CIBERNETICA

CIBERNETICA

Il termine c. è stato introdotto nel 1947 dal matematico americano Norbert Wiener nell'opera omonima per indicare una nuova disciplina concemente lo studio unitario dei processi riguardanti "la comunicazione e il controllo nell'animale e nella macchina". Questa definizione, che costituisce il sottotitolo dell'opera citata, è illustrata nella lunga introduzione, in cui il Wiener riporta il corso di idee e le ricerche che lo hanno condotto a gettare le basi di questa nuova scienza, e mostra i collegamenti con ricerche similari fornendo così un primo ampio panorama delle questioni più o meno direttamente connesse con la c. stessa.

La tesi fondamentale posta alla base della definizione di c. è duplice: I) i meccanismi di controllo e di regolazione nelle macchine sono della stessa natura di quelli che si riscontrano negli esseri viventi; II) entrambi i meccanismi anzidetti sono strettamente connessi con i processi di comunicazione o trasmissione delle informazioni. Questa tesi si fonda su una serie di osservazioni e di scoperte connesse in gran parte con gli studî di fisiologia e con i recenti sviluppi tecnologici, particolarmente nel campo dell'elettronica: tali sviluppi hanno mostrato l'esistenza di fondamentali somiglianze fra il comportamento degli esseri viventi e il funzionamento dei sistemi meccanici ad alto grado di automatizzazione.

A sempre più ampî sviluppi la c. è sollecitata dalla crescente esigenza di costruire dispositivi artificiali, sempre più perfezionati, atti a sostituire l'uomo nella sua funzione di controllore e di pilota di macchine e impianti imitandone il comportamento estremamente flessibile, ma spesso troppo lento e insicuro. Il termine stesso "cibernetica" è tratto dalla parola greca κυβερνήτης che vuol dire "timoniere", "pilota". Il termine equivalente, di derivazione latina, "governo", era già stato usato da J. P. Watt nel 1790 per indicare il regolatore centrifugo per macchine a vapore, e ripreso dal fisico inglese J. C. Maxwell nel 1868 nel primo studio teorico dei meccanismi di questo genere. Nella versione francese (cybernétique) il termine era stato impiegato nel 1834 da A.-M. Ampère nell'Essai sur la philosophie des sciences per indicare "i mezzi del governo". Se non fosse per una impostazione e una concezione del tutto diversa, questa definizione apparirebbe solo più restrittiva in quauto anche l'arte del governo può farsi rientrare in quella più generale di controllo e regolazione di un sistema complesso composto da una moltitudine di individui: oltre che lo studio unitario dei meccanismi fisici e biologici di regolazione e di controllo, la c. prende infatti in esame lo studio generale dei sistemi complessi altamente organizzati, indipendentemente dalla loro particolare natura.

Generalizzata in questo senso, la definizione di c. è stata ripresa dal biologo inglese W. Ross Ashby (che può essere considerato, indipendentemente da N. Wiener, uno dei fondatori di questa scienza) come la teoria generale astratta dei meccanismi. In questo modo essa diventa una teoria essenzialmente matematica delle varie forme di funzionamento e di comportamento di un sistema, per quel tanto che esse sono determinate, regolari, riproducibili. Da questo punto di vista la c. non si occupa più di sistemi reali, ma di sistemi ipotetici, nello stesso senso in cui la geometria si occupa di forme e spazî astratti senza alcun riferimento con lo spazio fisico.

Sono state proposte anche altre definizioni della c.: alcune indebitamente troppo restrittive, altre che accentuano di volta in volta l'uno o l'altro degli aspetti della c. o dei suoi campi di applicazione. Fra di esse va esplicitamente menzionata l'identificazione fra la c. e la teoria dell'informazione, frequente prevalentemente nei paesi di lingua latina, e fra la c. e lo studio del linguaggio nella sua più vasta accezione di strumento di comunicazione. Lo stesso Wiener fa uso anche di questa definizione, che accentua il ruolo centrale che i concetti di messaggio e di comunicazione giocano in tutti i processi che interessano la cibernetica.

Molto stretto appare infine il legame con la ricerca operativa. Quest'ultima si è sviluppata inizialmente durante la seconda guerra mondiale per fornire ai comandi uno strumento razionale per l'analisi scientifica dei risultati delle operazioni militari e per porre su basi matematiche la previsione dei risultati delle operazioni da compiersi. La ricerca operativa trova naturalmente applicazione in un campo assai più vasto di quello militare poiché tende a fornire agli organi direttivi di una qualsiasi organizzazione un metodo scientifico per razionalizzare le decisioni inerenti alle operazioni che l'organizzazione deve svolgere. Le connessioni fra ricerca operativa e c. sono particolarmente profonde in quanto entrambe si occupano dello studio generale dei sistemi considerati come unità organiche e funzionali, proponendo modelli, confronti, analogie, e studiandone l'adeguatezza. C. e ricerca operativa sono inoltre metodologicamente affini e fanno entrambe uso essenziale di procedimenti matematici suggeriti in particolare dalla statistica e dall'analisi funzionale.

Occorre però rilevare che non vi è accordo unanime degli studiosi sulla natura esatta della c. e sui suoi limiti. Bisogna anche aggiungere che presso alcuni di essi certe implicazioni filosofiche e certe generalizzazioni eccessive, o comunque ritenute tali, hanno gettato un certo discredito sul termine che molti tendono perciò ad evitare. Sta di fatto però che sotto l'egida della c. si è iniziato un incontro fra studiosi di specialità diverse e un movimento di idee inteso a promuovere una più intensa collaborazione fra i varî specialisti, che può già essere considerata estremamente proficua per il progresso generale della scienza. Caratteristica della c. è la vastità dei campi che essa ha portato in contatto: dall'ingegneria e dalle scienze naturali, con tutte le loro numerose specializzazioni, a scienze quali la psicologia, l'antropologia, la sociologia, l'economia. La diversità del linguaggio e dei metodi di indagine impiegati nelle varie scienze rendono, peraltro, in generale, difficile il riconoscimento dei numerosi problemi che esse hanno in comune.

Scopo della c. è, in definitiva, di confrontare l'uomo e l'animale con la macchina, confronto già adombrato nella prima definizione di Wiener. Non è questa la prima volta che, nella storia della scienza, viene istituito tale confronto: la descrizione dei fenomeni vitali mediante modelli meccanici e la loro spiegazione su basi chimico-fisiche costituisce da tempo il fondamento della fisiologia e lo stesso termine "meccanismo" è largamente usato in questa scienza, ove con esso s'intende la descrizione dello svolgimento di determinate funzioni. Ciò che vi è di essenzialmente nuovo nella c. è l'estensione del concetto di meccanismo che viene basato sulla natura funzionale piuttosto che su quella strutturale di un sistema. Il meccanismo fondamentale, sempre presente in un sistema fisico autoregolato, è la cosiddetta reazione o retro-azione. Si dice che un sistema possiede un meccanismo di reazione quando le varie parti di esso formano un circuito chiuso tale che si stabilisca una correlazione fra i cambiamenti di stato e lo stato del sistema stesso, tendente a controbilanciarne o ad accentuanne le variazioni. Nel primo caso, che è quello più importante, si parla di reazione negativa o controreazione, nel secondo di reazione positiva.

La presenza di un meccanismo di controreazione è determinante perché un sistema possa avere caratteristiche di stabilità dinamica e di autoregolazione, in quanto l'equilibrio dinamico può ottenersi soltanto mediante una continua azione correttrice delle inevitabili deviazioni dalle condizioni di equilibrio prestabilite. La reazione positiva produce effetti esattamente contrarî in quanto tende ad esaltare tali deviazioni. Ciononostante anch'essa si presenta utile in alcune circostanze e trova, per esempio, applicazione nella regolazione dei cambiamenti di regime. Spesso inoltre essa è presente in condizioni patologiche di rottura di equilibrio. In molti casi un comportamento patologico può essere prodotto anche da un difetto nel sistema di controreazione: un sistema controreazionato mal regolato può presentare fenomeni caratteristici di instabilità, spesso pericolosi per l'integrità del sistema, consistenti in oscillazioni di ampiezza crescente intorno alla posizione di equilibrio. Tutti questi fenomeni sono ben noti e costituiscono la base teorica dello studio e della progettazione dei servomeccanismi (v. servosistema, in questa App.).

L'ipotesi specifica della c. è che anche negli organismi viventi l'attività volontaria e quella riflessa da un canto, e i fenomeni di regolazione, stabilità e adattamento dall'altro, sono fondamentalmente basati su meccanismi di controreazione. Questa ipotesi, che su un piano puramente qualitativo di analogie formali non presenta nulla di sorprendente, ha cercato conferme in due opposte direzioni dando adito a numerose importanti ricerche. Da un lato si sono cercate conferme quantitative mediante l'applicazione dei concetti cibernetici alla descrizione e all'analisi di alcuni fenomeni fisiologici. Dall'altro si è iniziato lo studio e la realizzazione di dispositivi meccanici, o automi, che presentano caratteristiche di stabilità, adattamento e apprendimento simili a quelle degli esseri viventi.

Come esempio di ricerche del primo tipo si può citare lo studio sulla regolazione del movimento mediante il cosiddetto riflesso miotatico, che consiste nella contrazione di un muscolo in risposta alla distensione passiva del muscolo stesso. Questo riflesso scompare quando venga recisa l'una o l'altra delle due innervazioni, quella motrice e quella sensoria, che collegano il muscolo al midollo. Il sistema muscolo → nervo sensorio → midollo → nervo motore → muscolo costituisce un circuito chiuso e la stabilità del sistema che è alla base dell'equilibrio di posizione e dei movimenti indica, almeno qualitativamente, la presenza di un meccanismo di controreazione. Per confermare quantitativamente questa ipotesi N. Wiener e A. Rosenblueth hanno rivolto la loro attenzione ad un fenomeno patologico intimamente connesso con il riflesso miotatico, che dovrebbe rappresentare l'equivalente di un sistema controreazionato mal regolato. Si tratta del clono o clonus che è un fenomeno convulsivo che si manifesta attraverso contrazioni e rilassamenti alternati del muscolo, presentando quindi il tipico comportamento oscillatorio di un sistema controreazionato in condizioni di instabilità. Premettendo alcune ipotesi il Wiener ha potuto stabilire una certa concordanza fra i dati sperimentali e quelli ricavati col calcolo, senza tuttavia poter giungere a conclusioni definitive.

Vi sono molti altri meccanismi fisiologici che possono essere confrontati con il meccanismo della controreazione, in quanto tutte le funzioni organiche che tendono alla stabilità e alla regolazione dell'organismo presentano almeno formalmente le caratteristiche tipiche dei sistemi a controreazione.

Il principio della controreazione domina non solo la nozione di stabilità di un sistema, ma anche quella di tendenza a una meta o comportamento teleologico, e più in generale ancora quella di adattamento all'ambiente, di cui la stabilità non costituisce che un caso particolare. Per evitare controversie di ordine filosofico converrà definire che cosa si intenda dal punto di vista cibernetico per "tendenza a una meta" e per cc adattamento". Si dice che un sistema A teude alla meta M se l'attività di A in determinate circostanze tende a ridurre la differenza tra lo stato attuale di A e lo stato perseguito, indicato come la meta M. Perché un sistema possa agire in questo modo è necessario:1) che esso sia dotato di organi effettori interni cioè di organi interni, capaci di modificarne lo stato; 2) che il sistema sia in grado di rilevare quantitativamente la differenza fra lo stato attuale e quello perseguito; 3) che l'informazione relativa a questa differenza sia tradotta in comandi per gli organi effettori che ne determinino l'attività in maniera da ridurre la differenza rilevata. Ciò implica appunto la presenza di un circuito chiuso del tipo classico a controreazione.

Si parla invece di "adattamento" quando il sistema è in grado di modificare la propria struttura o la propria meta iu relazione con le variazioni dell'ambiente in modo da rendere possibile l'esistenza di condizioni di stabilità. Questa tendenza all'equilibrio, tanto più spiccata quanto più si sale nella scala degli esseri viventi, è stata messa in luce da W. B. Cannon, che le ha dato il nome di omeostasi, indicandola come il principale fattore di sopravvivenza nei confronti di condizioni ambientali variabili. L'adattamento omeostatico è connesso, nel linguaggio della c., con meccanismi di controreazione di livello superiore. Esso implica infatti la presenza di circuiti di controreazione secondarî atti a regolare e a modificare i circuiti di controreazione primarî in base a una determinazione delle condizioni di instabilità.

La tendenza a una meta e le proprietà di adattamento sono caratteristiche così fondamentali per gli organismi viventi che la seconda linea di ricerca per la conferma dell'ipotesi cibernetica si è volta alla costruzione di meccanismi artificiali che dimostrassero un comportamento del genere e permettessero di studiare in modo concreto la natura di tali meccanismi. Fra le numerose realizzazioni di questo tipo meritano particolare menzione le "tartarughe meccaniche" di G. Walter e l'"omeostato" di W. Ross Ashby.

Dispositivi di questo genere manifestano in qualche modo un comportamento "intelligente" e gettano qualche luce non solo su alcuni meccanismi fisiologici fondamentali, ma anche sul funzionamento del cervello e del pensiero. In realtà si tratta nei casi fin qui esaminati piuttosto di un comportamento "utile", generalmente al fine della sopravvivenza e dell'integrità del sistema, mentre il termine intelligenza si applica più appropriatamente quando si può parlare di consapevolezza del proprio comportamento e dei proprî fini. Messa in questi termini la questione apre tutta una serie di problemi di ordine psicologico e metafisico non facilmente definibili, e soprattutto non traducibili per la loro stessa natura in termini operativi. Dal punto di vista scientifico l'unico approccio possibile è quello comportamentistico. Una soluzione interessante per ciò che riguarda la definizione di una macchina pensante è stata data dal matematico inglese A.M. Turing. Egli ha definito "pensante" una macchina in grado di ricevere delle domande e di elaborare delle risposte simili a quelle che potrebbe fornire un uomo nelle stesse circostanze e in maniera tale che la persona interrogante non possa, in alcun modo, distinguere se la risposta proviene da un'altra persona o da una macchina. Non vi sono per il momento macchine in grado di soddisfare una richiesta tanto stringente, ma le considerazioni di Turing a questo riguardo indicano la possibilità di programmare una qualunque calcolatrice elettronica di tipo universale in modo ch'essa possa superare una simile prova.

Accantonate le questioni metafisiche intorno alla natura della intelligenza si è concentrata l'attenzione sul come si svolgono nella mente umana quei processi che si sogliono definire intelligenti e se e come essi possano essere simulati con una macchina. Recenti progressi in varî campi hanno aperto larghe prospettive verso la soluzione dei due problemi fondamentali che si possono porre a questo riguardo: come funziona il cervello? Si può costruire, o perlomeno progettare, una macchina che ne simuli il funzionamento? La neurofisiologia e neuroanatomia hanno già illuminato molti aspetti del modo di operare del cervello. D'altro canto lo sviluppo delle calcolatrici elettroniche, sia numeriche sia analogiche, ha permesso di approfondire la natura dei processi di calcolo e più in generale dei processi di elaborazione delle informazioni, non solo secondo schemi prefissati, ma anche secondo schemi capaci di evolversi e di modificarsi, permettendo a tali macchine di manifestare tipici fenomeni di apprendimento.

Un problema molto interessante e molto discusso riguarda la possibilità di costruire una macchina (o programmare una calcolatrice elettronica) dotandola di una logica capace di manifestare fen0meni di apprendimento che la mettano in grado, con l'esperienza, di superare il proprio progettista. Tale questione è stata studiata con particolare riferimento a una macchina capace di giocare a scacchi. Essa è stata ripresa più in generale dal Ross Ashby nello studio di un "amplificatore dell'intelligenza" dove l'intelligenza viene definita operativamente come "potere selettivo", cioè come capacità di discernimento fra una moltitudine di alternative. Del resto lo stesso omeostato e le altre macchine che manifestano un comportamento adattativo possono essere considerate come macchine che "imparano" in quanto si può far rientrare il concetto di apprendimento in quello più generale di adattamento. L'adattamento infatti può essere inteso come la modifica di un comportamento in base a un apprendimento, cioè a una valutazione dei successi e degli insuccessi ottenuti con quel dato comportamento.

Strettamente collegati con questi sono i recenti studî che passano sotto il nome di teoria generale degli automi. Essi seguono la via tracciata da J. Von Neuman e prendono tutti le mosse dagli studî di J. McCullogh e R. Pitts sulla descrizioue logica del funzionamento del sistema nervoso.

Questi autori hanno schematizzato in termini puramente logici le proprietà fondamentali delle cellule nervose o neuroni. Secondo tale schema i neuroni sono costituiti da un corpo (soma) e dai suoi prolungamenti (fibre nervose), di cui una sola, detta assone o cilindrasse, costituisce l'uscita o via efferente, mentre gli altri, detti dendriti, costituiscono le entrate o vie afferenti. L'assone di un neurone è connesso con i dendriti di altri neuroni mediante le cosiddette congiunzioni sinaptiche o sinapsi. Un insieme di neuroni variamente connessi tra loro costituisce una rete di nervi. In tale rete circolano impulsi che gli assoni dei varî neuroni trasmettono al soma dei neuroni a cui sono connessi mediante le sinapsi. Alcune esperienze fondamentali di neurofisiologia hanno mostrato il carattere fondamentalmente discontinuo della circolazione degli impulsi nervosi. Un neurone può soltanto emettere o non emettere un impulso a seconda che gli impulsi ricevuti in entrata (che sono di due tipi, inibitorio o eccitatorio, a seconda della natura della connessione) superino o meno una certa soglia caratteristica di ogni neurone. Questo carattere "tutto o nulla" del comportamento del neurone, anche se rappresenta una schematizzazione valida solo in prima approssimazione, è perfettamente descrivibile in termini logico-matematici, ciò che appunto è alla base della teoria di McCullogh e Pitts. È interessante notare che è possibile costruire dispositivi elettronici che funzionino in modo analogo e che sono del resto della stessa natura di quelli che trovano effettivamente impiego in molte apparecchiature elettroniche, particolarmente nelle calcolatrici di tipo numerico.

La teoria generale degli automi non è che lo studio logico-matematico dei sistemi neuronici e delle risposte che tali sistemi possono dare a determinati stimoli estermi. I neuroni, intesi come i costituenti elementari degli automi, sono essi stessi semplicemente degli oggetti caratterizzati dalle risposte che danno in uscita agli stimoli che pervengono all'entrata. A questo riguardo si pone una duplice serie di problemi che si possono distinguere in problemi di analisi e in problemi di sintesi degli automi. I problemi di analisi concernono la determinazione della struttura del sistema e delle caratteristiche dei neuroni componenti a partire dalla conoscenza delle risposte del sistema globale. I problemi di sintesi concernono invece la determinazione della struttura di un sistema che dia determinate risposte, o meglio determinati tipi di risposte, a partire da costituenti elementari di caratteristiche prefissate.

Modelli di questo tipo sono stati applicati allo studio di varie funzioni del sistema nervoso e del cervello. In particolare è stata studiata la funzione della memoria, ottenendo un'immagine soddisfacente soprattutto per ciò che riguarda le memorie temporanee che possono essere ricondotte alla presenza di circuiti a riverbero, cioè di circuiti chiusi entro cui un impulso può circolare per un tempo più o meno lungo.

In connessione con il problema della memoria sono stati affrontati anche i processi di riconoscimento e integrazione delle forme, o, come è stato detto, di "riconoscimento degli universali". Tale questione, che rientra nel problema più generale dell'apprendimento, interessa in modo particolare gli studî di fisiologia e psicologia della percezione, ai quali la teoria dell'informazione e gli studî sulle apparecchiature per le trasmissioni delle informazioni hanno dato un notevole contributo. Questo problema inoltre è del massimo interesse pratico per la sua connessione con gli attuali studî sulla costruzione di macchine capaci di leggere su fogli a stampa o manoscritti o di riconoscere le parole pronunciate in un discorso dall'analisi dei suoni emessi.

La teoria geuerale degli automi, che si può ritenere solo agli inizî, fornisce uno strumento generale per l'impostazione dei problemi di c., in quanto costituisce la teoria delle macchine che possono essere costruite a somiglianza del funzionamento del sistema nervoso.

Ma la teoria matematica, ormai classica, connessa con la c. è la teoria dell'informazione (v. informazione, teoria dell', in questa App.) che, come è già stato accennato, viene talora identificata con essa. Il motivo basilare di questo fatto è che tutti i processi che interessano la c., sia che concernano gli organismi viventi, sia che concernano le macchine e gli automi, sono processi di correlazione tra le varie parti di un organismo complesso, esaminati da un punto di vista funzionale. Il coordinamento delle varie parti è sempre affidato a una trasmissione di segnali; la loro natura fisica dipende ovviamente dalle particolarità fisiche del sistema. Ma le proprietà funzionali, che sono appunto quelle che interessano più direttamente la c., prescindono interamente dalla natura fisica dei segnali, siano essi meccanici, elettrici, chimici, o nervosi. Ciò che vi è di comune in tutti questi processi è la trasmissione di un'informazione, opportunamente codificata a seconda della natura del sistema. La definizione statistica della quantità di informazione è stata data presso a poco nello stesso tempo da varî studiosi provenienti da campi assai diversi in apparenza. Per quanto strettamente collegata con la c., la teoria dell'informazione ha ricevuto uno sviluppo autonomo a opera soprattutto degli scienziati interessati ai problemi di sviluppo delle apparecchiature elettroniche per la trasmissione e l'elaborazione delle informazioni.

Fra le applicazioni più importanti del concetto statistico di informazione e di particolare interesse cibernetico si può citare lo studio matematico della previsione. Il problema da risolvere è quello dell'estrapolazione verso il futuro di una successione di eventi (serie temporale), nota fino a un dato istante, cercando di rendere minimo l'errore secondo criterî matematicameme ben definiti. Questioni del genere, sorte particolarmente in connessione con la progettazione dei dispositivi per il puntamento automatico dei cannoni contro bersagli mobili, sono in stretta correlazione con la teoria generale dei giochi, e più in generale con i problemi della moderna ricerca operativa, di cui si è già rilevata la profonda affinità con la cibernetica.

La relazione fra teoria dell'informazione e c. risulta anche dal fatto che il concetto statistico di quantità di informazione è direttamente connesso con il concetto, anch'esso di natura essenzialmente statistica, di organizzazione e di grado di organizzazione. In questo modo la c. estende il suo interesse allo studio dei sistemi complessi formati da una moltitudine di elementi che interagiscono fra di loro. Questo è un concetto generale che può essere applicato allo studio di una popolazione qualsiasi di individui, dagli insiemi statistici della termodinamica, alle società umane o animali.

Per ciò che concerne l'applicazione dei concetti cibernetici allo studio delle società di esseri viventi, è evidente la funzione della comunicazione come meccanismo per l'organizzazione sociale. Un gruppo associato di individui, sia esso umano o animale, è anch'esso un sistema dinamico organizzato, dotato di un sistema di intercomunicazioni, e il cui equilibrio si fonda su processi circolari assimilabili ai processi di controreazione. Considerazioni di questo genere hanno destato un notevole interesse presso sociologhi ed economisti e sono state prese in considerazioni nella analisi dei cosiddetti effetti sociali della automazione.

Bibl.: J. McCullogh e R. Pitts, A logical calculus of the ideas immanent in nervous activity, in Bull. Math. Bioph., V, 1943; N. Wiener, Cybernetics, New York 1948; W. Ross Ashby, An introduction to cybernetics, Londra 1956; A. M. Turing, Computing machinery and intelligence, in Mind, LIX (1950); varî autori, Automata studies, Princeton 1956; P. M. Morse e G. E. Kimball, Methods of operations research, New York 1951; J. von Neumann, The general and logical theory of automata, in Cerebral mechanism in behaviour, New York 1951; W. Ross Ashby, Design for a brain, Londra 1952; G. Walter, The living brain, Londra 1953; N. Wiener, The human use of human beeings, Boston 1953 (trad. it.: Introduzione alla cibernetica, Torino 1953); L. Brillouin, Information theory and negative entropy, in Atti Convegno elettronica e televisione (Milano 1954), Roma 1955; Atti del I Congresso internazionale di cibernetica (Namur 1956), Parigi 1958.