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il governor di Watt

“PAPA’, MA CHE COSA E’ UN FEED BACK?”

Una volta conoscevo un ragazzino in Inghilterra che chiese a suo padre:  “ I padri sanno sempre piu’ cose dei figli? “ e il padre rispose: Si’.  Poi il ragazzino chiese:  “Papa’, chi ha inventato la macchina a vapore?  “ e il padre:  “ James Wott “.  E allora il figlio gli ribattè:   “ma perché non l’ ha inventata il padre di James Watt?”.(dai Metaloghi di Gregory Bateson)

Una domanda impensabile per uno scolaro di ieri. Un termine - feed back -che nasconde un concetto rivoluzionario nelle scienze e per la filosofia della scienza. In campo neuropsichiatrico e in medicina viene impiegato per spiegare il funzionamento di una cascata neurormonale, il comportamento di una famiglia  “ psicotica “, un passaggio metabolico, una risposta alla manovra psicoterapeutica.  Il PERCHE’ è forse nella STORIA del feed-back che è nato dalla geniale volontà di emulare artificialmente la perfezione dei sistemi biologici e del cervello in particolare, rivelandosi poi un utile modello di studio per le molteplici espressioni del cervello stesso.

Proveremo a raccontarvi questa storia, aggiornando un omonimo articolo comparso  tra 1984 e 1985 su di una rivista ospedaliera ad opera di un medico psichiatra (Achille Miglionico) e uno psicologo (il compianto Dario De Fidio) che conducevano all'epoca ricerche sulla comunicazione nelle sindromi schizofreniche. Va notato che Miglionico aveva esposto una tesi alla maturità classica piuttosto rivoluzionaria proprio sulla cibernetica, in quanto affascinato dalla lettura di:

• De Latil Pierre (Il pensiero artificiale, introduzione alla cibernetica, Feltrinelli ed.,1962),
• Wiener Norbert (La cibernetica : controllo e comunicazione negli animali e nelle macchine, Bompiani, 1953; Introduzione alla cibernetica: l'uso umano degli esseri umani, Boringhieri, 1964)  
• Somenzi Vittorio (Filosofia degli automi, Origini dell'Intelligenza Artificiale, Boringhieri, 1965) 

Nei titoli stessi  dei vari AA vi  è il razionale dell'articolo e la attualità di quanto esposto che anticipava la rivoluzione digitale.

Nel quadro dei preparativi bellici degli U.S.A. alla seconda guerra mondiale, le forze armate chiesero al prof. Norbert Wiener (1894-1964), matematico statunitense del MIT (Massachusets  Institute of Technology), di studiare con i suoi collaboratori un meccanismo che potesse regolare efficacemente il tiro delle batterie contraeree. Gli aerei durante le incursioni non descrivono traiettorie rettilinee ma le più improvvisate ed imprevedibili:  gli uomini alle batterie convenzionali non riuscivano quindi ad apportare manualmente delle correzioni di per sé già incerte ed imprecise. Ci voleva qualcosa che seguisse l’ obiettivo come l’ occhio umano, mutando la posizione di tiro delle bocche da fuoco. Un sistema di tal fatta rientra nell’ automatismo e fu purtroppo l’ occasione di guerra a rivelare le possibilità della scienza appena nata, la cibernetica, una disciplina che era il risultato di una interazione tra tante altre in primis matematica, ingegneria (elettronica in ascesa), scienze medico-biologiche e scienze antropologiche.  

La parola greca antica kybernetes (κυβερνήτης) indica il pilota di una nave. La radice kyber sta per "timone" e trova un parallelo nel latino guber, che ritroviamo nel gubernator, timoniere. 

Kyber e guber fanno evidente riferimento a una comune progenitrice indoeuropea che significava timone. E si dice governare una (astro)nave.
Come suggerisce Treccani.it: "cibernètica s. f. [dall’ingl. cybernetics, che riprende, con nuovo sign., il gr. κυβερνητική (τέχνη) «arte del pilota»]. – Disciplina, prevalentemente promossa dagli studî del matematico amer. N. Wiener (intorno al 1947), basati sulla riconosciuta analogia funzionale dei meccanismi di comunicazione e di autoregolazione (mediante il feedback) negli esseri viventi e nella macchina. La cibernetica integra nozioni e modelli neurofisiologici e biologicomolecolari con la teoria matematica dell’informazione, la teoria dei sistemi e la ricerca operativa, per progettare sistemi di controllo che comprendono processi di generazione, conservazione, trasmissione e utilizzo dell’informazione; tali sistemi sono incorporati sia nei servomeccanismi sia negli elaboratori elettronici."



Il più antico sistema automatico si fa risalire al regolatore centrifugo (Governor) di velocità, realizzato da Watt per i motori termici a vapore (si veda figura in testa); la forza centrifuga solleva le sfere periferiche allargandone il compasso; il collare, responsabile dell’ afflusso di vapore, può raggiungere un altezza massima sull’ albero di rotazione oltre la quale l’ erogazione di vapore diminuisce, stabilizzando il sistema ad una velocità quasi costante.

Se si considera che la circonferenza di diametro variabile descritta dalle sfere è diretta conseguenza dell’ alimentazione, ne viene che in tale sistema l’ effetto retroagisce sul fattore, preservando la finalità e l’ equilibrio del sistema stesso. E’ questo un feedback, la rivoluzione in seno alla causalità tradizionale e lineare ossia causa-effetto. Il feedback è alla base della scienza dell’ autogoverno, la cibernetica, scienza che avuto cultori disparati e geniali come lo psichiatra Mc Culloch, i matematici Von Neumman, Shannon, Turing; i fisiologi Sherrington ed Adrian (entrambi premi Nobel per la medicina): gente stanca degli angusti limiti della specializzazione, alla ricerca di un linguaggio unitario delle scienze. Quando citiamo Turing parliamo di Alan Turing, sì proprio lui, il genio matematico che con il calcolatore Bomba riuscì a decrittare il codice nazista Enigma (si veda il film The Imitation Game, del 2014), lui considerato uno dei padri dell'informatica. Lui che in un incipit famoso di Computing machinery and intelligence, definì quello che è universalmente conosciuto come Test di Turing (1950). Lui così avanti fu condannato per aver ammesso incidentalmente di essere omosessuale.

I regni della natura divenivano (De Latil):

• il regno minerale, comprendente la materia senza potere di riproduzione, priva di ogni forma sia pure elementare di metabolismo (es: il quarzo);
• il regno vivente – vegetale ed animale – comprendente la materia organizzata in grado di riproduzione e provvista di metabolismo più o meno complesso; 
• il regno artificiale, filiazione dell’ uomo nella sua spontanietà creativa (finalistica).

Nell’ ultimo regno De Latil distingueva due gruppi: il primo più antico dell’altro: gli utensili (oggetti passivi) e le macchine ( oggetti e soggetti attivi).
Gli utensili sono prolungamenti materiali atti a potenziare l’ efficacia degli organi umani: fanno qualcosa, hanno cioè solo l’ attitudine all’ azione e dipendono in tutto il resto dall’ uomo; rientrano nella categoria: la leva, il martello, le forbici, il cacciavite, ecc.

La macchina invece è un “ sistema” fabbricato perché compia una certa azione, una volta fornita l’ energia. Qui la cibernetica descriveva una gerarchia di sistemi:

Macchina di I grado, II grado, III grado

Una generica considerazione induce a distinguere le macchine ad entrata semplice, ove l’ energia di comando e di conseguenza (in genere distinte) sono confuse nella energia di alimentazione (es. il mulino); le macchine a doppia entrata ove è possibile dividere l’ energia di comando da quella di esecuzione (il pianoforte, una macchina da scrivere , ecc.); le macchine a semplice informazione che sono i rivelatori (barometro, termometro, sfigmomanometro, ecc.; il termostato, le trappole di animali, ecc.). Questi tipi di macchine costituiscono il I grado nella classificazioni degli effettori artificiali. Rispetto agli utensili posseggono l’ azione oltre che l’ attitudine ad essa. 

Ora immaginiamo di avere una catena di lavorazione: una sega elettrica sagoma il legno in una certa maniera; lo invia mediante rullo ad una conficcachiodi rifornita a sua volta da una seconda macchina: il coordinamento delle varie funzioni dà una macchina di II grado: i fattori sono sotto dipendenza comune, come nella figura. 

Continua nel II grado l’ impotenza ad adattarsi ad alcune circostanze, poiché le macchine sono programmate in senso determinato. Ciò non si verifica nel III grado in cui la macchina non solo agisce e coordina, ma sa anche valutare da sé l’ ingresso della sua azione (l’opportunità), interviene cioè al momento giusto. 
L’ effettore è stavolta ad azione condizionata. Il segnalatore automatico d’ incendio ne è esempio: all’ improvviso cambiamento di temperatura scatta l’ impianto di allarme che aziona le pompe di acqua.
Ricorderemo che le macchine calcolatrici di un tempo ma anche i PC di oggi rientrano, malgrado la potenza di calcolo enorme, nel secondo grado e quindi inferiori al sistema sopra descritto.

Il quarto grado: feedback

Il regolatore centrifugo di Watt esiste da circa il 1780, eppure il principio rivoluzionario da esso contenuto fu ignorato persino dal suo inventore. Haton de la Goupillière nel suo “ Traitè des mecanismes” (1864) – quasi un secolo dopo – lo definiva ancora tra gli “apparecchi accessori”. Nessuno aveva compreso la portata dell'automatismo. Oggi parlando di retroazione si dice “ segreto della natura”, incorrendo nell’ apparenza di un errore opposto. Il concetto di feed-back collega la chimica all’ idraulica, l’ economia alla biomeccanica, la fisica alla psichiatria, la elettrotecnica all'elettronica.
Feedback, termine desunto dal linguaggio radiotecnico, vuol dire letteralmente “alimentare a rovescio”, risultando intraducibile in italiano. Poniamo di volere come effetto non una velocità fissa ( come nel Governor di Watt) ma una temperatura fissa. È il caso di un impianto di riscaldamento per abitazioni che non deve superare certi valori di sopportabilità termica e consumo. 
Noi abbiamo una caldaia provvista di termostato (rilevatore ad azione secondaria). Appena i valori superano il livello programmato, il termostato lo rileva ed invia il messaggio spegnendo la caldaia. La temperatura scende e la caldaia su informazione dello stesso termostato si riaccende. Se la temperatura dovesse subire sbalzi per un inconveniente della caldaia, la correzione verrebbe effettuata egualmente a prescindere dalla causa dello sbalzo, poiché il sistema organizza la sua difesa sull’ effetto solo su quello. E se invece della caldaia con termostato avessimo il livello di glicemia nel sangue? La glicemia ha da stare in un certo range di valori per evitare guai (sino al  coma): se la glicemia si abbassa, è stimolata la liberazione di glucagone che libera glucosio, se la glicemia si eleva ad essere stimolata è la insulina che "consuma" il glucosio. 

Schematicamente gli elementi costitutivi del feedback sono:

• il rivelatore (termostato nell’ ultimo es), un dispositivo che sia “sensibile alla variazione dell’ effetto”; 
• il messaggio che porta le informazioni ad un fattore; 
• il reattore o elemento di reazione capace di reagire in base al messaggio su uno dei fattori 

Siamo giunti alla definizione di feedback.
Norbert Wiener scriveva : “ il comando della macchina sulla base del suo funzionamento effettivo anziché del suo comportamento previsto che, conosciuto come feedback”.
Pierre de Latil è stato più preciso e sintetico: “Un feedback è un legame retroattivo che, entro certi limiti, protegge l’ effetto dalle variazioni dei suoi fattori”.
E’ il quarto grado di automazione.

Com'è illustrato nella figura che segue, i sensori possono rilevare o le perturbazioni stesse o la variabile controllata (cioè gli effetti che una perturbazione ha avuto sullo stato del sistema). 

Come suggerisce Fiorenzo Conti alla voce omeostasi ( Treccani.it  2007): " Nel primo caso, si parla di 'sistema di controllo a feedforward', nel secondo di 'sistema di controllo a feedback'. Le differenze tra i due sono sostanziali. Nel caso di un controllo a feedforward la perturbazione viene rilevata dal sensore prima che induca i suoi effetti sullo stato del sistema e questo significa che il controllore deve essere in grado di calcolare gli effetti che la perturbazione indurrà sulla variabile regolata. I sistemi a feedforward hanno il grande vantaggio di poter evitare che la perturbazione eserciti i propri effetti, prevenendo quindi la necessità di interventi correttivi. Poiché i sistemi di controllo fisiologici sono quasi sempre non lineari e dinamici (ovvero variano con il tempo), e poiché molti potenziali disturbi dovrebbero essere rilevati per poter predire l'effetto sulla variabile controllata, ne consegue che i sistemi a feedforward richiedono complessi meccanismi predittivi; in realtà, con l'eccezione di alcuni meccanismi cerebrali, questo tipo di controllo è meno utilizzato nei sistemi fisiologici, anche se la sua relativa rarità potrebbe dipendere dalla scarsa conoscenza acquisita finora. È stato recentemente suggerito che i sistemi a feedforward finalizzati alla modificazione anticipata dello stato di un sistema e quindi di una sua variabile controllata siano definiti 'allostatici'.

Si è già detto come venga sconvolta la linearità causa-effetto che per secoli ha contraddistinto la speculazione umana.  Cosa c’è oltre il quarto grado?  

Dopo i personal computer, ecco i personal robot, ovvero i robot ad uso personale, docili, gentili e servizievoli, pronti ad eseguire i nostri comandi  (o almeno alcuni di essi). Ecco che arriva con la infosfera la rivoluzione della Intelligenza Artificiale, che richiede una trattazione a parte ma anche un antefatto sul feedback e sistemi di automazione. (achille miglionico)