Біоніка
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Біоніка

Біоніка (від греч.(грецький) biōn — елемент життя, буквально — що живе), наука, погранична між біологією і технікою, вирішальна інженерні завдання на основі аналізу структури і життєдіяльності організмів. Би. тісно пов'язана з біологією, фізикою, хімією, кібернетикою і інженерними науками — електронікою, навігацією, зв'язком, морською справою і ін.

загрузка...

  Ідея вживання знань про живу природу для вирішення інженерних завдань належить Леонардо да Вінчі, який намагався побудувати літальний апарат з махаючими крилами, як у птиць — орнітоптер. Поява кібернетики, що розглядає загальні принципи управління і зв'язку в живих організмах і машинах, стало стимул-реакцією для ширшого вивчення будови і функцій живих систем з метою з'ясування їх спільності з технічними системами, а також використання отриманих відомостей про живі організми для створення нових приладів, механізмів, матеріалів і т.п. У 1960 в Дайтоне (США) відбувся перший симпозіум по Б., який офіційно закріпив народження нової науки.

  Основні напрями робіт по Б. охоплюють наступні проблеми: вивчення нервової системи людини і тварин і моделювання нервових клітин — нейронів — і нейронних мереж для подальшого вдосконалення обчислювальної техніки і розробки нових елементів і пристроїв автоматики і телемеханіки (нейробіоніка); дослідження органів чуття і інших сприймаючих систем живих організмів з метою розробки нових датчиків і систем виявлення; вивчення принципів орієнтації, локації і навігація у різних тварин для використання цих принципів в техніці; дослідження морфологічних, фізіологічних, біохімічних особливостей живих організмів для висунення нових технічних і наукових ідей.

  Дослідження нервової системи показали, що вона володіє рядом важливих і коштовних особливостей і переваг перед всіма найсучаснішими обчислювальними пристроями. Ці особливості, вивчення яких дуже важливе для подальшого вдосконалення електронно-обчислювальних систем, наступні: 1) Вельми досконале і гнучке сприйняття зовнішньої інформації незалежно від форми, в якій вона поступає (наприклад, від почерку, шрифту, кольору тексту, креслень, тембру і інших особливостей голосу і т.п.). 2) Висока надійність, надійність технічних систем, що значно перевищує (останні виходять з буд при обриві в ланцюзі однієї або декількох деталей; при загибелі ж мільйонів нервових клітин з мільярдів, складових головний мозок, працездатність системи зберігається). 3) Мініатюрність елементів нервової системи: при кількості елементів 10 10 10 11 об'єм мозку людини 1,5 дм 3 . Транзисторний пристрій з таким же числом елементів зайняв би об'єм в декілька сотів, а то і тисяч м 3 . 4) Економічність роботи: вжиток енергії мозком людини не перевищує декількох десятків Вт. 5 ) Висока міра самоорганізації нервової системи, швидке пристосування до нових ситуацій, до зміни програм діяльності.

  Спроби моделювання нервової системи людини і тварин були початі з побудови аналогів нейронів і їх мереж. Розроблені різні типи штучних нейронів ( мал. 1 ). Створені штучні «нервові мережі», здібні до самоорганізації, тобто що повертаються в стійкі стани при виводі їх з рівноваги. Вивчення пам'яті і інших властивостей нервової системи — основна дорога створення «думаючих» машин для автоматизації складних процесів виробництва і управління. Вивчення механізмів, що забезпечують надійність нервової системи, дуже важливе для техніки, т.к. решеніє цієї першочергової технічної проблеми дасть ключ до забезпечення надійності ряду технічних систем (наприклад, устаткування літака, 10, що містить, 5 електронних елементів).

  Дослідження систем аналізаторів. Кожен аналізатор тварин і людини, що сприймає різні роздратування (світлові, звукові і ін.), складається з рецептора (або органу чуття), провідних доріг і мозкового центру. Це дуже складні і чутливі утворення, що не мають собі рівних серед технічних пристроїв. Мініатюрні і надійні датчики, не поступливі по чутливості, наприклад, оку, яке реагує на одиничні кванти світла, термочутливому органу гримучої змії, що розрізняє зміни температури в 0,001°С, або електричному органу риб, що сприймає потенціали в долі мікровольта, могли б істотно прискорити хід технічного прогресу і наукових досліджень.

  Через найбільш важливий аналізатор — зрітельний — в мозок людини поступає велика частина інформації. З інженерної точки зору цікаві наступні особливості зорового аналізатора: широкий діапазон чутливості — від одиничних квантів до інтенсивних світлових потоків; зміна ясності бачення від центру до периферії; безперервне стеження за рухомими об'єктами; адаптація до статичного зображення (для розгляду нерухомого об'єкту очей здійснює дрібні коливальні рухи з частотою 1—150 гц ) . Для технічних цілей представляє інтерес розробка штучної сітківки. (Сітківка — дуже складна освіта; наприклад, око людини має 10 8 фоторецепторів, які пов'язані з мозком при допомозі 10 6 гангліозних кліток.) Один з варіантів штучної сітківки (аналогічній сітківці ока жаби) складається з 3 шарів: перший включає 1800 вічок фоторецепторів, другий — «нейрони», що сприймають позитивні і гальмівні сигнали від фоторецепторів і визначальні контрастність зображення; у третьому шарі є 650 «кліток» п'яти різних типів. Ці дослідження дають можливість створити стежачі пристрої автоматичного розпізнавання. Вивчення відчуття глибини простору при баченні одним оком (монокулярному зорі) дало можливість створити визначника глибини простору для аналізу аерофотознімків.

  Ведуться роботи по імітації слухового аналізатора людини і тварин. Цей аналізатор теж дуже чутливий — люди з гострим слухом сприймають звук при ваганні тиску в слуховому проході близько 10 мкн/м 2 (0,0001 дін/см 2 ) . Технічно цікаво також вивчення механізму передачі інформації від вуха до слухової області мозку. Вивчають органи нюху тварин з метою створення «штучного носа» — електронного приладу для аналізу малих концентрацій пахучих речовин в повітрі або воді [деякі риби відчувають концентрацію речовини в декілька мг/м 3 ( мкг / л )]. Багато організмів мають такі системи аналізаторів, яких немає у людини. Так, наприклад, в коника на 12-м-коді членику вусиків є горбок, що сприймає інфрачервоне випромінювання, у акул і скатів є канали на голові і в передній частині тулуби, що сприймають зміни температури на 0,1°С. Чутливістю до радіоактивних випромінювань володіють равлики і мурашки. Риби, мабуть, сприймають блукаючі струми, обумовлені електризацією повітря (про це свідчить відхід риб на глибину перед грозою). Комарі рухаються по замкнутих маршрутах в межах штучного магнітного поля. Деякі тварини добре відчувають інфра- і ультразвукові коливання. Деякі медузи реагують на інфразвукові коливання, що виникають перед штормом. Кажани випускають ультразвукові коливання в діапазоні 45—90 кгц , метелики ж, якими вони харчуються, мають органи, чутливі до цих хвиль. Сови також мають «приймач ультразвука» для виявлення кажанів.

  Перспективно, ймовірно пристрій не лише технічних аналогів органів чуття тварин, але і технічних систем з біологічно чутливими елементами (наприклад, очі бджоли — для виявлення ультрафіолетових і ока таргана — для виявлення інфрачервоних променів).

  Велике значення в технічному конструюванні мають т.з. персептрони «самонавчальні» системи, що виконують логічні функції пізнання і класифікації. Вони відповідають мозковим центрам, де відбувається переробка прийнятої інформації. Більшість досліджень присвячена пізнанню зрітельних, звукових або інших образів, тобто формуванню сигналу або коди, однозначно відповідної об'єкту. Пізнання повинне здійснюватися незалежно від змін зображення (наприклад, його яскравості, кольору і т.п.) при збереженні його основного значення. Такі пізнають пристрої, що самоорганізующиеся працюють без попереднього програмування з поступовим тренуванням, здійснюваним людиною-оператором; він пред'являє зображення, сигналізує про помилки, підкріплює правильні реакції. Вхідний пристрій персептрона — його сприймаюче, рецепторне поле; при пізнанні зорових об'єктів — це набір фотоелементів.

  Після періоду «вчення» персептрон може приймати самостійні рішення. На основі персептронів створюються прилади для читання і розпізнавання тексту, креслень, аналізу осцилограм, рентгенограм і т.д.

  Дослідження систем виявлення, навігація і орієнтації у птиць, риб і інших тварин — також одне з важливих завдань Би., т.к. мініатюрниє і точні сприймаючі і аналізуючі системи, що допомагають твариною орієнтуватися, знаходити видобуток, здійснювати міграції за тисячі км. (див. Міграції тварин ), можуть допомогти у вдосконаленні приладів, використовуваних в авіації, морській справі і ін. Ультразвукова локація виявлена у кажанів, ряду морських тварин (риб, дельфінів). Відомо, що морські черепахи спливають в морі на декілька тисяч км. і повертаються для кладки яєць завжди до одного і того ж місця на березі. Вважають, що у них є дві системи: далекій орієнтації за зірками і ближній орієнтації по запаху (хімізм прибережних вод). Самець метелика мале нічне павине око відшукує самку на відстані до 10 км. Бджоли і оси добре орієнтуються за сонцем. Дослідження цих багаточисельних і всіляких систем виявлення може багато що дати техніці.

  Дослідження морфологічних особливостей живих організмів також дає нові ідеї для технічного конструювання. Так, вивчення структури шкіри швидкохідних водних тварин (наприклад, шкіра дельфіна не змочується і має еластично-пружну структуру, що забезпечує усунення турбулентних завихорень і ковзання з мінімальним опором) дозволило збільшити швидкість кораблів. Створена спеціальна обшивка — штучна шкіра «ламінфло» ( мал. 2 ), яка дала можливість збільшити швидкість морських судів на 15—20%. У двокрилих комах є придатки — жужжальца, які безперервно вібрують разом з крилами. При зміні напряму польоту напрям руху жужжалец не міняється, черешок, що пов'язує їх з тілом, натягається, і комаху отримує сигнал про зміну напряму польоту. На цьому принципі побудований жіротрон ( мал. 3 ) — вильчатий вібратор, що забезпечує високу стабілізацію напряму польоту літака при великих швидкостях. Літак з жіротроном може бути автоматично виведений з штопора. Політ комах супроводиться малою витратою енергії. Одна з причин цього — особлива форма руху крил, що має вигляд вісімки.

  Розроблені на цьому принципі вітряні млини з рухливими лопатями дуже економічні і можуть працювати при малій швидкості вітру. Нові принципи польоту, безколісного руху, побудови підшипників, різних маніпуляторів і т.п. розробляються на основі вивчення польоту птиць і комах, руху стрибаючих тварин, будови суглобів і т.п. Аналіз структури кісті, що забезпечує її велику легкість і одночасно міцність, може відкрити нові можливості в будівництві і т.п.

  Нова технологія на основі біохімічних процесів, що відбуваються в організмах, — також, по суті, проблема Б. У цьому плані велике значення має вивчення процесів біосинтезу, біоенергетики, т.к. енергетічеськи біологічні процеси (наприклад, скорочення м'язів) надзвичайно економічні. Одночасно з прогресом техніки, який забезпечується успіхами Б., вона приносить користь і самій біології, т.к. помогаєт активно зрозуміти і моделювати ті або інші біологічні явища або структури (див. Моделювання ). Див. також Кібернетика, Біомеханіка, Біоуправління .

 

  Літ.: Моделювання в біології, пер.(переведення) з англ.(англійський), під ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963: Парін Ст Ст і Баєвський Р. М., Кібернетика в медицині і фізіології, М., 1963; Питання біоніки. Сб. ст., отв. ред. М. Р. Гаазе-Рапопорт, М., 1967; Мартека Ст Біоніка, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967; Крайзмер Л. П., Сочивко Ст П., Біоніка, 2 видавництва, М., 1968; Брайнес С. Н., Свечинський Ст Би., Проблеми нейрокібернетики і нейробіоніки, М., 1968: Бібліографічний покажчик по біоніці, М., 1965.

  Р. М. Баєвський.

Мал. 3. а — схема мухи, що летить, з тими, що коливаються по обидві сторони тіла жужжальцамі; б — жужжальце; у — схема жіротрона; струм від генератора посилається поперемінно то в зовнішні, то у внутрішні електромагніти, що викликає коливання вильчатого жіровібратора.

Мал. 2. Штучна шкіра — обшивка «ламінфло»: а — бічний розріз; би — зріз через шар паличок по лінії АБ; 1— верхній шари; 2 — середній шар; 3 — гнучкі палички середнього шару; 4 — простір між паличками, заповнений демпфуючою рідиною (чорного кольору); 5 — нижній шар; 6 — корпус моделі.

Мал. 1. Схематичне зображення нейрона (зліва), його моделі (в середині) і електрична схема штучного нейрона (справа): 1 — тіло клітки; 2 — дендрит; 3 — аксон; 4 — колатералі; 5 — кінцеве розгалуження аксона; P n , P i , P 2 , P 1 — входи нейрона; S n , S i , S 2 , S 1 — синаптічеськие контакти; Р — вихідний сигнал; До — порогове значення сигналу; R 1 — R 6 , R m — опори; C 1 — C 3 , C m — конденсатори; T 1 —T 3 — транзистори; D — діод.