Бионика — биология для техники

Бионика — это применение принципов функционирования живых организмов при конструировании технических устройств. В основе бионических работ лежит подглядывание за природой, а, чаще, пристальное, подробное изучение работы отдельных органов и систем у животных для того чтобы попытаться эти системы скопировать. Сделать, например, робота, который ползает как змея. Такой робот был бы полезен при ремонте трубопроводов, или при исследовании обрушившихся зданий — груды обломков, под которыми могут оставаться живые люди.

Но чаще моделируют не весь организм, а копируют — воплощают в металле, в пластике и в кремнии — отдельные свойства живых организмов, отдельные их функции.

Биологи, как известно, всегда хотят понять — какие преимущества даёт животному та или иная особенность его строения, или особенность его физиологии. А инженеры, желая улучшить нашу технику, знают, что, чем выдумывать нечто новое и полезное, проще подглядеть у соседей. У кого же и подглядывать, как не у птиц за всем, что касается полёта!

Летающие машины Леонардо да Винчи имеют крылья птиц и насекомых. Правда, все эти машины остались только в чертежах, их модели не летают. Но принцип копирования особенностей живых организмов даёт возможность создавать не только красивые рисунки, но и реальные системы.

Многие птицы расправляют крылья по-разному в зависимости от скорости полёта. Когда ласточка летит параллельно земле, её крылья перпендикулярны телу. А, когда она пикирует, крылья вытянуты вдоль тела. Этот принцип использован в авиации под названием «переменной геометрии крыла». Крылья реактивных самолётов перпендикулярны фюзеляжу во время взлёта и при посадке. Когда реактивный самолёт разгоняется, то его крылья отклоняются назад, образуя вместе с фюзеляжем треугольник.

Когда реактивные самолёты давно уже летали, кто-то обратил внимание, что у некоторых птиц, например, у пеликанов, во время планирования, перья на самом конце крыла загнуты вверх. Когда крылья с такими загибами на концах — винглетами — продули в аэродинамической трубе, оказалось, что подъёмная сила таких крыльев выше обычных гладких. А самолёт с такими крыльями экономит до 7% горючего! Потом сделали математические расчёты, которые показали, что это совершенно не противоречит законам аэродинамики — вот уж, действительно, проще скопировать образец, чем создавать новое, исходя из теоретических знаний. И теперь, после 1991 г. мы видим винглеты на всех современных пассажирских самолётах.

Движение животных не только в воздухе, но и воде — тоже удивляет порой задумавшегося инженера. Многие животные движутся с такой скоростью, которую — при затрачиваемой ими энергии — вроде бы развить нельзя. Исследования позволяют порой обнаружить даже новые принципы движения. Так, совсем недавно, в 2016 г., было обнаружено, что медузы движутся благодаря принципу, который человек пока что не использует в своей технике. Оказалось, что медузы движутся благодаря не выталкиванию воды из своего купола, а наоборот — всасывая внутрь воду. Конечно же, медузы перемещаются неторопливо, но ведь у них нет и мощных мышц. Медуза — это, как всякий знает, студенистая масса. Расчёты показывали, что сократительные элементы медузы, её «мышцы» не должны позволять ей развивать такие скорости, какие она показывает в строго контролируемых условиях.

Изучение движения морских животных много дало инженерам для конструирования кораблей. Но иногда случались и забавные, хотя и весьма поучительные казусы. В своё время моряки обратили внимание, что дельфины могут подолгу сопровождать самые быстроходные корабли, ничуть не отставая от них. Такая высокая скорость — до 30 узлов (55 км/час) — не соответствовала затратам энергии дельфина, и это озадачивало исследователей. Долго пытались обнаружить приспособление, позволяющее дельфинам плыть так быстро, пока не обратили внимание, что эти высокие скорости дельфины развивают только, сопровождая корабли. А, предоставленные сами себе, они плывут заметно медленнее. Выяснили, что дельфины не сами развивают такие скорости, а плывут на волне, которая вырывается из-под носа несущегося корабля. Это феномен — наличие волны, которая может нести на себе какой-то объект, использовали для современного вида спорта вейксёрфинга, в котором вслед за катером движется человек на доске для сёрфинга. Сёрфер не держится за трос, как катающийся на водных лыжах. Он должен находиться точно в определённой точке за катером, и этого достаточно для его движения.  

Со следующим изобретением мы имеем дело каждый день, хотя животные к его созданию имеют отношение косвенное. Это липучки — застёжки для одежды и обуви. Идея пришла в голову швейцарскому инженеру Жоржу де Мёстралю после прогулки со своей собакой. Вытаскивая из её шерсти репьи, инженер задумался, что же это за крючки на репейнике и нельзя ли сделать подобный материал? Семь лет ушло у него на обдумывание идеи, рассматривание под микроскопом цепляющихся частей растений, инженерные расчёты. И в 1948 г. было изобретено новое устройство — ленты-липучки, на которых расположено множество крючочков и петелек. Применяют эти липучки не только как застёжки для одежды. Промышленные липучки площадью 25 квадратных сантиметров не расцепляются грузом в 80 килограмм. Ну, а в космосе, где силы тяжести нет, липучкам цены нет — ими крепят к стенам космического корабля практически все предметы.

Большую цепкость имеют не только растения, но и лапы многих животных. Все знают, что мухи спокойно ходят по стенам и по потолку. А в Азии живут гекконы — небольшие ящерицы, которые весят несколько десятков грамм. Гекконы бойко бегают по вертикальным поверхностям, охотясь на насекомых. Рассмотрев лапки гекконов под микроскопом, учёные обнаружили структуру, похожую на крючки репейника, только у геккона каждый крючок намного меньше. Удалось воспроизвести и эту структуру, сделать из искусственных материалов липкие поверхности, которые используют в медицине при хирургических операциях.

Катафоты — светоотражатели были изобретены в 1935 г. англичанин Перси Шоу, который изучал глаз кошки. Всякий, кто тёмной ночью направлял фонарик на кошку, видел два ярких пятна — это «светятся» её глаза. Надо думать, такая особенность кошачьих глаз немало способствовала представлению о кошках, как о существах, знающихся с нечистой силой. Впрочем, таким свойством обладают глаза не только кошек, но и многих других животных. Если в луче вашего фонарика окажутся два розовых пятна, знайте, что вам навстречу попался крокодил. Просто в северных широтах кошки встречаются гораздо чаще крокодилов, поэтому внимание П. Шоу привлекли именно они. 

Оказалось, что внутри глаза кошки есть слой специальных клеток, который отражает часть падающего света обратно на сетчатку. В результате клетки сетчатки, чувствительные к свету, получают дополнительную порцию света. Поэтому кошки могут видеть при очень низкой освещённости. Не в полной темноте, но при таком уровне освещённости, при котором мы, люди, не видим практически ничего. Изобретателю удалось сконструировать подобие таких клеток — конечно, гораздо большего размера, чем живые клетки. Теперь светоотражательные элементы на одежде и сооружениях очень помогают всем, кто должен перемещаться по дорогам вечером и ночью.

Бионика не только просто подглядывает за живой природой, но и использует результаты изучения сложных физиологических механизмов. Например, изучение звукового и слухового аппарата водных насекомых — которое изначально проводилось исключительно как зоологическое исследование — легло в основу разработки систем связи между судами в водной среде без выхода сигналов в атмосферу.

Летучие мыши давно изумляли людей своей способностью ловить насекомых в темноте. При этом летучие мыши маневрируют как никакая птица — настолько крутые повороты они закладывают на высокой скорости. Но не сама манёвренность мышей удивляла людей, а то, что их манёвры заканчиваются почти стопроцентной поимкой насекомого. Что позволяет летучим мышам находить мелкую мошку? Слух. К такому выводу пришёл ещё в XVIII веке Лаццаро Спалланцани. Когда люди научились регистрировать неслышимые человеком звуки, выяснили, что мыши кричат очень высокими голосами. Если говорить строго научным языком, они испускают звуковые сигналы, частота которых лежит в ультразвуковом диапазоне, и воспринимают сигнал, отражённый от цели.

Напомним, что звук — это колебания среды, чаще всего — воздуха. Мы, люди, слышим звуки, если колебания совершаются не больше, чем 20 тысяч раз в секунду, т.е. не выше 20 тысяч герц[2]. Хотя, большинство людей слышит не выше 15 кГц, а с возрастом уровень частотной слышимости опускается, но границей ультразвука принято считать 20 кГц.

 Как бы мы ни устанавливали границу ультразвука, мыши испускают сигналы намного более высокочастотные — до 150 кГц. И делают это они не для общения. Общение, коммуникативные сигналы летучих мышей легко слышать, потому что часть этих сигналов лежит в пределах нашего, человеческого восприятия. А высокочастотные сигналы, ультразвуки мыши используют для локации. Их сигналы распространяются не во все стороны, как издаваемый нами, скажем, свист. Сигнал летучей мыши летит подобно свету фонарика. Встретив препятствие, часть звука отражается, и мышь слышит это отражение. По степени затухания мозг мыши определяет не только расстояние до цели — до насекомого — но и определяет направление движения цели, все его постоянно меняющиеся координаты. После сложнейшей, но протекающей очень быстро обработки полученной информации, мозг летучей мыши посылает сигнал мышцам, управляющим полётом. Итог — мотылёк попался.

Над такой сложной задачей — манёвр вслед за маневрирующей целью — инженеры тоже работают, но для начала надо уметь определять расстояние до цели. Ещё во время Второй мировой войны войска ПВО использовали слуховые трубы. Но они давали информацию только о приближающихся самолётах противника. А определить точно расстояние, координаты, их направление — это можно было только очень приблизительно. А летучие мыши — самые почти примитивные из млекопитающих — делают это совершенно бессознательно.

Инженеры с помощью биологов научились создавать системы, копирующие принципы работы пищевого поведения летучих мышей. Но в задаче использования в технике принципов эхолокации летучих мышей есть много аспектов. Один их таких аспектов изучали у нас, на биофаке ЛГУ, на кафедре высшей нервной деятельности, в группе профессора А.Г. Васильева. Биологи хорошо знают, что нейрон — клетка нервной системы — может давать разряд не чаще, чем тысячу раз в секунду. Электрический разряд нейрона — это результат быстрого движения ионов через его мембрану. Чтобы послать следующий разряд — нервный импульс — нейрон должен откачать ионы обратно, а это требует энергии и времени. Поэтому ни один нейрон в нервной системе никакого из животных не может выдавать разряды чаще чем тысячу раз в секунду. Другими словами, нейрон может работать с частотой не больше 1 (одного) кГц.

В слуховой системе найдены нейроны, частота разряда которых равна частоте звукового сигнала. Если экспериментатор подаёт через динамик звук частоты 300 Гц, то часть нейронов начинает работать с той частотой 300 Гц. Если поступает звук 700 Гц, то другая часть нейронов начинает работать, и тоже с частотой 700 Гц. А как же обрабатывается сигнал с частотой много большей 1 кГц — предельной для работы одного нейрона?

Учёные установили структурную организацию нейронной сети, которая может это делать! Например, были найдены нейроны, которые реагируют на сигнал, частота которого точно равна разности частот исходящего и воспринятого сигнала — ведь частота меняется при отражении. Это открытие и многие другие закономерности работы слуховой системы летучих мышей, описанные, например, в кандидатской диссертации Е.П. Виноградовой, дали инженерам полезные мысли, которые уже реализованы в металле и в кремнии.

Органы чувств животных часто намного превосходят по своей чувствительности наши, человеческие. А порой животные могут улавливать такие сигналы, которые человек вовсе не воспринимает. Поэтому одно из направлений в технике — это создание биосенсорных систем. При этом чувствительный орган животного пытаются подсоединить к электронной схеме. Ведь сигналы от любого чувствительного окончания передаются по нервным путям. А нервный импульс можно представить себе и как электрический процесс. С электричеством же человек уже научился управляться довольно уверенно. Поэтому можно (по крайней мере, теоретически) соединить, например, термочувствительные клетки кобры с электронной схемой, и мы получим термометр, который может измерять температуру с точностью до нескольких тысячных долей градуса на расстоянии в несколько метров.

Выделить из живого организма несколько нужных нам чувствительных клеток можно. Подсоединить к ним электрические контакты — тоже. Сложность в том, чтобы поддерживать жизнедеятельность этих клеток. Поэтому порой проще использовать целый организм, чувствительный к какому-то воздействию. Так, на водоочистных станциях используют речных раков. Эти животные очень требовательны к химическому составу воды. Если концентрация «грязи» повышается, это тут же сказывается на самочувствии животных. А самочувствие рака отражается в частоте его сердцебиений. Поэтому, собранную из городских коллекторов воду, очищенную и обеззараженную, прежде чем вылить в реку, пропускают через аквариум с раками. Если вода всё ещё слишком грязная, это сказывается на частоте сокращений сердца раков, которую на расстоянии регистрируют электронные устройства. Интересно, что работают раки посменно. Одни виды работают летом, а когда температура воды опускается ниже 18 градусов, им на смену приходит бригада раков другого вида. Теплолюбивые раки отправляются в это время в отпуск, во время которого врачи проверяют их здоровье, избавляют от паразитов и подлечивают их, если в этом есть необходимость.

Итак, бионика использует модели, построенные на особенностях анатомии животных и на физиологических механизмах, которые лежат в основе их поведения. Но есть ещё третье направление бионики, в котором изучение живой природы сопряжено не столько с техникой, сколько с кибернетикой. Это изучение стайного поведения животных.

Животные многих видов образуют стаи, которые перемещаются в пространстве как единое целое. Стаи птиц, косяки рыб и стаи кальмаров насчитывают порой десятки миллионов особей. Они движутся стремительно и, что самое удивительное, могут менять направление движения все вместе и вдруг. Стайное поведение представляет собой немало загадок.

Прежде всего — в чём биологический смысл такого поведения? Биологи выясняют — какие преимущества получают животные в огромной стае с точки зрения безопасности при появлении хищников, добывания пищи, воспроизводства, экономии энергии, необходимой для движения, энергии, необходимой для поддержания температуры тела. Не менее интересны и принципы управления стаей. Ведь члены такого объединения не связаны друг с другом никакими коммуникационными каналами, во всяком случае, очевидными. Нет никакого сверх-мозга, который посылал бы управляющие сигналы, а, всё-таки, огромное скопление живых организмов ведёт себя как некий сверх-организм, каждый элемент которого действует согласованно со всеми прочими. И тут возникает огромный интерес к стайному поведению со стороны кибернетиков.

Кибернетики и придумали термин «интеллект роя» — рой пчёл тоже представляет собой сообщество животных, которое действует порой как единый организм. Интеллект роя — это управление системой, состоящей из множества элементов, но не имеющей единого управляющего центра.

Пока математики строят математические модели и создают алгоритмы управления, биологи в это время продолжают накапливать сведения о стайном поведении животных. Например, поведение муравьёв на фуражировке — добывании пищи — во многом таинственно, хотя изучается не одно десятилетие. Один муравей — это вообще не муравей, но, весь муравейник — это сложная скоординированная очень эффективная жизнестойкая система. Конечно, в муравейнике распространяются некие сигналы. Прежде всего, химические, определённые вещества, так называемые феромоны, сигнализируют о появлении источника пищи, или о появлении опасности. Но всё же управление муравейником понятно нам далеко не до конца.

Таким образом, изучение поведения животных специалистами-биологами приносит и такую чисто практическую пользу как создание новых технических устройств, новых приспособлений, новых материалов и новых принципов управления.