Изот Литинецкий - На пути к бионике

Переработка информации у высших животных и у человека, как известно, происходит в нервной системе. Основная единица этой сложной системы - нервная клетка (нейрон). Поэтому естественно, что исследование способов преобразования информации в биологических системах началось с изучения нейронов и разработки их различных математических и технических аналогов. Но это лишь первая ступень исследования. Широкие возможности в моделировании нервных процессов появляются лишь тогда, когда от построения аналогов отдельных нейронов переходят к созданию их комплексов - моделированию нервных сетей. Моделирование нейронов и нервных сетей привело к построению ряда специальных бионических устройств, позволяющих успешно решать множество задач, связанных с передачей и обработкой информации. Примером таких устройств являются перцептроны - обучающиеся самоорганизующиеся системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации образов.

Предпринимаются попытки по аналогии с живой природой выращивать искусственные нейроны и целые системы искусственных нейронов. Это позволит резко повысить надежность, быстродействие, снизить массу, габариты и потребляемую мощность электронных систем. Бионики надеются, что в будущем дело дойдет до построения белковых машин, как предсказывал Н. Винер.

В широком масштабе ведутся работы по моделированию органов восприятия (анализаторных систем). Из известных пяти органов чувств основное внимание уделяется исследованию органов зрения, поскольку около 90% информации о внешнем мире поступает в биологическую систему через зрительный аппарат. Тщательное изучение глаз некоторых животных позволило обнаружить многие ранее неизвестные свойства зрительных органов и разработать по их образцу ряд оригинальных, весьма важных для различных областей практики устройств. Например, электронная модель глаза мечехвоста позволяет улучшить работу телевизионных трактов ряда систем. Бионическое устройство - "визилог", разработанное американскими учеными, может выполнять некоторые функции человеческого глаза: воспринимать изображение, проводить измерения и передавать информацию. Предполагают, что такие устройства будут устанавливаться на непилотируемых космических кораблях, посылаемых на Луну, Марс, Венеру.

Во многих лабораториях, научно-исследовательских институтах ряда стран изучаются конструктивные особенности созданных природой звуковых анализаторов. Результаты проведенных исследований пока еще скромны, но многообещающи. Разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха. Создана электронная модель слухового органа, обеспечивающая различение слабых сигналов на фоне шумов. Сотрудники Ленинградского электротехнического института связи имени проф. Бонч-Бруевича построили электронное ухо для оценки качества звучания музыкальных инструментов. Успешно ведутся работы по созданию устройств для автоматического распознавания устной речи, голосовых командных систем. Уже создано несколько моделей пишущих машинок-автоматов, печатающих под диктовку. Ведутся работы по вводу данных в ЭВМ без перфокарт, без перфолент, посредством голоса.

Бионика ведет широкие исследования морфологических особенностей живых организмов. Важная и значительная часть этих исследований относится к биомеханике. Изучаются структурные и функциональные особенности рук и ног человека, механика бега, прыжков, ползания ряда животных, форма тела и локомоторный аппарат рыб, моллюсков, дельфинов, акул, китов, полет птиц и насекомых. Так, анализ способа передвижения пингвинов привел конструктора А. Ф. Николаева к созданию оригинальной снегоходной машины "Пингвин", развивающей скорость до 30 километров в час; бег кенгуру подсказал идею "прыгающей" машины. Построены также шагающие и ползающие системы, обладающие высокой проходимостью в условиях пересеченной местности и мягких грунтов. Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческой руки. Широко известны созданные в СССР биоманипуляторные протезы для инвалидов, управляемые биотоками. Значительные успехи достигнуты и гидробионикой. По форме обводов тела кита построено океанское судно "Куренаи Мару"; его необычный контур корпуса дает выигрыш в потребной мощности силовых установок около 15%. Моделирование некоторых гидродинамических параметров рыб-хищников позволило повысить скорость и улучшить маневренность подводных лодок. Изготовлены опытные образцы искусственной "быстроходной" дельфиньей кожи - "ламинфло". Обшитые ею торпеды и катера при тех же мощностях силовых установок движутся почти в два раза быстрее. Многообещающими для будущего авиастроения являются проводимые бионические исследования полета птиц и насекомых. Бионика интенсивно и целенаправленно ищет разгадки феноменальной подъемной силы живого крыла, пытается постигнуть закономерность машущего полета, познать секрет его высокой экономичности.

Большое внимание уделяется бионическим исследованиям органов стабилизации, локации, ориентации и навигации у животных. Первые же исследования в этой области привели к созданию ряда оригинальных технических систем. Прежде всего, следует упомянуть гиротрон - прибор, применяемый вместо гироскопа в скоростных самолетах и ракетах. Он работает по принципу жужжалец двукрылых насекомых. Самолет, оборудованный гиротроном, может быть автоматически выведен из штопора. Фасеточные глаза насекомых (пчел, муравьев) подсказали бионикам идею создания поляризационного солнечного компаса. Широко известны работы по изучению высокосовершенных локационных аппаратов летучих мышей и дельфинов, помогающих им ориентироваться в пространстве, безошибочно и быстро отыскивать дорогу, добывать пищу, обнаруживать и опознавать препятствия. Результаты этих исследований, несомненно, будут полезными в усовершенствовании современной радарной техники, они могут быть применены при создании сложных кибернетических систем. Что касается механизмов навигации, помогающих птицам, рыбам и другим животным совершать периодические передвижения на огромные расстояния к местам зимовок, нереста, то они пока еще остаются секретом живой природы.

В комплексе навигационных задач, решаемых бионикой, большое внимание уделяется изучению "биологических часов", которые, как установлено, являются важнейшим звеном сложной системы навигации и ориентации животных. Предпринимаются попытки создать электрический аналог "биологических часов". В состав одного из таких аналогов введен генератор, характер колебаний которого зависит от воздействия окружающей среды - чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Такой прибор, по замыслу его создателей, должен пролить дополнительный свет на процесс функционирования биологических систем.