2. Возникновение и развитие бионики

Бионика, как относительно молодая наука, родилась на стыке биологических, физико-математических и технических наук и выросла из непосредственных запросов производственной практики. Она соединяет разнородные знания в соответствии с единством живой природы. Поэтому эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла. Скальпель – символ биологии, паяльник – техники, интеграл – символ математики и знак объединения этих двух отраслей знания. Эта эмблема официально принята на первом Международном симпозиуме по бионике, созванном Военно-воздушным ведомством США в Дайтоне (штат Огайо) 13-15 сентября I960 года. Здесь же состоялось официальное рождение бионики и был принят ее девиз: «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике». Определение науки бионики, данное учеными на первом симпозиуме, формулировалось так: бионика – искусство применять знания биологических процессов и методов к решению инженерных задач. На этом симпозиуме присутствовало 700 ученых: биологов, физиологов, инженеров, математиков, физиков – представителей ведущих научных организаций и крупных фирм. С большим интересом были заслушаны доклады участников симпозиума. Однако в действительности основные концепции бионики сложились задолго до этого, а симпозиум лишь ознаменовал начало широкого международного сотрудничества в этой области. Научные конференции по бионике организуют я достаточно часто в разных странах.

Слово «бионика» предложил в августе 1958 года американский исследователь Джек Стиль и дал следующее ее определение: «бионика – это наука о системах, функции которых копируют функции живых систем, о системах, которым присуши специфические характеристики природных систем или которые являются их аналогами». После успешного симпозиума в Дайтоне бионика стала привлекать все большее внимание ученых, инженеров и научно-исследовательских организаций во всем мире. В некоторых зарубежных странах стремятся использовать бионику для создания технических устройств военного назначения по заказам военно-воздушных сил и военно-морского флота. С появлением бионики наиболее активного развития в США достигли те ее направления, которые связаны с созданием систем вооружения и военной техники. Прослеживая динамику развития исследовательских работ по бионике в США по заказам военных ведомств, следует отметить, что ежегодные затраты на них стремительно возрастали и составляли весомо часть бюджета страны. В отдельные года более 50 организаций работали над 100 бионическими проектами и ежегодно израсходовали около 10 млн. долларов.

Бурное развитие бионики в направлении совершенствования военной техники способствовало проникновению ее приемов и методов во многие отрасли промышленности и сельского хозяйства. Ведь бионика – это наука междисциплинарная, или «наука-перекресток», которая может быть только динамической. Она не единственная наука-перекресток в той области, где естественные науки сходятся с инженерно-техническими. В 1949 году появилась кибернетика. Поэтому не случайно в первые годы после симпозиума в Дайтоне существовала тенденция рассматривать бионику лишь в связи с кибернетикой. Это предусматривало исследовать только методы приема, передачи, хранения и использования информации и управления, выявляемые в живых организмах, для построения технических систем управления, связи и переработки информации. Этому способствовала утвердившаяся уже в то время идея кибернетики о единстве управления в различных системах: живых организмах, сложных технических и социальных системах. Такая идея благоприятствовала проведению исследований по использованию в технике присущих биологическим объектам принципов управления и переработки информации. В кибернетике нашло наиболее яркое отражение взаимопроникновение самых различных наук. Впервые приблизив биологию к технике, она способствовала синтезу биологических и технических знаний. Установив аналогию в построении и функционировании живых и технических систем, кибернетика выработала единый подход к изучению процессов управления и организации в мире животных и машин. В процессе развития кибернетики возникало много новых научных и инженерных проблем. Появилась необходимость в повышении надежности различных автоматических систем, а также в создании систем, способных автоматически менять свои параметры в соответствии с изменением внешнего воздействия. Возрастающий круг научных проблем потребовал более обширного и глубокого изучения живой природа. Целенаправленное стремление ученых и инженеров найти в живой природе новые идеи, метода и средства для решения многочисленных инженерных проблем подготовило кибернетику к появлению новой области знания. Для возникновения бионики как науки кибернетика сформировала следующие предпосылки:

• способствовала углубленному изучение особенностей и преимуществ биологических систем перед техническими;

• благоприятствовала превращению биологии из качественной в более точную количественную науку;

• стимулировала создание новых технических средств исследования живых организмов;

• закрепила идеи и метода в биологии, дающие возможность получать новые знания о биологических системах, а также открывать новые свойства и принципы организации и функционирования живых организмов, которые можно использовать в технических устройствах;

• породила большое количество новых сложных научных и инженерных проблем.

Возникнув как составная часть кибернетики и получив от нее мощный начальный импульс по процессу заимствования «патентов» живой природы в технике, бионика сформировалась в отдельную, стремительно развивающуюся науку.

Известный американский ученый Уоррен Мак-Каллок подчеркивал, что бионику «никоим образом нельзя отождествлять с кибернетикой или считать частью этой науки. В сущности бионика – область гораздо более широкая». Кибернетика контактирует с бионикой только в той части, где исследуются механизмы восприятия, переработки и передачи информации в живых организмах. Бионика же охватывает в живой природе более широкий круг интересов ко всему, что может быть использовано для создания технических устройств. Она объединяет и взаимно обогащает разрозненные раннее биологические и технические науки. Бионика стремится найти в живой природе решения сложных технических проблем в промышленности и сельском хозяйстве на основе современных физико-математических методов исследования биологических систем.

Доисторический человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. В общем представлении такой подход можно назвать бионикой. В некоторой степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталике глаза.

С начала своего зарождения бионика использует основной метод своего исследования – моделирование. Фактически этот метод применялся еще далеко до возникновения бионики при попытках подражания человеком живой природе в своем техническом творчестве. С давних времен люди учились у природы, стремились использовать себе на пользу все то полезное, что создано в ней.

Древние изобретатели и конструкторы при создании первых технических устройств заимствовали у животных принципы отдельных процессов и строения их органов. На подражательный характер изобретательской деятельности человека уже в древности указывали древнегреческие мыслители Демокрит и Аристотель. Около 460-370 годов до нашей эры древнегреческий философ Демокрит писал: «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам, а именно, мы – ученики паука, подражая ему в ткацком и портняжном ремеслах, мы – ученики ласточек в построении жилищ... Природа сама научает нас сельскому хозяйству...». На заре человеческой деятельности использовались первобытные каменные орудия, которые по своей конструкции походили на органы животных, а выполняемые ими процессы были близки к действиям животных. Так, в рабовладельческих государствах использовались плуги старокитайской конструкции, которые рыли землю, как свинья или крот, но не делали борозды и не переворачивали пласта. Данные археологов свидетельствуют о том, что развитие орудий плужной обработки почвы начинается с примитивной кирки из рога. Режущим элементом в первобытных топорах был острый камень по форме природного зуба медведя.

Прослеживая историю развития науки, первыми исследователями на пути к бионике можно считать Леонардо да Винчи и Луиджи Гальвани, Н.А. Умова и Н.Е. Жуковского. Своим оригинальным творчеством они стали зачинателями нового подхода к изучению живой природы и решению технических проблем.

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи (1452-1519) – выдающийся ученый и художник эпохи Возрождения. Он пытался непосредственно подражать природным объектам при конструировании летательных аппаратов на основе изучения полета птиц. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. Он писал: «Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его движениями. Построенному человеком инструменту не хватает лишь души птицы, которая в данном случае должна быть заменена душой человека». В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.

В 1505 году Леонардо да Винчи высказал предположение о том, что в качестве образца летательной машины может служить летучая мышь, у которой кожаная перепонка, объединяющая все крыло, непроницаема для воздуха. Спустя около 400лет эта идея нашла воплощение в сконструированном и изготовленном Клеманом Адером летательном аппарате. Используя бамбуковые планки, он воспроизвел скелет летучей мыши в увеличенном виде. Каркас этого летательного аппарата под названием «ЭОЛ» был обтянут тонким шелком, который имитировал кожаную перепонку летучей мыши. Вместо крыльев Адер использовал пропеллер, который, подражая живой природе, был изготовлен из птичьих перьев. Установленный на этом аппарате достаточно сильный облегченный паровой двигатель позволил Адеру в октябре 1690 года совершить перелет в 60 метров. Последующая его летательная машина под названием «Авион» подражала окружающих большим сходством с живым прототипом.

В 1680 году Джованни Борелли издал в Риме труд под названием «О движении животных», в котором описал очень важные соображения по геометрическим и механическим исследованиям движения животных и человека.

Наука, использовавшая знания о живой природе, в XIX веке начала переходить от подражания к раскрытию существенных внутренних сторон и принципов действия живых организмов, с целью использования их в разработках технических устройств. Одним из первых в этом направлении внес вклад итальянский ученый Луиджи Гальвани (1737-1796). Его опыты с лапкой лягушки привели к созданию химических источников энергии – гальванических элементов.

Глубокий анализ общих закономерностей для живых организмов и технических конструкций впервые произвел русский физик Н.А. Умов (1846-1915). Он высказал важные научные идеи бионического характера и обнаружил единые основы всех организованных систем: животного, человека, машины. Н.А. Умов сформулировал важные положения о том, что действие живой материальной системы на неживую может быть заменено действием определенной неживой материальной системы, которая имеет бионический характер.

Значительный вклад в развитие биомеханики внес профессор Я.И. Грдина. Систематическое изложение новой отрасли теоретической механики – биомеханики он дал в своих трудах, изданных в 1910-1916 годах. Исследуя специфические особенности живых организмов на основе классической теории, он составил классификацию связей, динамические уравнения движения и методы их интегрирования. Им сформулированы вариационные принципы и основные теоремы динамики живых организмов, которую он рассматривал как классическую динамику неволевых материальных систем, подчиненных волевым связям. К волевым связям он относил параметры, которые содержат уравнения внутренних связей живого организма и которыми можно распоряжаться свободно.

Глубокий анализ общих принципов функционирования живых организмов и машин дал в своих трудах выдающийся русский ученый, основоположник гидро- и аэромеханики Н.Е. Жуковский (1847-1921). Разработку основных своих теорий он начинал с анализа действий животных. Он подчеркивал, что за внешним различием животного и машины нужно уметь видеть одинаковые принципы и общие факторы, лежащие в основе биологических и технических систем. Обращаясь к анализу полета птиц, Н.Е. Жуковский отмечал: «...глядя на летающие вокруг нас живые существа... мы невольно задаемся вопросом: неужели для нас нет возможности подражать этим существам?». Исследуя принципы функционирования живых организмов и создавая теории гидро- и аэромеханики, Н.Е. Жуковский применял разработанный им метод идеализации, позволяющий сосредоточить внимание в процессе научного исследования на главнейших свойствах предмета. Этот метод широко освещен в его работе «О парении птиц» (1892 г.), а также прослеживается в разработке вихревой теории гребного винта и теории гидродинамического удара. Выявляя секреты парящего полета птиц без затраты собственной энергии и применяя метод идеализации, Н.Е. Жуковский использовал «подсмотренные» у живой природы технические закономерности для разработки аэродинамики самолетов. Из всех его предшественников и современников Н.Е. Жуковский внес самый большой вклад в теоретизацию бионики, задолго до того, как эта наука обрела свой облик. Работы, в которых Жуковский анализировал движение живых организмов, являются классическим образцом теоретического изучения биологических систем.

Значительный вклад в раскрытие технических закономерностей биологических систем в период становления бионики как самостоятельного научного направления внесли А. Тьюринг, У.С. Мак-Каллок, У. Питтс, К.Э. Шеннон, Н. Винер, П.К. Анохин и другие. Появление в 1936 году труда английского математика А. Тьюринга, в котором была разработана «машина Тьюринга», можно идентифицировать с началом бионики как науки. Машина Тьюринга была описана для создания электронных вычислительных устройств и подразумевала всякую систему, способную действовать по алгоритму. Частным случаем идеализированной машины Тьюринга является любая физическая машина, нервная система, мозг. Значение работы Тьюринга для развития бионики состоит в том, что в ней нашли наиболее четкое выражение сущность и характер технических законов работы мозга, их алгоритмичность. Это потребовало более глубокого анализа процессов, связанных с умственной деятельностью человека и, в частности, изучения возможности имитирования машиной отдельных видов этой деятельности. Идея Тьюринга убеждает в том, что те мыслительные процессы, которые поддаются алгоритмизации, могут выполняться техническим вычислительным устройством.

В 1943 году была опубликована работа У. Мак-Каллока и У. Питтса «Логическое исчисление идей, относящихся к нервной активности», в которой идея машины Тьюринга нашла свое дальнейшее развитие. В этой работе рассмотрена связь формальных нервных сетей с логикой, которая описывает мыслительные процессы. Это означало установление связи с вычислительными машинами, работающими по правилам логики, а также выход теории формальных нейронов в технику. Нейронной сети, как идеализированной схеме, присуща способность работать в соответствии с техническими закономерностями, действующими в мозге и вычислительной машине. Следовательно, любой мыслительный процесс, который может быть описан средствами логики, может быть реализован формальной нейронной сетью и, а зависимости от практических достижений, быстро или с течением времени осуществлен технически. Работа этих ученых подтвердила возможность выполнения деятельности и функций нервной системы человека обычным механизмом.

Из современных ученых можно назвать имя Осипа М.Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Рассматривая поступательное развитие бионики, следует отметить, что в этом процессе было много примеров, когда инженеры в технические разработки вкладывали идеи, не обнаруживая того, что эти же идеи давно уже заложены природой в живых организмах. А затем оказывалось, что многие технические конструкции, которые инженеры изобрели самостоятельно и считали их пределом совершенства и оригинальности с давних времен запатентованы живой природой. Так, перед второй мировой войной инженеры, независимо от биологов, разработали и реализовали принцип радиолокации. Практическое осуществление этого принципа потребовало решить ряд трудных радиотехнических задач, изобрести множество важных и оригинальных технических приемов, создать сложные устройства и приборы. В результате этих работ был создан передатчик радиолокатора, который излучал радиоволны короткими, но мощными импульсами через строго определенные промежутки времени. Создатели этого интересного прибора не предполагали, что многие технические задачи, с которыми они сталкивались в процессе работы над радиолокационными станциями, "решены" природой миллионы лет тому назад. Со значительным опозданием после того, как инженеры открыли принцип локации, был выявлен и исследован его прототип в живой природе. Только после окончания второй мировой войны английский ученый Дональд Гриффин, основываясь на разработанных инженерами идеях локации и используя наиболее совершенные электронные приборы, обнаружил наличие у летучих мышей поразительных по своему совершенству органов эхолокации. Несмотря на плохое зрение, органы эхолокации позволяют летучим мышам ориентироваться в полной темноте – летать и охотиться. Этим исследованием была дана разгадка задачи, над которой задумывался выдающийся биолог и физиолог прошлого – Спалланцани (1729-1799). Он впервые установил, что ночное видение у летучих мышей связано с работой не глаз, а с санацией органа слуха и ротовой полости. Объяснить этот процесс в то время ему не удалось. В дальнейшем результаты работы по изучению структуры эхолокационного сигнала у летучих мышей, натолкнули ученых на создание более совершенных локационных систем.

Аналогичный пример наблюдался в создании средств борьбы с флаттером в скоростной авиации. Флаттер – это внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев, которые приводили к внезапному разрушению самых прочных конструкций самолетов. После выяснения причин многочисленных аварий конструкторам удалось найти техническое решение борьбы с флаттером: крылья самолетов необходимо было выполнять с утолщением на краях. С большим опозданием после решения задачи по устранению флаттера известным академиком М.В. Келдышем, точно такие же утяжеления (птеростигмы), гасящие вредные колебания, были найдены на концах крыльев стрекозы.

В последних вышеприведенных случаях инженеры и природа пришли к единому решению независимо друг от друга. Ведь природа и техника действуют по одним и тем же законам, соблюдая принцип экономичности и подбирают оптимальные конструктивные решения для создаваемых систем. Независимость многих конструктивных разработок, предложенных инженерной мыслью, от давно существующих в живой природе подобных решений объясняется некоторыми особенностями развития биологии как самостоятельной науки. Поскольку в биологии основными методами были анализ и словесное описание, отсутствовала теория и практика биологического моделирования, то накопленные ей знания не могли быть материализованы и претворены в реальные технические системы. Биология долгое время развивалась вне связей с техникой, поэтому она не могла ориентировать инженеров на поиск нужных аналогов для создания того или иного технического устройства. Попытки копировать природу показали, что она не только великолепно устроена, но и идеально «рассчитана». В процессе эволюционного развития природа придавала своим творениям ту единственно верную и целесообразную форму, которая является наиболее оптимальной. В большинстве случаев очень трудно познать принципы формообразования биосистем. Существующие методы инженерной и математической науки еще не всегда позволяют рассчитать биологические формы, хотя это не означает, что они незакономерны. Природа тяжело раскрывает секреты своего творчества и требует для этих целей проведения тщательных исследований с помощью специально разработанных методик с применением новейших установок, приборов и аппаратуры. Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций и для их познания и исследования необходимы универсальные знания. Возникает потребность в такой организации знаний, которая позволяет интегрировать их на основе единых всеобъемлющих принципов.

Поднимаясь по ступеням эволюции, человечество создавало более совершенные машины и приборы, многие из которых даже превзошли изобретения природы. Но чем выше уровень техники, тем чаше мы обращаемся за «патентами» к природе. Наблюдая за процессом рытья землероющих животных и насекомых, человек пытался моделировать его, проводя бионические исследования и создавая оптимальные конструкции рабочих органов землеройных и почвообрабатывающих малин. Так, оснащение режущих лезвий почвообрабатывающих и землеройных машин зубьями по прототипу с некоторыми роющими органами животных и насекомых-землероев позволяет снизить сопротивление резанию на 25%. Подводные лодки, форма которых выношена по прототипу туловища тунца, развивают скорость на 25…30% выше, чем существующие конструкции. Форма корпуса спортивной скоростной лодки, схожая с телом меч-рыбы, позволяет снизить сопротивление воды. Форма крыла самолета в большинстве случаев копирует форму крыла птиц.

После того, как бионика получила официальное признание как самостоятельная область знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура.

Быстрое развитие науки, результаты новейших биологических исследований позволили глубже изучить явления и процессы, происходящие в живой природе, что открывает качественно новые возможности для их моделирования. Однако природа и сейчас таит в себе еще много неразгаданных секретов, которые могут быть использованы в техническом творчестве создателей новых машин. Познав отдельные элементы творений природы, необходимо исследовать и осуществить в конструкциях технических устройств всю глубину оригинальных решений, заложенных в биологических объектах. Это наиболее совершенные по форме и высокоэкономичные роющие конечности у крота, медведки, жука-носорога, алтайского цокора и сурка с их кинематикой движения, пневматический отбойный молоток у земляной осы, гидравлический привод конечностей у паука с очень быстрым перепадом давлений, указатель скорости движения у жука, реактивный двигатель у кальмара, предсказатель штормов у медузы, опреснитель морской воды в клюве альбатроса, точный барометр у пиявки, лягушки, вьюна, высокочувствительный сейсмограф у водяного жука и кузнечика, поляризационный солнечный компас у пчелы, гиротрон у мухи, буровой рабочий орган у червя, обтекаемая демпфирущая кожа у дельфинов, ламинаризованная форма тела у тунца и меч-рыбы, структурные механизмы челюстного аппарата у птиц и многие другие. Изучая биологические системы, бионика ищет оптимальные решения инженерных проблем. При этом она не только занимается коренным усовершенствованием существующих, но и созданием принципиально новых машин, аппаратов, приборов, строительных конструкций и технологических процессов, построением технических устройств, характеристики которых приближаются к таковым у живых систем. Такое определение существенно упрощает понятийное содержание бионики. Однако здесь имеется существенное ограничение. Оно заключается в том, что далеко не все природные системы опережают уже созданные технические.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития.

При современном уровне развития техники природа все же опережает человека. Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

Во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Человеку пока неизвестны законы их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается «за кадром».