Читаем Беседы о бионике онлайн бесплатно

Пожалуй, ни одна из новых наук, родившихся в наш XX век, не приобрела за короткий срок своего существования такой огромной популярности, как бионика. Однако, если не считать отдельных статей и брошюр, до сих пор о бионике с инженерных позиций с широким кругом читателей еще никто всерьез не говорил.

Популяризация любой науки — дело сложное и трудное, а бионики — особенно. Чтобы написать в занимательной форме с большой научной достоверностью книгу о современных достижениях бионики и дальнейших путях развития этой новой многообещающей науки, нужно обладать не только обширными и глубокими инженерными знаниями, но и приобщиться к "безбрежной" биологии, что само по себе не просто. Надо быть еще немножко историком и философом, потому что подлинно популярную книгу о бионике сегодня нельзя уложить в рамки локальной научной публикации: такая книга должна воссоздать перед читателем картину зарождения и становления новой науки, берущей свое начало в глубокой древности, показать всю ее современную многогранность и потенциальные возможности. Надо отличаться большим трудолюбием и быть энтузиастом бионики, чтобы в течение нескольких лет по крупицам собирать, обрабатывать и систематизировать разрозненный в сотнях публикаций на различных языках мира обширнейший материал о результатах бионических исследований, проведенных со времен Леонардо да Винчи, Кеплера и до наших дней. Наконец, надо владеть пером, чтобы, не утомляя читателя специальной научной терминологией, образно и эмоционально раскрыть по возможности полно всю проблематику современной бионики.

Сейчас более или менее четко определилось три основных направления бионики: биологическое, теоретическое (математическое) и техническое. Предметом биологической бионики является изучение явлений и процессов, протекающих в живых организмах, для выяснения положенных в их основу принципов, могущих помочь в решении тех или иных актуальных проблем. Теоретическая бионика занимается разработкой формально-математических моделей жизнедеятельности. Эта отрасль бионики является относительно новым на-правлением, результаты работы которого необходимы как биологам — для углубленного понимания функций биологических систем, так и инженерам — для создания электронных аналогов этих систем. Что же касается технической бионики, то она занимается усовершенствованием существующих и созданием принципиально новых технических систем, основанных на математических моделях, разработанных теоретической бионикой. Таким образом, общей задачей бионики является углубленное изучение функций, особенностей и явлений живой природы с целью применения добытых знаний в мире техники. Автор в основном посвятил свою книгу наиболее интенсивно развивающейся в настоящее время технической бионике.

Автор знакомит читателя с важнейшими исследованиями, которые ведутся в настоящее время отечественными и зарубежными коллективами биоников в области аэрогидродинамики, биомеханики, биоархитектуры, биометеорологии; с работами по изучению механизмов и методов локации, ориентации и навигации различных животных; с бионическими аспектами проблемы "человек — машина"; с созданием биоэлектрических систем управления техническими объектами и биоточным протезированием; с исследованием возможностей долговременного пребывания человека под водой и работами по освоению сказочных богатств "голубого континента"; с фундаментальными исследованиями в области распознавания зрительных и акустических образов; с моделированием нейронов и нервных сетей и, наконец, с работами по изучению принципов микроминиатюризации и обеспечения высокой надежности биологических систем.

Каждая беседа насыщена огромным фактическим материалом, поданным в увлекательной форме. Поэтому соблазн пересказать содержание всей книги очень велик.

Нам надо, писал В. И. Ленин, чтобы "наука действительно входила в плоть и кровь, превращалась в составной элемент быта вполне и настоящим образом". "Беседы о бионике" прочтет с удовольствием не только специалист, но и каждый образованный человек, потому что книга посвящена новому и интересному научному направлению и написана не шаблонным, не сухим "научным" языком. Романтическая книга о науке привлечет и новых энтузиастов бионики: ведь для того, чтобы открыть новые земли, нужен, образно говоря, не только учебник навигации, но и "Одиссея", пробуждающая героическую жажду исканий. И в этом смысле значение "Бесед о бионике" И. Б. Литинецкого трудно переоценить. Написана умная и содержательная книга, увлекательный рассказ о новейших достижениях самой молодой и многообещающей науки. Такую книгу уже давно ждет широкий круг наших читателей.

23 октября 1967 г. Москва

Академик А. И. Берг

Молодая наука бионика получила свое название от древнегреческого слова "bion" — элемент жизни, ячейка жизни или. точнее, элемент биологической системы.

Формально датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г-день открытия первого американского национального симпозиума на тему "Живые прототипы искусственных систем — ключ покой технике". Однако такой симпозиум можно было провести только потому, что к этому времени уже были получены первые значительные результаты в изучении принципов организации и функционирования некоторых живых систем и практическом использовании добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.

Каковы же особенности новой науки? В чем ее суть? Что это за "живая вода" техники? Какие причины вызвали к жизни бионику? Для того чтобы ответить на все эти вопросы, нам придется совершить небольшой экскурс в далекое прошлое.

Предполагается, что Земля существует около 5 миллиардов лет, что жизнь в самом примитивном виде зародилась 1,5 — 2 миллиарда лет назад. В процессе последующего беспощадного естественного отбора, длившегося миллионы лет, среди животных и растений выжили самые сильные, лучше всего приспособившиеся к определенным природным условиям, совершавшие меньше всего ошибок, действовавшие более рационально. В итоге столь продолжительной эволюции природа создала на Земле гигантскую сокровищницу, в которой не счесть изумительных образцов "живых инженерных систем", функционирующих очень точно, надежно и экономично, отличающихся поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.

Многие из этих "изобретений" природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза 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".

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 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 на основе экспериментальных исследований тока крови в кровеносных сосудах установил закон течения жидкости в тонких трубках. Этот закон ныне широко используется в гидравлике при определении вязкости, а также скорости кровотока в капиллярных сосудах.

В 1840 — 1841 гг. немецкий ученый Юлиус Роберт Майер, выполнявший обязанности судового врача на голландском судне, направлявшемся на остров Яву, заметил, что в тропиках цвет венозной крови изменяется. Тщательное изучение энергетического баланса живого организма и крови человека завершилось установлением закона сохранения и превращения энергии, который был изложен Майером в труде "Замечания о силах неживой природы" (1842 г.), а более полно и развернуто — в трудах "Органическое движение в его связи с обменом веществ" (1845 г.) и "О количественном и качественном определении сил" (1881 г.).

И еще один, последний, пример. Великий русский ученый Н. Е. Жуковский, исследуя полет птиц, открыл "тайну крыла", разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Он не замедлил приложить свою теорию к практике, и, в сущности, результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Н. Е. Жуковский, лежат в основе современной аэродинамики.

Приведенные примеры, а их число можно было бы значительно умножить, убедительно говорят о том, что замечательные творения живой природы уже давно изучаются, а принципы их построения заимствуются человеком. Однако поиски в патентной библиотеке кудесницы природы новых идей, приложимых к различным задачам техники, были нерегулярными, носили спорадический характер. Лишь в последние годы в связи с бурным развитием автоматики, электроники и кибернетики, а также с успехами экспериментальной техники такие поиски стали систематическими и приобрели широкий размах. Именно это стремление ученых понять, в чем природа совершеннее, умнее, экономнее современной техники, их попытки найти новые методы решения стоящих перед инженерами сложных проблем и породили новую науку, получившую название бионика.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Чтобы познать "конструкцию" и принцип действия биологической системы, повторить ее в металле или хотя бы промоделировать, исследователю необходимы универсальные знания. Между тем до сравнительно недавнего времени шел интенсивный процесс разъединения, дробления научных дисциплин. В конечном итоге это привело к возникновению около 1200 отраслей знания. На определенном этапе такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию всех или почти всех отраслей науки и техники. Но теперь узкая специализация ученых затрудняет прогресс. В результате чрезмерной дифференциации науки очень усложнилось общение специалистов, работающих даже в смежных областях. Ученые говорят подчас на разных "языках" и плохо понимают друг друга, причем трудности общения специалистов с каждым годом возрастают. Вследствие этого появилась настоятельная потребность в такой организации результатов исследований, которая позволяла бы охватить их целиком, интегрировать на основе единых всеобъемлющих принципов.

Первый крупный шаг на пути к новому объединению наук — интеграции на основе всеобщности принципов управления живым и неживым и их связи сделала в середине нашего столетия кибернетика. По этому же пути, но еще дальше пошла недавно родившаяся бионика. Бионика устраняет противоречие, возникшее в результате специализации наук, и соединяет разнородные сведения в соответствии с единством живой природы. Она сформировалась на базе различных отраслей биологии, физики, техники и других наук. По существу, она синтезирует накопленные знания в ботанике и электронике, физиологии и кибернетике, математике и нейрофизиологии, физике и психологии, биохимии и механике, биофизике и психиатрии, нейрологии и эпидемиологии, химии и анатомии. Не случайно бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом — "Живые прототипы — ключ к новой технике".

Хотя новая наука сразу же обзавелась эмблемой и девизом, нельзя не отметить, что до сих пор среди ученых нет единого мнения о содержании бионики. Первоначально бионика связывалась с решением ряда специфических задач электроники, и в литературе появилось множество названий дисциплин, расположенных между классической биологией и электроникой и объединяющих эти две отрасли ("биомедицинская электроника", "биотехника", "медицинская электроника", "прикладная биофизика", "биофизическое приборостроение", "бионика" и др.). Такое множество названий, естественно, вносило путаницу и затемняло существо вопроса, в котором должна была царить полная ясность. Затем была высказана мысль о том, что бионика — это лишь "искусство применения знаний биологии при решении некоторых инженерных проблем". Несколько позже бионику начали трактовать как комплекс практических приемов и методов, заимствованных из биологии и используемых при решении технических задач.

В настоящее время многие специалисты считают бионику новой отраслью, новой ветвью кибернетики. "Бионика — это раздел кибернетики, занимающийся использованием биологических процессов и приложением биологических методов для решения инженерных задач". Именно так определяет бионику энциклопедия "Автоматизация производства и промышленная электроника".

Однако имеется немало ученых, которые не согласны с таким определением. В частности, один из основоположников этой науки, профессор Массачусетского технологического института Уоррен Мак-Каллок в докладе "Подражание одних форм жизни другим — биомимезис", прочитанном осенью 1961 г. на состоявшемся в Итаке (США) симпозиуме по бионике, высказал следующее мнение:

Итак, мнения ученых в вопросе о том, является ли бионика самостоятельной научной дисциплиной или же новой ветвью кибернетики, расходятся. Однако нам думается, что если учесть существующее ныне положение в бионике, достигнутые ею за последние годы успехи и зримо видимое уже сегодня ее многообещающее будущее, то бионику вполне заслуженно, не колеблясь, можно и должно возвести в "ранг" самостоятельной науки. В самом деле, ее задачи никак нельзя сводить лишь к изучению вопросов, непосредственно связанных с процессами управления и связи, т. е. к исследованию механизмов восприятия, переработки и передачи информации в живых организмах, и к использованию полученных данных при проектировании кибернетической аппаратуры различных видов.