Изот Литинецкий - На пути к бионике

Бионика проводит фундаментальные исследования биоэнергетики живых организмов. В частности, большое внимание уделяется изучению и моделированию работы мышцы, основанной на непосредственном превращении химической энергии в механическую. Мышца почти такое же удивительное творение природы, как и нейрон. Она очень сложна и в то же время удивительно проста. Это самый экономичный двигатель. Если коэффициент полезного действия паровой машины всего лишь 20%, а самых лучших двигателей внутреннего сгорания - 35%, то мышца по сравнению с ними имеет к.п.д. порядка 90-94%. Задача преобразования химической энергии в механическую, легко решаемая в биологических системах, пока малодоступна для техники. Но первый шаг в этом направлении уже сделан. Известный физико-химик А. Качальский построил интересную модель мышцы, так называемый мышечный мотор. Активный элемент этой модели - протеин, точнее, коллаген - вещество, входящее в состав кожи и связок. Если волокна коллагена поместить в раствор бромистого лития, они быстро сокращаются, поднимая при этом вес в тысячу с лишним раз больше собственного. Если затем удалить бромистый литий - промыть волокна в чистой воде, их длина становится прежней. На этом принципе и основан мотор Качальского.

Рис. 2. Схема мотора Качальского

Другой важнейшей проблемой является разработка принципиально новых экономичных и дешевых источников питания энергией. Речь идет о создании биохимических источников энергии. В решении этой задачи бионика идет по двум направлениям. Первое связано с получением горючих газов из органических отходов с помощью бактерий. Другое направление связано с созданием электрических элементов, электроды которых находятся в сосуде, содержащем бактерии и запас корма. Создаются и солнечные "биобатареи" на основе фотосинтезирующих организмов. Параллельно с созданием биохимических источников энергии ведутся работы по изучению генерирования электричества живыми организмами. Известно около 500 различных видов рыб, генерирующих электроэнергию. Самая мощная "электростанция" у речных угрей-она способна вырабатывать электрический разряд, напряжение которого достигает 650 вольт. Недавно были проведены опыты по использованию электроэнергии крысы. С этой целью животному было введено два электрода - один под кожу и другой в брюшную полость. Подключенный к такому источнику энергии радиопередатчик с частотой 500 килогерц работал в течение 8 часов.

Помимо пяти перечисленных направлений бионики, в последние годы сложилось еще одно научное направление, в котором бионика сотрудничает с архитектурой и строительной техникой. Речь идет о биоархитектуре. В том, что зодчие занялись изучением "строительного искусства" природы, начали вести целенаправленный и осознанный поиск архитектурных форм, идеально рассчитанных самой природой, нет ничего случайного. Рождению биоархитектуры в большой степени способствовало создание новых строительных материалов.

Природа в каждом своем проявлении дает пример успешного решения сложнейших архитектурных и конструктивных задач. Часто органические конструктивные системы по легкости и прочности, по красоте и изяществу могут служить идеалом для творчества зодчих и строителей. Один только мир радиолярий (одноклеточных морских организмов) являет собой такое сказочное разнообразие форм, что их с избытком может хватить на создание десятков тысяч новых архитектурных шедевров. В мире диатомей можно увидеть и замысловатые пространственные решетчатые конструкции, и "микроблочные" купола, и фантастически сложные фигуры, и множество других "инженерных систем", гармонически сочетающих красоту и целесообразность, легкость и прочность, надежность и экономичность. Не так давно инженеры построили опору большого экрана для Берлинского зеленого театра, использовав схему строения скорлупы диатомовой водоросли. Архитектор П. Солери спроектировал мост через реку длиной более километра по аналогии с полусвернутым живым листом.

До сих пор мы говорили в основном лишь об аналоговом методе построения различных технических систем, то есть о построении искусственных систем, в основе которых лежит тот или иной биологический принцип. Однако в бионике совсем недавно начал развиваться многообещающий, так называемый композиционный метод построения бионических систем. В таких системах живой организм может служить дополнением либо одним из основных элементов технической системы, использоваться в качестве входного или выходного устройства сложной инженерной системы. Примером композиционной бионической системы может служить не так давно созданный прибор для оповещения шахтеров о появлении в штреках рудничного газа. Роль чувствительного элемента, реагирующего на незначительную концентрацию ядовитого газа, в этом приборе выполняет... живая муха, обладающая исключительно тонким обонянием.

Возможно, что у бионики появятся и новые задачи, новые направления, но уже сейчас ясно, что это наука динамическая. Она блестяще доказала свою жизнеспособность, и ей, несомненно, предстоит сыграть одну из важнейших ролей в нашем стремительно развивающемся мире.

Первые свои победы бионика одержала в области копирования биологических систем в технике. Несколько позже она приумножила их созданием ряда композиционных бионических систем. Теперь многие бионики считают, что в природе надо искать скорее руководящие идеи, чем модели для подражательного копирования. Бионика с каждым годом все больше и больше проникает в различные отрасли производства, в сферу научных исследований, революционизируя их. Но, пожалуй, самая главная заслуга бионики заключается в том, что она заставила нас взглянуть на многоликий мир животных другими глазами.

Какими же другими?

Глаза человеческие устроены очень сложно, но у всех одинаково, и, вообще говоря, люди видят вещи такими, какие они есть. А бывает особый взгляд - взгляд через невидимую призму творческого мышления. Тысячи лет животные, как и звезды, находились в поле зрения человека. Но звезды до недавнего времени были для нас просто светлыми точками, а животные... они были просто животными. Давайте вспомним, сколько и каких животных мы поставили себе на службу. Корову, овцу, лошадь, оленя, собаку, верблюда, слона, осла, ламу, домашних птиц. Из насекомых - пчел.

В общей сложности человеку удалось приручить из великого множества животных лишь около 60 видов.

Почему же так мало? Да потому, что до сравнительно недавнего времени мы очень мало знали о повадках, способностях, языке и разуме животных. И очень может быть, что процесс приручения животных остановился бы на давно известных нам видах, если бы биология не стала пользоваться современными точными методами исследования, если бы бурно развивающимся науке, технике, сельскому хозяйству не потребовались новые помощники. Разве могли бы мы использовать, скажем, голубей в качестве контролеров точных деталей электроники или приборостроения, если бы не существовало науки о поведении животных - этологии и бионики, исследующей органы зрения с позиций, так сказать, инженерии? Вряд ли. А теперь специально обученные голуби на ряде промышленных предприятий сортируют шарики для подшипников, бракуют электронные детали с едва различимыми дефектами.