Отто Герберт Арнольд Шмитт ( англ. Otto Herbert Arnold Schmitt , 6 апреля 1913 — 6 января 1998) — американский биофизик , изобретатель , инженер, администратор науки, внёсший значительный вклад в развитие методов и технических средств биомедицинских исследований. В 1930-е годы Шмитт изобрёл нелинейный пороговый элемент — триггер Шмитта — и усовершенствовал базовые электронные каскады — дифференциальный каскад , и усилитель постоянного тока типа модулятор-демодулятор ; в 1940-е годы Шмитт изобрёл визуализатор электрокардиографических сигналов и бесконтактный радиочастотный преобразователь стимулирующих импульсов для электрофизиологических приборов.

Биография

Происхождение. Ранние работы

Отто Шмитт родился в преуспевающей семье лютеран из Сент-Луиса . Уже немолодые родители Отто совместно управляли семейным предприятием; старший брат Фрэнсис, которому было суждено стать наставником и покровителем Отто, был на десять лет старше его . В 1927 году, когда Отто перешёл из начальной школы в среднюю, Фрэнсис получил докторский диплом по физиологии в сент-луисском Университете Вашингтона и перешёл в постдокторантуру Университета в Беркли , а затем отправился в Европу . Осенью 1929 года Фрэнсис вернулся в Университет Вашингтона на должность преподавателя кафедры зоологии , которая недавно переехала в новое здание и практически не имела лабораторного оборудования . Шестнадцатилетний Шмитт стал первым помощником старшего брата в обустройстве лаборатории, получив тем самым опыт практического приборостроения и научных исследований . По рекомендации профессоров, приметивших способного школьника, Шмитт-младший досрочно сдал экзамены за последний год школьной программы и в сентябре 1930 года поступил в бакалавриат Университета Вашингтона . Не имея твёрдых планов на будущее, Отто сосредоточился одновременно на двух дисциплинах — зоологии и физике .

В марте 1931 года, когда семнадцатилетний Отто учился ещё на первом курсе, журнал Science опубликовал его первую научную статью («Способ стабилизации температуры с помощью вакуумных ламп »); всего же в 1931—1934 годах Отто стал автором восьми статей в реферируемых журналах (три единолично и пять в соавторстве с братом) . В марте 1933 года он подал патентную заявку и год спустя получил патент США на принцип использования источников тока на пентодах в качестве активной нагрузки усилительных каскадов , позволивший многократно повысить их коэффициент усиления . Вскоре корпорация RCA использовала идею Шмитта и наотрез отказалась выплачивать изобретателю роялти без судебного решения . Затраты на тяжбу были для Шмитта запретительно велики, он отказался от продолжения спора, а в последующие годы зачастую даже не пытался патентовать собственные идеи и изобретения .

По окончании университетского курса, летом 1934 года, Отто перешёл в докторантуру — также на стыке зоологии и физики — и под руководством Фрэнсиса занялся разработкой биофизических методов исследования нервной системы . За три неполных года он построил экспериментальный стенд — аналоговый вычислитель , имитировавший генерацию и прохождение электрических сигналов в нервах; в рамках этого проекта он изобрёл свои важнейшие схемотехнические решения, впервые изложенные в его докторской диссертации . Её защита состоялась в мае 1937 года и была вознаграждена годовой стипендией ; в августе Шмитт женился на своей сокурснице и ассистенте, преподавателе математики Виоле Мюнш, а в сентябре молодожёны отправились в Университетский колледж Лондона , в лабораторию нобелевского лауреата Арчибальда Хилла . В Англии Шмитт подготовил к публикации статьи, описывавшие его разработки 1934—1937 годов, включая опубликованную в январе 1938 года статью о «термионном триггере» ( триггере Шмитта ), и занялся экспериментальными биофизическими исследованиями нервной системы кальмаров (благодаря гигантскому размеру аксонов кальмары служили удобным модельным организмом ) .

Военные и послевоенные годы

Вернувшись в Университет Вашингтона за несколько дней до начала Второй мировой войны , Шмитт довольствовался скромной должностью младшего преподавателя, не оставлявшей времени на научные исследования и не сулившей карьерного роста . Положение изменилось лишь весной 1941 года, когда Фрэнсис, возглавивший кафедру биологии Массачусетского технологического института , попытался переманить Отто к себе . Шмитт, не желавший оставаться в тени старшего брата, сумел добиться от руководства Университета Вашингтона выгодных условий и перешёл на полноценную учебно-научную работу с собственным бюджетом на исследования и научным руководством аспирантами . Однако вскоре по настоянию Вэнивара Буша Шмитт был мобилизован на военно-прикладные исследования — вначале в стенах Университета, а с января 1942 года — в государственной Лаборатории авиационных приборов (Airborne Instruments Laboratory, AIL) на Лонг-Айленде . В течение войны Шмитт конструировал и испытывал противолодочные магнитометры , авиационные тренажёры , устройства для размагничивания кораблей . Среди изобретений Шмитта этого периода — рассекреченный после войны стереоскопический дисплей для радиолокационных станций , позволявший оператору рассматривать цель под произвольно выбранным углом . Это и другие его изобретения были запатентованы по настоянию руководства лаборатории; сам же Шмитт не интересовался патентованием и передал все права на свои работы федеральному правительству .

В сентябре 1946 года супруги Шмитт переехали обратно в Сент-Луис: несмотря на более чем двукратное падение в доходах, они предпочли службе в приватизированной к тому времени AIL чисто научную работу в университете . Шмитт возобновил исследования нервной системы кальмаров и в 1948 году опубликовал описание своего очередного крупного изобретения — бесконтактного радиочастотного преобразователя стимулирующих импульсов . Заняв в 1949 году пост полного профессора , Шмитт сосредоточился на адаптации военно-прикладных разработок для практической медицины . Первым результатом этой работы стал «стереовектор-электрокардиограф» (SVEC) — трёхмерный дисплей ЭКГ на базе его изобретений военного времени .

Административная и общественная деятельность

Шмитт до конца жизни работал на стыке медицины и электроники; в конце 1960-х годов именно он ввёл в оборот понятие biomimetics , по-русски бионика . С годами он всё более погружался в организаторскую, общественную сторону научной деятельности; не будучи искушён во внутриуниверситетской политике, на национальном уровне он оказался чрезвычайно активным и эффективным координатором и пропагандистом науки . Шмитт стоял у истоков множества научных и профессиональных ассоциаций и постоянно находился в движении, путешествуя внутри страны и за её границами (только в 1960 году он налетал в деловых поездках более 80 тысяч миль) . В 1958—1961 годах он возглавлял научный совет ВВС США по вопросам космической медицины , в 1970-е годы — совет по вопросам медицинской безопасности связи на сверхдлинных волнах . В университете Шмитт отказывался от учреждения особой кафедры биофизики, но на национальном уровне добился признания Национальными институтами здравоохранения , распределявшими бюджетное финансирование науки, биофизики как отдельной дисциплины . Шмитт по-прежнему не доверял юридической, патентной стороне научной деятельности и призывал коллег-учёных не препятствовать «краже идей» теми, кто способен реализовать их на практике: «Примерно раз в месяц я могу позволить предпринимателям или политикам украсть мою идею… это всего лишь один из способов распространения нового. Это „маркетинговый ход“, позволяющий мне внедрить в общество полезную идею, не связываясь ни с финансистами, ни с чиновниками» . В распространении знаний Шмитт полагался в первую очередь на личное общение и устную речь; он мало писал и мало публиковался . Единственная книга, «написанная» им единолично («Электронные и компьютерные исследования биомедицинских проблем»), — это дословная стенограмма трёхдневного семинара, проведённого в сентябре 1961 года .

В 1979 году Шмитт был избран действительным членом Национальной инженерной академии ; среди полученных им профессиональных наград и премий — премия Морлока (Morlock Prize, 1963), медаль Столетия (Centennial Medal, 1987) и медаль за заслуги всей жизни (Lifetime Achievement Award, 1987) Института инженеров электротехники и электроники . В 1983 году, согласно университетскому уставу, семидесятилетний Шмитт перешёл на положение эмерита . Разочарованный тем, что многие коллеги воспринимали его не как учёного-энциклопедиста, но как технаря-приборостроителя, Шмитт сосредоточился на общественной деятельности . Он осуждал нездоровое, с его точки зрения, состояние национальной политики здравоохранения и настаивал на её реформе с твёрдых научных позиций . Рациональный, научный подход Шмитта к администрированию медицины уживался с иррациональной верой во взаимосвязь тела и сознания, которая с годами привела его к признанию возможности паранормальных явлений (по воспоминаниям Шмитта, он уверовал в сверхъестественное ещё в семилетнем возрасте, пережив виде́ние призрака умершей бабушки ).

Шмитт продолжал активную деятельность до смерти жены в 1994 году; оставшись в одиночестве, он начал быстро угасать . Три года спустя Шмитт, страдавший болезнью Альцгеймера , скончался в доме престарелых в Миннеаполисе .

Научное наследие

Крупнейшими по числу публикаций сферами интересов Шмитта были практическая электрокардиография (93 работы) и междисциплинарная тематика биомедицинского или клинического приборостроения . Несколько работ 1960-х годов посвящены проблемам хронобиологии ; в 1970 году Шмитт стал соавтором американской программы космических хронобиологических исследований (реализована частично) . 21 работа Шмитта посвящена экспериментальной электрофизиологии : вольт-амперным характеристикам клеточных мембран , изменениям сопротивления и ёмкости мембран при возбуждении внешним стимулом, распространению электрических стимулов . Работы этого круга, если судить по важности тем, уровню журналов и уровню соавторов (в их числе нобелевские лауреаты Арчибальд Хилл и Бернард Кац ), — высшее достижение Шмитта . Однако ему было суждено войти в учебники не как биофизику, а как разработчику триггера Шмитта .

Вклад в электронику

Из примерно трёхсот опубликованных статей и шестидесяти патентов Шмитта менее 3 % посвящены непосредственно электронике, точнее — электронике биомедицинских приборов . Именно эти работы имели наибольшее практическое значение и принесли Шмитту признание за пределами сообщества биофизиков .

Триггер Шмитта — нелинейная схема с двумя порогами переключения — был разработан Шмиттом единолично в 1934—1937 годах, как часть опытного стенда, моделировавшего прохождение электрических сигналов в нервных клетках . Шмитт знал, что при возбуждении клеточной мембраны электрическим сигналом её активное и ёмкостное сопротивления скачкообразно меняются и что пороги перехода из «низкого» состояния в «высокое» различаются . Для моделирования электрических свойств мембраны он применил схему на трёх триодах (входном усилителе и дифференциальной паре — собственно триггере Шмитта), посредством реле физически подключавшую конденсатор в тракт прохождения сигнала . Подробное, но недостаточно ясное описание работы схемы Шмитт изложил в докторской диссертации 1937 года, сокращённое описание — в журнальной статье 1938 года . Каким образом схема Шмитта распространилась за пределы биомедицинского приборостроения, достоверно неизвестно , но она (точнее, её принцип, воплощённый в иных схемотехнических решениях) стала базовым элементом и аналоговой, и цифровой системотехники, а имя Шмитта вошло в учебники наравне с именами Кирхгофа и .

Другая публикация Шмитта 1937 года описывала дифференциальный каскад для усиления слабых биологических сигналов . Эта тема, в отличие от триггера Шмитта, привлекала множество параллельно работавших исследователей . В 1936—1937 годах свои версии дифференциального каскада предложили Алан Блюмлейн и , однако их схемы были предназначены для усиления высокочастотных сигналов и не могли служить усилителями постоянного тока . Схема Шмитта 1937 года, в свою очередь, неудовлетворительно подавляла синфазную помеху, зато могла усиливать постоянный ток и была построена не на триодах, а на пентодах . В 1938 году Шмитт опубликовал новую конструкцию дифференциального каскада, оптимизированную для работы в асимметричном инвертирующем режиме и способную усиливать постоянный ток . Наконец, в 1941 году Шмитт опубликовал развёрнутый анализ работы дифференциального каскада, включая применение локальной обратной связи через катодные сопротивления, и альтернативную конфигурацию с двумя источниками тока и одним сопротивлением обратной связи .

Третье крупное изобретение Шмитта — бесконтактный радиочастотный преобразователь стимулирующих импульсов для электрофизиологических исследований — так же, как и триггер Шмитта, восходит к его опытам 1930-х годов . Биофизики-экспериментаторы столкнулись с проблемой гальванической и ёмкостной связей между источником возбуждающих импульсов и приёмником (датчиком) отклика организма; помеха, поступавшая через эти связи на вход высокочувствительного усилителя, порождала длительную перегрузку . Шмитт предложил разорвать связь в возбуждающем тракте, отделив источник импульса от возбуждающего электрода прослойкой воздуха. Выходной импульс источника поступал на простой одноламповый генератор высокой частоты, а генерируемый сигнал демодулировался пассивным детектором на германиевом диоде . В отличие от изолирующих трансформаторов, бесконтактный преобразователь Шмитта мало искажал форму импульса и потому стал непременной частью электрофизиологических приборов .

Примечания

Литература

• Harkness J. // Physics in Perspective. — 2002. — № 4. — P. 456—490.
• . . — Analog Devices / Elsevier , 2005. — ISBN 0916550265 . — ISBN 0750678445 .
• Schwan H., Geselowitz D. // Memorial Tributes. — 2002. — Vol. 10.
• Valentinuzzi M. // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. — 2004. — № December. — P. 42—46. — doi : .

Ссылки

• (англ.)
• , A Lifetime of Connections: Otto Herbert Schmitt, 1913—1998 (англ.)
• от 15 апреля 2012 на Wayback Machine , maintained by the University of Minnesota (англ.)