Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич (мир бесплатных книг TXT) 📗
При более широком подходе различают три направления бионики — биологическое, техническое и теоретическое. Биологическая бионика занимается изучением живых организмов для выяснения принципов, лежащих в основе явлений и процессов в них. Техническая бионика ставит своей задачей воссоздание, моделирование процессов в природе и построение на базе этого принципиально новых технических систем и совершенствование старых. Теоретическая бионика разрабатывает математические модели природных процессов. В бионике используются данные биологии, физиологии, анатомии, биофизики, нейрологии, нейрофизиологии, психологии, психиатрии, эпидемиологии, биохимии, химии, математики, связи, авиационной и морской техники и т. д. Ближе всего бионика в настоящее время связана с такими техническими дисциплинами, как радиоэлектроника, авиационное дело, кораблестроение.
Насколько широким может быть круг вопросов, по которым людям есть чему поучиться у природы, покажем на таких примерах. Интерес специалистов вызвала способность дельфина двигаться в воде без особых усилий со скоростью, максимальной для таких громоздких тел. Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) движение, не переходящее в вихревое (турбулентное) движение. В то время как у плывущей подводной лодки, сходной с дельфином формы, наблюдается высокая турбулентность. На преодоление сопротивления только от этого фактора тратится до 9/10 ее движущей силы.
Исследования позволили установить, что секрет «антитурбулентности» дельфина скрыт в его коже. Она состоит из двух слоев — внешнего, чрезвычайно эластичного, толщиной 1,5 мм, и внутреннего, плотного, толщиной 4 мм. С внутренней стороны внешнего слоя кожи имеется огромное количество ходов и трубочек, заполненных мягким губчатым веществом. В результате весь наружный покров дельфина действует как диафрагма, чувствительная к изменениям внешнего давления и гасящая возникновение струи путем передачи давления каналам, заполненным амортизирующим веществом.
В США это явление назвали «стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением». По примеру кожи дельфина создана резиновая оболочка, внутренние каналы которой заполнены амортизирующей жидкостью. Применение такой оболочки на торпеде позволило снизить турбулентность на 50 процентов. В США полагают, что такие оболочки будут весьма ценны для покрытия подводных лодок, самолетов и в других технических устройствах.
Еще один поучительный пример. В лекции «Судьба человечества в атомную эру», прочитанной на Всемирной выставке в Брюсселе, лауреат Нобелевской премии советский ученый Η. Н. Семенов, говоря об осуществлении в недалеком будущем прямого превращения химической энергии в механическую, сослался на аппарат «искусственный мускул». Что же это такое? На основе исследования процессов, происходящих в мышцах, где осуществляется превращение химической энергии в механическую, два швейцарских специалиста создали модель мускула. В нем вместо мышечной ткани используется вещество из семьи молекул-гигантов — полиакриловая кислота.
Из этой кислоты сделана тонкая пленка-лента. Попадая в кислую среду, она находится в состоянии беспорядочно скрученных цепочек. Стоит изменить среду на щелочную, как молекулы полиакриловой кислоты становятся носителями сотен отрицательных зарядов. Они взаимно отталкиваются, молекула распрямляется, пока не принимает форму ленты, когда одноименные заряды будут максимально удалены друг от друга. Обратная замена среды вызывает скручивание молекулы-гиганта и т. д. Если молекулу соединить с грузом, то, выпрямляясь и скручиваясь, она совершит работу. Так химическая энергия непосредственно превращается в механическую. При этом возможно достижение ощутимых результатов. Шнур полиакриловой кислоты диаметром 1 см в состоянии поднимать груз весом до 100 кг. Это уже результат, интересный для техники.
Особый интерес данные бионики представляют для радиоэлектроники. Результаты бионических исследований помогут решить такие проблемы, как накопление и обработка большого количества информации, повысить надежность радиоэлектронных систем, создать новые электронные машины, самоприспособляющиеся (адаптивные) устройства, добиться дальнейшей микроминиатюризации аппаратуры.
Биологическая бионика особенно активно изучает сейчас свойства органов восприятия — глаз и ушей, элементов нервной системы, способность животных, рыб, птиц и насекомых ориентироваться в окружающем пространстве, осуществлять связь, перемещение и т. д.
В настоящее время техническая бионика находится только в зачаточной стадии, однако уже сейчас за рубежом делаются попытки создания искусственных аналогов нервной клетки и способов, имитирующих элементарные процессы мышления. Считается, что в будущем устройства, имитирующие работу нервной системы, могут способствовать созданию беспилотных космических кораблей для исследования планет Солнечной системы без необходимости дистанционного управления с Земли. На этой же основе мыслится создание широкого комплекса бионических вычислительных машин.
В своих трудах специалисты в области бионики все более приближаются к воспроизведению органов чувств наиболее высокоорганизованных живых существ и человека с его пятью чувствами. В этой области природа держит пока неколебимое превосходство над творениями рук человеческих. Самым совершенным электронно-вычислительным машинам далеко до возможностей, которыми обладает мозг человека. Нервная система человека одновременно учитывает несравненно больше факторов, имеет большее число параллельных каналов информации, чем любая самая совершенная электронная машина. Если представить себе электронно-вычислительную машину с таким числом элементов, как у мозга, она была бы в сотни миллионов раз больше его. Вот бы науке научиться создавать такие поразительно тонкие и надежные элементы для машин, как клетки нервной системы человека!
Не менее ценно для создания запоминающих устройств было бы исследовать способность накопления и передачи информации хромосомой, структурным элементом ядра клетки животного или растения, играющим важную роль в наследственности организмов. В хромосоме имеется дезоксирибонуклеиновая кислота — органическое вещество, молекула которого имеет громадное число вариантов строения. Подсчитано, что то количество указанной кислоты, которое содержится в одной клетке человеческого тела, способно закодировать информацию, содержащуюся в тексте более 10 тысяч книг с двумястами тысячами слов в каждой.
Особый интерес бионика проявляет к созданию машин, воспроизводящих отдельные свойства центральной нервной системы человека. Это машины-автоматы, способные самонастраиваться, то есть приспосабливаться к изменяющимся условиям работы. В зарубежной печати сообщалось о разработке, например, самонастраивающегося автопилота. В зависимости от условий работы меняются его рабочие характеристики.
Другое свойство нервной системы — способность «узнавать». Это свойство воспроизводится в «узнающих» машинах-автоматах. Такие машины можно использовать для узнавания предметов по их внешним очертаниям, классификации этих предметов и символического изображения. Устройства, способные узнавать и выделять сигнал и настраиваться на него, очень важны в саморегулирующихся системах.
Человек, как известно, способен обучаться. Этой способностью сейчас стараются наделить и машину. Она должна учитывать накопленный опыт и делать выводы на будущее. В военном деле такие машины могут служить для автоматического улучшения уже созданных систем оружия и других целей.
Изучение мозга человека, использование получаемых при этом данных для создания автоматов, способных выполнять хоть часть его функций, открывают замечательные перспективы развития новейших областей современной техники.
Итак, появлению и развитию бионики способствовала возросшая потребность человечества в обработке и передаче огромных объемов информации. Техническая база бионики — достижения в электронно-вычислительной технике и микроминиатюризации аппаратуры. Дальнейшее ее развитие, по мнению зарубежных специалистов, зависит от внимания к аналитическим направлениям в нейрологии, физиологии и других областях биологии, бывшим до сих пор главным образом описательными науками. Безусловно, потребуется и подготовка специалистов, знающих одновременно и биологию, и радиоэлектронику.
