БИОНИКА

БИОНИКА (греч. bios жизнь + [электро]ника) — наука, изучающая возможности инженерно-технического применения информационно-управляющих и конструкционноэнергетических принципов, реализованных в живых организмах. Возникновению Б. во многом способствовало появление специальных требований, предъявляемых новыми областями техники (ракетно-космическая, авиационная, мед. приборостроение, электронное машиностроение, ЭВМ и др.) к миниатюрной аппаратуре и множеству деталей, которые должны обладать минимальными размерами (объемом), весом (массой) и энергопотреблением при максимуме надежности. Таким требованиям удовлетворяют многие принципы и конструкции как целостного организма, так и отдельных органов, тканей, клеток и, наконец, биомолекул, Б. занимает пограничное положение между медико-биологическими и техническими науками. Научной биол, базой Б. служат экспериментально-теоретические основания таких наук, как физиология, особенно физиология высшей нервной деятельности, нервно-мышечная физиология, физиология органов чувств; анатомия и гистология, особенно морфология центральной и периферической нервной системы, проводящих путей; биофизика, особенно биофизика возбуждения, биоэнергетика, биомеханика, а также биохимия, зоология, ботаника, общая биология и кибернетика. Физико-технической научной базой Б. служат техническая кибернетика, молекулярная физика и физика твердого тела, радиоэлектроника, микроэлектроника, механика, гидравлика, теория автоматического регулирования. Термин «бионика» был предложен Стиллом (D. Still) в 1958 г. Официальное появление Б. как науки относят к концу 1960 г., когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который прошел под лозунгом: «живые прототипы — ключ к новой технике».

Уже к началу 1964 г. только но одной из проблем, вошедших в круг задач новой науки,— моделированию процессов распознавания образов (см.) — было опубликовано более 500 работ.

Возникновение Б. неразрывно связано с появлением новых идей об общности процессов управления в машинах, живых организмах и обществе, возникших в науке об управлении в сороковых годах нашего столетия и оформившихся в результате работ Н. Винера в виде новой науки об управлений и связи — кибернетики (см.). Такой подход имел определенное значение как для техники, так и для мед. и биол, наук и привлек к себе не только инженеров и математиков, но и биологов. В результате возникло два новых научных направления: 1) биокибернетика, цель к-рой — изучить информационно-управляющие процессы в живых организмах, используя методы кибернетики, и 2) бионика, цель к-рой — изучить возможности применения информационно-энергетических свойств биол, объектов, в т. ч. конструкций и схем биоинформационных систем в технике, с целью усовершенствования существующих или создания новых, более совершенных технических систем.

В большинстве ведущих исследований биокибернетический и бионический подходы бывают обычно настолько тесно связаны, что рассмотрение каждого из них в отдельности теряет смысл, и они выступают как неразрывные части некоего единого процесса познания, в к-ром бионический подход возникает как результат определенных успехов биокибернетического подхода.

В свою очередь успех биокибернетического подхода, напр, метод «черного ящика», часто бывает обусловлен бионической, т. е. конструкционно-энергетической технически осмысленной постановкой задачи в части реализации общих гипотез кибернетики.

Основные направления бионики

Свойства биологических систем (см. Биологическая система) представляют интерес для техники. Во-первых, в плане заимствования информационно-управляющих способов живых организмов при реакциях на изменения окружающей среды, для выработки соответствующих поведенческих актов, являющихся ответом на эти изменения. Во-вторых, в плане заимствования структурных и механических свойств биол, систем. В-третьих, представляет интерес применение хим. и энергетических процессов, происходящих с высоким кпд в этих системах. Первый аспект интереса к биол, системам открывает новые возможности в изыскании и технической реализации новых принципов и устройств переработки информации, создании новых элементов систем автоматики и вычислительных устройств; второй — в разработке новых типов конструкций технических устройств, связанных конструкциями и с механическими передвижениями; третий — в освоении новых технологических процессов и аппаратов хим. производства и разработке новых методов превращения хим. энергии в электрическую.

Известно, что способность живых организмов весьма гибко реагировать на изменения окружающей среды связана с деятельностью анализаторов — зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, вкусового. Многие задачи, успешно решаемые анализаторами живых организмов, напр, чтение рукописных текстов и восприятие речи человеком, весьма тонкое распознавание сигналов, которыми различные виды живых организмов обмениваются между собой и т. д., до сих пор еще далеки от решения их с помощью технических устройств.

Одной из загадочных особенностей многих птиц, рыб и морских животных являются их весьма совершенные навигационные способности. При сезонных миграциях эти животные преодолевают огромные расстояния, с высокой, пока необъяснимой точностью отыскивая прежние места обитания. Принципы получения и переработки информации в их навигационных «устройствах», несомненно, представляют интерес для техники.

Весьма совершенными являются пассивные и активные анализаторы (локаторы), имеющиеся у дельфинов, китов, летучих мышей, некоторых видов птиц, бабочек и других животных. Для ориентировки в пространстве летучие мыши излучают короткие импульсы ультразвуковой частоты и производят оценку времени возвращения эха. Локаторы летучих мышей настолько совершенны, что они уверенно маневрируют в темноте между рядами натянутой проволоки и другими препятствиями. Многочисленные эксперименты, проведенные с летучими мышами, показывают, что в том случае, когда в процессе активного лоцирования масса летучих мышей одновременно издает «крики» (ультразвуковые сигналы), эти сигналы, по-видимому, не заглушают друг друга, а ультразвуковой шум значительной силы почти не влияет на их поведение. Эти свойства природных локаторов могут помочь в решении проблемы устранения шумовых сигналов (как естественных, так и искусственно создаваемых), при конструировании новых видов технических локаторов.

Некоторые породы рыб, живущие в условиях полного отсутствия видимости, обнаруживают добычу и ориентируются в пространстве при помощи электрической системы, к-рая представляет собой по существу локатор особого типа. Скат создает вокруг своего тела электрическое поле, к-рое изменяется при его перемещении в пространстве. По изменениям этого поля, воспринимаемым специальными рецепторами, рыба ориентируется и получает возможность находить и преследовать добычу. Исследование такого электрического локатора позволит разработать новые анализаторные устройства, напр, для защиты от подводных лодок, ориентирования их под водой.

Некоторые животные обладают способностью заранее чувствовать приближение опасных для них изменений окружающей среды. Так, медузы за несколько часов предчувствуют приближение шторма, отдельные виды рыб предчувствуют землетрясение. Изучение этих свойств животных поможет создать приборы, выполняющие аналогичные функции.

Биологические системы располагают большим количеством различных датчиков-анализаторов — преобразователей энергии внешних стимулов (тепловой, световой, механической) в энергию нервных импульсов. По миниатюрности . и чувствительности эти анализаторы пока далеко превосходят свои технические аналоги. Так, органы, расположенные на ножках некоторых насекомых, позволяют улавливать смещения в доли микрона. Тепловые рецепторы гремучей змеи регистрируют изменение температуры на 0,001°. В биол, системах имеются также датчики принципиально нового типа, такие как датчики вкусовых и обонятельных сигналов, способные улавливать единичные молекулы. Обонятельный аппарат угря, напр., способен уловить присутствие единичных молекул алкоголя, не определяемых высокочувствительными методами химического анализа.

Технические информационно-управляющие системы по чувствительности и часто по быстродействию превосходят биол, системы, но уступают последним по габаритам, потребляемой мощности и надежности. Один нейрон занимает объем 10^-8—10^-7 см³, объем мозга человека составляет всего 1000 см³, мозг потребляет мощность ок. 20 вт и работает, не выходя из строя, в среднем ок. 585 тыс. час.

Мощность, потребляемая современными вычислительными машинами, составляет десятки киловатт, а срок безотказной работы самой высококачественной аппаратуры исчисляется только сотнями часов. Даже если ориентироваться на самые прогрессивные разработки, обеспечивающие объемную плотность 10³—10⁴ элементов в 1 см³ и потребление энергии 1 мвт/элемент, то и в этом случае объемная плотность и экономичность биол, систем окажутся на несколько порядков более высокими. Это позволяет надеяться на разработку новых принципов дальнейшей миниатюризации аппаратуры систем управления и вычислительных машин.

Перечисленные свойства живых организмов составляют предмет исследования информационно-анализаторного направления бионики.

Вторым аспектом Б. является изучение возможностей технического применения структуры и конструкций биол, систем, изучение механических, энергетических и хим. процессов, происходящих в них.

В строительных консольных конструкциях, освоенных человеком, отношение высоты к наибольшему диаметру не превосходит 20—30, в то же время в природе существуют конструкции, у которых это отношение значительно выше 30 (ствол эвкалипта, пальмы и др.).

Изучение конструкций туловища рыб и морских животных в плане гидродинамических механизмов их перемещения в воде может дать много полезного для кораблестроения. Рыбы и морские животные весьма экономно расходуют энергию и при этом способны развивать высокие скорости. Так, скорость дельфина достигает 12—16 м/сек, скорость летучих рыб — 18 м/сек (т. е. 65 км/час, что равно скорости курьерского поезда), а скорость тунца — более 30 м/сек.

Третьим важным аспектом Б. является изучение биохим, процессов, происходящих в живой природе, с точки зрения кпд, которые могут служить образцом для разработки новых технологических процессов. В этом аспекте еще только начинаются исследования особенностей процессов тепломассообмена и термодинамики живых организмов популяций и сообществ. В качестве примера можно привести осуществляемые растениями и микроорганизмами с высоким кпд процессы фотосинтеза, синтеза уксусной к-ты, производство полноценного белка, переработку древесины в жиры и белки, осуществляемую микроорганизмами в кишечнике термитов и т. п. Интересными проблемами являются также изучение механизмов работы биохимических источников электроэнергии; исследование биохим, и биоэнергетических процессов применительно к технике процессов и аппаратов в хим. машиностроении.

Все три рассмотренных аспекта Б. показывают, насколько широки возможности постановки бионических исследований.

Направление исследования информационно-анализирующих устройств биообъектов, к-рое в наст, время развивается наиболее интенсивно, подразделяется в свою очередь на ряд самостоятельных направлений, предмет которых составляют:

— общие закономерности способов и устройств переработки информации в нервной системе; сюда относятся моделирование процессов в нейроне, исследование методов кодирования информации на разных уровнях, исследование моделей нейронных сетей;

— информационные способы и устройства в биоанализаторах и процессы распознавания образов; сюда относятся исследования механизмов работы рецепторов, построение моделей различных анализаторных систем и разработка на их основе алгоритмов распознавания образов, исследование способов кодирования при обмене информацией между живыми организмами. Кроме того, для техники представляют интерес механизмы обучения и адаптации, памяти, обеспечения надежности, компенсаторные функции живых организмов, а также механизмы, управляющие регенерацией органов в плане создания самовосстанавливающихся технических устройств;

— системы регулирования, управляющие деятельностью отдельных автономных подсистем высших организмов, которые представляют собой отдельные гомеостатические контуры, напр. система кровообращения, система дыхания, глазодвигательная система, с учетом особенностей реализованного принципа иерархичности в биол, системах, дающих большие возможности для заимствования в технических разработках.

Следует отметить, что успех бионических исследований не может быть обеспечен при простом механическом перенесении в технику схем, выработанных природой.

В природе можно найти много примеров решений и свойств живых организмов, совершенно неудовлетворяющих технику. Достаточно упомянуть только, что нормальная жизнедеятельность биол, систем возможна в узких пределах температуры (0—70°) и давления (0,7— 3 кг/см²), а быстродействие элементов нервной системы значительно ниже быстродействия технических элементов. Время, необходимое для перевода нейрона из невозбужденного состояния в возбужденное, составляет 10^-2—10^-1 сек., тогда как для технических элементов оно достигает 10^-7—10^-8 сек. В силу этого основное внимание обращается на изучение и освоение принципов работы элементов и систем живых организмов, что позволит за счет реализации этих принципов на элементах другой физической природы получить системы более совершенные, чем те, которые созданы в процессе эволюции в живых организмах.

Методы исследования бионики. В основе большинства бионических и биокибернетических исследований, особенно в основе информационного их направления, лежит метод моделирования. Термин «модель в бионике» нередко трактуется очень широко — от физ. устройства, воспроизводящего функции моделируемого объекта и математической модели (либо программы на ЭВМ), до суммы логических представлений, описывающих объект, т. е. согласованной системы фактов и гипотез о сущности изучаемой системы (см. Моделирование).

Моделирование механизмов работы тех или иных отделов биол, системы обычно разбивается на этапы: на первом этапе проводится изучение, систематизация и сопоставление существующих физиол, данных — результатов морфол., электрофизиол. и психофизиол, исследований и получение в случае необходимости новых данных об объекте. На втором этапе— разработка на основе проведенного анализа физиол, данных кибернетической гипотезы о работе исследуемой биол, системы, т. е. такой гипотезы, к-рая включает в себя широкий комплекс технических и математических сведений, используемых современной наукой об управлении; наконец, на последнем этапе осуществляется проверка разработанной гипотезы, к-рая может производиться в двух направлениях: во-первых, посредством расчетов на вычислительных машинах, физических или математических, во-вторых, проверка соответствия гипотезы объективной реальности посредством физиол. эксперимента.

Моделирование биол, систем в кибернетике и Б. может проводиться посредством различных методов. В обобщенных методах кибернетики, важных для Б., ставится задача получить алгоритм, описывающий работу моделируемого объекта, причем не требуется сходства структуры модели со структурой объекта. Этот метод представляет собой метод функционального моделирования, или метод «черного ящика». Метод функциональною моделирования основывается на психофизиологических и поведенческих данных об объекте. Применительно к задачам Б. метод «черного ящика» позволяет получить ряд важных данных, позволяющих выбрать тот или иной биол, принцип построения технической системы (дискретной, аналоговой). В другом, не менее важном для Б. дискретноструктурном методе моделируются принципы и сущность информационно-управляющих нейронных механизмов того или иного отдела мозга. В этом случае требуется выяснять как дискретную структуру моделируемого объекта, так и характер взаимосвязей между его элементами (множествами). В отличие от первого метода, этот метод использует комплекс физиол, данных, полученных психофизиологами, морфологами и электрофизиологами.

Основные результаты бионики

Одним из первых результатов Б., внедренных в технику в области заимствования принципов биоанализаторов, явилась разработка гиротрона — прибора, применяемого вместо гироскопа для стабилизации летательных аппаратов. Изучение некоторых насекомых (бабочек, жуков) показало, что они имеют булавовидные усики, которые во время полета колеблются в горизонтальной плоскости. При отклонении тела насекомого концы усиков продолжают колебаться в той же плоскости, что вызывает у основания усиков механические напряжения, воздействующие на находящиеся здесь нервные клетки. От них сигналы по нервным волокнам поступают в центральные отделы нервной системы, которые вырабатывают соответствующие ответные сигналы для управления органами тела насекомого, восстанавливающими правильное положение его в полете. Принцип работы этого биоаналнзатора применен в техническом устройстве — гиротроне, представляющем собой камертон, ножки к-рого приводятся в колебательное движение электромагнитом, питаемым переменным током. При повороте держателя, на к-ром укреплен камертон, у основания ножек возникает механический момент. Датчик, реагирующий на него, посылает сигнал, пропорциональный углу поворота держателя. Гиротроны применяются в летательных аппаратах, ведется дальнейшая работа по их совершенствованию: увеличению чувствительности, срока службы, уменьшению габаритов.

Другим примером является построение измерителя земной скорости для самолета, использующего принцип работы фасеточного глаза насекомых (пчелы). Прибор состоит из приемников, расположенных у основания двух трубок, разведенных на заданный угол в вертикальной плоскости. Для определения скорости самолета относительно земли производится фиксация определенной точки земной поверхности сначала в одном, потом в другом приемнике. Зная промежуток времени между появлением выбранной точки в первом и во втором приемниках и высоту самолета над поверхностью земли, легко определить скорость.

Наблюдения за поведением пчел позволили выдвинуть гипотезу об ориентировке некоторых видов птиц и насекомых по поляризованному излучению солнца, использующую тот факт, что световые лучи, поступающие от солнца, поляризованы по-разному при расположении солнца на различной высоте над горизонтом. Эти исследования привели к созданию солнечного компаса, дающего возможность ориентироваться но солнцу при наличии облачности. Ряд приборов, необходимых для устройств самонаведения и локации, предложен в результате изучения механизмов функционирования глаза лягушки. На основе исследования свойств некоторых морских организмов улавливать инфразвуки построены приборы для сигнализации о приближении шторма.

Применение в технике нашли также конструкционно-энергетические принципы, заимствованные у биообъектов. Так, использование форм обводов китообразных для строительства кораблей позволило получить выигрыш в мощности силовых установок до 40%. Другим примером является способ передвижения пингвинов по снегу, он использован для постройки нового вездехода для полярных районов.

Интересным результатом является попытка использования некоторых видов микроорганизмов для создания электрических источников тока.

Наиболее существенные результаты информационного направления Б. состоят, во-первых, в разработке моделей одиночных нервных клеток, моделей участков нейронных сетей и целых отделов нервной системы — анализаторов и, во-вторых, в разработке на базе этих моделей обучающихся машин и алгоритмов для распознавания образов. Разработано несколько сот моделей нейронов, различающихся по количеству и сложности воспроизводимых свойств нейрона. Некоторые разработки представляют собой по существу сложные адаптивные элементы нового типа, созданные на базе представлений о нейроне, и предназначены для создания распознающих обучающихся устройств. Успехи, достигнутые при разработке моделей анализаторных отделов мозга, связаны с формулировкой известного в физиологии принципа латерального тормозного взаимодействия между элементами проекционных отделов нервной системы и разработкой теории детекторов как основного механизма работы анализаторов. Согласно этой теории процесс восприятия того или иного раздражителя является результатом выделения некоторых простых признаков этого раздражителя посредством набора специально организованных ансамблей нейронов — детекторов. Напр., при анализе зрительного изображения обнаружены детекторы границы темного и светлого участков, детекторы кривизны, детекторы прямых линий определенного направления, детекторы перекреста прямых линий и т. п. В ходе эволюции у животных функции детекторов усложняются, появляются детекторы движения с определенной скоростью, детекторы движения в определенном направлении. На базе теории детекторов разработаны модельные представления о работе зрительного и слухового анализаторов, объясняющие ряд свойств слухового и зрительного восприятия.

Созданные на базе бионических исследований распознающие и обучающиеся устройства, конечно, еще весьма несовершенны, и создание их должно рассматриваться как первые шаги в этой области. Тем не менее уже созданы устройства для распознавания простейших рисунков, для распознавания ограниченного набора слов (ок. 300), разработаны адаптивные автопилоты и самонастраивающиеся фильтры для выделения на фоне шумов сигнала произвольной формы. Создание совершенных обучающихся распознающих устройств будет иметь большое значение не только для техники, но и для биологии и медицины и особенно для медицинской техники, биотелеметрии, биофизики.

Такие устройства найдут применение в цитологии, гистологии, микробиологии, рентгенологии и других областях биологии и медицины.

В середине 70-х годов в связи с развитием техники ОКГ (см. голографии (см.) наблюдается пересмотр роли кибернетики и Б. в развитии технических информационно-анализирующих систем.

Научно-исследовательские учреждения, в которых проводятся исследования по бионике: СССР — государственные университеты: Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский; институты биофизики (Москва), проблем управления (Москва), мозга (Москва), радиоэлектроники (Харьков), кибернетики (Киев), автоматики и электрометрии СО АН СССР; США — университеты: Станфордский, Гарвардский, Колумбийский, Иллинойсский, Калифорнийский; Массачусетский технологический институт; Англия — университеты: Бирмингемский, Кельтский, Кембриджский; ФРГ — Институт Макса Планка; ГДР — Высшая техническая школа (Ильменау), Институт кибернетики и информационных процессов; Польша — Институт прикладной кибернетики, Политехнический институт (Варшава); Болгария — Институт технической кибернетики; Чехословакия — Институт теории информации и автоматизации. Работы по Б. обсуждаются на регулярно созываемых конференциях. В СССР проводятся: всесоюзные конференции по бионике (Москва), всесоюзные конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону); в США: национальные симпозиумы по бионике; в ФРГ: конгрессы по кибернетике; международные конгрессы: по кибернетике (Намюр), но медицинской кибернетике (Амстердам), по биокибернетике (Лейпциг), по автоматическому регулированию (ИФАК).

Общепринятых учебных программ для подготовки специалистов в области Б. не существует, однако в ряде университетов и вузов организованы спецкурсы и проводятся студенческие научно-исследовательские работы. К их числу относятся Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский университеты; Московский физико-технический институт, 1-й Московский медицинский институт, Ленинградский политехнический институт.

Библиография: Бионика, под ред. А. И. Берга и др., М., 1965; Бионика, Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы 1958 — 1968 гг., сост. Т. Н. Анисимова, М., 1971; Бонгард М. М. Проблема узнавания, М., 1967; Винер Н. Кибернетика и общество, пер. с англ., М., 1958; Глезер В. Д. Механизмы опознавания зрительных образов, М.— Л., 1966, библиогр.; Дейч С. Модели нервной системы, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Жерарден Л. Бионика, пер. с франц., М., 1971; Мил-сум Д. Анализ биологических систем управления, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; П о з и н Н. В. Моделирование нейронных структур, М., 1970, библиогр.

И. А. Любинский.