Читаем Бионика. Прошлое, настоящее и будущее онлайн бесплатно

Эта книга расскажет об одной очень необычной науке. Она была с людьми со времен появления первых зачатков интеллекта и идет с нами до сих пор.

Эта наука – бионика. Именно руководствуясь логикой перенимания идей из живой природы первый человек придумал себе камуфляж и щиты, а теперь, изучая и копируя её, современный человек создает себе целые органы.

Но является ли даже такое пределом? Сможет ли эта наука стать чем-то больше и сможет ли помочь нам стать чем-то лучше? Да. Всё идет к этому.

В первой главе книги рассмотрены общие вопросы бионики как науки, определены ее цели и задачи, а также выявлены проблемы, решение которых возможно только на основе системного метода исследования живых организмов. Мы рассмотрим ее историю и ее составляющие.

Вторая часть посвящена фактическим технологиям, которые можно встретить уже сейчас. Экзоскелеты, нейроинтерфейсы, протезы и искусственные органы – это то, что дала бионика и что станет фундаментом будущего мира.

Последняя часть посвящена будущему – киборгизации, трансгуманизму, переносу и оцифровке сознания.

В этой книге мы пройдем от первых моделей орнитоподов Леонардо да Винчи через современные экзоскелеты до возможных технологий полной киборгизации. Книга эта написана скорее практиком-биоником, чем теоретиком-футуристом, поэтому многие технологии будут описаны очень подробно, другим же уделено меньше внимания. Причиной такого будет как раз то, что над некоторыми вещами я работал и работаю собственноручно, а некоторые лишь изучаю. Всё же, несмотря ни на что, буду пробовать рассказывать просто и по максимуму!

Бионика – это очень необычная наука, если ее вообще можно локализировать как науку. Бионика это, можно сказать, метод познания и преобразования мира вокруг, и она была с людьми всегда. Бионика – это не киборги и экзоскелеты, это не причудливые здания и не искусственные органы. Бионика – это именно логика использования биологических идей и техническая реализация.

Официально считается, что бионика как наука возникла примерно в 50-ые годы 20 века, как раз во время появления и активного внедрения разнообразных полупроводниковых приборов, таких как диоды или транзисторы. Сложно не согласиться, что именно в этот период было сделано очень многое для основания этого метода как науки, но все же появилась бионика значительно раньше. Значительно раньше.

В древности человек в полной мере зависел от природной стихии и обожествлял природу. Наскальные изображения животных и фигурки, вырезанные из кости и рога, показывают, что люди были наблюдательны и хорошо знали животных, считали их братьями, учились у них повадкам, ловкости, хитрости, формам защиты и нападения, методам охоты и рыболовства. Как и животные, люди были следопытами, укрывались шкурами зверей от холода, использовали клыки и когти убитых хищников для защиты или нападения.

Во времена язычества и античности древние инженеры заимствовали у живой природы идеи для строений, способы действия и принципы передвижения. Колонны зданий копировали ствол дерева, поддерживающего, как крону, тяжелый свод. Древнеегипетские колонны повторяли форму стебля и цветка лотоса. При строительстве арок и куполов зодчие заимствовали формы яйца и черепа, как обладающих удивительной прочностью. Наблюдая природу, люди даже создавали автоматические устройства, например, в Древней Греции Архит Тарентский создал механического летающего голубя

С возникновением и развитием христианства, отводившего людям роль неких созерцателей, временно обитающих на Земле и безропотно переносящих страдания в ожидании загробной вечной жизни, резко затормозилось развитие науки и техники, а также изучение природы. Но в эпоху Возрождения это положение начало изменяться. Строились подъемные краны, военные и горные машины, водо – и рудоподъемные устройства. Стали широко применяться текстильные, сукновальные, мукомольные и другие машины. Как правило, эти механизмы приводились в действие колесами, вращавшихся с помощью воды, ветра, животных или людей. Техника тех лет поражает своей грандиозностью, мощностью и хитроумностью решений. Создавая новые машины, конструкторы и изобретатели пристально изучали живую природу, в том числе и человека. Арабские ученые, проводя глазные хирургические операции, исследовали строение глаза, что позволило уже в то время создать первые оптические линзы. Первой линзе – Линзе Нимруда, найденной на территории нынешнего Ирака, почти 2800 лет.

Крупнейшие научные деятели тех времен считали, что окружающая природа является первым учителем человека и основным источником подражания при создании машин. Так, Леон Баттиста Альберти в своих трактатах сравнивал машины с очень сильными живыми существами, работающими как человек.

Но особенно развил идеи бионики гениальный итальянский ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, выявив общность в принципах действия машин и живых организмов и разработав научный метод изучения природы, в котором соединились наблюдательность художника, точность расчетов ученого и мастерство практика. Этот метод нашел полное воплощение в результатах его технического творчества: изучение сочленений и суставов в организмах он использовал при создании зубчатых передач и отдельных механизмов в пушках, подъемных кранах, текстильных и других машинах.

В Милане он делал много рисунков и изучал летательный механизм птиц разных пород и летучих мышей. Леонардо да Винчи очень хотел построить летательный аппарат и кроме наблюдений, он проводил и опыты, но они все были неудачными.

В результате наблюдений и переработки того, что он видел, Леонардо разработал как минимум 3 вида летательных аппаратов – вертолет, орнитоптер (или иначе говоря махолет) и дельтаплан. И это в 15 веке! Само собой, всё это очень отличалось от того, что мы имеем сейчас, вертолет, например, не имел винтов как у современных вертолетов, а имел что-то похожее на винт Архимеда и как будто «вкручивался» в воздух. Неизвестно, была ли реализована эта машина, но ее подробные чертежи остались в дневнике Леонардо – Атлантическом кодексе.

И именно благодаря этому дневнику мы можем точно знать, что Леонардо использовал в качестве вдохновителей птиц. В дневнике подробно описано, как идет логика преобразования крыла птицы в дельтаплан или же в крыло для орнитоптера.

Но это не всё. Кроме крыльев птиц и методов полета Леонардо также пытался скопировать концепцию черепахи и сделать первый танк. Опять же, неизвестно реализовался ли это проект «в металле», но его чертежи также сохранены.

К слову Русские умельцы в средние века тоже пытались создавать летательные аппараты, копируя полет птиц. Истории известен холоп Никита Летун, сконструировавший большие деревянные крылья, с помощью которых он, ловко прыгая с высокой башни, парил в воздухе и плавно опускался на Землю. За эти опередившие свое время полеты по приказу духовенства Никите отрубили голову, а крылья сожгли. Было это во времена Ивана Грозного.

С течением времени великие открытия, такие как движение планет солнечной системы, совершили переворот в сознании людей, постепенно наука освобождалась от ига религии, развивались естествознание и механика. Началось активное изучение природы и живых организмов.

Основополагающие открытия в области небесной механики послужили Исааку Ньютону основой для установления закона всемирного тяготения и создания теории классической механики. Интенсивное развитие механики привело к формированию механистического мировоззрения. Такое мировоззрение распространялось и на живую природу, при этом живые организмы уподоблялись механическим системам. Механистическая философия возродила и обратный процесс – перенос двигательных принципов и форм живых организмов на технические объекты. Исходным было следующее положение: природой созданы в животном мире совершеннейшие механизмы, воплощенные в столь же совершеннейшие формы. Птице дан прекрасный летательный аппарат в виде крыльев, рыбу природа снабдила плавательным аппаратом – хвостом и плавниками. Стоит только искусственно построить такие же органы и снабдить ими человека или сделать машины, копирующие живые существа, и человек станет с их помощью летать и плавать.

Заманчивость и кажущаяся легкость решения проблемы, а также успехи в создании всевозможных программных механических автоматов (птиц, поющих и машущих крыльями, фигурок людей, танцующих, играющих или поющих и т. п.) привели к появлению ряда проектов машин, основанных на заимствовании биомеханики животных. Особенно ярко это заимствование проявлялось в проектах летательных аппаратов. Однако уровень развития науки и техники, а также знаний особенностей живых организмов был явно недостаточным для осуществления этих идей – за основу бралось лишь чисто внешнее сходство с живым организмом.

Достижения естествознания в ХХ вв. разрушили механистическую картину мира, а неудачи переноса биомеханики в технику в определенной мере дискредитировали живую природу как источник подражания. Этому также способствовал некритический перенос свойств животных на принципиально новые технические объекты, не имеющие аналогов в живой природе. Например, изобретатели того времени не могли представить себе возможность передвижения на колесах без подталкивания. Поэтому первые паровозы Брунтона и Гордона были снабжены механическими ”ногами”, которые попеременно поднимались как у лошади. Естественно, что эти конструкции не имели успеха.

Только лишь после нескольких лет соответствующих исследований удалось обеспечить качение колес по рельсам, и необходимость в искусственных ногах отпала. Можно привести много примеров неудачного переноса свойств живой природы в технику, которые и привели к появлению в середине ХХ века учения о том, что, создавая технику, не следует подражать живой природе, так как принципы устройства живых организмов и машин различны. Главное различие, якобы, состоит в том, что в живых организмах нет колес, и им не свойственно вращательное движение.

Тем не менее, в этот период использование биологических аналогов не было вообще бесплодным. Многие ученые все же продолжали изучать живую природу и черпать из ее кладовых новые изобретения.

Одним из краеугольных камней бионики является использование и исследование биотоков. Первым эти работы начал великий итальянский врач, анатом, физиолог и физик Луиджи Гальвани, открыв биоэлектричество в живых организмах и разработав учение об общих закономерностях организации технических устройств и животных. Остановимся подробнее на этом моменте.

С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу и множество неприятностей.

Столкнувшись с новым незнакомым явлением, Гальвани как истинный сын своего века начинает тщательно и всесторонне исследовать новое по тем временам направление электрических токов в живых существах. Он ставит самые разнообразные опыты. Например, показывает, что эффект движения отделенных конечностей наблюдается и тогда, когда отделенная от тела лапка лягушки двигается от воздействия электрического тока. И даже тогда, когда лягушачья лапка включается в цепь между громоотводом и землей, она сокращается в тот момент, когда проскакивает молния.

Но как бы ни были интересны эти опыты, никаких принципиально новых сведений об электрических явлениях в живых организмах они не давали: была обнаружена еще одна форма раздражающего действия электричества, но ведь и физики знали, что тела можно электризовать без прикосновения, на расстоянии.

В 1786 г. Гальвани начинает новую серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного» атмосферного электричества. К этому времени было показано, что электричество есть в атмосфере и в отсутствие грозы. Поняв, что лапка лягушки является в некотором смысле очень чувствительным электрометром, он решил попробовать обнаружить с ее помощью это атмосферное электричество. Лапки на решетке своего балкона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не сокращалась ни при какой погоде.

И вот 26 сентября 1786 г. лапка, наконец, сократилась. Но это произошло не тогда, когда изменилась погода, а при совершенно других обстоятельствах: лапка лягушки была подвешена к железной решетке балкона при помощи медного крючка и свисающим концом случайно коснулась решетки, Гальвани проверяет: оказывается, всякий раз, как образуется цепь «железо – лапка – медь», тут же происходит сокращение мышц лапки независимо от погоды. Гальвани переносит опыты в помещение, использует разные пары металлов и регулярно наблюдает сокращение мышц лапки лягушки.

Это уже что-то совершенно новое, никаких источников электричества поблизости нет (нет ни машины, ни грозы), а лапка лягушки сокращается.

Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени, когда эффектные публичные демонстрации были очень популярны. Лапка подвешивается на медном крючке, соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокращается и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыкается, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шкатулки, вновь поднимается и т. д. Возникает, как считал Гальвани, нечто вроде электрического маятника.

Как же объяснить эти наблюдения? Во времена Гальвани предполагалось, что металл нельзя наэлектризовать трением. Гальвани, как и другие ученые его времени, считал, что электричество не может возникать в металлах, но они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает, что источником электричества в этих опытах являются сами мышечные ткани лягушки, а металлы только замыкают цепь.

Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что можно обойтись и просто кусочком медной проволоки. При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, и оно бывает слабее, но это уже мелкая деталь. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила сокращения не измеряется. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны – рассуждает Гальвани.

Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом: задней лапкой лягушки с отпрепарированным нервом и сохраненным кусочком спинного мозга. В первом же удачном опыте, когда лапка висела на балконе, а медный крючок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик лапки коснулся железной решетки, Гальвани решает, что это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие.