Бионика

Наука, занимающаяся использованием

биологических процессов и методов

для решения инженерных задач.

Бионику можно определить также

как учение о методах создания технических систем, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов.

"Конструкторское бюро живой природы"

Знаете ли вы, что:

...Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса?

...Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море.

...Крысы ощущают радиацию?

...Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации?

...Обыкновенный черный таракан радиацию видит?

...Комар развивает при укусе удельное давление до 1 миллиарда кг/см²? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см² и дающей удельное давление всего 4 кг/см², показывает, как велика "комариная сила".

...Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера?

...Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний "прощупывает" свой путь в воде?

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи - создать своими руками то, что уже создала природа?

Здесь придется сделать некоторое историческое отступление.

Род человеческий существует около ста тысяч лет.

Что видел первый человек? Всплеск воды, полет птицы, бег животного, дуновение ветра. И, естественно, в начале своей творческой деятельности человек учился строить у природы. Звери, рыбы, птицы "подсказывали" тогда человеку, что и как надо делать, чтобы решить насущные для него "инженерные задачи".

А современный человек?

Окружив себя множеством сложных машин, живя в мире больших скоростей, он снова идет "на поклон" к природе. Почему? Потому что и теперь человек подмечает много преимуществ в творениях природы перед своими собственными созданиями. Ведь у живой природы наиболее сложные материалы, устройства, технологические процессы по сравнению со всеми известными в науке.

Именно с целеустремленного "подглядывания" за природой родилась новая наука - бионика.

Название этой науки происходит от древнегреческого слова "бион" - "ячейка жизни". Занимается она изучением биологических систем и процессов с целью применить полученные знания для решения инженерных задач.

Результатами бионических исследований и были те удивительные данные, которые приведены в начале главы. Такое внимательное, придирчивое, тонкое наблюдение очень нужно и науке, и технике, нужно для умения строить неживое как живое.

Обращали ли вы внимание на то, что чем сложнее сооружение, тем резче понижается его устойчивость? Наверное, обращали. За примерами далеко ходить не следует. Каждый понимает, что построить одноэтажный дом проще, чем, допустим, "Атомиум", стоявший в Брюсселе на Всемирной выставке. Не вызывает сомнения и то, что один кирпич в здании устойчивее, крепче, чем все гигантское здание, собранное из множества кирпичей.

А в живой природе? Сам организм в целом выше каждого своего "кирпичика" в отдельности. Вот почему живое способно к выживанию. Чем это объяснить? Ученые пока до конца не знают. Но с разных сторон все чаще и все чувствительнее атакует бионика этот издавна неприступный бастион - единицу живого.

При этом стремятся не к слепому подражанию, к заимствованию всех характеристик биологических объектов, а к критическому, строгому отбору только полезных для техники свойств. Бионика, отталкиваясь от биологического "прототипа", разрабатывает такие модели, которые имеют конкретное практическое применение. Моделировать интересно и нужно, говорят специалисты, лишь те функции, которые повышают гибкость, надежность, экономичность системы или процесса.

Самой сложной биологической системой, выполняющей разнообразные и, казалось бы, непохожие функции по управлению и переработке сигналов, издавна признана нервная система. На протяжении развития биологической науки нервную систему изучали и изучают буквально

"со всех сторон". В результате выяснили, что многие ее особенности связаны со структурными .особенностями нервных клеток - нейронов.

Почему бы не попытаться и бионике создать техническую систему управления, которая приближалась бы по режиму работы к нервной системе? Что для этого нужно? Прежде всего попробовать моделировать основной ее "кирпичик" нейрон. И такие модели многое помогли выяснить.

Это схематическое изображение нейрона и его радиоэлектронная модель.

Нейрон живого организма обычно находится в двух состояниях: либо в спокойном (торможение), либо в возбужденном (возбуждение). Специалисты говорят, что в упрощенном представлении эти функции нейрона можно сравнить с радиоэлектронным двухлозиционным элементом, работающим по схеме "включено - выключено". Им может быть и лампа, и реле, и транзистор.

Из нейронов "строятся" нервы, являющиеся для организма не чем иным, как проводами - линиями связи между организмом в целом, отдельными органами и участками организма. Другими словами, провода-нервы связывают организм с внешней средой.

Пойдем дальше. И живой нейрон, и его электронная модель представляют собой пороговые элементы: они "включаются" и "срабатывают" тогда, когда получают из внешней среды сигнал, превосходящий их порог - уровень. При этом происходит и временное, и пространственное суммирование-накопление сигналов. В нейроне число сигналов, которые он принимает, может быть очень разным. Оно изменяется от нескольких единичных сигналов до нескольких тысяч.

Нервная клетка - нейрон - совсем не похожа на искусственную - маленькие электронные устройства, имитирующие некоторые ее простейшие функции

Модель нейрона рассказала исследователям о многом. И прежде всего о том, что, создавая техническую систему управления, инженер должен учитывать гибкость, надежность и экономичность работы нейрона. Но для технической системы будет нежелательно, например, такое свойство нейрона - длительный отдых при работе. Нейрону отдых нужен для "накопления сил". Техническая система в нем не нуждается - в этом ее преимущество.

Какие же практические результаты дала бионика? Чем помогла технике?

Специалистов этой области науки поражают, например, необыкновенные способности птиц к навигации. Всем известно, что почтовые голуби, -где бы они ни были, обязательно вернутся в свой "родной дом". Доказано, что вроде бы ничем не примечательная птаха золотистая ржанка без посадки может пересечь Атлантический океан от Новой Шотландии до Южной Америки (около 4 тысяч километров). И из года в год летают стаи золотистых ржанок, летают по одним и тем же воздушным трассам.

Как ориентируются они в пространстве? Как находят свои невидимые дороги в небе? Чта за "навигационные приборы", точные и высокочувствительные, "работают" внутри у этих рекордсменов навигации?

Пока ученые не в силах объяснить устройство и принцип действия этой высокоорганизованной системы ориентации. Но мы вправе надеяться, что вопрос не останется без ответа. Залогом этой уверенности служат уже первые результаты интересных экспериментов с птицами, которые ведут ученые.

Глаз лягушки, воспринимая изображение, 'выделяет' качественные признаки объектов: контуры, их кривизну, яркость

А вот удивительная способность летучих мышей безошибочно ориентироваться в самых темных уголках пещер, проноситься сквозь кроны деревьев безлунной ночью уже не секрет для биоников. Они знают, что беспорядочное, на первый взгляд, "ныряние", "кручение" и другие неожиданные "выверты" и "трюки" летучих мышей в погоне за добы-лей - не что иное, как чрезвычайно точный метод, названный эхолокацией. Это она помогает животным не приблизительно, а строго определенно узнавать расстояния до своей жертвы. Летучие мыши во время охоты необычайно "болтливы": они "выстреливают" в насекомых "заряды" ультразвуков и тут же принимают их отраженными от насекомых.

Эхолокация животных, в частности летучих мышей, помогла разгадать и природу "локационной системы" у слепых людей. Оказывается, ориентация по звуку своего голоса, позволяет слепым не только находить дорогу без палки, но и различать "по звуку" материалы: дерево, металл, ткани.

Не удивляйтесь, что бионики в течение многих лет изучали, какую скорость развивают некоторые степные животные, птицы, насекомые, рыбы. Ведь (известно - человек давно "перекрыл" скоростные рекорды и голубой акулы, делающей до 70 км/час, и самых быстроногих кузнечиков, которые могут скакать со скоростью в пределах от 10 до 60 км!час.

Но инженеров-транспортников интересуют задачи маневренности, гибкости управления, которые "мимолетно" решают и птицы, и рыбы, и насекомые.

Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма кита лучше, совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское "китоподобное" судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же.

Электронная модель глаза лягушки - одна из первых бионических систем

Бионический принцип положен и в основу советской снегоходной машины "Пингвин". Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем и отталкиваясь от снега колесными спицами, будет скользить по поверхности и "Пингвин" механический. Конструкторы рассчитали, что машина при весе в 1300 кг будет двигаться со скоростью 50 км/час.

Помогает бионика и химикам. Химики-органики, изучающие и создающие полимерные материалы, большое внимание Уделяют "технологии" природы, когда она создает чрезвычайно сложные химические соединения. И на основе опять-таки примера природы сейчас работают "живые фабрики". Здесь получают антибиотики, витамины, белки, жиры, аминокислоты.

А сколько ведется поисков в бионике! Ученые усиленно ищут биологические средства защиты от опасных излучений. Надеются построить живые фильтры для очистки воды и почвы от радиоактивности.

Пришли к мысли и о биологизации производства: незачем пропадать "даровым" машинам и приборам природы. Давно известно, что химический состав растений может указать на присутствие полезных ископаемых. Мед пчел - "сладкая карта", говорящая геологам о залежах руд в районе сбора нектара. В морях и океанах животные, водоросли, бактерии, микробы накапливают в своих организмах химические элементы. Нельзя ли это "морское население" заставить добывать ценные вещества для человека?

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто.

Возможно, развитие бионики уже в скором времени сделает многое непривычным в мире техники. И самые неожиданные сюрпризы ждут нас в разработке различных приборов обнаружения, методах добычи полезных ископаемых и производства веществ. А в технике - и этого ожидают - появятся такие системы управления, куда будут "встроены" новые, биологические машины.

Заглядывая далеко вперед, ученые предсказывают наступление подлинной биоэры. Контуры ее пытаются обрисовать уже сегодня, основываясь на первых успехах бионики. В большой книге, рассказывающей о. состоянии новой науки, говорится, что в будущем, по примеру живой природы, мы начнем строить орнитоптеры, быстроходные подводные лайнеры, вездеходы для путешествий по Луне, Марсу, Венере и другим планетам; воздвигать на Земле лучезарные города из домов-деревьев

и сказочной красоты поселения на дне морей и океанов; свободно ориентироваться в космосе, как птицы в воздухе; точно прогнозировать изменения погоды, наступление землетрясений и вулканических извержений; выращивать различные радиоэлектронные устройства, невиданные биомеханизмы, искусственные нейроны; строить белковые вычислительные машины... Прямое превращение солнечного света в одежду и продукты питания по образцу фотосинтеза, происходящего в каждом зеленом листе... Вместо громоздких машин - искусственные мышцы... Управление самолетами, станками, автомобилями и ракетами простым усилием воли, мысли, без всяких штурвалов и рулей...

'Конструкторское бюро живой природы'