г.К. Бионический подход к решению проблемы автономности систем управления животноводческих производств // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1(17). С. 76.
2. Савченкова И.П. Современные методологические подходы для получения нейрональных клеток in vitro // Прикл. мат., квант. теория и прогр. 2015. Т. 12, в. 3.
3. Анохин К.В. Современные подходы к моделированию активности культур нейронов in vitro // Математическая биология и биоинформатика. 2012. Т. 7, №2.
4. Интеллектуальная сельскохозяйственная техника нового поколения / Рогов И.А. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2014. Приложение к №3(15). С. 3-65.
Literatura:
1. CHernoivanov V.I., Gulyukin M.I., Tolokonnikov G.K. Bionicheskij podhod k resheniyu problemy avtonomnosti sistem upravleniya zhivotnovodcheskih proizvodstv // Vestnik VNIIMZH. 2015. №1(17). S. 76.
2. Savchenkova I.P. Sovremennye metodologicheskie podhody dlya polucheniya nejronal'nyh kletok in vitro // Prikl. mat., kvant. teoriya i progr. 2015. T. 12, v. 3.
3. Anohin K.V. Sovremennye podhody k modelirovaniyu aktivnosti kul'tur nejronov in vitro // Matematicheskaya biologiya i bioinformatika. 2012. T. 7, №2.
4. Intellektual'naya sel'skohozyajstvennaya tekhnika no-vogo pokoleniya / Rogov I.A. i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2014. Prilozhenie k №3(15). S. 3-65.
BIOMACHINE SYSTEM'S PARADIGM
V.I. Chernoivanov, RAN academician FGBNY GOSNITI
I.P. Savchenkova, doctor of biological sciences
All-Russian research institute of experimental veterinary medicine named Ya.R. Kovalenko G.K. Tolokonnikov, candidate of physico-mathematical sciences All-Russian research institute of animal husbandry mechanization
Abstract. Biomachine system - is new concept, developed for systems interacting with the environment as a whole consisting of subsystems, encoded by the "man-machine-live" triad. Key particularity considered is presence of autonomous intelligent sub-system of management. In addition to the autonomy elements realization traditional ways the biomachine system use original developments in the Post block form and Bioblick that are input to the control system solvers. The biomachine system's solver option in the Post block form is realized on the basis of new estimates, so-called hypergraphic designs calculus. This the McCarthy traditional approach is extended , the situation calculus including, primarily due to the fixed logic calculus abandonment, for which in the traditional approach generally is taken the classical calculus of predicates and based on it formal systems. New concepts of telebio-machine system, bio machine technology have introduced. The telebio-machine systems are in bio machine and provide the information exchange between its parts, as well as information interaction with other bio machine systems. As the bio machine system practical project development, implemented VNIIMJ jointly with GOSNITI and VIEW it is proposed new two-chambers bioreactor, presents a full-functional biomachine system.
Keywords: bio mashine system, strategic factor, calculation, algorithms, stem cells, neuronal cells, myocytes.
