БИОНИКА
(от греч.
— жизнь) — научное направление, изучающее принципы построения и функционирования биологических систем с целью создания новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем. Используя живую природу как источник для новых тех. идей, Б. исследует аналогии между живыми и искусственными системами, сопоставляет их важнейшие параметры, устанавливает, в чем природа совершеннее и экономнее совр. техники и, опираясь на добытые знания, ищет принципиально новые пути оптим. решения многих сложных инженерных проблем.
В Б. обычно выделяют три направления: экспериментальную Б. (выявление идей и принципов живой природы, которые можно положить в основу решения тех или иных инженерных проблем); теоретическую Б. (разработка матем. моделей биол. систем); техническую Б. (реализация моделей математических, создание новых тех. средств и систем — приборов, аппаратов, устр-в, действие которых основано на аналогии с биол. принципами, и которые превосходят по своим характеристикам уже созданные ранее).
По научному содержанию отдельных направлений Б. можно разделить на следующие пять разделов: нейробионика, восприятие и преобразование информации в анализаторных системах, биомеханика, ориентация и навигация, биоэнергетика.
Нейробионика изучает и реализует в технических устройствах принципы переработки информации, в нервной системе человека и животных. Исследование способов
преобразования информации в биол. системах началось с изучения нейронов и разработки их различных матем. и тех. аналогов (см. Модель нервной клетки). От построения аналогов отдельных нейронов перешли к созданию их комплексов — моделирования пучков нервов и сетей (см. Нейронные сети). При помощи искусственных нейронных сетей исследуют различные стороны работы головного мозга — память, выделение сигналов на фоне помех, логич. операции, процесс обучения и т. п. Кроме создания физ. сетей из нейроподобных элементов, нервные сети моделируют на ЭВМ. Моделирование нейронов и нервных сетей привело к построению ряда устр-в, позволяющих решать некоторые задачи, связанные с передачей и обработкой информации. Примером таких устр-в являются персептроны. Предпринимаются попытки по аналогии с живой природой выращивать искусственные нейроны и целые нейроподобные системы. Освоение технологии произв-ва искусственных нейронов в виде микрокомпонент коллоидных размеров (
) и молекулярных размеров (
) позволило бы резко повысить надежность, быстродействие, уменьшить вес, габариты, потребляемую мощность электронных систем.
Изучение восприятия и преобразования информации в анализаторных системах отдельных видов животных позволило обнаружить многие, ранее неизвестные свойства некоторых их органов чувств и разработать по их образцу ряд оригинальных устр-в. Так, на основе изучения глаза мечехвоста создана электронная модель, которая обладает способностью усиливать контрастность между краями наблюдаемого объекта и окружающим фоном. Такой аналог глаза позволит улучшить работу телевизионных трактов ряда систем, таких, как системы получения и анализа снимков Луны и других планет, аэрофотоснимков земной поверхности со спутников и др. Амер. фирма «Дженерал электрик» разработала бионическое устр-во — «визилог», которое способно выполнять некоторые функции человеческого глаза: воспринимать изображение, проводить измерения и передавать информацию. Предполагают, что такие устр-ва будут устанавливать на непилотируемых космических кораблях. Удалось построить довольно удачную электронную модель лягушечьего глаза. Она способна видеть контур изображения с учетом контрастности, отсеивать информацию о неподвижных предметах, вести наблюдения только за движущимися объектами. Создание моделей глаза и части зрительного анализатора (см. Модель зрительного анализатора) по существу является первым шагом в изготовлении нового типа оборудования, предназначенного для решения сложных задач обнаружения, слежения и наведения.
Исследования органов слуха ведутся в несколько меньших масштабах, но также интенсивно. Изучаются конструктивные особенности звуковых анализаторов, механизмы обработки акустических сигналов и акустические сервомеханизмы. Разработана электронная модель (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха, электронная модель слухового органа, обеспечивающая различение слабых сигналов на фоне шумов за счет корреляционного процесса (см. Модель слухового анализатора). Сотрудники Ленинградского электротех. ин-та связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича построили «электронное ухо» для оценки качества звучания
1. Блок-схема прибора для предсказания штормов (искусственное «ухо медузы»),
2. Схема «электронного носа».
3. Схема перемещения прыгающего автомобиля.
4. Схема испытанных образцов искусственной «быстроходной» дельфиньей кожи «ламинфло»: а — толстая кожа с отдельными столбиковыми опорами; б — тонкая кожа со сплошными ребристыми опорами;
1 и 4 — гладкие бесшовные резиновые оболочки: 2 - резиновая диафрагма; 3 — вязкая демпфирующая жидкость; 5 — стенка жесткой модели.
музыкальных инструментов. Установлено, напр., что слуховой анализатор медузы способен улавливать инфразвуковые колебания (частотой 8—13 гц), возникающие во впадинах штормовых волн и распространяющиеся со скоростью, превышающей скорость приближения шторма. На основе принципа действия инфрауха медузы создан автомат, предсказатель штормов (рис. 1). Он определяет направление и силу шторма приблизительно за 15 ч. Построено несколько электронных устр-в, способных анализировать запахи и определять по ним сорта цветов, вин, табака, кофе, бензинов, медикаментов, пищевых продуктов, парфюмерных товаров. Некоторые приборы воспринимают запахи при концентрации 0,00001% (рис. 2). Такие устр-ва можно применять в качестве дегустаторов различных продуктов, устанавливать в операционных, шахтах, на складах, в бензохранилищах, на территории фабрик и заводов.
Биомеханика изучает структурные и функциональные особенности рук и ног человека, механику бега, прыжков, ползания ряда животных, форму тела и локомоторный аппарат рыб, моллюсков, млекопитающих, полет птиц и насекомых. Проведенные исследования принесли много полезного. Так, анализ способа передвижения пингвинов привел к созданию оригинальной снегоходной машины «Пингвин», развивающей скорость до 30 км/час. Бег кенгуру подсказал идею создания «прыгающей» машины (рис. 3). Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческой руки. Значительных успехов достигла и гидробионика. Изготовлены опытные образцы искусственной «быстроходной» дельфиньей кожи — «ламинфло» (рис. 4). Обшитая ею модель катера при тех же мощностях силовых установок движется почти в два раза быстрее. Многообещающими для будущего авиастроения являются проводимые бионические исследования полета птиц и насекомых. Б. ищет разгадку феноменальной подъемной силы живого крыла, пытается постигнуть закономерности машущего полета, познать секрет его высокой экономичности. Моделирование и изучение идеально отработанного природой машущего полета может дать ключ к созданию принципиально новых, высокосовершенных летательных аппаратов. Возможно, бесшумный полет совы подскажет авиаконструкторам эффективные способы снижения лобового сопротивления, летательные механизмы аиста, пчелы, саранчи, стрекозы, шмеля — способы повышения экономичности, маневренности и относительной скорости полета современных воздушных лайнеров, а «стоячий» полет мухи - журчалки или зависания маленьких колибри в воздухе над цветком — новые, отличные от вертолетных, способы вертикального взлета и посадки.
В последние годы сложилось еще одно новое научное направление, в котором Б. сотрудничает с архитектурой и строит, техникой, — архитектурная бионика. Используя в качестве образцов модели живой природы — стебли растений, нерватуру живого листа, скорлупу яйца — инженеры создают прочные и красивые архитектурные сооружения: жилые дома, мосты, кинотеатры и др. Большое внимание уделяют бионическим исследованиям органов стабилизации, локации, ориентации и навигации у животных. Исследования в этой области привели к созданию ряда оригинальных тех. приборов и систем, напр., гиротрона — прибора, который можно применять вместо гироскопа в скоростных самолетах и ракетах. Он работает по принципу жужжалец насекомого: плоскость, в которой они колеблются, занимает неизменное положение в пространстве. Построен малогабаритный указатель скорости самолета относительно земли, в конструкции которого использованы некоторые принципы строения и функционирования глаза жука. Тщательно изучают локационные аппараты летучих мышей, дельфинов и др. животных и на основе этого создают более совершенные радары, сонары, ультразвуковые устр-ва — «поводыри» для слепых. Б. решает широкий круг задач, связанных с биоэнергетикой живых организмов. В частности, большой интерес представляет изучение и моделирование работы мышцы, основанной на непосредственном превращении хим. энергии в мех. (см. Искусственная мышца).
Другой важнейшей проблемой является разработка принципиально новых экономичных и дешевых биохим. источников энергии. В решении этой задачи Б. идет по двум направлениям. Первое — получение с помощью бактерий горючих газов из органических отходов. На этом принципе построено несколько небольших экспериментальных энергет. установок. Другое направление связано с созданием элементов, электроды которых находятся в сосуде, содержащем бактерии и запас кормов. Параллельно с созданием биохим. источников энергии ведутся работы по изучению биоэлектрогенеза — генерирования электричества живыми организмами. Известно, напр., около 500 различных видов рыб, генерирующих электроэнергию. Самая мощная «электростанция» у морского угря; она способна вырабатывать электр. разряд, напряжение которого достигает 650 в. Бионики надеются, что по принципу электростанции угря будет создана батарея, которая сможет быстро восстанавливать израсходованную энергию.
Б. — наука молодая, но она все больше и больше проникает в различные отрасли производства и в сферу научных исследований. Лит.: Бионика. М., 1965; Вопросы бионики. М., 1967; Литинецький I. Б. Бюнша. К., 1967 [библиогр. с. 245—246]; Анисимова Т. Н. Бионика. Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы. 1958—1968. М., 1971; Литинецкий И. Б. На пути к бионике. М., 1972 [библиогр. с. 222]; Жерарден Л. Бионика. Пер. с франц. М., 1971; Бертон Р. Чувства животных. Пер. с англ. М., 1972 [библиогр. с. 194—197]; Литинецкий И. Б. Беседы о бионике. М., 1968; Проблемы бионики. Пер. с англ. М., 1973.
И. Б. Литинецкий.
