Бионика. Прошлое, настоящее и будущее

Следовательно, электрические явления присущи всем животным, а значит и человеку! Гальвани даже позволяет себе высказать соображение о причине некоторых болезней, например, он высказывает гипотезу, что паралич может быть связан с нарушением изоляции нервов, и действительно, сейчас известны болезни, вызванные этой причиной; или что эпилепсия может быть связана с сильным электрическим разрядом в мозгу, что тоже оказалось в принципе верным и о возможном лечебном применении электричества.

Выдвигая свое утверждение о существовании «животного электричества», Гальвани опирался также на изучение электрических рыб: в этом случае их способность вырабатывать электричество была доказана. Электрический скат был известен с далекой древности, а электрический угорь был описан в XVII веке после открытия Америки. Но этих рыб тогда, естественно, не называли электрическими, так как не знали, что их действие на человека и животных как-то связано с электричеством.

Однако после открытия новых видов электрических накопителей, разряд которых вызывал тот же эффект, что и прикосновение к электрическому скату, французский ботаник М. Адансон выдвинул предположение, что разряд электрических рыб и разряд электрического накопителя энергии имеют одну и ту же природу.

С электрическими скатами работал и Гальвани, один из видов этих рыб даже носит его имя: Торпедо Гальвани. Если скаты могут вырабатывать электричество, то почему же его не могут вырабатывать любые мышцы? И Гальвани подчеркивает в своем «Трактате…» сходство электричества, возникающего при трении, атмосферного электричества, электричества скатов и открытого им «животного электричества».

Кстати, электрические органы ската построены по принципу вольтова столба и служат для защиты и нападения. Разряды действуют на расстоянии до 6 м, парализуя рыб, моллюсков, ракообразных и других водных животных. Электрической рыбе остается только проглотить жертву. Электрические органы в большинстве случаев состоят из особых клеток – электроцитов, происшедших в процессе эволюции из мышечных клеток.

Очень интересно то, что, несмотря на достаточно убедительные данные о том, что действие ската связано с электрическим разрядом, находилось много людей, которые считали, что «животное электричество» должно отличаться от обычного электричества, должно иметь какие-то признаки своего особого происхождения.

Нельзя переоценить это открытие, так как именно биотоки стали тем, что многократно увеличило скорость развития бионики и вывело её из тупика механистического рассмотрения. Именно опыты Гальвани дали бионике возможность соединять искусственные и органические структуры в единую систему, например, такую как протезы рук или же искусственные органы. Всё это управляется и информационно соединяется с телом именно с помощью открытых Гальвани биотоков.

Не менее известный и сделавший не меньше для науки, чем Гальвани, физик Алессандро Вольта, воспроизводя условия возникновения биотоков, создал химический источник электрической энергии – гальванический элемент. То есть все наши батарейки были получены как бионическое осмысление биоэлектрических опытов Гальвани!

Но бионика строилась не только на изучении биотоков. Не меньшую роль в ней продолжала играть механика, особенно механика движения.

В России в это время также происходило развитие бионических методов. Ученый П. Л. Чебышев, изучая биомеханику животных, построил машину, которая перемещалась с помощью четырех ног, выполненных по подобию ног кузнечика.

Несмотря на кажущуюся бессмысленность, эта работа позволила показать, что с помощью всего одного вращательного вала возможно полноценное передвижение четырех ног.

Другой же русский физик Н. А. Умов разработал принципы формирования всех организованных систем – животных, человека и машин – и выявил их общие закономерности построения. Его труды используются и в настоящее время в кибернетике.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский в своих работах нередко обращался к анализу строения и механики полета птиц, подобно Леонардо Да Винчи. Работы Н. Е. Жуковского до сих пор являются образцом теоретического изучения биологических систем с целью выявления принципов, распространенных на технические устройства. Можно проследить, что этапы развития планеростроения повторяют эволюцию развития насекомых (бипланы, трипланы и другие виды летательных аппаратов).

В дальнейшем изучение биотоков в XX веке переросло в изучение биологических структур, которые их и генерируют, и проводят. Английские ученые Тьюринг, Мак-Каллок и Питтс, изучая нейроны и нейронные сети высшей нервной деятельности животных, установили их идентичность логическим модулям в цифровых вычислительных машинах. Их работы показали, что любые виды сложной деятельности человека могут быть промоделированы техническими средствами. В 50-е годы ХХ века развитие вычислительной техники автоматики привело к возможности создания технических устройств, у которых решаемые задачи стали в определенной степени сравнимыми с задачами, решаемыми живыми организмами.

Разработанные инженерами навигационные устройства – радиолокационные, акустические, инерциальные, манометрические и другие – давно существуют в живой природе, например, эхолокакация подводных лодок или же радарные системы являются прямой копией эхолокации животных, таких как летучие мыши или дельфины. Не совсем прямо один в один, но принципиально идеи, на которых работает и то, и другое, одни и те же.

Кроме этого, одним из особо важных направлений в наши дни становятся бионические исследования, направленные на освоение природных ресурсов Мирового океана. Природные богатства в виде нефти, горючего газа, полезных ископаемых и продуктов питания, скрытые огромными толщами воды, требуют создания специальных технических систем и комплексов, приспособленных к новой, не свойственной для человека среде обитания.

Подводные работы, снабженные техническими сенсорными системами, различные обитаемые и необитаемые подводные аппараты в какой-то мере уже сегодня используют конструктивные и функциональные решения, отобранные в результате эволюционного развития отдельных видов живых обитателей морей и океанов.

Однако, бионика не могла не коснуться самого человека. Его органов, его механики, его физиологии…

Основной рывок развития этого направления бионики происходил с начала XX века примерно до его середины. В эти годы появилось четкое понимание механизмов передачи нервных сигналов и методов их снятия. Были изучены многие биологические процессы, но одни эксперименты были особенно необычны и для того времени и даже для нашего – эксперименты с первыми искусственными системами поддержания жизни.

Что же в этом необычного, скажете вы? А необычно то, что оживляли не человека и не какое-то тело, а его части – пальцы человека, головы животных!

Долгое время ученые искали способ, как вернуть к жизни отдельные органы и организм в целом. В 1928 году это удалось гениальному советскому ученому Сергею Сергеевичу Брюхоненко.

В конце 20-х годов XX века многие страны мира облетело сенсационное сообщение об эксперименте русского физиолога – оживлении изолированной от туловища головы собаки, жизнь которой поддерживалась при помощи аппарата искусственного кровообращения. Этот эксперимент явился началом новой эры в медицине, когда стало реальностью оживление человеческого организма после наступления клинической смерти, проведение операций на открытом сердце, пересадка органов и создание искусственного сердца.

В 1928 г. на Третьем съезде физиологов страны был впервые продемонстрирован созданный С. С. Брюхоненко аппарат искусственного кровообращения, названный автором автожектором.

Именно такие опыты дали фундамент всем реанимационным устройствам, но тогда цель была совсем иная – попытка победить смерть или же улучшить биологическую систему техническими методами.

И эта цель, как оказалась в дальнейшем, будет пронизывать всю бионику до наших времен, подарив нам экзоскелеты и нейроконтроллеры, ТДКС-стимуляцию и новые бионические протезы. Уже сейчас можно точно сказать, что киборгизация, хотя бы частично, но возможна, и позволяет нам взглянуть на всю нашу науку и бионику в частности уже не только как на что-то прикладное, словно на инструмент, но уже как на целую философию – Трансгуманизм.

Большинство современных изобретений человек создал, не обращаясь за помощью к живым организмам, однако затем нередко выяснялось, что в природе эти идеи давно реализованы, только компактнее, миниатюрнее, надежнее и совершеннее.

Все же в творчестве природы и человека имеются принципиальные различия. Человек совершенствовал свои технические устройства в течение относительно малого периода времени, например, летательные аппараты – в течение нескольких десятков лет‚ а природе для создания своих «конструкций» потребовались многие миллионы лет. У человека есть большие возможности, обусловленные целенаправленностью действий, а у природы – гораздо больше времени. И поэтому создавший удивительные машины человек в ряде областей еще только лишь приближается к тому совершенству, которое создала природа.

Высокие темпы научно-технического прогресса привели к появлению все новых и новых поколений техники, отличающихся все более совершенными эксплуатационными характеристиками. Такое отличие поколений техники обусловлено внедрением все более совершенных материалов, электронных систем, методов измерений, принципов организации, технологии изготовления и даже самих принципов работы – и многое из этого дало осознание природы и ее методов.

Подведем итог: Бионика есть реализация идей, подчерпнутых из природы, техническими методами, или же улучшение существующих биологических систем техническими методами.

Глава 2. Методы бионики

Опыт развития бионики показывает, что бессистемное изучение живых организмов, отличающихся исключительной сложностью и многообразием, для выявления полезных для технической реализации разработок обычно не приносит плодотворных результатов. Успех такой работы может быть обеспечен лишь при наличии определенной методологии, включающей ряд последовательных этапов:

1. Постановка и подготовка задачи.

2. Изучение закономерностей построения, функционирования и развития организмов.

3. Выявление органов или биологических систем, которые могут служить аналогом разрабатываемого технического объекта, и выполнение ряда системотехнических исследований и процедур, необходимых для выбора оптимального предложения.

Приведем краткое содержание этапов бионической методологии.

Постановка задачи исследования и разработки бионического проекта предполагает:

• формулировку конечной цели исследования и разработки технического объекта;

• определение системы критериев оценки качества разрабатываемого объекта для планируемых условий его применения;

• оценку технического уровня существующих устройств, аналогичных по назначению вновь разрабатываемому объекту;

• обоснование необходимости проведения бионических исследований для достижения высокого уровня новизны создаваемого объекта.

Разработанные тактико-технические и другие требования к новому объекту в дальнейшем могут уточняться и дополняться в зависимости от полученных результатов. В соответствии с возможностями бионики можно существенно улучшать технические и эксплуатационные характеристики создаваемого объекта (повышение точности, диапазона измерений, надежности), расширять области его применения, повышать уровни автоматизации, управления и информационного обеспечения, создавать системы адаптации и обучения. Одновременно могут решаться задачи по разработке и созданию новой элементной базы, средств контроля и обслуживания создаваемого объекта, а также задачи эффективного и экономичного его использования.

При изучении закономерностей построения, функционирования и развития организмов следует учитывать их общие и конкретные свойства. Общие их закономерности не зависят от вида животного, они присущи функционированию и развитию всех живых клеток, ряду органов и частей тела, а также функциональных систем организма в целом. Особое внимание необходимо уделять изучению основных жизненных функций, энергообеспечению, самовосстановлению и адаптации живых тканей организма, статическим и динамическим свойствам отдельных клеток, нервных цепей.

На основании полученных данных могут быть разработаны обобщенные функциональные модели организма или его составных частей, с помощью которых и выявляется биоаналог для разрабатываемого объекта. Однако нередко общие свойства организмов недостаточны для разработки требуемых бионических решений. Необходимо изучение особенностей конкретных видов организмов (млекопитающих, птиц, рыб, насекомых), которые по своим условиям обитания, жизненным функциям и характеристикам биоаналогов наиболее полно удовлетворяют условия решения поставленной задачи. Отбор таких организмов позволяет ограничить область исследования и конкретизировать варианты биоаналогов, которые в дальнейшем анализируются с помощью системотехнических методов или методом экспериментального перебора для отбора наилучших.

В результате изучения закономерностей построения, функционирования и развития организмов могут быть выявлены:

• части тела, органы, ткани и участки мозга, которые могут выполнять функции, аналогичные вновь создаваемому объекту (биоаналоги);

Например, мы хотим создать протез руки или искусственный орган, значит нам нужно изучить изначальную биологическую руку и орган, а не что-то иное.

• виды животных, у которых условия обитания и характеристики биоаналогов наиболее полно удовлетворяют требованиям поставленной задачи; Хотим создать что-то летающее – изучаем птиц и летающих насекомых. Хотим, чтобы что-то эффективно плавало – изучаем рыб.

• основные компоненты и взаимосвязи между ними, которые необходимы для построения функциональной бионической модели – аналога структуры создаваемого объекта;

Хотим создать свою нейросеть – изучаем образцы нервных тканей и как они распространяют сигналы.

• математические модели компонентов и функциональной модели в целом, необходимые для получения и исследования статических и динамических характеристик, влияния изменения структуры, условий применения, возникновения отказов. Хотим, чтобы здания выдерживали какие-то особые условия – смотрим аналогичные среды обитания у растений и копируем структуру.