Беседы о бионике

Беседа первая. Скальпель, паяльник, интеграл

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.

На наш взгляд, бионика является более широкой наукой, она имеет дело с самыми разнообразными характеристиками живых организмов, переносимыми в технические системы, в том числе с характеристиками вещественных, энергетических и информационных процессов. У бионики чрезвычайно широкий круг интересов, она связана теснейшим образом с множеством прикладных технических отраслей: самолетостроением, космонавтикой, кораблестроением, радиоэлектроникой, инструментальной метеорологией, машиностроением, строительным делом, навигационным приборостроением, архитектурой, технологией химических производств и др. Объединяя и взаимно обогащая изолированные ранее друг от друга биологические и технические науки, бионика стремится на основе современных математических, физических и физико-химических методов исследования биологических систем найти оптимальные решения самых сложных инженерных проблем.

Говоря кратко, бионика — это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Ее можно также назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем.

В настоящее время различают три основных методологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое. Биологическая бионика, базируясь на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, могущих быть положенными в основу решения тех или иных чисто инженерных проблем. Содержанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и процессов, протекающих в живых организмах. И, наконец, техническая бионика занята реализацией математических моделей тех или иных сторон деятельности живых организмов с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем — приборов, аппаратов, устройств, превосходящих по своим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.

Однако надо заметить, что в природе не все устроено лучшим образом. Выступая на I Всесоюзной конференции по бионике в конце 1963 г., академик А. И. Берг отметил: "Далеко не все методы и способы решения и реализации, оправданные в живой природе, приемлемы для нас сегодня в технике. В природе очень много нецелесообразного, лишнего, давно отжившего, несовершенного. Ведь часто интересы отдельного субъекта растворяются в интересах сохранения, воспроизведения и размножения всего вида. Избыточность в природе часто не экономична и с научной точки зрения совершенно неоправдана... Не удовлетворяют современную технику и те скорости рабочих процессов, с которыми мы встречаемся в биологических системах". Поэтому бионика не идет по пути слепого копирования природы. Изучая биологические объекты и процессы, она стремится позаимствовать у природы лишь самые совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, ее внимание сосредоточено "...на раскрытии тех принципов построения структуры, определении тех важнейших функциональных зависимостей и методов приспособления, резервирования и самообновления, которые обеспечивают биологическим системам исключительно высокую гибкость и живучесть в сложных условиях их существования". Иными 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.

Тематика проводимых в настоящее время в разных странах бионических исследований чрезвычайно обширна. Всю совокупность разрабатываемых ныне важнейших проблем условно можно подразделить на ряд комплексов, дающих представление о целенаправленности и характере задач, решаемых бионикой. Перечислим эти комплексы:

Исследование и моделирование нейронов, нейронных сетей, нервных центров и принципов организации мозга живого организма с целью изыскания путей их использования в технических устройствах и системах.

Исследование принципов, позволяющих достичь высокой надежности биологических систем, моделирование биологических принципов резервирования, компенсаторных функций организмов и их способностей к адаптации.

Исследование биологических рецепторных и анализаторных систем (главным образом изучение органов зрения, слуха и обоняния) с целью построения их технических моделей.

Исследование систем навигации, локации, стабилизации, ориентации некоторых представителей мира животных; создание принципиально новых технических устройств на основе результатов этих исследований.

Исследование методов кодирования, передачи и обмена информацией, применяемых биологическими системами на различных уровнях организации (на уровне коллективов, отдельных организмов, органов, на клеточном и молекулярном уровнях), с целью создания новых видов и средств технической связи.

Проблема "человек — машина"; бионические аспекты проблемы: разработка методов выявления и оценки психофизиологических способностей и возможностей человека; поиск оптимальных методов обучения и тренировки; создание средств, облегчающих условия работы человека-оператора биоэлектрических систем управления техническими объектами и системами; разработка методов и средств контроля и прогнозирования состояния человека-оператора.

Исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик рыб, китообразных, а также рыхлящих и землеройных приспособлений некоторых животных с целью использования результатов этих исследований в авиа- и судостроении, при конструировании и изготовлении землеройных машин.

Построение технических систем для получения энергии на основе аналогии с биологическими системами и для получения энергии в специальных случаях непосредственно от биологических систем.

Освоение биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологии производства сложных органических веществ.

Изучение биологических процессов, природных конструкций и форм с целью их использования в строительной технике и архитектуре.

Возможно, что завтра у бионики появятся новые задачи, идеи, направления, которые трудно предусмотреть сегодня. Однако независимо от этого предельно ясно, что благодаря стремительному и целенаправленному развитию бионики во многом еще "загадочная" природа становится все более мудрым советчиком, учителем и союзником человека.

Возможности искусственного воспроизведения природных объектов, живых структур всегда зависят от исторических условий, от определенного уровня развития науки и техники. В развитии творческой мысли и технических возможностей человека не существует какого-либо предела. Следовательно, нет и не может быть естественных объектов, принципиально не воспроизводимых искусственно. Существуют лишь объекты, которые не могут быть смоделированы на данном этапе развития науки и техники. Но по мере развития наших знаний и технических средств возможности моделирования "естественной" природы расширяются. Поэтому не может быть сомнения в том, что со временем бионики не только повторят самые выдающиеся инженерные шедевры природы, но и превзойдут их.

Уделив столько места предмету бионики, нельзя не сказать нескольких слов о том, как и почему появилась эта книга, какую задачу пытался решить автор, собирая и систематизируя огромный по объему материал. Несмотря на свой еще совсем юный возраст, бионика уже может и должна подвести некоторые итоги.

Такое утверждение можно оправдывать по-разному, но оно покажется совершенно очевидным всякому, кто прочтет до конца эту книгу.

Однако сегодня трудно представить себе монографию или научный обзор, который охватил бы все области бионики — этого поразительного конгломерата, объединившего столько отраслей человеческих знаний. Именно поэтому автор остановил свой выбор только на одном направлении — это книга в основном о технической бионике, ее проблемах и достижениях, ее загадках и перспективах.

Казалось бы, задача поставлена предельно скромно. Но решить ее в одной книге каким-либо путем, отличным от того, который избрал автор, представляется нереальным. Выше мы перечислили те комплексы исследований, из которых складывается сегодняшняя техническая бионика. Проблемы этих исследований настолько различны, средства для решения этих проблем настолько разнообразны, что серьезные научные работы должны неизбежно становиться узкими и специальными. Значит, популярный рассказ — это та единственная форма, которая может сгладить все внутренние противоречия и решить основную задачу — подвести итоги развития молодой, бурно развивающейся науки.

Серьезной проблемой, неизбежно возникающей перед автором любой популярной книги, становится вопрос о библиографии. Вполне очевидно, что, обобщая и анализируя огромный по объему материал, автор лишен практически возможности сделать ссылки на все литературные источники (от трудов специальных научных симпозиумов до сообщений в периодической печати), которые так или иначе были использованы в процессе создания книги. Там, где это возможно, автор указывает место, время и исполнителей того или иного эксперимента, иногда ссылается в тексте на источник получения информации. Но систематического библиографического указателя в книге не дано, и сделано это вполне сознательно. Если задаться на сегодня такой целью, то сама по себе библиография займет не меньше чем пятую часть объема этой книги и скорее будет полезной специалистам, нежели тем читателям, которых имеет в виду автор. Не ссылаясь всякий раз на источники, автор тем самым берет на себя, берет добровольно и сознательно, дополнительную ответственность.

Есть условия, которые при всем при этом должны соблюдаться свято: научная достоверность приводимого факта и грамотное с точки зрения физика и химика, биолога и инженера объяснение факта, исследования, задачи. В этом смысле неоценимую помощь советами и обсуждениями, рецензиями и рекомендациями оказали автору академик А. И. Берг, чл.-корр. АН СССР Б. С. Сотсков, акад. АН УССР В. Г. Касьяненко, докт. биол. наук, проф. А. Г. Томилин и все те, кто взял на себя труд прочесть рукопись или ее отдельные части.

Есть еще одна цель, которую преследовал автор, работая над этой книгой. Чтобы быть перед читателем честным до конца, следует рассказать и о ней. По нашему глубокому убеждению, бионика больше всего сейчас нуждается в специалистах, в энтузиастах, в романтиках, способных поверить в ее будущее, способных отдать ей весь пыл и всю страсть молодости, весь опыт и всю мудрость зрелости. При этом жанр научной популяризации может и наверняка сыграет решающую роль. С этой позицией автора связана одна особенность книги, которая вряд ли встретит всеобщее понимание. Автор время от времени позволял себе помечтать вместе с читателем о том, что сегодня может показаться фантастическим (но заметьте, не абсурдным!). Автор рассказывает о самых смелых, о самых "головокружительных" проектах и стремится, чтобы голова у читателя закружилась в ту же сторону. Даже если читатель углубится в какую-либо проблему с целью опровергнуть "зарвавшегося" автора, это будет большим достижением и принесет автору немалое удовлетворение.

И если, говоря о бионике серьезно, мы называем ее символами скальпель, паяльник и интеграл, то полушутя-полусерьезно сегодня следует прибавить к этим символам еще и перо.