border=0

De wichtichste wetten fan selsorganisaasje fan komplekse dynamyske systemen

| Folgjende artikel ==>

It is bekend dat de ûntwikkeling fan in libbest organisme is in folchoarder fan autonome acts fan selsorganisaasje. Management fan dit proses kin útfierd wurde mei help fan swakke ynfloeden dy't ynfloed binne op de kar foar in bepaald paad fan ûntwikkeling by dy momint as de ûntjouwingstruktuer yn in steat fan "bifurkaasje" is, karakterisearre troch it oanwêzigjen fan ferskate mooglike ferfolchingen. It binne dizze swakke kontrôle aksjes dy't ferskine yn 'e genetyske folgen fan' e primêre sel.

It gebrûk fan sokke begjinsels yn 'e technology soe har mooglikheden útwreidzje, bouwe it "yn' e foarmen fan it libben sels". Dit soe liede ta it oerwinnen fan de hjoeddeiske grûnferskillen tusken de wrâld fan 'e technology en de wrâld fan' e wildlife. Dezelfde wetten moatte it funksjonearjen fan artifisearre technyske apparaten en libjende organismen.

Aktive media binne karakterisearre troch in trochgeande streaming fan enerzjy út in eksterne boarne en har dissipaasje. Troch de stream fan enerzjy troch elk fysikoal lyts elemint fan 't medium, wurdt dit elemint út' e steat fan lykwicht ferwiderje en de fermogen om sels-oszillaasjes út te fieren, bistabele (trigger) of eksitlik te meitsjen. As sokke eleminten lokaal ferbûn binne en in bepaalde struktuer foarmje, dan wurdt yn sa'n omjouwing de formaasje fan stasjonale of tiidôfhinklike romtlike struktueren beoardield. Sokke prosessen ûnderhannelje it fenomeen fan selsorganisaasje yn aktive media.

De stúdzje fan sa'n koöperative gedrach yn fysike systeem is in wichtich part fan 'e fysika fan kondensearre systemen . De systeeën yn dit gefal hawwe lykwols in spesifike eigenskip dy't gjin karakteristyk is foar biologyske of komplekse chemyske systemen, om't de eleminten dy't sokke fysike systemen foarmje, passive binne .

Foar biology is in oare situaasje typysk, hjir kinne elke eleminten aktyf wêze , bygelyks libbene sellen, mikroorganismen, ensfh. De behâld fan 'e aktiviteit fan sokke systemen is allinich mooglik troch de ympuls fan enerzjy út eksterne boarnen. Yn dit gefal binne der trije ienfâldige soarten aktive eleminten :

· Bistabele,

· Ferfelend

· Self-oscillating.

Kin hingje de analogy tusken aperiodyske, bifurkaasje en oszillatoryske prosessen yn komplekse dynamyske systemen. Bygelyks yn multi-oscillator-systemen kin in analogen fan sokke moden trije soarten fan harren dynamyske steaten wêze, bygelyks synchronisearre, bifurkaasje, en asynchrone modes fan gekoppelte oscillaasjes yn systemen fan ferskate kompleksiteit.

In bistabele of trigger-elemint hat twa stasjonlike steaten, yn elk wêr't it >

In eksportearre (multivibrator) elemint hat in ienige selektearre rêst, wjerstân tsjin swakke eksterne ynfloeden. Dit elemint is lykwols oars fan 'e passive yn syn reaksje op' e effekten dy't oer it drompel nivo binne. As antwurd op in frij yntinse eksterne ynfloed, ferskynt in elemint fan aktiviteiten yn it elemint: hy docht transysjes út en komt werom nei in steat fan rêst.

It sels-oszillierende elemint wurket as in ivige bewegingmachine. It autonomeus fiert sikkelike transysjes fia in beskate groep fan steaten. Eksterne ynfloeden kinne allinich dizze slykale bewegings allinich ferwiderje, mar net ophâlde.

Fig. 13.1 Welle propagaasjemuster fan in skeakjende welle yn in ketting fan bistabele eleminten. Sprekt de steat fan 'e eleminten fan' e ketting op opfolgjende tiden. , , .

It figuer is in ketting fan bistige eleminten. Yn dat binne allinich neistlizzende eleminten in effekt op elkoar. Boppedat, as se yn deselde steat binne, hawwe se gjin oare ynfloed. Ynteractearje allinich as har steaten oars binne. In elemint dat yn in minder stabile steat is (metastabele) kin nei in stabile steat gean - itselde as dy fan syn buorman. As gefolch dêrfan kin in waach fan skeakende steat lâns de ketting propagje.

As in ketting bestiet út ferrassende eleminten, dan bliuwt in elemint dat fan in rêsting nei in aktive foarm passe is, bliuwt immun foar eksterne ynfloeden oant it de hiele ôfdieling fan oerienkomsten foltôge hat. Dêrom is it foldwaande om allinich fakken te beskôgjen dêr't twa eleminten yn 'e wyk útwreidzje, ien fan dy yn aktive foarm, en de oare by rêst. Der binne twa soarten ynteraksje. Earst, elk elemint yn 'e aktive foarm kin it elemint neist it fuorthelje fan' e rêst ôfsjitte. Yn dat gefal komt, as antwurd op in ienige eksposysje, kontinuorrelawelle aktiviteit yn 'e ketting.

In mear nijsgjirrige situaasje is as allinich eleminten dy't yn 'e earste fazen binne fan in útbrek fan aktiviteiten kinne út rêst brocht wurde. As gefolch fan 'e oanfreegjen fan it ekstreme elemint yn' e ketting, sil in solitêre aktiviteitsimpulse (stimulearrewelle) diele, nei't it oergeane wêr't de eleminten weromkomme nei har oarspronklike steat.

Fig. 13.2 Scheme fan it útbrekken fan in excitatorwelle yn in ketting fan eksitliken eleminten. Sprekt de steat fan 'e eleminten fan' e ketting op opfolgjende tiden. , , .

As jo ​​in ketting fan sels-oszillierjende eleminten meitsje, dan kinne faze-wellen yn 'e rekken hâlden wurde .

Fig. 13.3 Diagram fan 'e útbrekking fan in faze yn in ketting fan sels-oszillierjende eleminten. Sprekt de steat fan 'e eleminten fan' e ketting op opfolgjende tiden. , , .

Om dit te meitsjen is it genôch om in skift te meitsjen yn 'e earste faze fan oscillaasjes lâns de keten. In foarbyld fan de formaasje fan fazewellen kin bepaald wurde, bygelyks yn girlanden fan glêde ljochtsjes: elk fan har ljochtet en giet nei deselde perioade, mar de mominten fan ferzjen wurde ferpleatst foar neistlizzende ljochtsjes. De ynteraksje tusken de sels-oszillierjende eleminten kin liede ta de ôfhinklikheid fan 'e frekwinsje fan' e fazewellen op har romtlike perioade of om de ynrjochting fan in ienige faze fan oscillaasjes te garandearjen.

Noch mear komplekse effekten wurde beoardield yn twa-dimensionale of trije diminsjele netwurken dy't troch bistabele, ferhevene of sels-oszillatorjende eleminten foarmje.

Yn 'e foarbylden beskôgje de aktive eleminten aktyf as definitive automaten, d. objekten mei in diskrete steat fan steaten en guon regels fan transysjes tusken har . In mear detaillearre nivo fan beskriuwing is basearre op it bouwen fan differinsjaal lyknimmen dy't de dynamyk fan yndividuele eleminten en har ynteraksje karakterisearje.

Yn 'e oergong fan in trochgeande medium nei in diskrete, besteande út in set fan in finite oantal punten eleminten (synchronisaasjeprosessen fan oszillators yn komplekse systemen) dy't mei-inoar ynterakt binne, wurdt it begryp fan cellular automata brûkt.

In cellule automaton (CA) is in set fan sellen dy't in beskate periodyk systeem meitsje mei gegevens oerienkommende regels dy't de steat fan 'e sel yn' e folgjende kear bepale troch de steat fan 'e sellen dy't op in ôfstân fan net mear as guon by de aktuele tiid binne. As regel wurde automatoma's beskôge as de steat bepaald wurdt troch de sel sels, en de tichtste buorren. In kubike klaviers wurdt meastentiids beskôge as in klik.

Cellulare automaton bestiet út in set fan objekten (sellen), meast foarmje in reguliere gamma. De steat fan in i-ien objekt (of sel) op 'e tiid n is karakterisearre troch guon fariabelen dy't in ynteger, echte of komplekse nûmer wêze kinne, of in ynset fan ferskate nûmers wêze. De beskôge steaten fan 'e sellen feroarje syn syngronisearje op diskrete tiidyntervallen yn oerienstimming mei pleatslike probabilistyske regels, dy kinne ôfhinklik fan' e steat fan 'e fariabelen yn' t de neiste buorjende knooppunten. Dizze regels feroarje net oer tiid.

De cellule automaton is in diskrete dynamysk systeem wêrfan it gedrach hielendal bepaald wurdt yn termen fan lokale ôfhinklikheden. Soks in systeem kin wurkje mei har materiaal diel, modifisearje, útwreidzje sels en meitsje eigen soarte. It is genôch om de wetten fan systemûntwikkeling op 'e mikro of meso nivo te kennen yn lytse romtlike gebieten (sellen) wêrfan it macrosystem bestiet. De iennichste ding is dat dy lokale regels deselde binne foar alle sellen . Allinnich eleminten fan har buert kinne ynfloed hawwe op in nije steat fan in sel, en miskien sels . Gjin rjochtsgebiet kin fan 'e oare ûnderskiede wurde troch ien fan' e spesifike funksjes fan de regels , ensfh. Oft yn 'e praktyk is de klaai in definitive set fan sellen te wêzen (it is ûnmooglik om in unbegryplike bedrach fan gegevens te isolearjen). As gefolch kin kânt effekt opkomme, de sellen dy't stean oan 'e grins fan' e giel sille ferskille fan 'e rest yn it oantal buorren. In protte mooglike steaten fan 'e sel - fansels . Werte yn alle sellen feroarje op in tiid , oan 'e ein fan' e iteraasje, en net neffens de berekkening. Oarspronklike ynfloed de opdracht fan sortearjen fan de rasterzellen, as iterearret, it ynfloed faak ynfloed.

Spacecraft kin ferdield wurde yn synchronous en asynchron, deterministysk en probabilistysk, beweging en stasjonêr, homogene en heterogeneus, ienfâldich abstrakt en komplekse , krekt beskreau echt systemen .

Yn synchrone satelliten ferpleatse alle sellen tagelyk nei in nije steat troch in globale timer-sinjaal. Yn dit gefal wurdt de âlde steaten fan 'e buorren fan sellen brûkt as ynputstannen. Yn asynchrone satelliten fertsjintwurdigje de sellen nei in nije steat yn in willekeurige opdracht, wylst in nije cell state kin troch syn buorren fuortendaliks brûkt wurde as input.

Ferwizings fan satelliten binne karakterisearre troch de mooglikheid om de posysje fan in sel te feroarjen yn 'e giel by de evolúsje fan it systeem. Yn stasjonêre romteskoft bliuwt de posysje fan 'e sel yn' e evolúsje konstant.

Spacecraft wêryn't de steat fan 'e sellen op in neifolgjende punt yn' e tille wurde bepaald op basis fan bepaalde kâns dat probabilistyske romtefak (SCA) neamd wurde.

Yn 2002 boude Paul Chapman in sample fan it libben yn 'e foarm fan de RMM (Register Machine of Minsk). In feiligens is PMM ek fergelykber mei in Turing-masine. De earste ferzje fan 'e echte sample wie grut (268.096 live-sellen yn in gebiet fan 4.558 x 21.469 sellen) en stadichoan (20 generaasjes / sek mei Life32 troch Johan Bontes op 400 MHz AMD K6-II). Sa kinne jo yn it spul it libben algoritme útfiere dy't kin op in moderne komputer ynfierd wurde.

De metoade foar mobile cellular automata wurdt brûkt om simulaasje fan fysikoochemyske prosessen yn nanoskalige systemen te kombinearjen, dy't ferbûn is mei de kompleksiteit fan it tapassen fan klassike metoaden op basis fan it learen fan differinsjaal lyknimmen.

It is bekend dat yn net-lykwichtige dissipative-systemen by it útbrekken fan autowaven , kinne reguliere struktueren spontaan foarmje. Sokke gedrach fan systemen liedt se ta selsorganisaasje , foarmjen . Echt, komplekse nonlineare dynamyske systemen kinne karakterisearre wurde troch tige kompleks gedrach, neamd "dynamysk gaos". Yn dit gefal binne bygelyks struktueren fûn dy't op in simpel wize werhelje. Dit eigendom fan 'e selsferiening is karakteristyk net allinich foar it poadium fan transysje nei gaos, mar noch mear sawat foar chaotyske regymen sels. Sa is it dynamyske gaos net allinich in ûnregelmjittige struktuer, mar is karakterisearre yn in beskate betsjutting troch in hege mjitte fan regeljouwing.

Analyse fan it ynterne bestelling fan dynamysk gaos liedt ta it begryp fan fraktalen . Op it stuit hawwe fraktalen populariteit wûn troch it feit dat se in breed ferskaat oan tapassingen yn fysika, chemie, astrophysika, hydrodynamika, ekonomy, ensf. Krigen hawwe. Bygelyks de teory fan fraktalen kin tapast wurde foar it stúdzje fan de Weierstrassfunksje (in trochgeande funksje dy't gjin derivaat yn point).

Fig. 13.4 a is in grafyk fan 'e Weierstrass funksje; b - it tasterje-in part fan 'e krom fan' e sifer (a).

Foar dizze funksje wurdt de krom opwakke op in willekeurich lytsskaligens (it diel is ferlykber mei it gehiel). Boppedat binne in grut oantal sels-ferlykbere sets bekend.

Fig. 13.5 De ​​earste stappen by it bouwen fan in Peano-krúf, dy't unifoarm in fjild folle.

Fig. 13.6 De earste stappen by it bouwen fan ien fan 'e Koch-krúmen.

Fraktale struktueren ûntsteane ek as analysearje de evolúsje fan netlinear dynamyske systemen.

Fig. 13.7 In foarbyld fan it opkommen fan in fraktale struktuer yn 'e operaasje fan in cellule automaton.

Troch de automator te freegjen in algoritme foar it ynteraksje fan sellen, kin men fraktale sets krije mei in spesifike ynterne struktuer.

Fig. 13.8 Figuren fan in fern en in kristal, dy't ûntstien binne troch de oerienkommende mappen.

De prosessen fan selsorganisaasje yn netlinear dynamyske systeeën binne ynfierd yn ferskate soarten Brusselators , dus neamd nei de ûntdekking fan har Nobelpriisat I. Prigogine, dy't yn Brussel wenne. Bygelyks in klassike foarbyld fan selsorganisaasje fan systeeën is it misdied fan reguliere struktueren yn in floeibere lagen dy't fan ûnderen hjit.

Fig. 13.9 Struktueren dy't ûntstien binne yn in flakte fan floeistof dy't fan ûnderen hjit.

Bygelyks wurde struktueren yn 'e foarm fan rotearjende spiralwellen beskôge. Sokke wellen kinne ek ferskine yn 'e operaasje fan cellular automata.

Fig. 13.10 Spiralwellen yn in chemysk aktyf medium mei ferskillende wearden fan topologyske ladingen.

As foarbyld kin de gearhing fan elektrochemyske oszillating reaksjes yn 'e oksiaasje fan ammoniak en koalmonokside op platin as in katalysator, yn in beskate foto-chemicalen reagearjen en dêryn kinne sizze.

Fig. 13.11 Gearhingjende prozess yn 'e hertsmûsk (a) en yn' e katalytyske oksidaasje fan koalmonoksen op platinum (b). De wikseling fan ljocht- en tsjustere gebieten is in yndikator foar gearhingjende gemyske wellen.

Biologyske oscillaasjes binne in direkte útfier fan it funksjonearjen fan biogemyske oszillators. Hege be>

Yn 'e assosjearre oszillators wurde helder begrippen modellen realisearre: de dea fan oszillators, as ien oscillator "quenches" in oare (hertoanfal), "springt" fan oarder nei chaos (fibrillaasje), syntesis fan in nije frekwinsje, of modulaasje fan frequencies (tachykardia).

Net te ferjitten it ljochte foarbyld fan in selsorganisearre en selsorganisearjende biogemysk systeem - it harsens, wêrby't de gemyske en, as gefolch, elektrysk aktiviteiten fan synapses en neuronen synchronisearje. Yn dizze macroreaktor is de gewoane steat bestelling, gearhing; Chaos is in patology (lykas Alzheimer's sykte). Ideale oardering, ideale gearhing is de generaasje fan gedachten, ideeën en dit eigendom fan in talintele, brilike geast. En de hegere de gearhing, de heller it sjeny - it idee is net bewust, mar fergelykber mei de wierheid.

It gebrûk fan dizze modellen befettet de dynamyk fan 'e oanstriid fan komplekse dynamyske prosedueres yn in protte systemen fan ferskate natuer. Dizze modellen kinne brûkt wurde om mjittingen fan in nije generaasje te ûntwikkeljen en te ferbetterjen, om systemen foar transformaasje te ferwurkjen en te ferwurkjen fan mjittingen, basearre op it útfieren fan komplekse dynamyske prosessen yn oszillatoryske systemen.

Op dit stuit wurde yn ús lân en yn it bûtenlân de teoretyske en eksperiminteare stúdzjes fan 'e romtlike en temporale dynamika fan ensembles bestege út aktive eleminten fan in neurodynamyske type. As echte neuronale ensembles binne soksoarte systemen netwurden fan ynteraktive eleminten - "neurons" lokaasjes yn romte.

Yn tsjinstelling ta de bekende "formele" neuronale netwurken, yn neurodynamyske systeeën hat it elemint in eigen gefoel , yn guon gefallen net-triviale dynamyk.

De ferskynsels fan struktuerfoarming, de propagation fan netlinear wellen, de formaasje fan faze-klusters, fraktaal romte-tiidstruktueren fan dynamyske aktiviteit (fig.), ensf.

De ferskynsels fan kollektive dynamyk fan lytse ensembles fan kombinaasje generators mei faze kontrôle - fazesystemen : de prozessen fan generaasje randomly modulearre oscillaasjes en de kontrôle fan dizze oscillaasjes om te sykjen en fertsjinjen fan bepaalde eigenskippen foar harren wurde ûndersocht. It is te sjen dat de yntegraasje fan fazesystemen yn in ensemble romme mooglikheden foar it generearjen fan willekeurige modulaasjes en kontrolearje de eigenskippen fan soksoarte oscillaasjes.

De resultaten fan 'e generaasje, syngronisaasje fan willekeurige modulearre oscillaasjes yn ensembles fan gekoppelte fase-systeeën, en ek op komputer simulaasje fan ynformaasjeferfierprosessen mei help fan koäyzyske oscillaasjes, jouwe oan dat de beskate ensembles suksesfol ferskate problemen opleverje, bygelyks it bouwen fan nije kommunikaasjemooglikheden mei dynamyske chaos foar конфиденциальной передачи информации.

| Folgjende artikel ==>





Sjoch ek:

Untwerpmerken en basissynhâlden fan mikroelektromechanyske apparaten

Ynlieding

Bestelde kanaal-nanostruktueren en gebieten fan har praktyske tapassing

Meitsjen fan metoaden mei feiligens basearre sensoren

Sensoren en mikroaktuators basearre op MEMS-technology

Gebrûk fan Chaos om ynformaasje te generearjen

Fysike fundamentals fan 'e r-rayanalyse-metoaden

Foarbylden fan praktyk gebrûk fan NMR

It begryp "sêfte mjittingen"

Physical Basics of SQUID - mikroskopy

It gebrûk fan chaos foar it befoarderjen fan ynformaasje oer communications lines

Apparat en prinsipe fan operaasje fan in atomêre krêftmikroskoop

Werom nei ynhâldsopjefte: Moderne fûnemintele en tapastlike ûndersyk yn ynstruminten

2019 @ edudocs.fun