La cibernetica e i sistemi di controllo

Esistono delle parole che hanno un'aura di magia. Basta porle nel punto giusto per ottenere effetti strabilianti. Una di queste parole è cyber. Mettetela davanti ad un termine innocente come spazio ed otterrete il cyberspazio. Non sentite la tecnologia che vibra dietro ad una tale parola? Il sito delle Ferrovie dello Stato ci informa che "le Ferrovie dello Stato hanno creato una nuova linea... quella che vi porterà nel cyberspazio". Adesso si che l'orario dei treni acquista quel velo magico e tecnologico che mancava! Il pensiero è una prerogativa comune a tutti gli uomini, ma il cyberpensiero apparterrà a pochi eletti. E che dire dei cyberborg o cyberman che abbondano nei libri di fantascienza, sostituendo i robot del caro e compianto Asimov? Ma cosa significa cyber? E cosa ha a che vedere con i calcolatori? Lo spiega Mauro Murzi in una serie di articoli dedicati alla cibernetica nella rubrica sulla storia dell'informatica. In questo numero il primo articolo, che definisce la cibernetica e introduce alla teoria dei sistemi di controllo. (n.d.r.)

La nascita della cibernetica
La cibernetica è la teoria della comunicazione e dei sistemi di controllo nei sistemi artificiali e negli esseri viventi. La parola inglese cybernetics (pronuncia saibenetiks) fu introdotta dal matematico Norbert Wiener nel 1947 e deriva dal greco kybernetes che significa timoniere, pilota della nave.

L'origine della cibernetica risale al progetto di un meccanismo di puntamento per artiglieria antiaerea condotto nella seconda guerra mondiale da Wiener e dall'ingegnere Julian Bigelow. Il problema principale derivava dalla necessità di lanciare il proiettile non direttamente sul bersaglio, dal momento che questo era dotato di elevata velocità, ma in un punto antecedente la traiettoria, in modo tale che l'aereo e il proiettile giungessero infine ad incontrarsi. Ma nel frattempo l'aereo poteva cambiare direzione in maniera casuale anche se non del tutto arbitraria. Era quindi necessario un strumento di previsione della posizione dell'areo che agisse in maniera rapida e che dirigesse il puntamento del pezzo antiaereo. Inoltre il puntamento del pezzo doveva continuamente essere corretto mediante un meccanismo di retroazione (dall'inglese feedback) che riceveva informazioni sul reale comportamento dell'aereo nemico.

Nel corso di questo progetto furono ravvisate alcune similitudine con il comportamento umano nella soluzione di problemi di orientamento. I due studiosi ipotizzarono quindi che anche nel comportamento umano agisse un meccanismo di retroazione. Wiener e Bigelow si rivolsero dunque al medico e fisiologo messicano Arturo Rosenblueth, con il quale Wiener aveva già collaborato, per avere una conferma della loro ipotesi. Da questa collaborazione vide la luce l'articolo Behaviour, Purpose, and Teleology pubblicato nella rivista "Philosophy of Science" vol.10 (1943). Nacque così l'idea di una scienza unificata dei meccanismi di controllo nelle macchine e negli esseri viventi.

Quando arrivò il momento di battezzare la nuova scienza fu suggerito il termine greco kybernetes. Infatti il primo scritto sulla retroazione risale all'ottocento ed è un articolo di Maxwell sui regolatori (in inglese si chiamanano governors) ideati da Watt per le macchine a vapore; governor deriva dal latino gubernare che a sua volta ha origine dal greco kybernetes. Inoltre kybernetes significa timoniere e il meccanismo di controllo del timone era uno dei sistemi a retroazione all'epoca meglio sviluppati.

Ogni sistema di controllo richiede la trasmissione di informazioni e quindi la cibernetica affrontò sin dalla propria nascita lo studio della teoria della comunicazione. Non a caso il libro di Wiener che segna la nascita della cibernetica si intitola Cibernetica, ovvero il controllo e la comunicazione nell'uomo e nella macchina. La cibernetica è strettamente legata all'informatica, alla teoria dell'intelligenza artificiale, alla robotica e all'applicazione di metodi automatici nel controllo della produzione industriale.

Meccanismi di controllo basati sulla retroazione
Uno dei concetti fondamentali della cibernetica è la retroazione negativa. Si tratta del meccanismo mediante il quale un sistema che interagisce con l'ambiente si mantiene in uno stato stabile modificando opportunamente il proprio comportamento in risposta a variazioni dell'ambiente. Un esempio elementare di retroazione negativa è l'impiego di un termostato per regolare la temperatura in un locale; un esempio più complesso è il processo mediante il quale un mammifero mantiene una temperatura corporea costante. Tutti gli organismi viventi utilizzano la retroazione negativa per sopravvivere. Infatti le condizioni interne di un essere vivente devono rimanere entro valori molto ristretti poiché una variazione eccessiva è incompatibile con la vita. La variazione dell'ambiente sono quindi bilanciate da variazioni interne che compensano le mutate condizioni. Esempi di sistemi artificiali che utilizzano la retroazione negativa sono, oltre al già citato termostato, il meccanismo di guida di un missile dotato di ricerca autonoma del bersaglio, il pilota automatico di un aereo, l'ottica adattiva di un telescopio.

La figura 1 illustra lo schema di funzionamento dell'ottica adattiva. Un telescopio può produrre un'immagine di elevata qualità solo se la luce proveniente da una sorgente luminosa puntiforme, come una stella, è focalizzata nell'area più ristretta possibile. Purtroppo la turbolenza atmosferica disperde la luce in una superficie più grande di quella ottimale.

Una parte dell'immagine prodotta dal telescopio viene letta da appositi sensori che trasmettono l'informazione al software di controllo. Quest'ultimo agisce su alcuni bracci meccanici che modificano la forma dello specchio del telescopio compensando la turbolenza atmosferica e riportando la qualità dell'immagine al livello ottimale.

Lo schema logico dei sistemi di controllo basati sulla retroazione è illustrato nella figura 2. Si noti la somiglianza con la precedente figura 1.

Una parte del segnale di uscita di un processo soggetto a disturbi viene trasmessa, tramite un apparato chiamato trasduttore, al controllore. Quest'ultimo confronta il segnale ricevuto con un segnale di ingresso che rappresenta la condizione desiderata; in base alla differenza rilevata tra i due segnali agisce sul processo mediante un apparato chiamato attuatore, modificando così il segnale di uscita, fino a portarlo in sintonia con il segnale in entrata. Il meccanismo prende il nome di retroazione perché è un circuito chiuso nel quale ogni variazione in uscita viene riportata indietro al controllore.

La retroazione è negativa quando l'intervento del controllore si oppone alle variazioni del segnale di uscita, in modo da stabilizzare il processo. La retroazione è positiva quando una modifica del segnale viene esaltata dal controllore. Si ha un esempio di retroazione positiva nel comportamento di un animale in una situazione di pericolo incombente. In questo caso il controllore (cervello e sistema endocrino) agisce in modo da provocare il rilascio di sostanze, come l'adrenalina, che aumentano l'attenzione e la capacità di reazione, allontanando l'organismo dallo stato stabile usuale.

Il carattere interdisciplinare della cibernetica
I principi di funzionamento della retroazione, sia essa positiva o negativa, si adattano in eguale misura alle macchine e agli animali. E' questo uno dei temi fondamentali della cibernetica: qualsiasi meccanismo di controllo oggetto di studio da parte di questa disciplina è applicabile ai sistemi artificiali e agli organismi viventi. La cibernetica si presenta quindi come una teoria unificante che tenta di sviluppare teorie e concetti appropriati per i sistemi biologici e fisici, naturali e artificiali. Per raggiungere questo scopo la cibernetica prende da altri settori scientifici metodi, concetti e teorie di cui cerca di dimostrare la validità interdisciplinare. Un esempio di tale procedimento è l'uso del concetto biologico di omeostasi (meccanismo interno di regolazione degli esseri viventi) che la cibernetica ha esteso ai sistemi artificiali, proponendo la costruzione di macchine capaci di autoregolarsi mediante omeostasi. Un altro esempio consiste nella proposta di von Neumann di realizzare automi capaci di riprodursi e dotati di un codice di programmazione con funzioni simili al DNA. Segue la stessa linea di pensiero il tentativo, che sarà oggetto di un prossimo articolo, di utilizzare la definizione statistica di entropia per misurare l'informazione, creando così un legame tra fisica, teoria dell'informazione e biologia.

Tra i molti influssi che la cibernetica ha esercitato sulle discipline biologiche si può ricordare l'importanza che essa ha avuto nel mutare l'opinione dei neurofisiologi sul ruolo del cervello. Il sistema nervoso centrale era visto come un organo autosufficiente che riceve informazioni dagli organi di senso e quindi ordina il movimento dei muscoli. Questa visione è radicalmente cambiata. Il sistema nervoso centrale fa parte di un processo circolare nel quale l'esito del movimento muscolare viene riportato indietro al cervello affinché questo possa continuamente correggere la posizione in relazione al movimento da eseguire. Si deve inoltre sottolineare come attualmente quasi tutti i processi fisiologici, dalla produzione di ormoni al funzionamento del sistema immunitario, siano spiegati nell'ambito di processi di controllo basati sul meccanismo di retroazione.

Nota biografica su Norbert Wiener
Wiener nacque il 26 novembre 1894 a Columbia, Missouri (USA) e morì il 18 marzo 1964 a Stoccolma. A soli 18 anni ottenne il dottorato in matematica, con una dissertazione sulla logica matematica. In seguito studiò in Europa con il filosofo e logico Bertrand Russel e con il matematico David Hilbert. Come matematico si dedicò allo studio degli integrali di Fourier e alla teoria della probabilità. In fisica ha contribuito alla meccanica quantistica e alla teoria degli effetti stocastici. Impegnato nel corso della seconda guerra mondiale in un progetto di puntamento automatico per armamento antiaereo, in quella sede ravvisò la possibilità di una teoria dei sistemi di controllo applicabile anche agli organismi viventi. Dopo la guerra si dedicò alla diffusione delle nuova disciplina, per la quale coniò il nome di cibernetica. In seguito i suoi interessi propriamente scientifici sono andati scemando, mentre sempre maggiore attenzione ha rivolto alla cibernetica ed in particolare alle sue implicazioni sociali, filosofiche e religiose.

Nota bibliografica
Alcuni lettori ci hanno suggerito di far seguire all'articolo una breve bibliografia con qualche titolo per eventualmente approfondire l'argomento trattato. Accogliamo volentieri questo suggerimento. (n.d.r.)

Testi consultati per la preparazione dell'articolo.

Un breve elenco di testi in lingua italiana relativi alla cibernetica.

Sull'analisi dei comportamenti diretti ad un fine, e più in generale sui rapporti tra biologia e scienze fisiche.