Изот Борисович ЛитинецкийБеседы о бионике
Предисловие
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
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.