Литинецкий Изот Борисович - На пути к бионике

МИР ЗНАНИЙ

МОСКВА "ПРОСВЕЩЕНИЕ" 1972

6 Ф0. I.

Л 64

Литинецкий Изот Борисович - На пути к бионике. М., "Просвещение", 1972. 223 с. с ил. (Мир знаний).

Книга состоит из коротких рассказов о том, как человек пытался и пытается использовать живые организмы в самых различных областях своей деятельности. Из нее можно узнать о бактериях, помогающих добывать полезные ископаемые и очищать их от вредных примесей, о собаках, обнаруживающих неисправности в газовых магистралях, о голубях - технических контролерах, о муравьях - открывателях новых звезд, о живых барометрах и сейсмографах, о языке животных и многих других замечательных особенностях живых организмов.

7 - 6 - 3

247 - 72

Редактор И. А. Михайловская

Обложка художника А. Е, Григорьева

Художественный редактор В. Г. Ежков

Технический редактор Е. В. Богданова

Корректор М. И. Миримская

Сдано в набор 29/IV-1972 г.

Подписано к печати 3/XI -1972 г. 84х1081/32. Бумага типографская № 2. Печ. л. 7. Усл. печ. л. 11,76. Уч.-изд. л. 12,25. Тираж 100 тыс. экз. Заказ 1822, А11264.

Государственного комитета Совета Министров РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва. 3-й проезд Марьиной рощи, 41. Типография № 2 Росглавполиграфпрома, г. Рыбинск, ул. Чкалова, 8.

Предисловие

В наше время человек достиг необыкновенных успехов в развитии техники, создал много мощных и умных машин, необходимых для получения энергии и материалов из природных источников, научился с помощью приборов и устройств получать, передавать, обрабатывать и использовать информацию (сведения) о различных величинах при научных исследованиях или о технических параметрах в процессе управления производством.

Человек начал освоение космоса и создал много различных видов автоматических космических кораблей и спутников, космических орбитальных и спускаемых на поверхность планет неподвижных и подвижных станций, начал освоение глубин морей и океанов, начинает наступление на глубины Земли.

Решая в процессе создания современных технических систем различные задачи, человек понял, что многие из них уже решены природой, и часто проще, лучше и надежнее, чем это сделано человеком. Поэтому необходимо и полезно продолжать учиться у природы, как это делал человек всегда - и когда изобретал свои первые простейшие машины, и когда строил висячие мосты, и когда находил способы обработки продуктов и материалов.

В последние 10 - 12 лет сложилось в науке новое направление - бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин.

Однако это использование оказалось довольно сложной задачей, потребовалось повторить многие биологические исследования, чтобы получить достаточно точные и достоверные количественные зависимости для описания конструкций и процессов в биологических объектах, без чего невозможна оценка целесообразности и возможности их использовать для технических целей. Такие дополнительные исследования необходимы, так как многие биологические исследования до последнего времени носили лишь качественный характер вследствие отсутствия методов и средств для количественных измерений. Только успехи в области создания новейших методов и средств измерительной техники с широким использованием радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники положили начало новой эпохе в биологических исследованиях.

Наряду с развитием этих исследований, необходимых как основа для бионики, человек, наблюдая за живой природой, находит среди ее представителей много полезных для себя помощников, которые несут часто весьма ответственную службу на пользу человеку.

Человек благодарен своим помощникам и ряду из них в знак своей признательности поставил памятники и создал много прекрасных легенд и правдивых рассказов.

В данной книге автор, который известен рядом своих интересных и полезных книг по бионике, постарался рассказать как о живых помощниках человека, так и о путях, ведущих к бионике. Нет сомнений, что эти сведения помогут читателю посмотреть на природу новым взглядом и найти еще много интересного и полезного.

Член-корреспондент АН СССР Б. С. Сотсков

Светлой памяти

Бориса Степановича Сотскова-

старейшине советских биоников посвящаю.

Автор.

Введение

XX век! Обыденными стали атомные электростанции, синхрофазотроны, оптические квантовые генераторы, искусственные почки, заводы-автоматы, электронные вычислительные машины, производящие десятки миллионов операций в секунду, сверхзвуковые самолеты, батискафы, опускающиеся на тысячеметровые глубины морей и океанов, радиоприемники величиной с почтовую марку, цветное телевидение, звездные корабли, бороздящие космос, научно-исследовательские лаборатории на Венере и Марсе...

И все же привыкнув сегодня принимать как должное все эти свершения человеческого гения и ничему не удивляться, мы тем не менее не перестаем и никогда, по-видимому, не перестанем поражаться и восхищаться творениями живой природы. Чего только нет в ее "патентном бюро"! Гидравлический привод? Пожалуйста, у паука. Пневматический отбойный молоток? Вот он у земляной осы. Ультразвуковой локатор? У летучей мыши. Сонар? У дельфина, тюленя, кита. Реактивный двигатель? У кальмара. Точный барометр? У лягушки, вьюна, пиявки. Предсказатель штормов? У медузы. Запахоанализатор, способный различать 500 тысяч запахов? У обыкновенной дворняжки. Счетчик Гейгера? У улитки. Гиротрон? У мухи. Поляризационный солнечный компас? У пчелы. Указатель скорости движения? У жука. Опреснитель морской воды? В клюве альбатроса. Высокочувствительный сейсмограф? У водяного жука и кузнечика. Поистине "на выдумки природа таровата"!

Живая природа - гениальный конструктор, инженер, технолог, великий зодчий и строитель. Миллионы лет она отрабатывала и совершенствовала свои творения. В течение всего этого времени животные и растения развивались, разнообразились и приспосабливались к всевозможным изменениям окружающей среды. На каждом этапе, при каждом значительном изменении климата природа делала шаг вперед, подвергая пересмотру прежние решения.

Естественный отбор безжалостно отбрасывал все, что не могло приспособиться к условиям существования. В ходе эволюционного развития в живых организмах выработались весьма тонкие и совершенные механизмы процессов обмена веществ, преобразования энергии и информации. Эти "биоинженерные системы" природы функционируют очень точно, надежно и экономично, отличаются поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на мельчайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.

Примером могут служить "навигационные системы" ряда животных. Так, гигантские морские черепахи для кладки яиц ежегодно совершают по безбрежным просторам Тихого и Атлантического океанов длительные путешествия протяженностью до 6000 километров и с завидной для самого заправского штурмана точностью находят обратную дорогу домой. Североамериканская золотистая ржанка каждую осень совершает перелет из мест гнездования в Северной Канаде на зимовку к Гавайским островам. Эта птица не может отдыхать на воде, как водяные птицы. Чтобы достичь своей цели, она вынуждена лететь непрерывно в течение нескольких недель над океаном. Малейшее отклонение от курса грозит ей тем, что она "проскочит" мимо цели, затеряется в океанских просторах и погибнет от истощения. Меняется ветер, сбивая ржанку с пути, ночь опускается над морем, утром встает над водой туман. Но крошечная птичка уверенно достигает цели, словно ее привел самый точный и верный компас, о котором мы, люди, можем только мечтать.

Даже пустынные муравьи, и те, оказывается, могут ориентироваться по космическим "маякам", "читать" карту звездного неба и осуществлять по ней свои близкие и далекие странствия. Они способны, как установил известный тунисский мирмеколог Санчи, днем видеть звезды! Длинные узкие фасетки сложного глаза этих насекомых с одной-единственной светочувствительной клеткой на дне ученый образно сравнивает с глубоким колодцем, со дна которого человек днем, при свете Солнца, может увидеть звезды. Санчи даже написал философский трактат в стихах о маленьком муравье, заставляющем человека поднять глаза от Земли к великим мирам, проплывающим в небе...

Мы взяли в качестве примера лишь одну узкую область творчества природы - ориентацию и навигацию. Но на какое бы современное живое существо ни посмотрел сегодня пытливый глаз ученого или инженера, он обязательно найдет у него ту или иную оригинальную систему, устройство или механизм, которые представляют собой последние модели, сходящие со сборочного конвейера универсальной мастерской природы. И в подавляющем большинстве своем они далеко превосходят все то, что создано до последнего времени человеком. И в этом нет ничего удивительного: ведь у природы было несоизмеримо больше времени для творчества, нежели у человека. Фабрика жизни без устали работает по крайней мере 2,7 миллиарда лет, системы же технические создавались и улучшались только на протяжении нескольких тысячелетий существования развитой материальной культуры.

Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. В течение всей своей истории человек учился у природы, копировал ее "изобретения", был самым прилежным ее учеником. Еще древнегреческий философ Демокрит (ок. 460-370 годов до н. э.) отмечал, что люди в своей изобретательской деятельности подражали природе. "От животных,- писал он, - мы путем подражания научились важнейшим делам, [а именно, мы - ученики паука] [подражая ему] в ткацком и портняжном ремеслах, мы ученики ласточек - в построении жилищ и певчих птиц, лебедя и соловья - в пении... Природа сама научает нас сельскому хозяйству..."*.

* ("Демокрит в его фрагментах и свидетельствах древности". М.- Л., Соцэкгиз, 1935, стр. 139.)

Это стремление подражать творчеству живой природы, созданным ею биологическим системам, нашло свое яркое выражение уже в первых орудиях труда, созданных человеком на заре его трудовой деятельности. Так, археологические данные о первых топорах показывают, что режущим элементом в них был острый камень, напоминающий естественный зуб медведя, то есть являлся прямым подражанием естественному образцу. Другой пример. Изучение хрусталика глаза в процессе хирургических операций натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения. "Создание линзы,- отмечает Джон Бернал,- является первой попыткой расширить сенсорный аппарат человека... Линза стала прототипом телескопа, микроскопа... и других оптических приборов позднейшего времени. Если бы арабские врачи создали только оптику и ничего больше, то и в этом случае они внесли бы важнейший вклад в науку"*.

* (Дж. Бернал. Наука в истории общества. М., Изд-во иностр. лит., 1956, стр. 165.)

Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики. Так, в области физики изучение многих основных принципов учения об электричестве было начато с исследования, так называемого животного электричества. В частности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII века Луиджи Гальвани (1737-1798) с лапкой лягушки привели в конечном итоге к созданию гальванических элементов - химических источников электрической энергии. Французский физиолог и физик XIX столетия Жан Луи Мари Пуазейль (1799-1869) на основе экспериментальных исследований тока крови в кровеносных сосудах установил (в 1840-1841 годах) закон течения жидкости в тонких трубках.

И еще пример. Тысячи лет человек мечтал летать, как птица, и это вдохновляло его на создание бесчисленных проектов летательных аппаратов. В дошедших до нас трудах алхимика Иакова IV Шотландского, Джоана Домиана (ок. 1500 года), в тетрадях гениального художника, замечательного инженера, гидравлика и механика Леонардо да Винчи (1452-1519) можно найти множество схем, набросков, рисунков летательных аппаратов с машущими крыльями. Но все попытки построить летательный аппарат на принципе машущих крыльев птицы неизменно терпели неудачи. Изобретателям не хватало одной существенной детали - двигателя, достаточно легкого и мощного, чтобы приводить в движение крылья; в их распоряжении была только мышечная сила человека, заведомо непригодная для этой цели. Великий русский ученый Н. Е. Жуковский (1847-1921), анализируя полет птиц, открыл "тайну крыла", разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Результаты изучения особенностей полета птиц ученый не замедлил использовать в начавшем развиваться отечественном самолетостроении. Его работа "О парении птиц" (1881 год) лежит в основе современной аэродинамики. Таких примеров успешно заимствованных человеком у живой природы замечательных идей, конструкторских, технологических и других решений, сыгравших выдающуюся роль в развитии ряда областей науки и техники, можно было бы привести еще десятки и сотни.

Однако было бы ошибочно думать, что во всей своей многогранной инженерной деятельности человек только и делал, что подражал природе. Множество различных технических систем, технологических процессов, которых никогда не знала природа, он создал совершенно самостоятельно. Более того, на каком-то этапе своей изобретательской деятельности человек переключил большую часть своей энергии, знаний, весь свой творческий гений на создание новой, "искусственной" природы. А потом обнаружилось, что многие технические конструкции, которые человек изобрел сам, считал их пределом совершенства, гордился их оригинальностью, давным-давно запатентованы живой природой. За примерами далеко ходить не надо.

Приближалась сотая годовщина Великой французской революции. К этой дате решили организовать в Париже всемирную выставку, а на территории выставки воздвигнуть башню, которая должна была символизировать величие французской революции и новейшие достижения техники. На конкурс поступило 700 проектов. Лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. По окончании строительства башни известный в то время поэт Максимилиан Волошин, большой любитель всяких шуток и "розыгрышей", распустил слух, будто в Эйфелевой башне, поразившей в конце XIX столетия весь мир своей высотой и ажурностью, нет ничего нового - она якобы построена по чертежам одного арабского ученого. Это была, конечно, шутка. Но позднее, внимательно изучив строение живой ткани и конструкцию трехсотметровой башни, ставшей своеобразным символом Парижа, биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: изящная конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет (совпадают даже углы между несущими поверхностями) строение... большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела!

Рис. 1. Строение пухоноса и устройство фабричной трубы

Аналогичный факт зарегистрирован в истории авиации. Длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер - внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самые прочные конструкции самолетов разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы в конце концов научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом, задним числом, нашли точно такие же утолщения - птеростигмы - на концах крыльев стрекозы!

Не менее интересный сюрприз преподнес инженерам и пухонос-растение из семейства осоковых. Оказывается, одно из самых последних достижений инженерной мысли-высотная фабричная дымовая труба удивительно сходна по конструкции со стеблем пухоноса: обе конструкции полые, склеренхимные тяжи* стебля пухоноса, так же как и продольная арматура, располагаются по его периферии. Вдоль стенок обеих конструкций находятся овальные вертикальные пустоты. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы, в стебле пухоноса играет тонкая кожица.

* (Склеренхима - основная механическая ткань растения (от слова "склероз" - твердый, застывший).)

Такое удивительное сходство конструктивных решений инженеров и природы в случае с Эйфелевой башней, флаттером и фабричной дымовой трубой на первый взгляд может показаться чистой случайностью. Однако это не случайность. В этом можно легко убедиться, рассмотрев более детально, как складывались конструктивные особенности, скажем, фабричной дымовой трубы и стебля пухоноса. Основная функция фабричной трубы, как известно, состоит в создании тяги, необходимой для нормального протекания процессов горения и в отведении вредных газов (дыма) в высокие слои атмосферы. Это обусловило значительные вертикальные размеры ствола трубы. Высота же стебля пухоноса определяется постоянной потребностью растения в энергии солнца. Труба и пухонос находятся под воздействием однотипных статических и динамических нагрузок: собственного веса, ветра, бури и т. д. Однотипность внешних механических воздействий и потребность в вертикальности и обусловили их конструктивное сходство. Решения человека и природы оказались едиными.

Прослеживая процесс эволюционного развития технических и живых конструкций, ученые все больше и больше убеждаются, что здесь имеется много общего. Природа и техника строят по одним и тем же законам, соблюдают принцип экономии материала, ищут для создаваемых систем оптимальные конструктивные решения. Именно поэтому во всех приведенных нами случаях инженеры и природа пришли к единому решению независимо друг от друга.

Ныне довольно часто можно услышать такую остроумную шутку: "Инженеры сначала создают конструкции, а уже потом обнаруживают их подобие в живой природе". А когда находят, говорят: "Смотрите, даже в природе..."

Невольно возникает вопрос: почему такой дорогой ценой в прошлом и еще довольно часто сегодня человечество продолжает платить за "изобретение велосипеда"?

Причин много.

Первая. Биологии было давно известно о многочисленных полезных механизмах живой природы. Однако накопленные биологией знания не могли быть материализованы, претворены в реальные технические системы, поскольку в биологии преобладали анализ и словесное описание, отсутствовала теория и практика биологического моделирования.

Вторая. Биология столетиями развивалась вне связей с техникой. Она не составила для инженеров путеводителя по "патентной библиотеке" природы - где и у кого искать нужный аналог для создания той или иной технической системы. Эйфелю, например, и невдомек было (хотя он, вероятно, не раз видел человеческий скелет и слышал о прочности его костей) искать прообраз своей чудо-башни в берцовой кости человека. Он рассчитал ее сугубо математическими методами. Точно так же и авиаконструкторам не приходила на ум мысль, что у стрекоз нужно искать птеростигмы - единственное эффективное средство борьбы с флаттером.

Третья. Анализ творчества инженеров, зодчих, строителей, пытавшихся в прошлом копировать природу, показывает, что мало кто из них задумывался над тем, что природа не только красиво "построена", но и едва ли не идеально "рассчитана", что, создавая в процессе эволюции любое из своих творений, природа связывала в нем воедино гармонию красоты с гармонией целесообразности - придавала ему ту единственно верную форму, которая с точки зрения инженера является оптимальной. Но и при самом горячем желании порой не так-то легко разобраться в принципах формообразования биосистем. Биологические формы зачастую не могут быть ни рассчитаны современными методами инженерной и математической науки, ни даже вычерчены из-за своей сложности. Это, разумеется, не означает, что они незакономерны. Просто мы еще не знаем законов их формирования.

Четвертая. Природа нелегко раскрывает секреты своего творчества. Расспрашивать ее о тайнах структурообразования живых организмов, о происходящих в них жизненных процессах, об устройстве и принципах функционирования многочисленных тончайших механизмов можно лишь путем кропотливых исследований с помощью специально разработанных методов, с помощью новейшей экспериментальной техники - электронной, киносъемочной, химической и другой аппаратуры. Весь этот арсенал методов и средств научных исследований начал создаваться лишь недавно.

Пятая. Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Чтобы познать "конструкцию" и принцип действия биологической системы, промоделировать ее и претворить в металле, исследователю необходимы универсальные знания. Между тем до сравнительно недавнего времени шел интенсивный процесс дробления научных дисциплин. На определенном этапе такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию всех или почти всех отраслей науки и техники. Но в дальнейшем узкая специализация ученых стала тормозить прогресс: усложнилось общение специалистов, работающих даже в смежных областях. Ученые начали говорить на разных "языках" и подчас плохо понимать друг друга. Изобретать, творить - это значит сопоставлять явления. Но для этого необходимо объединить специалистов разных профилей, нужно, чтобы они научились понимать друг друга, нашли общий язык. Тогда вместо одного индивидуального мозга возникнет как бы коллективный мозг, обладающий универсальными знаниями. Иными словами, появилась настоятельная потребность такой организации знаний, которая позволила бы охватить их целиком, интегрировать на основе единых всеобъемлющих принципов.

Устранимы ли все перечисленные причины, мешающие человеку широко использовать богатейший опыт инженерного творчества живой природы? Вполне! Начало этому положила родившаяся в середине нашего века кибернетика - наука, изучающая процессы передачи и преобразования информации в технических устройствах, в живой природе, в обществе; наука о процессах управления.

В кибернетике нашла наиболее яркое отражение одна из главных особенностей современной научно-технической революции - взаимопроникновение самых различных и даже противоположных по своим предметам и методам наук. Она первая перебросила мост от биологии к технике, способствовала синтезу биологических и технических знаний. Кибернетика не только установила принципиальную аналогию в построении и функционировании живых и технических систем, но и выработала единый подход к изучению процессов управления и организации в мире животных и машин.

Развитие кибернетики привело к бурному развитию автоматики и телемеханики, радиоэлектроники, связи, вычислительной техники. Возникло множество новых научных и инженерных проблем. Появилась необходимость в повышении надежности радиоэлектронных систем, в создании электронно-вычислительных машин, решающих задачи без предварительного программирования, в разработке методов сбора, кодирования, обработки и накопления информации для самоорганизующихся систем и машин, в создании систем, обладающих свойством автоматически менять свои параметры в соответствии с изменением внешних условий и т. п.*.

* (См: Б С. Сотсков. Ускоритель научно-технической революции. "Наука и жизнь", 1969, № 9, стр. 22-23.)

Весь этот обширный круг задач заставил ученых вновь обратиться к живой природе, пойти к ней на выучку. Это целенаправленное стремление ученых и инженеров понять, в чем природа совершеннее, умнее, экономичнее современной техники, попытка найти в ее богатейшей "патентной библиотеке" новые идеи, методы и средства для решения многочисленных инженерных проблем породили новое научное направление, получившее название бионика (от древнегреческого слова bion - элемент жизни, ячейка жизни, или, точнее, элемент биологической системы).

В отличие от многих других научных дисциплин, время зарождения которых установить трудно, а порой и невозможно, датой появления на свет бионики официально принято считать 13 сентября 1960 года - день открытия в Дайтоне (штат Огайо) американского национального симпозиума на тему "Живые прототипы - ключ к новой технике". Бионика - наука междисциплинарная, или, как принято сейчас говорить, наука-перекресток. Она сформировалась на базе естественных и многочисленных инженерно-технических наук. По существу она синтезирует накопленные знания в биологии и радиотехнике, химии и кибернетике, физике и психологии, биофизике и приборостроении, зоопсихологии и строительном деле и т. д. Бионика соединяет разнородные знания в соответствии с единством живой природы. Не случайно бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла. Скальпель - символ творчества биолога, паяльник - инженера, интеграл - математика. Соединение этих специальностей как нельзя лучше отражает основу, на которой оформилась и бурно развивается бионика.

Каковы же особенности повой науки? В чем ее суть? Каковы предмет и метод бионики?

Предметом бионики является изучение принципов построения и функционирования живых организмов с целью применения этих принципов в технике, для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов. Ее можно также назвать наукой о системах, которым присущи специфические характеристики природных систем или систем, которые являются их аналогами.

Основным методом бионических исследований, построения бионических систем является моделирование. В бионике используется математическое и физическое моделирование. Для изучения моделей живого бионика проводит также специальное моделирование среды, то есть воссоздает условия, в которых функционирует живая система, и в которых будет практически работать ее искусственный аналог. Изучая биологические объекты и процессы, бионика не идет по пути слепого копирования "изобретений" природы. Она стремится позаимствовать у нее лишь самые совершенные конструктивные и технологические решения, которые обеспечивают биологическим системам исключительно высокую гибкость и живучесть в сложных условиях их существования. Другими словами, бионика стремится перенести в технику лучшие создания природы, самые рациональные и экономичные структуры и процессы, которые выработались в биологических системах за миллионы лет эволюционного развития.

В многообразной тематике ведущихся ныне бионических исследований наиболее четко вырисовались пять направлений: нейробионика, моделирование анализаторных систем, ориентация и навигация, биомеханика, биоэнергетика. Что же достигнуто бионикой в каждом из этих направлений и чего можно ожидать от новой науки в обозримом будущем?

Переработка информации у высших животных и у человека, как известно, происходит в нервной системе. Основная единица этой сложной системы - нервная клетка (нейрон). Поэтому естественно, что исследование способов преобразования информации в биологических системах началось с изучения нейронов и разработки их различных математических и технических аналогов. Но это лишь первая ступень исследования. Широкие возможности в моделировании нервных процессов появляются лишь тогда, когда от построения аналогов отдельных нейронов переходят к созданию их комплексов - моделированию нервных сетей. Моделирование нейронов и нервных сетей привело к построению ряда специальных бионических устройств, позволяющих успешно решать множество задач, связанных с передачей и обработкой информации. Примером таких устройств являются перцептроны - обучающиеся самоорганизующиеся системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации образов.

Предпринимаются попытки по аналогии с живой природой выращивать искусственные нейроны и целые системы искусственных нейронов. Это позволит резко повысить надежность, быстродействие, снизить массу, габариты и потребляемую мощность электронных систем. Бионики надеются, что в будущем дело дойдет до построения белковых машин, как предсказывал Н. Винер.

В широком масштабе ведутся работы по моделированию органов восприятия (анализаторных систем). Из известных пяти органов чувств основное внимание уделяется исследованию органов зрения, поскольку около 90% информации о внешнем мире поступает в биологическую систему через зрительный аппарат. Тщательное изучение глаз некоторых животных позволило обнаружить многие ранее неизвестные свойства зрительных органов и разработать по их образцу ряд оригинальных, весьма важных для различных областей практики устройств. Например, электронная модель глаза мечехвоста позволяет улучшить работу телевизионных трактов ряда систем. Бионическое устройство - "визилог", разработанное американскими учеными, может выполнять некоторые функции человеческого глаза: воспринимать изображение, проводить измерения и передавать информацию. Предполагают, что такие устройства будут устанавливаться на непилотируемых космических кораблях, посылаемых на Луну, Марс, Венеру.

Во многих лабораториях, научно-исследовательских институтах ряда стран изучаются конструктивные особенности созданных природой звуковых анализаторов. Результаты проведенных исследований пока еще скромны, но многообещающи. Разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха. Создана электронная модель слухового органа, обеспечивающая различение слабых сигналов на фоне шумов. Сотрудники Ленинградского электротехнического института связи имени проф. Бонч-Бруевича построили электронное ухо для оценки качества звучания музыкальных инструментов. Успешно ведутся работы по созданию устройств для автоматического распознавания устной речи, голосовых командных систем. Уже создано несколько моделей пишущих машинок-автоматов, печатающих под диктовку. Ведутся работы по вводу данных в ЭВМ без перфокарт, без перфолент, посредством голоса.

Бионика ведет широкие исследования морфологических особенностей живых организмов. Важная и значительная часть этих исследований относится к биомеханике. Изучаются структурные и функциональные особенности рук и ног человека, механика бега, прыжков, ползания ряда животных, форма тела и локомоторный аппарат рыб, моллюсков, дельфинов, акул, китов, полет птиц и насекомых. Так, анализ способа передвижения пингвинов привел конструктора А. Ф. Николаева к созданию оригинальной снегоходной машины "Пингвин", развивающей скорость до 30 километров в час; бег кенгуру подсказал идею "прыгающей" машины. Построены также шагающие и ползающие системы, обладающие высокой проходимостью в условиях пересеченной местности и мягких грунтов. Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческой руки. Широко известны созданные в СССР биоманипуляторные протезы для инвалидов, управляемые биотоками. Значительные успехи достигнуты и гидробионикой. По форме обводов тела кита построено океанское судно "Куренаи Мару"; его необычный контур корпуса дает выигрыш в потребной мощности силовых установок около 15%. Моделирование некоторых гидродинамических параметров рыб-хищников позволило повысить скорость и улучшить маневренность подводных лодок. Изготовлены опытные образцы искусственной "быстроходной" дельфиньей кожи - "ламинфло". Обшитые ею торпеды и катера при тех же мощностях силовых установок движутся почти в два раза быстрее. Многообещающими для будущего авиастроения являются проводимые бионические исследования полета птиц и насекомых. Бионика интенсивно и целенаправленно ищет разгадки феноменальной подъемной силы живого крыла, пытается постигнуть закономерность машущего полета, познать секрет его высокой экономичности.

Большое внимание уделяется бионическим исследованиям органов стабилизации, локации, ориентации и навигации у животных. Первые же исследования в этой области привели к созданию ряда оригинальных технических систем. Прежде всего, следует упомянуть гиротрон - прибор, применяемый вместо гироскопа в скоростных самолетах и ракетах. Он работает по принципу жужжалец двукрылых насекомых. Самолет, оборудованный гиротроном, может быть автоматически выведен из штопора. Фасеточные глаза насекомых (пчел, муравьев) подсказали бионикам идею создания поляризационного солнечного компаса. Широко известны работы по изучению высокосовершенных локационных аппаратов летучих мышей и дельфинов, помогающих им ориентироваться в пространстве, безошибочно и быстро отыскивать дорогу, добывать пищу, обнаруживать и опознавать препятствия. Результаты этих исследований, несомненно, будут полезными в усовершенствовании современной радарной техники, они могут быть применены при создании сложных кибернетических систем. Что касается механизмов навигации, помогающих птицам, рыбам и другим животным совершать периодические передвижения на огромные расстояния к местам зимовок, нереста, то они пока еще остаются секретом живой природы.

В комплексе навигационных задач, решаемых бионикой, большое внимание уделяется изучению "биологических часов", которые, как установлено, являются важнейшим звеном сложной системы навигации и ориентации животных. Предпринимаются попытки создать электрический аналог "биологических часов". В состав одного из таких аналогов введен генератор, характер колебаний которого зависит от воздействия окружающей среды - чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Такой прибор, по замыслу его создателей, должен пролить дополнительный свет на процесс функционирования биологических систем.

Бионика проводит фундаментальные исследования биоэнергетики живых организмов. В частности, большое внимание уделяется изучению и моделированию работы мышцы, основанной на непосредственном превращении химической энергии в механическую. Мышца почти такое же удивительное творение природы, как и нейрон. Она очень сложна и в то же время удивительно проста. Это самый экономичный двигатель. Если коэффициент полезного действия паровой машины всего лишь 20%, а самых лучших двигателей внутреннего сгорания - 35%, то мышца по сравнению с ними имеет к.п.д. порядка 90-94%. Задача преобразования химической энергии в механическую, легко решаемая в биологических системах, пока малодоступна для техники. Но первый шаг в этом направлении уже сделан. Известный физико-химик А. Качальский построил интересную модель мышцы, так называемый мышечный мотор. Активный элемент этой модели - протеин, точнее, коллаген - вещество, входящее в состав кожи и связок. Если волокна коллагена поместить в раствор бромистого лития, они быстро сокращаются, поднимая при этом вес в тысячу с лишним раз больше собственного. Если затем удалить бромистый литий - промыть волокна в чистой воде, их длина становится прежней. На этом принципе и основан мотор Качальского.

Рис. 2. Схема мотора Качальского

Другой важнейшей проблемой является разработка принципиально новых экономичных и дешевых источников питания энергией. Речь идет о создании биохимических источников энергии. В решении этой задачи бионика идет по двум направлениям. Первое связано с получением горючих газов из органических отходов с помощью бактерий. Другое направление связано с созданием электрических элементов, электроды которых находятся в сосуде, содержащем бактерии и запас корма. Создаются и солнечные "биобатареи" на основе фотосинтезирующих организмов. Параллельно с созданием биохимических источников энергии ведутся работы по изучению генерирования электричества живыми организмами. Известно около 500 различных видов рыб, генерирующих электроэнергию. Самая мощная "электростанция" у речных угрей-она способна вырабатывать электрический разряд, напряжение которого достигает 650 вольт. Недавно были проведены опыты по использованию электроэнергии крысы. С этой целью животному было введено два электрода - один под кожу и другой в брюшную полость. Подключенный к такому источнику энергии радиопередатчик с частотой 500 килогерц работал в течение 8 часов.

Помимо пяти перечисленных направлений бионики, в последние годы сложилось еще одно научное направление, в котором бионика сотрудничает с архитектурой и строительной техникой. Речь идет о биоархитектуре. В том, что зодчие занялись изучением "строительного искусства" природы, начали вести целенаправленный и осознанный поиск архитектурных форм, идеально рассчитанных самой природой, нет ничего случайного. Рождению биоархитектуры в большой степени способствовало создание новых строительных материалов.

Природа в каждом своем проявлении дает пример успешного решения сложнейших архитектурных и конструктивных задач. Часто органические конструктивные системы по легкости и прочности, по красоте и изяществу могут служить идеалом для творчества зодчих и строителей. Один только мир радиолярий (одноклеточных морских организмов) являет собой такое сказочное разнообразие форм, что их с избытком может хватить на создание десятков тысяч новых архитектурных шедевров. В мире диатомей можно увидеть и замысловатые пространственные решетчатые конструкции, и "микроблочные" купола, и фантастически сложные фигуры, и множество других "инженерных систем", гармонически сочетающих красоту и целесообразность, легкость и прочность, надежность и экономичность. Не так давно инженеры построили опору большого экрана для Берлинского зеленого театра, использовав схему строения скорлупы диатомовой водоросли. Архитектор П. Солери спроектировал мост через реку длиной более километра по аналогии с полусвернутым живым листом.

До сих пор мы говорили в основном лишь об аналоговом методе построения различных технических систем, то есть о построении искусственных систем, в основе которых лежит тот или иной биологический принцип. Однако в бионике совсем недавно начал развиваться многообещающий, так называемый композиционный метод построения бионических систем. В таких системах живой организм может служить дополнением либо одним из основных элементов технической системы, использоваться в качестве входного или выходного устройства сложной инженерной системы. Примером композиционной бионической системы может служить не так давно созданный прибор для оповещения шахтеров о появлении в штреках рудничного газа. Роль чувствительного элемента, реагирующего на незначительную концентрацию ядовитого газа, в этом приборе выполняет... живая муха, обладающая исключительно тонким обонянием.

Возможно, что у бионики появятся и новые задачи, новые направления, но уже сейчас ясно, что это наука динамическая. Она блестяще доказала свою жизнеспособность, и ей, несомненно, предстоит сыграть одну из важнейших ролей в нашем стремительно развивающемся мире.

Первые свои победы бионика одержала в области копирования биологических систем в технике. Несколько позже она приумножила их созданием ряда композиционных бионических систем. Теперь многие бионики считают, что в природе надо искать скорее руководящие идеи, чем модели для подражательного копирования. Бионика с каждым годом все больше и больше проникает в различные отрасли производства, в сферу научных исследований, революционизируя их. Но, пожалуй, самая главная заслуга бионики заключается в том, что она заставила нас взглянуть на многоликий мир животных другими глазами.

Какими же другими?

Глаза человеческие устроены очень сложно, но у всех одинаково, и, вообще говоря, люди видят вещи такими, какие они есть. А бывает особый взгляд - взгляд через невидимую призму творческого мышления. Тысячи лет животные, как и звезды, находились в поле зрения человека. Но звезды до недавнего времени были для нас просто светлыми точками, а животные... они были просто животными. Давайте вспомним, сколько и каких животных мы поставили себе на службу. Корову, овцу, лошадь, оленя, собаку, верблюда, слона, осла, ламу, домашних птиц. Из насекомых - пчел.

В общей сложности человеку удалось приручить из великого множества животных лишь около 60 видов.

Почему же так мало? Да потому, что до сравнительно недавнего времени мы очень мало знали о повадках, способностях, языке и разуме животных. И очень может быть, что процесс приручения животных остановился бы на давно известных нам видах, если бы биология не стала пользоваться современными точными методами исследования, если бы бурно развивающимся науке, технике, сельскому хозяйству не потребовались новые помощники. Разве могли бы мы использовать, скажем, голубей в качестве контролеров точных деталей электроники или приборостроения, если бы не существовало науки о поведении животных - этологии и бионики, исследующей органы зрения с позиций, так сказать, инженерии? Вряд ли. А теперь специально обученные голуби на ряде промышленных предприятий сортируют шарики для подшипников, бракуют электронные детали с едва различимыми дефектами.

Многие современные виды производства, проводимые научные исследования, разведка полезных ископаемых сегодня остро нуждаются в высокочувствительных датчиках, анализаторах и других приборах. Человек пока не может самостоятельно создать либо построить приборы по образцам, имеющимся в живой природе. И он ищет в животном мире более совершенные продолжения своим органам чувств. И не безуспешно. Так, попугаи недавно начали "работать" на фармацевтических фабриках, выполняя функции высокочувствительных "запахоанализаторов". Восточноевропейских овчарок, обладающих исключительно тонким обонянием, обучили поиску различных руд. Четвероногие "рудознатцы" отыскивают сейчас по запаху залежи минералов, содержащих литий, бериллий, бор, титан, хром, таптал, вольфрам, висмут и даже золото.

За последние годы человеку удалось найти в мире животных много новых помощников самых разных "специальностей" для производства ряда пищевых, технических и лекарственных веществ, для борьбы с вредителями полей, лесов и садов, для очистки морей и океанов от нефтепродуктов, для обогащения руд, для добычи ценных металлов и даже для будущего преобразования атмосферы на таких планетах, как Марс и Венера.

Благодаря добытым бионикой, этологией и зоопсихологией знаниям сегодня в определенной степени облегчается розыск в живой природе нужных человеку животных-помощников, обладающих теми или иными способностями, а также в значительной мере расширяются возможности приручения диких животных, об одомашнивании которых мы еще недавно и не думали. Так, например, несколько лет назад на острове Флорес (Зондские острова) поймали маленького питона и стали его приручать. Вскармливали молоком и фруктами. Питон вырос, превратился в огромную змею. Несмотря на шестиметровую длину и массу 140 килограммов, он остался вполне домашним животным, стал ревностным помощником своего воспитателя в... сельскохозяйственных работах. Лазая по деревьям, он стряхивает с веток спелые плоды, оставляя на дереве еще не созревшие. На одной из сингапурских плантаций кокосовых орехов работают обезьяны. Они взбираются по голому стволу пальмы на огромную высоту и очень ловко собирают созревшие плоды.

Из морских животных первым кандидатом па одомашнивание ученые сейчас называют дельфина афалину.

Какова цель приручения и что практически полезного даст "домашняя" афалина? Прежде всего, помощь в рыболовстве. Дельфины - непревзойденные загонщики рыбных стай. При обмете сетями лучших загонщиков, чем дельфины, найти невозможно: здесь в полной мере можно использовать их прирожденные способности.

Ученые также надеются, что, приручив дельфинов, можно будет проникнуть с исследовательской аппаратурой в глубины морей и океанов, до сего времени недоступные человеку.

Чем же подкрепляется уверенность, что одомашнивание афалины возможно? У афалины есть важные особенности, благоприятствующие ее приручению: легко приобретаемые навыки при обучении, быстрая выработка условных рефлексов и стойкое их сохранение, оседлость, "чувство дома" - возвращение в определенные районы, положительная реакция на зов человека. Афалины положительно относятся к ласке, к поглаживанию и почесыванию тела, что можно использовать при дрессировке для поощрения и закрепления рефлексов.

В природе причудливо сочетается простое и сложное, очевидное и недоступное первому взгляду, привычное и оригинальное. И все же, как ни сложна и загадочна кудесница-природа, мы все больше и больше проникаем в ее тайны, и извечно интересующий нас мир животных постепенно превращается, говоря современным языком, в своеобразное универсальное "бюро добрах услуг". В нем человек может найти себе отличных помощников буквально на все случаи жизни. Шахтеры, металлурги, химики, рудоискатели, производители сложнейших полимеров, очистители сточных вод... - вот далеко не полный перечень "специалистов", найденных человеком в мире животных и используемых им сейчас в различных областях его практической и научной деятельности. Этот список "профессий" животных с каждым годом будет, несомненно, пополняться. Жизнь, разумеется, будет вносить в него свои коррективы. В ряде "профессий" по мере развития науки и техники отпадет нужда, и, наоборот, появится необходимость в других "специальностях" животных. Возможно, в будущем человек перейдет к планомерному выведению новых видов животных с необходимыми человеку способностями и качествами путем активного, направленного воздействия на их генетический код. ...