Глава 3. Очувствленные роботы – роботы второго поколения
1. Искусственные органы чувств
Многие роботы первого поколения, используемые в сфере производства, остро нуждаются в очувствлении с целью получения информации об окружающей среде, а также в дальнейшем совершенствовании управляющей системы. Так, например, в инструкции по эксплуатации программного манипуляционного робота “Юнимейт”, в частности, отмечается: “Робот лишен зрения и разума. Поэтому любой предмет или человек, оказавшийся на его пути, получит удар от движущейся “руки”. В результате пострадает либо человек, либо мешающий роботу предмет, либо сам “Юнимейт”.
Мы уже отмечали в предыдущей главе, что роботы первого поколения не способны оперировать с неизвестными произвольно расположенными и неориентированными объектами и требуют создания дополнительных приспособлений для специальной организации рабочей зоны. Все это усложняет и удорожает автоматизацию, делает ее менее гибкой. Избежать этих неприятных последствий сенсорной и интеллектуальной ограниченности роботов первого поколения можно путем существенного расширения ассортимента и характера информационно-измерительных датчиков и управляющих программ. Так появились роботы второго поколения – очувствленные роботы.
Эти роботы отличаются от роботов первого поколения существенно большим ассортиментом искусственных органов чувств. Это прежде всего тактильные, зрительные, звуковые, а также и некоторые другие сенсорные датчики. Органы чувств роботов второго поколения служат для ввода информации о состояниях робота и окружающей среды в управляющую систему, которая уже не ограничивается запоминающим и программирующим устройством, как в роботах первого поколения, а требует для своей реализации управляющей ЭВМ. Именно очувствление в сочетании с достаточно совершенным и разнообразным программным обеспечением управляющей ЭВМ позволяют” роботам второго поколения работать с неориентированными предметами произвольной формы, осуществлять сборку и монтаж конструкций по чертежу, взаимодействовать с внешней средой, выполнять требуемую (программную) последовательность операций в меняющейся обстановке. Таким образом, очувствление роботов является необходимой предпосылкой для повышения их функциональных возможностей.
Информационно-измерительная система очувствленных роботов, т. е. система их органов чувств, состоит из сенсорных датчиков внешней и внутренней информации. Соотношение между датчиками информации и их взаимодействие у этих роботов существенно другие, чем у программных роботов. Важно отметить, что для очувствленных роботов значительную роль играют датчики внешней информации, предназначенные для восприятия, анализа, распознавания и контроля состояний внешней среды. В качестве датчиков внутренней информации могут, в частности, использоваться датчики, применяемые в роботах первого поколения.
Каковы же требования, предъявляемые к датчикам внешней информации? Какова конструкция и основные характеристики этих датчиков?
В зависимости от назначения очувствленного робота его датчики внешней информации должны имитировать осязание, зрение, слух и т. п. Кроме того, могут потребоваться датчики для измерения радиоактивности, давления, влажности, температуры и других физических величин. Эти датчики должны обладать высокой точностью, надежностью, быстродействием, а также иметь малые габариты, вес и стоимость.
Надо отметить, что сейчас техника располагает датчиками и приборами, которые во много раз чувствительнее наших органов чувств. Микрофон слышит лучше, чем человеческое ухо, фотоэлемент видит большую часть спектра лучше, чем глаз. Сейсмограф более чувствителен, чем наши органы осязания, и, конечно, температуру по сравнению с термометром человек определяет совсем плохо.
Пожалуй, только одно чувство – обоняние, т. е. обнаружение и определение небольших количеств примесей органического вещества, у человека и животного более совершенно, чем у существующих приборов. В этой связи интересно напомнить, что органы обоняния – одни из самых сложных органов чувств, а природа явления, на основе которого они функционируют, до сих пор не открыта. Поэтому “догнать обоняние собаки” – одна из актуальных проблем очувствления роботов.
Опыт изучения органов чувств человека и животных содержит много сведений, которые могут быть использованы в качестве предпосылок для разработки искусственных органов чувств. В живых системах все органы чувств оснащены собственными органами движения, которые в свою очередь богато снабжены кинестетическими рецепторами. При восприятии существенная роль принадлежит как отдельным рецепторам, так и рецептивным полям и локальным детекторам, позволяющим выделять определенные простейшие признаки объектов. При анализе среды и внутреннего состояния важную роль играет совместная координированная обработка сенсорных сигналов различных типов с учетом производимых действий.
Взаимодействие человека с внешней средой в значительной степени основано на переработке зрительной, звуковой и тактильно-кинестетической информации. Существуют также ситуации, когда только тактильные и кинестетические ощущения способны дать правильную информацию о характеристиках среды. Эти ситуации возникают, например, тогда, когда необходимо осуществлять микродвижения пальцев для определения формы и качества поверхности окружающих предметов, а также в тех случаях, когда имеются помехи зрительному контролю.
Рассмотрим более подробно некоторые типы искусственных органов чувств, предназначенных для измерения характеристик внешней среды.
Тактильные и кинестетические датчики. Решение многих задач, связанных с поиском предметов, их захватом и манипулированием ими, стало возможным только с разработкой датчиков, обладающих тактильной и кинестетической чувствительностью. Простейшим типом таких датчиков являются контактные датчики. Они представляют собой микропереключатели, фиксирующие соприкосновение с предметом.
Тактильные датчики позволяют реагировать на прикосновение и измерять давление в местах соприкосновения (контакта) датчика с предметом. Они обычно размещаются на бамперах транспортных роботов или на схвате манипуляционных роботов. Эти датчики служат для обнаружения отдельных предметов, предотвращения повреждений этих предметов и самого робота, а также для распознавания внешней обстановки путем соприкосновения и ощупывания.
Кинестетические датчики регистрируют положение, перемещение исполнительных органов (например, пальцев захвата манипулятора) и возникающие в них усилия.
Важной особенностью тактильных и кинестетических датчиков является их способность работать практически в любой среде. В частности, эти датчики незаменимы для подводных роботов, так как при замутнении воды перестает работать телевизионный или оптический канал обратной связи.
Зрительные датчики. Для автоматического восприятия и анализа объемных (трехмерных) сцен необходима специальная аппаратура, которая по существу должна имитировать в функциональном отношении работу глаз. Она должна обеспечивать решение таких задач, как активный поиск объектов путем изменения ориентации зрительного датчика, автоматическая фокусировка изображения, измерение дальности до предметов, настройка чувствительности датчика в зависимости от изменения условий освещенности, выделение признаков изображения (цвет, текстура, контуры, размеры, форма и т. п.).
При зрительном очувствлении роботов источником информации служат телевизионные и оптические датчики. Телевизионный датчик (“телеглаз”) представляет собой телевизионную камеру с тем или иным законом развертки, в процессе которой все изображение или его фрагмент фиксируется в памяти в виде двухмерной матрицы распределения яркости оптической проекции реальной объемной сцены. В супервизорном режиме управления роботом обычно предусматривается возможность целеуказания, например, путем прикосновения “световым пером” к соответствующему месту экрана дисплея, на котором высвечиваются телекадры поля зрения. Однако телевизионное изображение является плоским, в отличие от самих предметов, которые, конечно, имеют три измерения. Это лишает человека и робота объемности восприятия и связанного с ним “эффекта присутствия”. Поэтому большое значение для очувствления роботов приобретают средства голографии, которые позволяют записывать и восстанавливать не двухмерное распределение яркости, а световую волну, исходящую от предмета, со всеми ее подробностями. Для определения цвета предметов в роботах используются фотоэлементы, фотодиоды, светофильтры, световоды и другие элементы вместе с источниками света. Обнаружение и определение положения предмета с помощью оптических датчиков основано на регистрации сигналов при пересечении предметом светового потока.
Ведутся исследования по созданию сканирующих лазерных дальномеров, голографического телевидения и т. п. Основным недостатком зрительных датчиков является их непригодность при отсутствии источников света или в условиях с сильным рассеянием или поглощением света, например, под водой или в космическом пространстве.
Звуковые датчики. К звуковым датчикам относятся разного рода микрофоны и ультразвуковые датчики. Микрофоны служат для восприятия звуковых команд при голосовом управлении роботом. Ультразвуковые датчики состоят из передатчика и приемника сигналов. С помощью отраженного от предметов ультразвукового сигнала они могут их обнаруживать и определять расстояние до них.
Ультразвуковые датчики имеют по сравнению с оптическими следующие преимущества: они могут обнаруживать прозрачные объекты; их показания не зависят от условий освещения и малочувствительны к изменению физических свойств среды (пыль, пар, жидкая среда); срок службы генераторов колебаний практически неограничен и т. д. Однако ввиду нечеткой направленности ультразвуковых колебаний точность определения расстояний до предметов у таких датчиков невысока. Кроме того, они не способны обнаруживать объекты с очень малыми габаритами, что связано с относительно большой длиной ультразвуковых волн.
Помимо описанных датчиков, очувствленные роботы снабжаются по мере необходимости и другими: магнитометрами, температурными датчиками и т. д.
Органы чувств и датчики автоматических систем
На фабриках и заводах, в исследовательских институтах и военном деле все шире используются разные автоматы. Часто автомат связан с окружающей средой или какой-нибудь внешней системой с помощью прибора, называемого датчиком. Датчик можно уподобить искусственному органу чувств. Чем совершеннее датчик, тем лучше будет работать вся автоматическая система. Поэтому естествен интерес к органам чувств различных животных. Ведь зачастую они обладают удивительными свойствами.
Глаз лягушки отсеивает информацию о неподвижных предметах и настраивается на движущиеся. Таким образом лягушка концентрирует свое внимание на добыче. Изучение этих особенностей глаза лягушки позволило создать прибор ретинатрон. Ретинатрон не реагирует на неподвижные предметы, находящиеся в поле зрения, и обеспечивает наблюдение за движущимися (вверху справа — схема устройства глаза лягушки).
Представьте себе, что в Аральское море вылили четверть стакана пахучего вещества, а затем равномерно размешали его во всем объеме воды. Можно ли при такой ничтожной концентрации обнаружить присутствие пахучего вещества в воде? Оказывается, есть рыбы, обладающие органами, способными реагировать на такие мизерные количества вещества.
Медуза слышит недоступные человеку инфразвуки, возникающие от трения волн о воздух. «Инфраухо» медузы представляет собой стебелек, оканчивающийся шаром с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончания нерва. Первой воспринимает «голос» шторма колба, наполненная жидкостью, затем через камешки этот «голос» передается нервам. Созданный человеком прибор, имитирующий орган слуха медузы, оповещает о наступлении шторма световым сигналом и указывает его мощность.
Некоторые морские животные задолго узнают о приближении бурь. Объясняется это их способностью слышать недоступные человеку звуки очень низких частот — инфразвуки, которые возникают благодаря трению волн о воздух (частота их составляет 8 — 13 колебаний в секунду, а человек воспринимает звуки, имеющие частоту выше 16—20 колебаний в секунду). Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступлении шторма и указывающее направление, откуда этот шторм придет.
Новые возможности для инфракрасной техники может открыть исследование специального органа гремучих змей, который воспринимает тепловое излучение и реагирует на изменение температуры излучающего тела буквально на одну тысячную долю градуса. С помощью этого органа змея может находить свою жертву в темноте.
В Японии водятся рыбки, ощущающие малейший перепад давления надводной среды. Объясняется это устройством их плавательного пузыря. Они реагируют на изменение давления атмосферы порядка сотых долей миллиметра ртутного столба. В аквариуме эти рыбки начинают сильно волноваться при приближении бури. Это чрезвычайно чувствительный живой барометр.
Созданная человеком система видения в темноте представляет собой сложное электронно-оптическое устройство немалого веса и объема. Она содержит специальные линзы, фокусирующие тепловые лучи, излучаемые предметом. Они попадают на входной экран ЭОПа — электронно-оптического преобразователя, чувствительного к тепловой энергии. Число выбиваемых из экрана ЭОПа электронов пропорционально интенсивности теплового излучения. Выбитые электроны направляются на выходной экран и создают на нем люминесцирующее изображение предмета.
Некоторые животные обладают органами чувств, которых нет у человека. Обнаружена чувствительность нескольких семейств рыб к электрическим полям, существующим в окружающей их среде. Особенно большой чувствительностью обладают нильские рыбы мормирусы. Если вблизи аквариума, в котором они находятся, расчесывать волосы гребенкой, то рыбки, улавливая возникающие при этом слабые электрические разряды, начинают метаться. Подсчитано, что мормирусы чувствуют изменение, напряженности электрического поля величиной в три миллиардные доли вольта на миллиметр. Это фантастически малое изменение, которое очень трудно установить даже самыми чувствительными из существующих приборов. Такая способность мормирусов очень интересна для специалистов, занимающихся вопросами обнаружения предметов под водой.
Поразительным электролокатором обладает рыба мормирус. В основании хвоста у этой рыбы находится своеобразный генератор переменного тока. Разряжаясь, генератор создает вокруг мормйруса электромагнитное поле. Если в нем оказывается какой-нибудь предмет, поле «искажается», что тотчас отмечается приемным устройством, расположенным на спине рыбы.
Не меньший интерес для техники представляет и понимание принципов действия органов «губных ямок» гремучих змей, чрезвычайно чувствительных к тепловому излучению. Они способны реагировать на очень слабые изменения температуры, составляющие всего тысячные доли градуса, и при этом определять направление, в котором находится источник теплового излучения.
Летучая мышь во время полета ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Характерно и то, что точность обнаружения препятствий достигается даже при наличии шума, интенсивность которого во много раз превосходит интенсивность принимаемого сигнала.
Органы чувств как физические приборы
Мы проследили длинную цепь, которая привела нас от элементарных частиц и атомов к таким сложным существам, как человек.
Вы можете спросить, увело ли нас это развитие, из царства атомов или же атомные явления все еще непосредственно влияют на человеческий организм. На этот вопрос можно ответить, изучая функции наших органов чувств.
Если физик хочет измерить интенсивность светового луча, он часто использует фотоэлемент — прибор, который при освещении дает электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности света. Если свет слишком слаб, чтобы вызвать ток, измеряемый обычным фотоэлементом, то к нему подсоединяют примерно такой же усилитель, какой применяется в обычном радиоприемнике. Фотоэлемент с подключенным к нему усилителем может обнаруживать свет даже очень малой интенсивности. Мы получим даже лучший результат, если заменим фотоэлемент фотоумножителем или другой светочувствительной трубкой. При помощи этих устройств чувствительность может быть доведена до такой точки, когда можно обнаружить единичные фотоны.
Как мы заметили в начале второй главы, согласно корпускулярной теории свет состоит из потока фотонов. Наименьшее количество света, которое теоретически возможно обнаружить, это фотон, так как меньшего количества света просто не существует. Фотон невозможно обнаружить непосредственно. Его существование доказывается другими путями; например, различными способами можно зарегистрировать движение электрона, возникшее в результате столкновения его с фотоном. Фотоны рентгеновских лучей и гамма-излучения настолько богаты энергией, что электроны, с которыми они сталкиваются, приобретают высокие скорости, и их сравнительно легко обнаружить. С помощью самых чувствительных инструментов для измерения гамма-излучения. Мы можем получить сигнал почти о каждом фотоне, который достигает измерительный прибор. Поэтому можно непосредственно сосчитать число приходящих фотонов, и с этим достижением мы добились предела теоретически возможного. Но фотоны видимого света обладают гораздо более низкой энергией, и, следовательно, их способность выбивать электроны, которые затем могут быть обнаружены, уменьшилась. Используя лучшие инструменты, созданные до сих пор, мы можем обнаружить в среднем каждый пятый или десятый фотон.
Может ли человеческий глаз сравниться с каким-либо из этих высокочувствительных приборов? Чувствительность глаза сильно колеблется в зависимости от внешних условий. От яркого солнечного света чувствительность понижается, и она бывает максимальной, лишь когда у глаза было некоторое время, чтобы приспособиться к очень слабой освещенности. Степень чувствительности также сильно зависит от цвета, самая высокая чувствительность по отношению к желтому цвету, самая низкая — к красному и синему. Чтобы измерить чувствительность глаза в наиболее благоприятных условиях, мы измеряем чувствительность к желтому цвету после того, как глаз адаптировался в темноте. Такой способ исследования показал, что самый слабый световой сигнал, обнаруживаемый глазом, соответствует нескольким (пяти или десяти) фотонам, прошедшим сквозь зрачок и достигшим сетчатки. Таким образом, в наиболее благоприятных условиях глаз демонстрирует максимум чувствительности, которая только физически возможна.
Сетчатка глаза содержит светочувствительное вещество (зрительный пурпур), которое преобразовывается под действием света. Это преобразованное вещество вызывает нервное возбуждение, которое передается в мозг, где оно воспринимается как свет. Если сквозь зрачок проникает несколько фотонов, можно ожидать, что только один или два достигнут светочувствительного вещества, а каждый фотон изменяет не более одной молекулы зрительного пурпура. Так, наименьшее количество света, воспринимаемое глазом, соответствует изменению одной молекулы или, возможно, двух или трех.
В таком случае функция глаза целиком зависит от атомных явлений: в наиболее благоприятных условиях человеческий глаз регистрирует единичный квант света.
Чувствительность уха также является самой низкой из физически возможных. Если физик хочет измерить звук, он использует микрофон в комбинации с усилителем. Когда звуковые волны достигают мембраны микрофона, они вызывают колебания, которые производят электрические токи, которые, в свою очередь, могут быть усилены. Чем чувствительнее микрофон и усилитель, тем слабее может быть звук, обнаруживаемый с их помощью. Предел, который можно достигнуть, определяется тепловым движением молекул. Так как температура тела выше —273°С (абсолютный нуль), его молекулы находятся в постоянном движении. Мембрана микрофона приводится в движение молекулами воздуха. К тому же молекулы вещества самой мембраны также хаотично перемещаются и вызывают дополнительное беспорядочное движение. Колебания необыкновенно малы, но измерительные приборы настолько совершенны, что обнаруживают даже эту вибрацию. Если звук настолько слаб, что вызываемая им вибрация мембраны микрофона меньше, чем вибрация из-за теплового движения, то, конечно, существование его как физического факта установить невозможно. Мы не можем в таком случае верно определить колебание как «звук», пока оно не будет сильнее, чем тепловое движение молекул. Следовательно, при помощи чувствительного микрофона и усилителя можно обнаружить любой звук, характеристика которого в несколько раз больше, чем при тепловом движении.
Наши звукочувствительные органы расположены в среднем ухе, и когда звук достигает барабанной перепонки, он затем передается в среднее ухо. Звукочувствительные органы начинают колебаться, что воспринимается нами как звук. Чувствительность уха изменяется с частотой звука. Наибольшая чувствительность наблюдается, когда частота звука равна нескольким сотням колебаний в секунду, что примерно соответствует октаве тенора. Минимальная сила, которой должен обладать звук оптимальной высоты, чтобы быть воспринятым ухом, соответствует такой величине, когда он вызывает колебания в среднем ухе в несколько раз больше, чем тепловые колебания молекул. Молекулы звукочувствительных органов среднего уха, как и всех остальных предметов, находятся в тепловом движении и поэтому постоянно колеблются. Если это «естественное» состояние нарушается достигшим уха звуком, то, для того чтобы вызвать реакцию звукочувствительных органов, частота колебания звуков должна быть лишь в несколько раз больше частоты теплового колебания. Таким образом, звук как таковой воспринимается в том случае, если; достигнув среднего уха, он отвечает определению «звука», изложенному выше. Совершенно справедливо, что внешнее ухо могло бы быть устроено так, чтобы
улавливать больше звуков, и проход, ведущий в среднее ухо, мог бы иметь более эффективное устройство. Большим преимуществом была бы также чувствительность уха как к высоким, так и к низким звуковым частотам. Но, несмотря на эти гипотетические замечания, звукочувствительные органы среднего уха, в общем, также чувствительны к тонам оптимального звукового интервала, как и любой физический прибор, созданный для этой цели. Ухо действует в пределах, установленных соответствующими атомными явлениями.
В отличие от чувствительности органов слуха и зрения чувствительность органов обоняния гораздо труднее оценить в терминах аналогичных атомных явлений. Теоретически наименьшее количество вещества — это молекула; но для того чтобы обнаружить запах, необходимо, чтобы большое число молекул достигло слизистой оболочки носа. На основании этого мы могли бы сделать вывод, что у всех людей — как у старого рыбака из традиционной шведской сказки — хорошее зрение, хороший слух, но ужасное обоняние. Однако такое утверждение, по-видимому, неверно, так как количество вещества, необходимое для того, чтобы нос почувствовал запах, часто гораздо меньше количества, необходимого химику для обнаружения вещества.
Прямую связь человеческого тела с миром атомов, проиллюстрированную функционированием глаза и уха, пожалуй, можно назвать ценным и хорошо налаженным наследством от наших древнейших предков, организмов, состоящих лишь из нескольких молекул и отличающихся от амеб, как амебы отличаются от нас.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Ловушки восприятия: как органы чувств искажают реальность
Почему мы видим оптические иллюзии, слышим не те слова и по-разному ощущаем вкус одинаковых продуктов.
Мы можем не верить чужим словам, но если удаётся что-то увидеть, потрогать или попробовать на вкус, сомнения отпадают. Мы привыкли доверять своим чувствам и ощущениям, потому что это единственный канал нашей связи с реальностью. Который обманывает нас каждый день.
Как нас обманывает зрение
Наша повседневная жизнь полна иллюзий. Например, каждая девушка знает, что чёрная одежда стройнит, а светлая делает толще, хотя фигура при этом не меняется. Эта иллюзия была обнаружена Irradiation Illusion ещё в XIX веке физиком Германом Гельмгольцем и получила название «иллюзия освещения» (irradiation illusion).
Согласно ей, белый квадрат на тёмном фоне кажется больше, чем тёмный — того же размера — на белом.
И учёные только недавно разобрались Neuronal nonlinearity explains greater visual spatial resolution for darks than lights , в чём тут дело. В зрительной системе есть два главных типа нейронов: включающие (ON neurons), чувствительные к светлым вещам, и выключающие (OFF neurons) — чувствительные к тёмным.
Выключающие нейроны реагируют линейно: чем больше контраст между тёмным и светлым, тем больше они возбуждаются. А вот включающие ведут себя не так предсказуемо: при том же уровне контраста они реагируют сильнее, выделяя светлые предметы на тёмном фоне.
Эта особенность помогала выживать нашим далёким предкам, визуально увеличивая объекты при плохом освещении. Например, ночью к вам подкрадывается хищник, включающие нейроны активируются и делают его светлую шкуру заметнее. В то же время днём, когда тёмные объекты и так хорошо видны, нет нужды как-то выделять их, поэтому выключающие нейроны ведут себя как положено: передают реальные размеры.
Есть ещё одна полезная визуальная иллюзия, которую можно использовать в обычной жизни — иллюзия Дельбёфа Delboeuf illusion study . Так, внутренние круги на изображении ниже одинаковые, но за счёт внешних кругов левый кажется меньше правого. Расстояние между первым и вторым кругом заставляет глаз ошибаться в оценке размеров внутреннего элемента.
Эта иллюзия может быть полезна, например, если вы сидите на диете. Люди часто переоценивают количество пищи, необходимой для насыщения. На маленьких тарелках, в соответствии с иллюзией Дельбёфа, то же количество еды смотрится солиднее. В итоге человек накладывает меньше и не объедается. И это реально работает Nudging’ hotel guests to reduce food waste as a win-win environmental measure .
Можно подумать, что иллюзии зрения — полезная штука. Некоторые да, но не все. Например, исчезновение Трокслера. Попробуйте сконцентрироваться на чёрном крестике, и через некоторое время размытые пятна пропадут.
Эта иллюзия объясняется The role of fixational eye movements in visual perception строением глаза. У человека капилляры сетчатки располагаются перед её рецепторами и затеняют их.
Глаз человека всё время перемещается, поэтому единственные неподвижные объекты — это его структуры, те самые капилляры. Чтобы обеспечить целостное восприятие картинки, без затенённых областей, мозг включает механизм компенсации: если взгляд фиксируется на одной точке, неподвижные участки изображения «вырезаются» — вы просто перестаёте их видеть.
Это работает только с небольшими объектами, ведь капилляры по умолчанию маленькие и располагаются только на периферии зрения — в центре глаза их нет. Но в жизни это может сыграть злую шутку. Например, если вы сконцентрировались на каком-то небольшом объекте в машине, то можете не заметить фары другого автомобиля — они просто «пропадут».
Итак, зрение постоянно обманывает нас, к добру это или нет. Более того, оно влияет и на другие чувства, заставляя нас ошибаться в самых простых вещах.
Почему мы слышим не то, что есть на самом деле
Иногда мы слышим совсем не то, что нам говорят. Наше зрение и слух работают в паре, и, если визуальная информация противоречит звуковой, мозг отдаёт предпочтение той, что получает через глаза.
Есть одна интересная иллюзия, которую невозможно преодолеть, даже если вы знаете, в чём дело. Это эффект Hearing lips and seeing voices МакГурка — феномен восприятия, который доказывает взаимосвязь между слухом и зрением.
В видео мужчина произносит один и тот же звук «ба», но сначала вы видите, как губы двигаются правильно — именно так, чтобы произнести «ба». А затем картинка меняется так, как будто мужчина произносит «фа», и вы действительно начинаете слышать этот звук. При этом сам он не меняется. Попробуйте закрыть глаза, и вы убедитесь в этом.
Это работает не только с отдельными звуками, но и со словами Mixing sound and vision: The interaction of auditory and visual information for earwitnesses of a crime scene . Такие иллюзии могут привести к ссорам и недопониманиям, а то и к более страшным последствиям. Например, если перепутать предложения He’s got a boot и He’s gonna shoot.
Есть ещё одна интересная звуковая иллюзия Looming sounds are perceived as faster than receding sounds , не связанная со зрением и речью, — эффект надвигающегося звука. Если звук нарастает, человек склонен считать, что он ближе, чем если громкость снижается, хотя расположение источника звука при этом не меняется.
Эта особенность легко объясняется стремлением выжить: если что-то приближается, лучше считать, что оно ближе, чтобы успеть убежать или спрятаться.
Как нас обманывают вкусовые рецепторы
Исследования доказывают, что наши вкусовые ощущения тоже не самый надежный источник информации.
Так, ценителям вина дали Turning white wine into red попробовать один и тот же напиток. В первом случае это было обычное белое вино, и люди указали характерные для него нотки. Затем в тот же напиток добавили красный пищевой краситель и снова дали участникам эксперимента. На этот раз ценители почувствовали нотки, характерные для красного вина, хотя напиток был тот же.
На вкус еды может влиять даже цвет посуды. Исследование продемонстрировало Cup color influences the taste of hot chocolate , что когда горячий шоколад подавали в кремовой или оранжевой чашке, он казался участникам более сладким и ароматным, чем в белой или красной посуде.
Это работает с любыми напитками: жёлтые банки усиливают вкус лимона, синяя газировка лучше утоляет жажду, чем красная, а розовая кажется более сладкой.
Если так легко обмануть вкусовые ощущения, можно предположить, что тактильному восприятию тоже нельзя доверять. И это действительно так.
Как нас могут обмануть тактильные ощущения
Это доказывает знаменитый эксперимент с резиновой рукой. Человек кладёт руки на стол: одну убирает за ширму, а вторую оставляет на виду. Вместо убранной руки на стол перед ним кладут резиновую конечность.
Затем исследователь одновременно гладит кисточками резиновую руку и настоящую, спрятанную за ширмой. Через какое-то время человек начинает чувствовать, что резиновая конечность — это его рука. И когда исследователь бьёт по ней молотком, сильно пугается.
Что особенно интересно, во время этого опыта мозг перестаёт считать спрятанную руку своей. Учёные измерили Psychologically induced cooling of a specific body part caused by the illusory ownership of an artificial counterpart температуру конечностей во время эксперимента, и оказалось, что рука за ширмой была холоднее, тогда как видимая рука и ноги остались одинаково тёплыми.
Визуальная картинка обманывает мозг, и он замедляет обработку информации, поступающей от настоящей руки. Это доказывает, что ощущение тела тесно связано со зрением и мышлением.
Несовершенно и наше восприятие веса. Тёмные объекты кажутся нам более тяжёлыми, чем светлые. Учёные проверили The Brightness-Weight Illusion этот эффект. Выяснилось, что при одинаковом весе и форме тёмный предмет кажется на 6,2% тяжелее, чем светлый. Учитывайте это, когда будете выбирать гантели.
Несмотря на все иллюзии и искажения, мы слишком привыкли доверять своим органам чувств, чтобы позволить себе сомневаться в них. И это правильно, ведь других источников информации у нас нет и не будет.
Просто помните, что иногда даже непосредственный опыт восприятия может оказаться ошибочным.
Датчики, как «органы чувств» используемые в современном жилище
Анализатор (сенсорная система) — функциональная система, обеспечивающая восприятие и переработку информации из внешней и внутренней среды организма. Учение об анализаторах разработано И.П. Павловым. Совокупность рецепторов, сконцентрированных в определенных участках тела, и клеток других тканей образует органы чувств. Анализатор состоит из трех отделов:
- периферический — рецепторы, которые входят в состав органов чувств. Рецептор — это клетка, способная воспринять раздражитель и преобразовать его в нервный импульс. Есть хеморецепторы (вкуса, обоняния); механорецепторы (осязания, слуха); фоторецепторы (зрения); терморецепторы (холода, тепла); болевые рецепторы;
- проводниковый — нервы, отходящие от рецепторов органов чувств;
- центральный — участок коры больших полушарий, где происходит декодирование (расшифровка) информации с языка нервного импульса в форму соответствующего ощущения (зрительного, слухового, вкусового и т.п.).
Органы чувств — высокоспециализированные органы, воспринимающие определённый раздражитель. У человека различают шесть органов чувств: орган зрения, слуха, обоняния, вкуса, кожно-мышечного чувства и равновесия. Действуя одновременно, они обеспечивают человека разнообразной информацией об окружающем объективном мире, которая отражается в его сознании в виде субъективных образов — ощущений, восприятий и представлений памяти.
Проводящий путь сенсорной системы представлен чувствительными нервами, передающими нервный импульс в ЦНС. Частично информация начинает обрабатываться уже на уровне рецепторов, однако главную роль играет обработка в ЦНС.
Корковый отдел сенсорной системы — определённая зона коры больших полушарий головного мозга, где нервный импульс воспринимается и анализируется. На этом уровне возможно взаимодействие между различными сенсорными системами. В результате согласованной работы сенсорных систем в больших полушариях формируется программа поведения, оценка действий и др.
Зрительная сенсорная система (органы зрения)
Зрительная сенсорная система состоит из глаз, зрительного нерва и зрительных центров в височной области коры больших полушарий (коркового центра).
Глаз состоит из глазного яблока (шаровидное тело, расположенное в глазнице черепа) и вспомогательного аппарата (брови, веки с ресницами, слёзный аппарат и глазодвигательные мышцы).
Брови — волосы, предохраняющие глаза от попадания пота со лба. Веки — кожные складки с растущими по свободному краю ресницами, которые защищают глазное яблоко от ветра, пыли, ярких солнечных лучей. Слёзный аппарат включает слёзную железу, расположенную в верхнем наружном углу орбиты, и систему слёзных путей (слёзный каналец, слёзный мешок, носослёзный канал). Глазодвигательные мышцы соединяют глазное яблоко со стенками глазницы и обеспечивают его движения.
Глазное яблоко состоит из ядра, покрытого тремя оболочками: фиброзной, сосудистой и сетчатой (сетчаткой). Фиброзная оболочка в заднем отделе образует склеру, придающую глазному яблоку определённую форму, а в переднем отделе — прозрачную роговицу, которая пропускает и преломляет свет. Тонкая и нежная сосудистая оболочка с густой сетью тончайших сосудов и капилляров обеспечивает снабжение глаза кровью. В передней части глаза она образует радужную оболочку, в её центре имеется небольшое отверстие — зрачок, он способен рефлекторно расширяться или сужаться в зависимости от интенсивности света. Позади зрачка находится прозрачный и эластичный хрусталик, кривизна которого регулируется ресничной мышцей. Стекловидное тело заполняет почти всю внутреннюю полость глазного яблока. Сетчатка состоит из рецепторов — палочек и колбочек. Участок сетчатки, из которого выходит зрительный нерв, — слепое пятно. Почти рядом с ним находится жёлтое пятно, образованное скоплением рецепторов, — место наилучшего видения.
На сетчатке образуется уменьшенное перевёрнутое изображение видимых глазом предметов. Действительное изображение формируется в зрительной коре после поступления возбуждения от фоторецепторов. Для чёткого восприятия близких и далёких предметов хрусталик меняет свою кривизну, фокусируя лучи на сетчатке. Эта способность называется аккомодацией. Стереоскопичность (объёмность) зрения достигается сочетанием зрительных осей обоих глаз так, чтобы изображение падало на идентичные участки сетчатки.
Слуховая сенсорная система (органы слуха)
С помощью слуха человек воспринимает и анализирует огромное многообразие звуков окружающего мира и овладевает способностью говорить.
Слуховая сенсорная система состоит из рецепторов, расположенных в улитке внутреннего уха, слуховых нервов, проводящих импульс в головной мозг, и слуховых центров в височной доле коры головного мозга, где окончательно различается характер звука, его высота и тембр.
Орган слуха человека состоит из трёх отделов: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо служит для улавливания и проведения звуковых колебаний. Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего. Среднее ухо расположено внутри височной кости, отграничено барабанной перепонкой и овальным окном внутреннего уха. Оно состоит из заполненной воздухом барабанной полости (соединена с носоглоткой слуховой (евстахиевой) трубой, через которую уравновешивается давление воздуха в полости среднего уха с атмосферным давлением) и тремя слуховыми косточками — молоточком, наковальней и стремечком, соединёнными между собой суставами. Вибрация барабанной перепонки передаётся сращённому с ней молоточку, а затем — наковальне и стремечку, передающему её на овальное окно. Внутреннее ухо представляет собой сложную систему полостей и каналов, заполненных жидкостью. Основные части: улитка (содержащая слуховые рецепторы) и три полукружных канала (орган равновесия). Улитка — тонкостенный спиральный канал, заполненный жидкостью. В её полости расположен кортиев орган, содержащий волосковые клетки, преобразующие колебания жидкости улитки, вызванные звуковыми колебаниями, в нервные импульсы.
Вестибулярная сенсорная система (орган равновесия)
Вестибулярная сенсорная система (анализатор равновесия и положения тела в пространстве) играет важную роль в управлении движениями. Она включает рецепторные клетки органа равновесия, нервы, проводящие возбуждение в продолговатый мозг и мост, корковые центры в теменной и височной долях больших полушарий (при сознательном определении тела в пространстве) или мозжечок и спинной мозг (при рефлекторных реакциях).
Орган равновесия (вестибулярный аппарат) — часть внутреннего уха, состоящая из трёх полукружных каналов и двух мешочков преддверия (сферического и эллиптического). В стенках мешочков группами расположены волосковые клетки. Волоски этих клеток погружены в студнеобразное вещество, в котором разбросаны мелкие известковые кристаллы — отолиты. При любом положении тела отолиты деформируют волоски определённой группы волосковых клеток. Эта деформация вызывает возбуждение в оплетающих эти клетки нервных волокнах. Возбуждение поступает в нервный центр (в продолговатом мозге) и при необычном положении тела вызывает ряд двигательных рефлекторных реакций, приводящих тело в нормальное положение. Полукружные каналы расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, поэтому их рецепторы раздражаются при изменении положения или движения тела в любом направлении.
Органы химического чувства (органы обоняния и вкуса)
Хеморецепторные сенсорные системы — обонятельная и вкусовая, их периферический отдел состоит из специфических хеморецепторов (обонятельных и вкусовых).
Обонятельные рецепторы расположены в слизистой оболочке носа. Попадая вместе с воздухом в нос, молекулы пахучих веществ растворяются в слизи, затем путём химического взаимодействия возбуждают обонятельные клетки. Это возбуждение по волокнам обонятельного нерва поступает в центр обоняния (обонятельные зоны промежуточного мозга и коры больших полушарий), где происходит различение запахов.
Скопления вкусовых рецепторов (вкусовые луковицы), размещённые во вкусовых сосочках (выростах слизистой оболочки), расположены на языке и стенках ротовой полости. На вкусовые рецепторы химически воздействуют растворённые в воде вещества. Возникающее возбуждение по волокнам вкусового нерва поступает в мост и продолговатый мозг, а оттуда — в центр вкуса, расположенный на внутренней поверхности коры между полушариями головного мозга. Там возникают четыре вкусовых ощущения: солёного, горького, кислого и сладкого. Вкус пищи — комбинация этих ощущений в разном соотношении, к которой добавляется также ощущение запаха пищи.
Осязательная сенсорная система (орган осязания)
Кожные рецепторы разбросаны в толще кожи по всей поверхности тела. В большинстве случаев они представляют собой многоклеточные тельца разной формы, внутрь которых заходит и разветвляется чувствительное нервное волокно. Кожные рецепторы расположены неравномерно. Наибольшая их концентрация отмечена на кончиках пальцев рук, губах и наружных половых органах. Поэтому эти участки тела наиболее чувствительны к механическим и температурным раздражителям.
В коже и слизистых оболочках расположены механорецепторы, реагирующие на различные механические раздражения — давление, прикосновение, вибрацию; особенно многочисленны они на языке, ладонях и кончиках пальцев. Возбуждение от рецепторов по центростремительным нервам через спинной мозг поступает в зону кожной чувствительности коры больших полушарий. С помощью осязания человек способен различать форму, размеры, характер поверхности предмета.
Температурная чувствительность связана с холодовыми и тепловыми рецепторами, расположенными в коже, а также во многих внутренних органах. Импульсы от них посылаются в ЦНС, где информация анализируется, и запускается реакция терморегуляции.
Боль — психофизиологическая реакция на повреждающий раздражитель, вызывающий в организме органические или физиологические нарушения, она является врождённой сигнальной реакцией. Боль вызывает оборонительную реакцию, направлённую на сохранение целостности организма. Специальных болевых рецепторов нет, поэтому боль воспринимают свободные нервные окончания, расположенные по всему организму.
Проприорецепторы
В опорно-двигательном аппарате есть особые механорецепторы — проприорецепторы, посылающие в головной мозг информацию о состоянии мышц (их сокращении или растяжении). Благодаря проприорецепторам человек всегда знает, в каком положении пребывают разные части его тела. Строение их различно — от простых нервных окончаний до сложноустроенных мышечных веретён (покрытые соединительнотканной капсулой скопления из нескольких видоизменённых мышечных волокон, оплетённых одним или несколькими чувствительными нервными волокнами). Растяжение или сокращение мышечных волокон вызывает в нервном волокне возбуждение, которое направляется в зону мышечной чувствительности коры больших полушарий и к мозжечку.
Это конспект по теме «Органы чувств, их роль в жизни человека». Выберите дальнейшие действия:
Пять чувств
Пять чувств позволяют нам познавать окружающий мир и реагировать наиболее соответствующим образом. За зрение отвечают глаза, за слух – уши, за обоняние – нос, за вкус – язык, а за осязание – кожа. Благодаря им мы получаем информацию о нашем окружении, которая анализируется и истолковывается головным мозгом. Обычно наша реакция направлена на продление приятных ощущений или на прекращение неприятных.
Зрение
Из всех доступных нам чувств мы чаще всего используем зрение. Мы можем видеть благодаря множеству органов: световые лучи проходят через зрачок (отверстие), роговицу (прозрачную мембрану), затем через хрусталик (орган, похожий на линзу), после чего на сетчатке глаза (тонкая мембрана в глазном яблоке) возникает перевернутое изображение. Изображение преобразуется в нервный сигнал благодаря выстилающим сетчатку рецепторам – палочкам и колбочкам, и передается в головной мозг через зрительный нерв. Мозг распознает нервный импульс как изображение, переворачивает его в нужном направлении и воспринимает в трехмерном виде.
По мнению ученых, слух – второе наиболее используемое человеком чувство. Звуки (колебания воздуха) через слуховой проход проникают к барабанной перепонке и заставляют ее вибрировать. Затем они проходят через окно преддверия – отверстие, закрытое тонкой пленкой, и улитку заполненную жидкостью трубку, раздражая при этом слуховые клетки. Эти клетки преобразуют колебания в нервные сигналы, посылаемые в головной мозг. Мозг распознает эти сигналы как звуки, определяя уровень их громкости и высоту.
Осязание
Миллионы рецепторов, расположенные на поверхности кожи и в ее тканях распознают прикосновение, нажатие или боль, затем посылают соответствующие сигналы спинному и головному мозгу. Головной мозг анализирует и расшифровывает эти сигналы, переводя их в ощущения – приятные, нейтральные или неприятные.
Обоняние
Мы способны различать до десяти тысяч запахов, некоторые из которых (ядовитые газы, дым) оповещают нас о близкой опасности. Расположенные в полости носа клетки выявляют молекулы, являющиеся источником запаха, затем посылают соответствующие нервные импульсы в мозг. Мозг опознает эти запахи, которые могут быть приятными или наоборот неприятными. Ученые определили семь основных запахов: ароматический (камфорный), эфирный, душистый (цветочный), амброзиевый (запах мускуса – вещества животного происхождения, используемого в парфюмерии), отталкивающий (гнилостный), чесночный (серный) и, наконец, запах горелого. Обоняние часто называют чувством памяти: действительно, запах может напомнить об очень давнем событии.
Менее развитое чем обоняние, чувство вкуса сообщает о качестве и вкусовых особенностях потребляемой пищи и жидкостей. Вкусовые клетки, расположенные на вкусовых сосочках – маленьких бугорках на языке, определяют оттенки вкуса и передают соответствующие нервные импульсы в мозг. Мозг анализирует и идентифицирует характер вкуса.
Как мы пробуем пищу?
Чувства вкуса не достаточно, чтобы оценить пищу, и обоняние также играет очень важную роль. В носовой полости находятся две чувствительные к запахам обонятельные области. Когда мы едим, запах пищи достигает этих областей, которые «определяют», вкусная пища или нет.
Загрузка...