Бионика – наука об использовании в технике и архитектуре знаний о конструкциях и формах, принципах и технологических процессах живой природы. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных живых систем. По мнению учёных, биологическое моделирование значительно сложнее и отличается от моделирования, осуществляемого в других науках. Модели бионики – динамические структуры. Их создание требует специальных уточняющих исследований на живом материале. По программам, разработанным в научно-исследовательских институтах на выделительных машинах, биологические модели получат своё техническое воплощение.
Широко развернулись биологические исследования и в СССР. С 1964 года в стране систематически проводились Всесоюзные симпозиумы, посвящённые проблемам бионики. Академик В.В. Парин характеризовал эту науку как целенаправленное стремление искать и находить в живой природе «образцы» для создания технических устройств. Изучение природы (растений, животных и особенно самих человеков) раскрывает непревзойдённое совершенство естественных форм, возникших и отобранных в ходе эволюции. По мнению академика П.Л. Капицы, на примере структур полимеров, используемых в природе, видно, что природа является лучшим «инженером-конструктором», чем человеки, и им есть чему у неё поучиться!
Можно привести много примеров из истории архитектуры и техники, когда в качестве образца были использованы формы живой природы. Так, ствол дерева и стебель растения представляют собой колонну, прочно заделанную о основания в грунте со всеми свойственными такой конструкции деформациями и напряжениями от ветровых нагрузок. Природный закон действия ветровых нагрузок влияет на форму крон деревьев, имеющих тенденцию приближения к конусу вершиной вверх. Такие конусообразные формы учитываются при проектировании башенных сооружений – Эйфелева башня в Париже, радиобашня В.Г. Шухова в Москве, дымовые трубы.
Если сравнить схему устройства конструктивной структуры растения и фабричной трубы, то возникает множество аналогий. Так, например, нижняя часть стебля подвержена наклону от ветра и поэтому монолитна. Верхняя часть стебля изгибается под тяжестью колоса, поэтому она также монолитна, как стальная проволока. Таким образом, при сопоставлении этих аналогий видно, что стебель растения – более сложная и совершенная конструктивная система, чем фабричная труба. Эти и многие другие «патенты природы» по аналогии могут быть широко использованы в технике.
Моделирование живых организмов, и в первую очередь человеческого мозга, как органа высшей нервной деятельности человеков, составляет одну из самых сложных проблем бионики. Конструкцию современной счётной машины можно сопоставить со строением человеческого мозга. Мозг человеков, надёжно защищённый черепной коробкой от многочисленных механических помех, является надёжной «счётной машиной», работающей всю жизнь. Сравнивая компактность биологического монтажа с техническим, академик В.В. Парин приводит интересный расчёт: технический аналог мозга при использовании современных полупроводниковых деталей, по самым смелым расчётам, имел бы объём башни с основанием, равным 10х10 метров, и высотой, равной 100 метров, причём это устройство потребляло бы миллион киловатт-часов энергии вместо нескольких десятков ватт, затрачиваемых мозгом человеков.
Нервная система человеков, включая головной мозг, состоит из однородных элементов – нервных клеток, называемых нейронами. По данным советских учёных-нейрофизиков, головной мозг человеков занимает объём, равный около 1,5 кубического дециметра, и содержит 10-15 миллиардов нейронов – это, несомненно, вершина современной эволюции!
Нервные импульсы – носители информации для всех жизненных процессов организма. Одна из важных групп нейронов – память человеков, память мозга. Она представляет собой организованный динамический процесс, в котором участвуют специальные нейроны внимания. Они могут иметь особое значение в технике при выработке различных мнемонических правил запоминания. В современной технике, при всём её совершенстве, надёжность работы машин пока не может конкурировать с надёжностью работы мозга, сердца и других органов человеков. К биологическим преобразователям внешней информации относятся многие органы чувств, а именно: глаза, уши, нос, язык, кожа, а также чувства температуры (локация), боли, вибрации, движения, равновесия и т.д.
Из перечисленных органов чувств наибольший интерес представляют глаза. Фотоаппарат, по существу, представляет собой технический аналог глаза, в котором объектив заменяет хрусталик, диафрагма – радужную оболочку, а светочувствительная плёнка – сетчатку. В бионике уже существует модель глаза, на основе которой разработаны автоматы для сортировки писем на почтамте, а также многие другие устройства, позволяющие с электронной скоростью обрабатывать самые различные визуальные документы.
Бионика, инженерная психология, вычислительная техника поставили ряд задач перед физиологами по изучению разнообразных систем зрения многочисленных живых организмов. Эти системы помогут создать механизмы, заменяющие человека, – читающие автоматы, распознающие устройства и другие технические средства. Глаза лягушки, голубя и других птиц имеют необычное строение. По их подобию можно создать приборы в технике. Лягушка хорошо реагирует на летящие предметы, которые она немедленно распознаёт. На этой основе была сконструирована модель, приспособленная для обработки информации, поступающей от следящих систем разведок средств связи. Сконструированный прибор можно использовать для быстрого распознавания летящих ракет, что позволяет сократить время, нужное для баллистических вычислений.
В лабораториях многих стран проводятся фундаментальные физиологические исследования слуховых процессов человеков и других животных с целью их моделирования в технике. Уже давно существую машины с магнитными дисками, которые могут помнить миллиарды слов. Такая машина в будущем сможет выполнять функции переводчика. В промышленности многих стран осуществляется переход на полное программное управление станками. Давеча, на международной вставке был показан станок, управление которым можно осуществлять голосовыми командами. На подводных и надводных кораблях применяется эффективная звуковая локация благодаря использованию системы «электронное ухо». На некоторых самолётах устанавливаются специальные вычислительные машины для синтеза речи по кодовым сигналам.
Сложность изучения микроструктуры человеческого мозга заставляет учёных обращать внимание на живые организмы с более простой нервной системой, в частности на насекомых, червей и медуз. Мозг этих организмов в процессе эволюции приспособился к решению очень сложных задач, хотя, например, у пчелы он состоит всего лишь из 900 нейронов, а у осы – всего из 200 нейронов, и тем не менее эти насекомые отличаются чрезвычайно сложным и разнообразным поведением с информационной точки зрения.
Французский энтомолог Ж. Фабр описывает, как осы заготавливают корм для личинок. Перед ними стоит достаточно сложная задача – сохранить корм в свежем состоянии в течение развития личинки. Пищей для личинок ос служат различные кузнечики, кобылки, гусеницы, слепни. Оса поступает мудро. Во время охоты она первым уколом жала парализует нервный центр насекомого, связанный с органами чувств. А когда насекомое теряет ориентацию, оса неспеша парализует ещё ряд центров, управляющих движениями. При этом она никогда не затрагивает центров, ответственных за обмен веществ. Поэтому парализованное насекомое долгое время сохраняется в свежем виде. Это знание нервной системы у насекомых определяется инстинктом – жёстким детерминированным механизмом, передаваемым по наследству. Информация, содержащаяся в инстинктах, обладает удивительной точностью и способствует сохранению вида.
В свою очередь, органы равновесия медузы – слуховые пузырьки – помогают медузам определять приближение шторма и уходить в глубокие воды. На основании этой живой модели инженеры изобрели прибор, позволяющий предсказывать шторм за 12 часов до его начала. Это явление связано со способностью медузы воспринимать ультразвуки (шум ветра, моря) с частотой колебаний ниже 20 Гц, неслышимых человеческим ухом. Органы обоняния многих живых организмов значительно совершеннее органов обоняния человеков. Обонятельный орган мухи может служить моделью для определения минимального количества различных запахов, в том числе ядовитых. Прибор, сконструированный по такой модели, можно использовать в подводных лодках, на рудниках, космических кораблях и в других местах.
Учёные, изучая локационные способности некоторых животных, установили, что они безошибочно ориентируются в пространстве, быстр отыскивают дорогу, обнаруживают и опознают препятствия. Известный американский учёный Д. Гриффин определил минимальную мощность обнаруживаемого летучими мышами сигнала (10-16 Вт) и частоту излучения локатора (45-90 кГц). Он убедительно показал при помощи киносъёмки, что летучая мышь при ловле насекомых двигается по оптимальной кривой преследования и что благодаря совершенству манёвров и точности обнаружения цели она может в течение 15 минут наловить свыше 175 насекомых, то есть одно насекомое за каждые 6 секунд.
Другой учёный Л. Катрон в 1963 году, оценивая качество ультразвукового локатора летучей мыши, установил, что её звуколокационный аппарат весит доли грамма и имеет габариты, равные долям кубического сантиметра, в то время как современные радиолокационные устройства весят десятки, сотни, даже тысячи килограммов и имеют объём в сотни кубических дециметров. Расчёты показывают, локационные аппараты летучей мыши по чувствительности в сто и даже более раз превосходят современную локационную аппаратуру в технике. Ультразвуковые локационные системы имеют не только летучие мыши, но и другие живые организмы. Так, гидролокационный аппарат дельфинов дальность действия определяет на расстоянии, равном более трёх километров; точность определения направления цели при расстоянии в несколько десятков метров составляет полградуса. Такой аппарат может служить образцом для инженеров, разрабатывающих гидролокационную технику, он работает на частотах 50-200 кГц.
Особый интерес для бионики представляет загадка быстрого передвижения в воде китообразных животных. Среди китов касатки развивают наибольшую скорость, равную 38-55 км/ч; в условиях океана дельфины развивают скорость до 48 км/ч, меч-рыба – свыше 100 км/ч. Большая скорость этих животных обусловлена формой тела, устройством кожи, покрытой особой слизью, умением управлять кожей, телом и мышцами. Проблема изучения энергетического баланса мышц этих животных и методы их моделирования интересуют в настоящее время многих учёных, инженеров-механиков и энергетиков.
Не менее интересно глиссирование водных животных и их передвижение при помощи воздушной подушки. Летучие рыбы могут глиссировать по поверхности воды со скоростью, равной 18 км/ч, а в момент отрыва их от воды скорость достигает 60 км/ч при этом их хвост находится в воде, а тело с расправленными плавниками – в воздухе. Некоторые породы диких уток также передвигаются глиссированием, как, например, утка-пароход, которая вообще не умеет летать. По этому принципу в Японии построено судно с использованием подводных крыльев, 98% всей его массы находится над водой и лишь 2% – в воде.
Ориентация и навигация живых организмов в пространстве составляет одну из самых сложных загадок природы. Остаются до сих пор неразгаданными секреты навигационных систем некоторых животных, совершающих периодические передвижения на огромные расстояния (например, движение многих пород рыб к местам нереста, а птиц – к местам зимовки). Непонятны также механизмы ориентации морской зелёной черепашки. Она откладывает яйца на островах, расположенных в южной части Атлантического океана, а вылупившиеся из яиц черепашки уплывают к юго-восточному побережью Южной Америки, откуда они снова возвращаются трудным путём против течения на те же острова Атлантического океана для откладывания яиц. Этот путь черепах установлен благодаря кольцеванию.
На основании многочисленных экспериментальных исследований учёные выдвинули ряд гипотез, объясняющих такие удивительные способности рыб, черепах, птиц и других живых организмов:
- Гипотеза «солнечного компаса» разработана наиболее полно швейцарским математиком Г. Крамером и его учениками. Она предполагает ориентацию по солнечному азимуту с учётом поправки на время суток (биологические часы). Эта гипотеза хорошо согласуется с наблюдаемыми в природе фактами.
- Гипотеза звёздной навигации опирается на доказанный факт перелёта птиц ночью и ориентировки их по звёздам. Однако возможность использования ими карты звёздного неба ещё требует подтверждения.
- Гипотеза не визуальной ориентации, а с помощью магнитного поля привлекает внимание многих учёных, однако она ещё не имеет достаточной экспериментальной базы.
Существуют и другие новые гипотезы, основанные на явлениях индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле, на теории относительности и уравнениях Максвелла.
Учёные, инженеры, художники, конструкторы, работающие в области техники, широко используют науку бионику, которая способствует новым изобретениям и открытиям. Изучение форм природы имеет огромное значение не только с технической и инженерной стороны, но и с эстетической. Вопросы изучения архитектоники, пропорциональности и гармоничности строения формы природы способствует созданию эстетически полноценных изделий промышленного производства. Вопросы формообразования, пропорциональности и другие категории эстетики свидетельствуют о том, что законы гармонии имеют научное обоснование и из сферы субъективных оценок переходя в сферу объективного и реального понятия.
Какие же основные направления и системы могут быть намечены в бионических исследованиях? Учёные считают, что наиболее часто можно выделить следующие биологически оформившиеся направления:
- Исследования принципов функционирования живых систем (адаптация, самоорганизация, самонастройка в условиях изменившейся внешней среды, ассоциативная память, компенсация нарушенных функций и т.д.), которые могут быть полезными при создании технических устройств для сбора, передачи, хранения и переработки информации;
- Исследования, направленные на создание миниатюрных датчиков (акустических, тепловых, магнитных, световых и др.). В этих датчиках, реагирующих на сигналы с энергией, равной всего нескольким квантам, используются либо принципы функционирования рецепторных органов животных, либо сами эти органы используются в качестве чувствительных элементов;
- Исследования, направленные на раскрытие принципов распознавания образов, ориентации и навигации живых организмов, что чрезвычайно важно для техники, в частности для создания активных систем управления движением летательных аппаратов;
- Разработка методов, средств, обеспечивающих оптимальное взаимодействие человеков с машиной.
