La cibernetica

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Data:	08.10.2001
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CIBERNETICA

I Greci indagarono i procedimenti di governo e il termine cibernetica si incontra in alcuni dialoghi di Platone, che analizzò il significato del verbo governare illustrandolo con esempi diversi (dal pilotare una nave o dirigere un carro al governare un popolo), e in Senofonte, che studiò sistematicamente l'arte di governo in senso politico. Nel 1834 Ampère utilizzò lo stesso termine nella sua classificazione delle scienze; ma la cibernetica acquisì l'attuale significato e assunse grande importanza soltanto in epoca recente (inizio della seconda guerra mondiale), quando l'uomo si propose di fornire alla macchina una possibilità di autogoverno (si pensi al “pilota automatico” degli aerei, in continuo perfezionamento). In precedenza ci si era infatti limitati a creare dispositivi meccanici o elettromeccanici complessi (tartaruga di Grey Walter), il cui comportamento imitava quello di esseri viventi (automi), i quali però erano regolati da un rigido determinismo e quindi incapaci di qualsiasi genere di “scelta” o “decisione”. In maniera analoga erano concepite le macchine, che quindi si potevano considerare semplicemente come un “muscolo”, più potente di quello umano ma comandato o controllato in ogni movimento o serie di movimenti dall'uomo. Viceversa le risorse della tecnica moderna permettono di inserire nella macchina organi rivelatori e di comando, tali che il complesso può perseguire il suo fine indipendentemente dall'uomo (che tuttavia ne ha fissato le finalità). Un semplice eppur valido esempio di applicazione cibernetica, che precorse gli studi sistematici in materia, è il regolatore centrifugo di Watt per la macchina a vapore.
L'impostazione moderna del problema si ebbe con il progredire dell'elettronica, quando essa offrì straordinarie possibilità tecniche (soltanto tecniche e non di principio) per la realizzazione di organi rivelatori e di comando, con un “tempo di reazione” straordinariamente piccolo. L'evoluzione decisiva si verificò durante la seconda guerra mondiale, allorché si pose il problema dei sistemi di puntamento automatico per i cannoni antiaerei: il fatto essenziale consisteva nell'esigenza di creare un sistema che non si limitasse al rilevamento della posizione dell'aereo ma fosse in grado di prevedere il comportamento del pilota e le sue reazioni per sottrarsi al fuoco. Era l'abbinamento di un problema matematico con un problema fisiologico, per la cui soluzione furono chiamati a collaborare competenti di diverse discipline: fisici, matematici, aviatori, medici e fisiologi. Si trattava, in effetti, di stabilire un parallelismo fra i congegni direzionali del cannone antiaereo, che per mezzo del radar vede e insegue il bersaglio mobile, e il sistema nervoso umano, che determina la traiettoria della mano quando vuole afferrare un oggetto. Il radar, come l'occhio, può inviare informazioni (azimut, altezza, distanza, velocità dell'aereo) a un calcolatore elettronico, assimilabile al cervello umano, che comanderà automaticamente il puntamento e lo sparo, come i nervi comandano i nostri movimenti. Posto in questi termini, il problema venne inizialmente affrontato come studio della “teoria dell'informazione”, ossia dei modi nei quali organismi viventi o macchine trasmettono le informazioni necessarie al proprio funzionamento, e della loro quantità. Successivamente il campo d'indagine si estese dalle informazioni agli effetti che esse potevano produrre sul comportamento della macchina, e si passò alla cibernetica come “scienza dell'autoregolazione”. Le riflessioni sollecitate da questo problema condussero l'americano Norbert Wiener a pubblicare, nel 1947, una prima opera (Cibernetica, o controllo e comunicazione negli animali e nelle macchine), che poneva le basi della nuova scienza. (Il Wiener derivò il nome dalla forma greca dell'ingl. governor, regolatore.) Riempiendo le lacune e cercando di superare le incomprensioni fra dottrine in precedenza considerate appannaggio di specialisti diversi e senza punti di contatto, la cibernetica forniva gli elementi di incontro e, introducendo una terminologia nuova e valida per tutti, offriva una possibilità di dialogo. Impostata in questo modo, è evidente che la cibernetica è anzitutto una scienza logica, che analizza razionalmente il significato del verbo governare (senza chiedersi chi governa e come); soltanto in un secondo tempo le considerazioni teoriche vengono tradotte in applicazioni pratiche, in classificazioni, o in creazioni diverse che portano, tecnicamente, all'automazione, ossia alla capacità della macchina di autocontrollare e regolare il proprio lavoro.
In generale, e sia pure praticamente entro limiti determinati, la capacità di autogoverno può essere attribuita a una macchina tutte le volte in cui sia possibile dotarla di organi rivelatori, che raccolgono informazioni sullo stato del sistema e sulla sua evoluzione nel tempo, e di altri organi che siano capaci di comandare, in base alle informazioni ricevute, la variazione di elementi determinanti il suo funzionamento in modo da conseguire la prestabilita finalità. Essenziale a tal fine è dunque il concetto di feed back o retroazione che consiste essenzialmente nell'indagare le caratteristiche dell'effetto prodotto dalla macchina e, in base a esse, nell'inviare un messaggio “all'indietro”, correggendo i singoli elementi o fattori, in modo che il risultato conseguito nel complesso rimanga quello voluto. Non è necessario che la retroazione operi sul fattore che ha provocato un eventuale scarto (spesso quest'ultimo può essere accidentale e non individuabile), purché agisca su un fattore definito o controllabile. Questo concetto, oggi largamente applicato alle macchine, è del tutto analogo a un principio che si trova anche nella natura. Estendendolo ai diversi sistemi, che fruiscano di vari gradi di libertà (sistemi a effetti determinati, incapaci di adattare il proprio funzionamento a circostanze impreviste; sistemi a effetti organizzati, che possono sempre agire in modo da perseguire una data finalità), è possibile impostare in modo concettualmente nuovo la classificazione dei sistemi viventi e delle macchine.
Secondo questi concetti si scopre così che un calcolatore numerico (sia esso meccanico o elettronico) si trova nei gradi più bassi di automatismo, poiché esso opera secondo il determinismo imposto dal programma, sul quale la macchina non è in grado di influire (sia pure con possibilità di decisioni logiche); viceversa si possono considerare come sistemi organizzati i calcolatori delle centrali di tiro o quelli di guida dei missili, che agiscono in base alle informazioni raccolte da organi sensibili a stimoli esterni e, invece di seguire fedelmente un programma, perseguono una finalità. Questi nuovi concetti consentono di stabilire una connessione sempre più stretta fra la fisiologia, che si giova dei progressi tecnici per acquisire nozioni sul comportamento degli esseri viventi, e la scienza relativa alla progettazione delle macchine, che si avvale dei risultati acquisiti dai fisiologi per introdurre sempre nuovi perfezionamenti.

Cibernetica e sistemi automatici
La cibernetica considera gli organismi, siano essi naturali o artificiali, come enti complessi costituiti da parti elementari, entro certi limiti indipendenti, e con caratteristiche funzionali ben definite, anche se non ne è nota, o se non interessa conoscerne, la struttura interna (da cui la denominazione di “scatola nera” loro attribuita). Questi elementi reagiscono senza ambiguità a stimoli esterni ben definiti; la risposta è dello stesso tipo dello stimolo applicato, anche se l'energia collegata alla risposta non è stata fornita dallo stimolo, ma da una sorgente apposita, che lo stimolo si limita a controllare.
Per la conoscenza di un organismo è indispensabile che se ne conoscano gli elementi, le singole modalità di funzionamento e le loro interconnessioni. Un esempio di organismo naturale è il corpo umano (10¹5-10¹6 cellule; 10¹º neuroni); un organismo artificiale, o automa, è di gran lunga meno complesso (104- 107 elementi).
La teoria degli automi studia gli organismi artificiali e le loro caratteristiche: come si verifica per gli organismi, un automa complesso (automa finito) è un insieme di automi elementari. Ciascun automa elementare è dotato di una o più entrate e di una sola uscita; nell'interconnessione tra automi elementari un'uscita può essere collegata a una o più entrate di altri elementi, ma ogni entrata è collegata a una sola uscita di un altro automa elementare. L'automa finito ha un numero finito sia di entrate sia di uscite; il segnale di entrata è un segnale che viene immesso nell'automa dal suo esterno, attraverso un insieme di variabili, dette appunto di entrata. Il segnale d'uscita, anch'esso espresso mediante un insieme di variabili, dette d'uscita, non è soltanto funzione del segnale d'entrata applicato in un dato istante agli ingressi ma anche di un certo numero, finito, di precedenti segnali d'entrata, e della sequenza in cui questi si sono presentati. Per poter ricordare questa sequenza sono necessari degli elementi interni all'automa finito, che intervengano al momento opportuno per determinare la configurazione finale delle variabili d'uscita. Le configurazioni successive delle variabili interne, generate dai corrispondenti elementi interni, si chiamano “stati interni” del sistema. In conclusione, si può allora dire che un automa finito è un organismo artificiale per il quale la configurazione delle variabili d'uscita in un certo istante è una funzione dello stato interno dell'automa nell'intervallo di tempo considerato, e che detto stato interno è a sua volta funzione delle variabili d'entrata e dello stato interno relativi all'intervallo di tempo immediatamente precedente.
È interessante osservare le differenze principali che intercorrono tra la logica che governa un organismo naturale e quella relativa a un automa. In una catena di operazioni relativamente lunga (al limite, la vita dell'organismo), un organismo naturale è in grado di correggere in maniera autonoma, cioè senza intervento esterno, i malfunzionamenti di qualche elemento, effettuando una diagnosi dell'errore e minimizzandone gli effetti attraverso un riadattamento dell'intero organismo, che può portare, se necessario, al blocco permanente dell'elemento danneggiato. Nel caso di un automa, al contrario, per rendere più efficiente e attuare più rapidamente la diagnosi, occorre fare in modo che l'errore, quando si presenta, sia evidenziato al massimo, per rendere più facile l'individuazione dell'elemento difettoso, che deve essere sostituito. Inoltre, se l'organismo naturale può funzionare in modo ancora soddisfacente anche malgrado disfunzioni interne (che, tra l'altro, esso stesso tende col tempo a far regredire), l'automa richiede interventi sostitutivi rapidi, data la sua carenza, in genere, di capacità d'autocompensazione, che ne rende rapidamente degenere la possibilità di operare. Gli sviluppi più recenti in questo campo iniziano a rendere quanto più possibile autonomo il fenomeno du reazione delle macchine agli stimoli esterni mediante l’uso di intelligenze artificiali. In questo modo l’automa apprende dall’ambiente esterno le procedure adatte alle proprie funzioni.