Kitobni o'qish: «Бионика. Прошлое, настоящее и будущее»

Введение

Эта книга расскажет об одной очень необычной науке. Она была с людьми со времен появления первых зачатков интеллекта и идет с нами до сих пор.

Эта наука – бионика. Именно руководствуясь логикой перенимания идей из живой природы первый человек придумал себе камуфляж и щиты, а теперь, изучая и копируя её, современный человек создает себе целые органы.

Но является ли даже такое пределом? Сможет ли эта наука стать чем-то больше и сможет ли помочь нам стать чем-то лучше? Да. Всё идет к этому.

В первой главе книги рассмотрены общие вопросы бионики как науки, определены ее цели и задачи, а также выявлены проблемы, решение которых возможно только на основе системного метода исследования живых организмов. Мы рассмотрим ее историю и ее составляющие.

Вторая часть посвящена фактическим технологиям, которые можно встретить уже сейчас. Экзоскелеты, нейроинтерфейсы, протезы и искусственные органы – это то, что дала бионика и что станет фундаментом будущего мира.

Последняя часть посвящена будущему – киборгизации, трансгуманизму, переносу и оцифровке сознания.

В этой книге мы пройдем от первых моделей орнитоподов Леонардо да Винчи через современные экзоскелеты до возможных технологий полной киборгизации. Книга эта написана скорее практиком-биоником, чем теоретиком-футуристом, поэтому многие технологии будут описаны очень подробно, другим же уделено меньше внимания. Причиной такого будет как раз то, что над некоторыми вещами я работал и работаю собственноручно, а некоторые лишь изучаю. Всё же, несмотря ни на что, буду пробовать рассказывать просто и по максимуму!

Часть I
Прошлое

Глава 1. История бионики

Бионика – это очень необычная наука, если ее вообще можно локализировать как науку. Бионика это, можно сказать, метод познания и преобразования мира вокруг, и она была с людьми всегда. Бионика – это не киборги и экзоскелеты, это не причудливые здания и не искусственные органы. Бионика – это именно логика использования биологических идей и техническая реализация.

Официально считается, что бионика как наука возникла примерно в 50-ые годы 20 века, как раз во время появления и активного внедрения разнообразных полупроводниковых приборов, таких как диоды или транзисторы. Сложно не согласиться, что именно в этот период было сделано очень многое для основания этого метода как науки, но все же появилась бионика значительно раньше. Значительно раньше.

В древности человек в полной мере зависел от природной стихии и обожествлял природу. Наскальные изображения животных и фигурки, вырезанные из кости и рога, показывают, что люди были наблюдательны и хорошо знали животных, считали их братьями, учились у них повадкам, ловкости, хитрости, формам защиты и нападения, методам охоты и рыболовства. Как и животные, люди были следопытами, укрывались шкурами зверей от холода, использовали клыки и когти убитых хищников для защиты или нападения.

Во времена язычества и античности древние инженеры заимствовали у живой природы идеи для строений, способы действия и принципы передвижения. Колонны зданий копировали ствол дерева, поддерживающего, как крону, тяжелый свод. Древнеегипетские колонны повторяли форму стебля и цветка лотоса. При строительстве арок и куполов зодчие заимствовали формы яйца и черепа, как обладающих удивительной прочностью. Наблюдая природу, люди даже создавали автоматические устройства, например, в Древней Греции Архит Тарентский создал механического летающего голубя

С возникновением и развитием христианства, отводившего людям роль неких созерцателей, временно обитающих на Земле и безропотно переносящих страдания в ожидании загробной вечной жизни, резко затормозилось развитие науки и техники, а также изучение природы. Но в эпоху Возрождения это положение начало изменяться. Строились подъемные краны, военные и горные машины, водо – и рудоподъемные устройства. Стали широко применяться текстильные, сукновальные, мукомольные и другие машины. Как правило, эти механизмы приводились в действие колесами, вращавшихся с помощью воды, ветра, животных или людей. Техника тех лет поражает своей грандиозностью, мощностью и хитроумностью решений. Создавая новые машины, конструкторы и изобретатели пристально изучали живую природу, в том числе и человека. Арабские ученые, проводя глазные хирургические операции, исследовали строение глаза, что позволило уже в то время создать первые оптические линзы. Первой линзе – Линзе Нимруда, найденной на территории нынешнего Ирака, почти 2800 лет.

Крупнейшие научные деятели тех времен считали, что окружающая природа является первым учителем человека и основным источником подражания при создании машин. Так, Леон Баттиста Альберти в своих трактатах сравнивал машины с очень сильными живыми существами, работающими как человек.

Но особенно развил идеи бионики гениальный итальянский ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи, выявив общность в принципах действия машин и живых организмов и разработав научный метод изучения природы, в котором соединились наблюдательность художника, точность расчетов ученого и мастерство практика. Этот метод нашел полное воплощение в результатах его технического творчества: изучение сочленений и суставов в организмах он использовал при создании зубчатых передач и отдельных механизмов в пушках, подъемных кранах, текстильных и других машинах.

В Милане он делал много рисунков и изучал летательный механизм птиц разных пород и летучих мышей. Леонардо да Винчи очень хотел построить летательный аппарат и кроме наблюдений, он проводил и опыты, но они все были неудачными.

В результате наблюдений и переработки того, что он видел, Леонардо разработал как минимум 3 вида летательных аппаратов – вертолет, орнитоптер (или иначе говоря махолет) и дельтаплан. И это в 15 веке! Само собой, всё это очень отличалось от того, что мы имеем сейчас, вертолет, например, не имел винтов как у современных вертолетов, а имел что-то похожее на винт Архимеда и как будто «вкручивался» в воздух. Неизвестно, была ли реализована эта машина, но ее подробные чертежи остались в дневнике Леонардо – Атлантическом кодексе.

И именно благодаря этому дневнику мы можем точно знать, что Леонардо использовал в качестве вдохновителей птиц. В дневнике подробно описано, как идет логика преобразования крыла птицы в дельтаплан или же в крыло для орнитоптера.

Но это не всё. Кроме крыльев птиц и методов полета Леонардо также пытался скопировать концепцию черепахи и сделать первый танк. Опять же, неизвестно реализовался ли это проект «в металле», но его чертежи также сохранены.

К слову Русские умельцы в средние века тоже пытались создавать летательные аппараты, копируя полет птиц. Истории известен холоп Никита Летун, сконструировавший большие деревянные крылья, с помощью которых он, ловко прыгая с высокой башни, парил в воздухе и плавно опускался на Землю. За эти опередившие свое время полеты по приказу духовенства Никите отрубили голову, а крылья сожгли. Было это во времена Ивана Грозного.

С течением времени великие открытия, такие как движение планет солнечной системы, совершили переворот в сознании людей, постепенно наука освобождалась от ига религии, развивались естествознание и механика. Началось активное изучение природы и живых организмов.

Основополагающие открытия в области небесной механики послужили Исааку Ньютону основой для установления закона всемирного тяготения и создания теории классической механики. Интенсивное развитие механики привело к формированию механистического мировоззрения. Такое мировоззрение распространялось и на живую природу, при этом живые организмы уподоблялись механическим системам. Механистическая философия возродила и обратный процесс – перенос двигательных принципов и форм живых организмов на технические объекты. Исходным было следующее положение: природой созданы в животном мире совершеннейшие механизмы, воплощенные в столь же совершеннейшие формы. Птице дан прекрасный летательный аппарат в виде крыльев, рыбу природа снабдила плавательным аппаратом – хвостом и плавниками. Стоит только искусственно построить такие же органы и снабдить ими человека или сделать машины, копирующие живые существа, и человек станет с их помощью летать и плавать.

Заманчивость и кажущаяся легкость решения проблемы, а также успехи в создании всевозможных программных механических автоматов (птиц, поющих и машущих крыльями, фигурок людей, танцующих, играющих или поющих и т. п.) привели к появлению ряда проектов машин, основанных на заимствовании биомеханики животных. Особенно ярко это заимствование проявлялось в проектах летательных аппаратов. Однако уровень развития науки и техники, а также знаний особенностей живых организмов был явно недостаточным для осуществления этих идей – за основу бралось лишь чисто внешнее сходство с живым организмом.

Достижения естествознания в ХХ вв. разрушили механистическую картину мира, а неудачи переноса биомеханики в технику в определенной мере дискредитировали живую природу как источник подражания. Этому также способствовал некритический перенос свойств животных на принципиально новые технические объекты, не имеющие аналогов в живой природе. Например, изобретатели того времени не могли представить себе возможность передвижения на колесах без подталкивания. Поэтому первые паровозы Брунтона и Гордона были снабжены механическими ”ногами”, которые попеременно поднимались как у лошади. Естественно, что эти конструкции не имели успеха.

Только лишь после нескольких лет соответствующих исследований удалось обеспечить качение колес по рельсам, и необходимость в искусственных ногах отпала. Можно привести много примеров неудачного переноса свойств живой природы в технику, которые и привели к появлению в середине ХХ века учения о том, что, создавая технику, не следует подражать живой природе, так как принципы устройства живых организмов и машин различны. Главное различие, якобы, состоит в том, что в живых организмах нет колес, и им не свойственно вращательное движение.

Тем не менее, в этот период использование биологических аналогов не было вообще бесплодным. Многие ученые все же продолжали изучать живую природу и черпать из ее кладовых новые изобретения.

Одним из краеугольных камней бионики является использование и исследование биотоков. Первым эти работы начал великий итальянский врач, анатом, физиолог и физик Луиджи Гальвани, открыв биоэлектричество в живых организмах и разработав учение об общих закономерностях организации технических устройств и животных. Остановимся подробнее на этом моменте.

С 1780 г. Гальвани начал работу по физиологии нервов и мышц, которая принесла ему всемирную славу и множество неприятностей.

Столкнувшись с новым незнакомым явлением, Гальвани как истинный сын своего века начинает тщательно и всесторонне исследовать новое по тем временам направление электрических токов в живых существах. Он ставит самые разнообразные опыты. Например, показывает, что эффект движения отделенных конечностей наблюдается и тогда, когда отделенная от тела лапка лягушки двигается от воздействия электрического тока. И даже тогда, когда лягушачья лапка включается в цепь между громоотводом и землей, она сокращается в тот момент, когда проскакивает молния.

Но как бы ни были интересны эти опыты, никаких принципиально новых сведений об электрических явлениях в живых организмах они не давали: была обнаружена еще одна форма раздражающего действия электричества, но ведь и физики знали, что тела можно электризовать без прикосновения, на расстоянии.

В 1786 г. Гальвани начинает новую серию опытов, решив изучить действие на мышцы лягушки «спокойного» атмосферного электричества. К этому времени было показано, что электричество есть в атмосфере и в отсутствие грозы. Поняв, что лапка лягушки является в некотором смысле очень чувствительным электрометром, он решил попробовать обнаружить с ее помощью это атмосферное электричество. Лапки на решетке своего балкона, Гальвани долго ждал результатов, но лапка не сокращалась ни при какой погоде.

И вот 26 сентября 1786 г. лапка, наконец, сократилась. Но это произошло не тогда, когда изменилась погода, а при совершенно других обстоятельствах: лапка лягушки была подвешена к железной решетке балкона при помощи медного крючка и свисающим концом случайно коснулась решетки, Гальвани проверяет: оказывается, всякий раз, как образуется цепь «железо – лапка – медь», тут же происходит сокращение мышц лапки независимо от погоды. Гальвани переносит опыты в помещение, использует разные пары металлов и регулярно наблюдает сокращение мышц лапки лягушки.

Это уже что-то совершенно новое, никаких источников электричества поблизости нет (нет ни машины, ни грозы), а лапка лягушки сокращается.

Гальвани ставит красивый опыт в духе своего времени, когда эффектные публичные демонстрации были очень популярны. Лапка подвешивается на медном крючке, соединенном с серебряной шкатулкой, стоящей так, что нижняя часть лапки касается шкатулки. Лапка сокращается и отдергивается от шкатулки, от этого цепь размыкается, тогда лапка вновь опускается, вновь касается шкатулки, вновь поднимается и т. д. Возникает, как считал Гальвани, нечто вроде электрического маятника.

Как же объяснить эти наблюдения? Во времена Гальвани предполагалось, что металл нельзя наэлектризовать трением. Гальвани, как и другие ученые его времени, считал, что электричество не может возникать в металлах, но они могут играть только роль проводников. Отсюда Гальвани заключает, что источником электричества в этих опытах являются сами мышечные ткани лягушки, а металлы только замыкают цепь.

Но зачем в этой цепи нужны два разных металла? Гальвани исследует этот вопрос и обнаруживает, что можно обойтись и просто кусочком медной проволоки. При использовании одного металла сокращение возникает не всегда, и оно бывает слабее, но это уже мелкая деталь. Сокращение мышц наблюдается визуально, сила сокращения не измеряется. Важно, что два металла не обязательны, а значит и несущественны – рассуждает Гальвани.

Гальвани работал с нервно-мышечным препаратом: задней лапкой лягушки с отпрепарированным нервом и сохраненным кусочком спинного мозга. В первом же удачном опыте, когда лапка висела на балконе, а медный крючок был пропущен через кусочек позвоночника, а кончик лапки коснулся железной решетки, Гальвани решает, что это и есть самые лучшие условия, и не пробует другие.

Во всех его опытах один конец металлической дуги касается спинного мозга или нерва, а второй – поверхности лапки. Гальвани развивает такую схему: мышца лапки – заряженный электрический конденсатор; нерв – провод, соединенный с внутренней обкладкой банки; когда металлический проводник касается мышцы (наружной обкладки) и нерва (внутренней), мышца разряжается через нерв и это вызывает сокращение.

Еще четыре года уходят у Гальвани на всестороннее исследование открытого явления и, наконец, в 1791 г. появляется работа, подводящая итог десятилетнего труда, – упомянутый «Трактат о силах электричества при мышечном движении».

Гальвани считает свое открытие очень важным для человечества. Дело в том, что, как мы уже говорили, в это время возникали самые разнообразные эмпирические попытки использовать электричество для лечения болезней, причем эти попытки не имели никакой теоретической базы. Гальвани был, прежде всего, врачом и хотел лечить людей. Он сам пишет в конце своего трактата, что в дальнейшем все свои усилия направит на разработку нового направления в медицине – электромедицину.

Но он был не только врач, но и ученый. Он понимал, что для разработки такого направления очень важно было показать, что электрические явления не есть что-то чуждое живым организмам, что электричество тесно связано с жизнедеятельностью, что «животное электричество» по своей природе ничем не отличается от электричества, вырабатываемого электрической машиной. Не случайно Гальвани после опытов на лягушках ставит опыты на теплокровных, показывая, что те же явления можно получить и на нервно-мышечных препаратах птиц и млекопитающих.

Следовательно, электрические явления присущи всем животным, а значит и человеку! Гальвани даже позволяет себе высказать соображение о причине некоторых болезней, например, он высказывает гипотезу, что паралич может быть связан с нарушением изоляции нервов, и действительно, сейчас известны болезни, вызванные этой причиной; или что эпилепсия может быть связана с сильным электрическим разрядом в мозгу, что тоже оказалось в принципе верным и о возможном лечебном применении электричества.

Выдвигая свое утверждение о существовании «животного электричества», Гальвани опирался также на изучение электрических рыб: в этом случае их способность вырабатывать электричество была доказана. Электрический скат был известен с далекой древности, а электрический угорь был описан в XVII веке после открытия Америки. Но этих рыб тогда, естественно, не называли электрическими, так как не знали, что их действие на человека и животных как-то связано с электричеством.

Однако после открытия новых видов электрических накопителей, разряд которых вызывал тот же эффект, что и прикосновение к электрическому скату, французский ботаник М. Адансон выдвинул предположение, что разряд электрических рыб и разряд электрического накопителя энергии имеют одну и ту же природу.

С электрическими скатами работал и Гальвани, один из видов этих рыб даже носит его имя: Торпедо Гальвани. Если скаты могут вырабатывать электричество, то почему же его не могут вырабатывать любые мышцы? И Гальвани подчеркивает в своем «Трактате…» сходство электричества, возникающего при трении, атмосферного электричества, электричества скатов и открытого им «животного электричества».

Кстати, электрические органы ската построены по принципу вольтова столба и служат для защиты и нападения. Разряды действуют на расстоянии до 6 м, парализуя рыб, моллюсков, ракообразных и других водных животных. Электрической рыбе остается только проглотить жертву. Электрические органы в большинстве случаев состоят из особых клеток – электроцитов, происшедших в процессе эволюции из мышечных клеток.

Очень интересно то, что, несмотря на достаточно убедительные данные о том, что действие ската связано с электрическим разрядом, находилось много людей, которые считали, что «животное электричество» должно отличаться от обычного электричества, должно иметь какие-то признаки своего особого происхождения.

Нельзя переоценить это открытие, так как именно биотоки стали тем, что многократно увеличило скорость развития бионики и вывело её из тупика механистического рассмотрения. Именно опыты Гальвани дали бионике возможность соединять искусственные и органические структуры в единую систему, например, такую как протезы рук или же искусственные органы. Всё это управляется и информационно соединяется с телом именно с помощью открытых Гальвани биотоков.

Не менее известный и сделавший не меньше для науки, чем Гальвани, физик Алессандро Вольта, воспроизводя условия возникновения биотоков, создал химический источник электрической энергии – гальванический элемент. То есть все наши батарейки были получены как бионическое осмысление биоэлектрических опытов Гальвани!

Но бионика строилась не только на изучении биотоков. Не меньшую роль в ней продолжала играть механика, особенно механика движения.

В России в это время также происходило развитие бионических методов. Ученый П. Л. Чебышев, изучая биомеханику животных, построил машину, которая перемещалась с помощью четырех ног, выполненных по подобию ног кузнечика.

Несмотря на кажущуюся бессмысленность, эта работа позволила показать, что с помощью всего одного вращательного вала возможно полноценное передвижение четырех ног.

Другой же русский физик Н. А. Умов разработал принципы формирования всех организованных систем – животных, человека и машин – и выявил их общие закономерности построения. Его труды используются и в настоящее время в кибернетике.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский в своих работах нередко обращался к анализу строения и механики полета птиц, подобно Леонардо Да Винчи. Работы Н. Е. Жуковского до сих пор являются образцом теоретического изучения биологических систем с целью выявления принципов, распространенных на технические устройства. Можно проследить, что этапы развития планеростроения повторяют эволюцию развития насекомых (бипланы, трипланы и другие виды летательных аппаратов).

В дальнейшем изучение биотоков в XX веке переросло в изучение биологических структур, которые их и генерируют, и проводят. Английские ученые Тьюринг, Мак-Каллок и Питтс, изучая нейроны и нейронные сети высшей нервной деятельности животных, установили их идентичность логическим модулям в цифровых вычислительных машинах. Их работы показали, что любые виды сложной деятельности человека могут быть промоделированы техническими средствами. В 50-е годы ХХ века развитие вычислительной техники автоматики привело к возможности создания технических устройств, у которых решаемые задачи стали в определенной степени сравнимыми с задачами, решаемыми живыми организмами.

Разработанные инженерами навигационные устройства – радиолокационные, акустические, инерциальные, манометрические и другие – давно существуют в живой природе, например, эхолокакация подводных лодок или же радарные системы являются прямой копией эхолокации животных, таких как летучие мыши или дельфины. Не совсем прямо один в один, но принципиально идеи, на которых работает и то, и другое, одни и те же.

Кроме этого, одним из особо важных направлений в наши дни становятся бионические исследования, направленные на освоение природных ресурсов Мирового океана. Природные богатства в виде нефти, горючего газа, полезных ископаемых и продуктов питания, скрытые огромными толщами воды, требуют создания специальных технических систем и комплексов, приспособленных к новой, не свойственной для человека среде обитания.

Подводные работы, снабженные техническими сенсорными системами, различные обитаемые и необитаемые подводные аппараты в какой-то мере уже сегодня используют конструктивные и функциональные решения, отобранные в результате эволюционного развития отдельных видов живых обитателей морей и океанов.

Однако, бионика не могла не коснуться самого человека. Его органов, его механики, его физиологии…

Основной рывок развития этого направления бионики происходил с начала XX века примерно до его середины. В эти годы появилось четкое понимание механизмов передачи нервных сигналов и методов их снятия. Были изучены многие биологические процессы, но одни эксперименты были особенно необычны и для того времени и даже для нашего – эксперименты с первыми искусственными системами поддержания жизни.

Что же в этом необычного, скажете вы? А необычно то, что оживляли не человека и не какое-то тело, а его части – пальцы человека, головы животных!

Долгое время ученые искали способ, как вернуть к жизни отдельные органы и организм в целом. В 1928 году это удалось гениальному советскому ученому Сергею Сергеевичу Брюхоненко.

В конце 20-х годов XX века многие страны мира облетело сенсационное сообщение об эксперименте русского физиолога – оживлении изолированной от туловища головы собаки, жизнь которой поддерживалась при помощи аппарата искусственного кровообращения. Этот эксперимент явился началом новой эры в медицине, когда стало реальностью оживление человеческого организма после наступления клинической смерти, проведение операций на открытом сердце, пересадка органов и создание искусственного сердца.

В 1928 г. на Третьем съезде физиологов страны был впервые продемонстрирован созданный С. С. Брюхоненко аппарат искусственного кровообращения, названный автором автожектором.

Именно такие опыты дали фундамент всем реанимационным устройствам, но тогда цель была совсем иная – попытка победить смерть или же улучшить биологическую систему техническими методами.

И эта цель, как оказалась в дальнейшем, будет пронизывать всю бионику до наших времен, подарив нам экзоскелеты и нейроконтроллеры, ТДКС-стимуляцию и новые бионические протезы. Уже сейчас можно точно сказать, что киборгизация, хотя бы частично, но возможна, и позволяет нам взглянуть на всю нашу науку и бионику в частности уже не только как на что-то прикладное, словно на инструмент, но уже как на целую философию – Трансгуманизм.

Большинство современных изобретений человек создал, не обращаясь за помощью к живым организмам, однако затем нередко выяснялось, что в природе эти идеи давно реализованы, только компактнее, миниатюрнее, надежнее и совершеннее.

Все же в творчестве природы и человека имеются принципиальные различия. Человек совершенствовал свои технические устройства в течение относительно малого периода времени, например, летательные аппараты – в течение нескольких десятков лет‚ а природе для создания своих «конструкций» потребовались многие миллионы лет. У человека есть большие возможности, обусловленные целенаправленностью действий, а у природы – гораздо больше времени. И поэтому создавший удивительные машины человек в ряде областей еще только лишь приближается к тому совершенству, которое создала природа.

Высокие темпы научно-технического прогресса привели к появлению все новых и новых поколений техники, отличающихся все более совершенными эксплуатационными характеристиками. Такое отличие поколений техники обусловлено внедрением все более совершенных материалов, электронных систем, методов измерений, принципов организации, технологии изготовления и даже самих принципов работы – и многое из этого дало осознание природы и ее методов.

Подведем итог: Бионика есть реализация идей, подчерпнутых из природы, техническими методами, или же улучшение существующих биологических систем техническими методами.

Глава 2. Методы бионики

Опыт развития бионики показывает, что бессистемное изучение живых организмов, отличающихся исключительной сложностью и многообразием, для выявления полезных для технической реализации разработок обычно не приносит плодотворных результатов. Успех такой работы может быть обеспечен лишь при наличии определенной методологии, включающей ряд последовательных этапов:

1. Постановка и подготовка задачи.

2. Изучение закономерностей построения, функционирования и развития организмов.

3. Выявление органов или биологических систем, которые могут служить аналогом разрабатываемого технического объекта, и выполнение ряда системотехнических исследований и процедур, необходимых для выбора оптимального предложения.

Приведем краткое содержание этапов бионической методологии.

Постановка задачи исследования и разработки бионического проекта предполагает:

• формулировку конечной цели исследования и разработки технического объекта;

• определение системы критериев оценки качества разрабатываемого объекта для планируемых условий его применения;

• оценку технического уровня существующих устройств, аналогичных по назначению вновь разрабатываемому объекту;

• обоснование необходимости проведения бионических исследований для достижения высокого уровня новизны создаваемого объекта.

Разработанные тактико-технические и другие требования к новому объекту в дальнейшем могут уточняться и дополняться в зависимости от полученных результатов. В соответствии с возможностями бионики можно существенно улучшать технические и эксплуатационные характеристики создаваемого объекта (повышение точности, диапазона измерений, надежности), расширять области его применения, повышать уровни автоматизации, управления и информационного обеспечения, создавать системы адаптации и обучения. Одновременно могут решаться задачи по разработке и созданию новой элементной базы, средств контроля и обслуживания создаваемого объекта, а также задачи эффективного и экономичного его использования.

При изучении закономерностей построения, функционирования и развития организмов следует учитывать их общие и конкретные свойства. Общие их закономерности не зависят от вида животного, они присущи функционированию и развитию всех живых клеток, ряду органов и частей тела, а также функциональных систем организма в целом. Особое внимание необходимо уделять изучению основных жизненных функций, энергообеспечению, самовосстановлению и адаптации живых тканей организма, статическим и динамическим свойствам отдельных клеток, нервных цепей.

На основании полученных данных могут быть разработаны обобщенные функциональные модели организма или его составных частей, с помощью которых и выявляется биоаналог для разрабатываемого объекта. Однако нередко общие свойства организмов недостаточны для разработки требуемых бионических решений. Необходимо изучение особенностей конкретных видов организмов (млекопитающих, птиц, рыб, насекомых), которые по своим условиям обитания, жизненным функциям и характеристикам биоаналогов наиболее полно удовлетворяют условия решения поставленной задачи. Отбор таких организмов позволяет ограничить область исследования и конкретизировать варианты биоаналогов, которые в дальнейшем анализируются с помощью системотехнических методов или методом экспериментального перебора для отбора наилучших.

В результате изучения закономерностей построения, функционирования и развития организмов могут быть выявлены:

• части тела, органы, ткани и участки мозга, которые могут выполнять функции, аналогичные вновь создаваемому объекту (биоаналоги);

Например, мы хотим создать протез руки или искусственный орган, значит нам нужно изучить изначальную биологическую руку и орган, а не что-то иное.

• виды животных, у которых условия обитания и характеристики биоаналогов наиболее полно удовлетворяют требованиям поставленной задачи; Хотим создать что-то летающее – изучаем птиц и летающих насекомых. Хотим, чтобы что-то эффективно плавало – изучаем рыб.

• основные компоненты и взаимосвязи между ними, которые необходимы для построения функциональной бионической модели – аналога структуры создаваемого объекта;

Хотим создать свою нейросеть – изучаем образцы нервных тканей и как они распространяют сигналы.

• математические модели компонентов и функциональной модели в целом, необходимые для получения и исследования статических и динамических характеристик, влияния изменения структуры, условий применения, возникновения отказов. Хотим, чтобы здания выдерживали какие-то особые условия – смотрим аналогичные среды обитания у растений и копируем структуру.

Эти данные являются основой для системотехнической разработки объекта, выявления возможных альтернатив (вариантов) его построения и выбора субоптимальных вариантов, которые можно рекомендовать для дальнейшей инженерной проработки и реализации.

Методика представлена лишь приблизительно, но вполне подходит для практического использования.

Глава 3. Проблемы развития бионики

В течение последних десятилетий интерес к бионике существенно повысился, однако исследований, обобщающих научные направления и формирующих основы бионики как науки, опубликовано явно недостаточно. Нет единства мнений специалистов по ряду принципиальных положений по методике решения задач бионики, что в определенной степени тормозит ее развитие. Можно утверждать, что становление бионики как науки началось с применения системных методов исследования, математического аппарата анализа и синтеза свойств сложных биологических систем, методов идентификации и распознавания образов для выявления новых свойств организмов, методов кибернетики для раскрытия особенностей управления, адаптации и интеллекта животных, системотехнических методов синтеза и генерации оптимальных решений.

Благодаря этому бионика стала располагать необходимым арсеналом средств и методов исследования живых организмов, а также теоретическим аппаратом, позволяющим на научной основе выявлять секреты живой природы и использовать их не только для совершенствования техники, но и для внесения существенного вклада в естественные науки – биологию, медицину и др.

Таким образом, бионика развивается как наука о методах и средствах использования особенностей строения, функционирования и развития живых организмов для прикладных и научных разработок, направленных на развитие научно-технического прогресса.

Применяемые в бионике методы и технологии основаны на совместном использовании исследований, проводимых в медицинских и биологических науках, в кибернетике (особенно математический анализ динамики биологических систем и их электронное моделирование), и совокупности общенаучных прикладных, в основном технических, дисциплин. Однако имеются проблемы, сдерживающие развитие бионики. Во многом мешает существующая узкая специализация как технических, так и медико-биологических наук.

Развитие науки и техники, а также необходимость глубокого понимания изучаемых проблем потребовали дифференциации знаний и узкой специализации современных ученых. Каждое направление науки при проведении автономных исследований разрабатывает свою терминологию, часто непонятную специалистам других областей, и специфические методики изучения, которые не применимы в других областях. Например, в биологии и медицине выработался свой подход к изучению живых организмов, который существенно отличается от подходов, принятых при изучении технических систем.

Инженерно-технические работники рассматривают и классифицируют технические системы по функциональным признакам, изучают обобщенные структурные и функциональные модели систем и их компонентов не зависимо от времени и очередности их создания. Классификационные признаки технической системы, такие как количество и качество получаемой информации, методы физических измерений, области применения, способы обработки информации, выбираются в зависимости от ее назначения и конкретного применения для оценки и сравнения различных ее вариантов. Вот, например, классификация приводов.

Биологи же классифицируют живые организмы по признакам, связанным с последовательностью эволюционного развития живой природы. При такой классификации, например, животные, имеющие одинаковые условия существования и решающие одни и те же задачи, а значит, имеющие однотипные функциональные и информационные органы, относятся к разным классам и видам.

В медицине узкая специализация направлений изучения организма используется для выявления патологий, то есть нарушений его состояния, при этом недостаточно изучаются функциональные свойства отдельных органов и систем.

Чрезмерная специализация наук усложняет общение специалистов, затрудняет обмен информацией и тем самым препятствует целостному восприятию объектов изучения. Различия в терминологии, несовместимость подходов в изучении биосистем делает сложным контакт биологов и инженеров, является причиной взаимного непонимания, обусловливает недостаточность необходимой инженерам информации о функциональных свойствах живых организмов, затрудняет поиск оптимальных решений.

Преодоление этих трудностей связано с решением ряда научных, методических и организационных задач и целенаправленной подготовкой кадров специалистов-биоников. Необходимо совершенствование и углубление научных основ бионики, охватывающих все этапы изучения живой природы и разработки технических предложений, а также организация коллективных исследований с участием специалистов разного профиля для создания сколько-нибудь систематических методов обучения и подготовки специалистов-биоников.

Глава 4. Ветви бионики

Бионика далеко не единая и монолитная область знаний, а имеет несколько, можно сказать ветвей. Само собой, это очень условное деление, ведь нет вообще какого-то четкого разделения между ее частями и одна из ветвей может использовать «плоды» с другой

Итак, бионика делится на 3 больших ветви и одну обособленную ветвь:

Нейробионика, сенсорная бионика, общеморфологическая бионика и обособленная ветвь – архитектурная бионика.

А теперь остановимся подробней на каждой и начнем с нейробионики.

Нейробионика

Нейробионика – это раздел бионики, занимающийся организацией технических систем из нейроподобных элементов или их изучением. Основным этапом нейробионических исследований является моделирование нейроподобных систем при помощи компьютера (программно) или на базе уже имеющихся функциональных элементов (аппаратно). Под нейроподобными системами понимаются физические системы или математические модели, воспроизводящие наиболее существенные информационные свойства нейронных структур.

Выявление принципов нейронной организации мозга становится теперь особенно актуальным в связи широким распространением систем с параллельной обработкой информации, разработкой автономных роботов, развитием идей искусственного интеллекта, некоторые наработки которого уже используются во многих экспертных системах.

Сюда входит моделирование сетей для дальнейшего исследования и использования алгоритмов сетей в вычислительной технике. Например, многие экспертные системы и системы анализа изображений в качестве основы работы берут именно нейросети живых организмов.

Нейронная сеть в биологии – это множество нейронов, объединенных многочисленными связями друг с другом в нервной системе для выполнения определенных физиологических функций. Головной мозг человека – одна большая и сложная нейронная сеть. Благодаря этим сетям появились искусственные нейронные сети.

Искусственная нейронная сеть – это математическая модель, которая может быть воплощена на программном или аппаратном уровне по принципу биологической нервной системы.

Основной принцип построения сети – совокупность объединенных нейронов – остался неизменным. Но между биологической и искусственной сетями есть и различия, обусловленные их природой.

Во-первых, в искусственных сетях используют искусственные нейроны, которые являются компьютерными процессорами. То есть, искусственная нейросеть – это множество связанных между собой процессоров.

Во-вторых, биологическая сеть является трехмерной, и нейроны в ней связаны очень хаотично и непоследовательно. В подавляющем большинстве искусственные нейросети являются плоскими, так как их проще реализовать.

Принцип работы нейросети заключается в прохождении определенной информации через три слоя нейронов: входного, скрытого и выходного.

Нейроны входного слоя принимают сигналы и передают эти сигналы без обработки нейронам скрытого слоя. Притом при передаче сигнала, он еще и распределяется между другими нейронами неизвестным способом, так как каждый нейрон одного слоя связан с каждым нейроном следующего слоя.

В скрытом слое происходит обработка сигналов и последующая его передача в выходной слой. Именно в скрытом слое и происходит решение задачи. Стоит отметить, что скрытым этот слой назвали по той причине, что мы не можем отследить поведение сети в этом слое: куда передается сигнал, как он распределяется и прочее.

В последнем, выходном, слое происходит последний этап обработки и, если это можно так назвать, конвертирование результата в понятный нам тип информации.

Искусственные сети можно по-разному разделять на типы и классы, однако существует две основные классификации: по наличию обратной связи и по методу «обучения».

Возможно, у вас возникает важный вопрос: как применить нейронную сеть к решению конкретной задачи? Нейронные сети применяются при решении таких задач, алгоритм и правила решения которых неизвестны. В этом заключается преимущество сетей перед обычными программами, которые требуют известный алгоритм или правила решения проблемы.

Наиболее широко нейросети используются при прогнозировании разных процессов (чаще всего экономических), управления разными программными или роботизированными системами, решение задач классификации: распознавание звука, изображения или других данных.

В заключение, хочется еще раз отметить основные причины, по которым искусственные нейронные сети – это большой шаг в будущее. Нейронные сети – исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости.

Они крайне просты в использовании. Нейронные сети учатся на примерах. Пользователь нейронной сети подбирает представительные данные, а затем запускает алгоритм обучения, который автоматически воспринимает структуру данных. При этом от пользователя требуется какой-то набор знаний о том, как следует отбирать и подготавливать данные, выбирать нужную архитектуру сети и интерпретировать результаты, однако уровень знаний, необходимый для успешного применения нейронных сетей, гораздо скромнее, чем при использовании традиционных методов статистики.

Нейронные сети привлекательны с интуитивной точки зрения, ибо они основаны на примитивной биологической модели нервных систем. В будущем развитие таких нейробиологических моделей может привести к созданию действительно мыслящих компьютеров или искусственного интеллекта.

Но не стоит думать, что нейробионика это только нейросети, это также и взаимодействие интеллектуальных систем с мозгом и нейронами тела. Идея управления машинами с помощью мысли очень-очень стара. Как можно увидеть на этой вырезке уже 100 назад велись такие работы. К сожалению, результат, как и в случае с машинами, которые за более чем век существенно не поменяли, небольшой.

Все же результат есть – нейрокомпьютерные интерфейсы. Спустя век, благодаря постоянному улучшению электроники и понимания работы мозга и его процессов, человек смог исполнить свою мечту.

Кроме того, благодаря пониманию работы мозга появилась возможность его более тонкой настройки через tDCS стимуляцией током отдельных областей мозга. Эта технология ещё очень нова и только в процессе исследования, но уже применяется американскими военными пилотами для ускорения обучения.

Не буду здесь подробно раскрывать тему нейроинтерфейсов, нейротехнологий и вообще использования биотоков – этому будет посвящена целая глава.

Тезисно всё это можно описать так:

Нейробионика это раздел бионики, в котором происходит изучение нервной системы человека и животных, а также моделирование нервных клеток и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики.

Сенсорная бионика

Сенсорная бионика – это раздел бионики в котором исследуются органы чувств и другие сенсорные системы живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения, а также происходит изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике.

Сопоставление биологических и технических средств навигации показывает, что в навигационной бионике существуют значительные резервы, которые можно использовать для ускорения научно-технического прогресса в этой области.

Сравнивая навигацию в живой природе и технике, можно обнаружить общность задач и основных принципов навигационных измерений, используемых животными и техническими объектами. Благодаря этому навигационная бионика, как одно из научных направлений, рассматривает физические основы ориентации и навигации животных, методы и средства получения и обработки информации, общие принципы и особенности строения навигационных органов, нервных цепей и мозга, которые могут быть использованы для совершенствования навигационной техники.

Технические объекты первичную навигационную информацию получают при помощи датчиков, обработка сигналов которых осуществляется счетно-решающими устройствами, снабженными определенным объемом памяти, в которой заданы необходимые сведения об окружающем пространстве и программы выполнения навигационных измерений. Живые организмы первичную навигационную информацию получают от органов чувств, обработка сигналов от которых осуществляется нервной системой и мозгом, обладающим большим объемом памяти.

Таким образом, существует полная аналогия между принципами построения технических и биологических навигационных систем. А существенная разница между ними заключается в том, что во первых, реализация всех элементов осуществляется из неживой материи, во вторых – из различных видов живой материи.

Тем не менее суть навигационного процесса как для биологических, так и для технических систем заключается в том, что с помощью органов чувств (датчиков первичной информации) измеряются различные физические параметры, зависящие от положения и движения относительно внешних предметов или физических полей. Нервная система и мозг (устройства для обработки информации) на основании полученных сигналов определяют навигационные параметры, характеризующие координаты и местоположение объекта относительно исходного положения. Измеренные данные сравниваются с намеченной программой движения с корректировкой всяких отклонений (то есть преобразовываются в сигналы команд на систему управления движением объекта).

Не буду углубляться дальше, но думаю достаточно сказать, что все электронные датчики имеют аналоги в живой природе и наоборот. Разница лишь в технологии их исполнения и трудно сказать, что лучше и что точнее. Кроме того, как и в случае с нейробионикой, есть отдельное аппаратное и прикладное использование чисто для человека – протезы глаз и ушные импланты.

Изучив строение глаз, работу слухового аппарата и всех человеческих систем восприятия сенсорная бионика создала их электронный аналог. Причем не просто аналог, а систему протезов, которая может вернуть зрение или же слух людям, потерявших или же не имевших их вообще. Подробней о протезах, в том числе о кохлеарных и глазных будет сказано позже. Мы пройдемся вообще по всем протезам и имплантам что сейчас разработало человечество.

Тезисно обозначим это так:

Сенсорная бионика – это раздел бионики в котором изучаются, улучшаются и перенимаются различные методы восприятия и координации.

Общеморфологическая бионика

А теперь самая объемная часть бионики. Общеморфологическая бионика – это исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей. В эту ветвь бионики входит очень многое, например, исследование функционирования органов и создания их искусственных аналогов.

Общая бионика изучает самые простые, самые поверхностные свойства такие как форма, принцип работы, общие реакции на раздражители, но несмотря на это именно она порождает более всего полезных для человека технологий. Вся вторая часть книги будет именно про эту ветвь, за исключением главы про нейротехнологии, относящимся к нейробионике.

Общеморфологическая бионика рассматривает не только внешние вопросы, такие как принципы движения или же форму, но и внутренние свойства и процессы. Например, энергетику живых клеток. Отойдем немного от темы и рассмотрим, как же они обеспечивают себя энергией.

Клетки, как и любые живые существа в процессе своей жизнедеятельности потребляют энергию. Источником энергии у живых существ являются молекулы АТФ. В клетках имеются отдельные органы или, как они называются в гистологии, органеллы/органоиды и одна из них – митохондрия.

Митохондрии – это органоиды размером с бактерию (около 1 мкм). Они имеются в большом количестве почти во всех эукариотических клетках. Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25 % от общего объема клетки. Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО₂ и Н₂О, сопряженное с синтезом АТФ по алгоритму цикла Кребса. Можно сказать, что Митохондрии являются «электростанцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ (АТР).

Синтез АТФ – это многоступенчатая высоко экзергоническая реакция, сопряжённая с переносом протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В результате на внутренней мембране создается электрохимический градиент, который используется для синтеза АТФ из АДФ.

А теперь давайте остановимся на этом и осознаем прочитанное. В клетке есть орган, который использует разложение химических веществ для производства других, при этом происходит перенос протонов через специальную мембрану и создается разность потенциалов.

Человек знакомый с различными техническим химическими источниками энергии сразу увидит в этом аналогию с самым обычным топливным элементом!

Что же такое топливный элемент? Топливные элементы вырабатывают электроэнергию и тепло вследствие происходящей электрохимической реакции при помощи электролита, катода и анода.

Анод и катод разделяются электролитом, проводящим протоны. После того, как водород поступит на анод, а кислород – на катод, начинается химическая реакция, в результате которой генерируются электрический ток, тепло и вода. На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Ионы водорода (протоны) проводятся через электролит к катоду, в то время как электроны пропускаются электролитом и проходят по внешней электрической цепи, создавая постоянный ток, который может быть использован для питания оборудования. На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном из внешних коммуникаций и пришедшим протоном, и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

В итоге мы можем сказать примерно следующее. Самый эффективный (КПД топливного элемента 80–85 %, а двигателя сгорания всего 30 %) источник преобразования энергии является аналогией того, что питает клетки.

Даже без бионики мы можем прийти к выводу, что использование наработок биологической эволюции целесообразно и эффективно, и нужно лишь понять их, научиться использовать и адаптировать.

Пример с митохондрией и топливным элементом лишь частный, но показательный. Это и есть проявление общеморфологической бионики – в данном случае перенос принципа генерации электрического потенциала.

В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Например, такое новшество ХХ века, как застежки «молния» и «липучки», относящиеся как раз к общеморфологической бионике, были разработаны на основе изучения строения пера птицы. В данном случае нити пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

А теперь последняя ветвь, которую мы рассмотрим даже в отдельной главе – архитектурная бионика.

Глава 5. Архитектурная бионика

Бионика – наука в полном смысле созидательная, способствующая активному преобразованию природы и созданию новой, искусственной среды по подобию живой природы, но лишь в аспекте человеческих задач. Если, например, в естествознании морфология исследует формы живой природы, анатомия – внутреннее строение органов, биохимия – химические процессы, протекающие в живых организмах и т. д., то бионика занимается исследованием всех факторов, касающихся живых организмов, вместе взятых. Бионика в итоге направлена на создание готовых вещей – физических моделей природных прототипов. В этом ее абсолютная созидательность. Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов и наконец дошел и до архитектуры.

Архитектурная бионика – это подраздел архитектуры, в котором изучаются системные свойства, например, растений, чтобы строить здания, имеющие качественно лучшие показатели по сравнению с классической архитектурой. Чаще всего такие здания выглядят очень причудливо, но при этом они прочней и имеют более высокую энергоэффективность. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надёжности. Яркий пример архитектурно-строительной бионики – полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.

Можно выделить три этапа развития представления о использовании бионических идей в архитектуре, предшествующих современному и соответствующих изменениям по существу этого процесса.

Первый этап – наиболее древний, уходящий вглубь истории, можно считать этапом стихийного использования конструктивных и функционально-пространственных средств живой природы и результатов «строительной» деятельности животных, птиц и насекомых в создании убежищ-гнезд, шалашей, дольменов или «общественных сооружений», каковыми могли быть менгиры, кромлехи и т. д. Насколько здесь заимство-ванные из природы формы осмысливались эстетически, трудно сказать.

Несомненно лишь одно: они были, прежде всего функциональными строениями (на своем уровне и в своем роде). Вместе с функцией в искусственные сооружения механически привносилась и природная форма, поэтому многие древние человеческие сооружения – гнезда, шалаши и т. п. – часто трудно отличить от построек каких-либо животных или насекомых, например, термитов.

Второй этап – от начала формирования архитектуры как искусства и примерно до середины XIX в. Несмотря на большую протяженность этого периода по времени, принцип подражания природе, так же остается сильным фактором проектирования на всей его протяженности. Это означало главным образом использование форм природы с изобразительно-декоративными целями и копирование внешних форм природных объектов. Примером могут служить колонны египетских храмов в Луксоре и Карнаке; коринфские и ионические капители колонн греческих храмов; палаццо Ренессанса и дворцы классицизма; образно-художественные приемы формообразования в русских храмах; капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах; народная японская архитектура.

Говоря об этом периоде, нельзя отрицать также и интерпретацию некоторых конструктивно-тектонических принципов живой природы. Например, тектоника колонн с периодичностью ее диаметров по высоте интерпретирует тектонику ствола дерева; каннелюры колонн подобны встречающимся каннелированным стеблям растений, придающим им дополнительную прочность. Логика перехода одной формы в другую в конструктивных узлах ордеров греческих храмов повторяет, по существу, принципы изменения форм по вертикали стебля растения, ствола дерева, скелетов животных; нервюры покрытий готических храмов выполняют ту же конструктивную функцию, что и нерватура (прожилки) зеленого листа дерева.

Третий этап – конец XIX – начало XX в., нашедший свое выражение в архитектуре «модерн». На этом этапе природные принципы одновременно, хотя и в разной степени, проявились в функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях.

Большое влияние на использование средств природы на этом этапе оказали бурное развитие биологии и небывалые успехи строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения металлических конструкций, керамики и т. д.).

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы величие Французской революции и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим из которых был признан проект инженера-мостовика Александра Г. Эйфеля. В конце ХIХ столетия 300-метровая башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой, стала своеобразным символом Парижа.

Современные инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. В области бионики известны также архитектурные опыты П. Нерви, С. Калатравы и др.

Архитектурную и техническую бионику объединяет общность предмета исследования – использования тех или иных средств и принципов организации живой природы в материальном производстве, к сфере которого примыкает архитектура. Техническая бионика и биоархитектура очень похожи в своих методах, хоть и направленны на разные для преобразования объекты.

Однако архитектурная бионика в силу специфики её цели имеет и свою бионическую сферу, т. е. свои объекты живой природы, и решает свойственные только ей проблемы. Поэтому мы можем рассматривать ее в какой-то мере как самостоятельное явление, сложившееся на базе исторической и современной практики архитектуры и находящее свое приложение в архитектурной науке. Поэтому я ее отделил от рассмотрения в отдельную главу, в отличие от всех остальных ветвей бионики.

Ее предмет – исследование законов функционирования и формообразования объектов живой природы с целью применения их для совершенствования архитектурных решений, формирования комплексных архитектурных и градостроительных систем, гармонизации взаимосвязи архитектуры и природной среды. Архитектурная бионика идет от изучения всей неисчерпаемой сокровищницы природных форм к определяемому социальными потребностями выбору подходящих из них, от выявления чисто бионических принципов и их моделирования к комплексной архитектурно-биологической интерпретации и скорректированному архитектурному моделированию, а от них к творческому развитию архитектурно-бионической практики.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем, и трещина не идет дальше.

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. 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.

Во-вторых, в живой природе постоянство биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку в данном случае 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.

Необходимо различать теорию и практику архитектурной бионики, так как вторая по самым различным причинам не всегда соответствует тем идеальным критериям, которые разрабатываются в теоретическом аспекте.

Понятия «биологический объект», часто используемый в технической бионике, и «живая природа» имеют примерно равный смысл. Однако есть некоторые оттенки этих понятий. Понятие «живая природа» говорит непосредственно о специфике живого, как особого явления в космосе и био-геосфере. Вместе с тем известно, что в живой природа имеются и «неживые» элементы, например, окостеневшие панцири моллюсков, твердые, склеренхимные ткани растений, костные образования животных. В живой природе происходят не только биологические, но физические и химические процессы. Понятие «биологический объект» конкретизирует понятие «живая природе». Поэтому часто вместо терминов «живая природа», «живой организм», «объекты живой природы» употребляется термин «биологический объект».

Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей.

Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием температурно-влажностных факторов, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т. д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком производства работ.

Архитектура, ставшая в процессе своего развития большим общественным явлением, нацелена вместе с тем на удовлетворение не только общественных, но и биологических потребностей человека. И здесь через изучение биологической организации человека архитектура получает особые импульсы формообразования, значение которых повышается в условиях научно-технической революции, роста требований к экономии общественной энергии и интенсификации человеческого труда.

Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе.

Сюда относятся: уточнение общетеоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов – тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т. д.; решение проблемы создания благоприятного микроклимата в зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментального конструирования на физических моделях и др.

Таким образом, результаты исследований, проводимых в области архитектурной бионики, оказываются полезными при решении проблем социального и эстетического совершенствования архитектуры в самых ее различных типологических отраслях: в жилых комплексах, в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, в градостроительстве. Конечно, все это не означает, что она в состоянии решить все эти вопросы до конца. Нет, она не подменяет и не исключает существующие методы и лишь готова помочь их дальнейшему прогрессу. Вместе с тем в отдельных областях она может оказать революционизирующее воздействие.

Помимо поисков новых идей формообразования, архитектурная ветвь бионики нацелена на изучение систем жизнеобеспечения, развития и других механизмов существования природных объектов, их реакций на воздействия извне. Возможно, этот новый взгляд на природу покажет нам путь к архитектуре будущего!

Часть II
Настоящее

В предыдущей главе мы увидели историю бионики и ее методы, ее структуру и какие открытия стали для нее ключевыми. Теперь же, пройдя предварительное ознакомление, можно сказать, перейдем к тому, что дает нам эта логика уже сейчас. Какие технологии и идеи мы можем увидеть и использовать уже сегодня. Начнем мы с роботов, но перед этим я хотел бы ввести главу 0 с описанием общей модели живого организма. Это будет очень полезно при дальнейшем рассмотрении.

Глава 1
Общая модель живого организма

Рассмотрим по отдельности все элементы организма.

Для осуществления своих жизненных функций живая материя приобретает определенные формы, зависящие от уровня развития организма и условий его жизнедеятельности.

Процесс развития форм или формообразование направлен на обеспечение таких функций организма, как:

1. Несущие свойства (с помощью скелета, панциря).

2. Компоновка органов внутри тела.

3. Симметричное расположение систем восприятия и перемещения, концентрация органов, выполняющих комплексные и взаимосвязанные функции.

4. Силовое взаимодействие несущих органов с органами движения.

5. Рациональное расположение и взаимодействие органов, выполняющих определенные технологические процессы.

6. Изоляция шумов, возникающих в органах пищеварения, от навигационных органов чувств с помощью легких и др.

7. Ограждающие свойства, связанные с защитой наиболее уязвимых функциональных органов от внешних воздействий (кости черепной коробки – для защиты мозга; кости ребер – для защиты сердца и легких; тазовые кости – для защиты внутренних органов).

Законы формообразования живых организмов отрабатывались в течение длительного периода времени и поэтому содержат важнейшие принципы рационализации. Перед разработкой робота или экзоскелета крайне желательно изучить биомеханику изначального исследуемого или копируемого образца.

Существующие у животных датчики информации (зрение, обоняние, осязание), а также органы захвата и первичной обработки пищи (щупальца, зубы и т. п.) сосредоточиваются вокруг входного отверстия пищеварительного тракта. Характерным для всех существ является то, что в поисках пищи они движутся этим отверстием тракта вперед.

Нервная система, необходимая для обработки сигналов датчиков (мозг), также сосредоточивается в месте, где находятся датчики информации (органы чувств) ‚ так как это обеспечивает наилучшее выполнение их функций (минимум запаздывания). Тесное соседство рта, мозга и органов чувств характерно как для очень примитивных животных, так и для человека.

Изучение основных жизненных функций организма позволяет, с одной стороны, в какой-то мере представить чрезвычайную сложность живой материи, а с другой стороны выявить некоторые общие закономерности ее строения, т. е. составить обобщенную модель живого организма. Если ограничиться учетом только важнейших жизненных функций, которые были рассмотрены выше, то схему обобщенной модели живого организма можно представить состоящей из органов, управляемых центральной и локальными нервными системами.

Все органы определенным образом связаны между собой и активно взаимодействуют, обеспечивая необходимые жизненные процессы организма. В обобщенной модели функции информационного обеспечения выполняют органы контроля окружающей среды, навигации и органы анализа объектов и добычи. Обработка сигналов этих органов внешней информации осуществляется центральной нервной системой, в которой производится анализ полученных данных, их обобщение, оценка ситуации и принятие решений. Одновременно ведется обогащение памяти, накопление опыта, обучение и отработка логических методов мышления. Многочисленные каналы связи соединяют центральную нервную систему с локальными системами управления функционированием внутренних органов и органов внешней информации живого организма.

Представленная обобщенная структура организма является общей для животных различных уровней развития. В процессе эволюционного развития живых организмов в их структуре многократно отрабатывались основные органы, решающие главные задачи функционирования живого организма. Число таких органов вполне ограничено и в процессе эволюции практически не меняется, т. е. фундаментальная структура организма оказалась достаточно устойчивой.

Установлено, что огромное многообразие видов живых организмов возникло не за счет изменений фундаментальной структуры, а на основе многовариантной реализации самих органов, их клеточных структур, чувствительных элементов, нервных цепей и перекрестных связей. Само собой это относится к организмам таксономического типа. Эволюция брюхоногих шла несколько иным путем.

Кроме того, непрерывно усложняются и совершенствуются корреляционные связи между органами, выявляются новые резервы информации при комплексных измерениях с участием многих датчиков информации, развиваются системы адаптации, надежности и живучести. Отбор наиболее приспособленных к условиям существования живых организмов производится на основе совокупности критериев оценки. Критерии оценок определяют эффективность альтернатив построения клеточных структур, функциональных узлов и ячеек, нервных цепей и других составных частей органа, а также его функционирование в целом. Производится общая оценка жизнеспособности организма, у которого реализуются различные альтернативы строения органов. Обобщенный критерий отвечает на основной вопрос естественного отбора: насколько данный организм соответствует выживаемости в конкретных условиях среды?

Таким образом, формализованный анализ естественного отбора показывает, что природа, по существу, занимается генерацией вариантов и отбором их по соответствующему критерию – степени выживаемости. Рационален ли такой подход? Поскольку в результате естественного отбора создано множество весьма совершенных типов организмов, можно говорить о высокой эффективности естественного отбора.

Природа решала задачу выживания, отрабатывая типовые схемы. Причем изменения (за счет мутации генов) происходят «в малом», т. е. изменяются один-два компонента в составе органа, остальные остаются такими же уже отработанными и апробированными. Эффективность естественного отбора характеризуется высокой степенью совершенства живой природы. Ее изобретения на несколько порядков лучше многих технических эталонов по надёжности, а также габаритно-массовым и энергетическим характеристикам. Эволюционное развитие и естественный отбор могут быть идентифицированы на основе системно-морфологического метода, который применяется при разработке новой техники.

Однако природа решает эту задачу более полно и всесторонне с учетом множества факторов, влияющих на жизнедеятельность организмов. Изучение и освоение основных закономерностей творчества природы – одна из важнейших задач бионики.

Таким образом, бионика в основу своего научного метода изучения многообразия решений живой природы и их заимствований может взять аналог (модель) процесса эволюции природы, но преобразованный в удобную для практики форму. Суть преобразования заключается в том, чтобы более четко представить обобщенную модель живого организма (или его органа, если задача ставится более узко)‚ определить альтернативные реализации основных систем этой модели, оценить с помощью подобранных критериев оценки эффективность этих альтернатив и отобрать наилучшие варианты.

Если эволюция в природе может перебирать случайные сочетания альтернатив и отбирать их методом «проб и ошибок» в борьбе за существование организмов, затрачивая на это неограниченное колличество время (тысячи и миллионы лет), то в бионике подобный отбор может осуществляться «на бумаге» (или электронным моделировании) целенаправленно, путем анализа, сравнения и отбора только лучших вариантов, у которых альтернативы реализации систем имеют наивысшие оценки по критериям качества. При этом значительно сокращается время разработки и гарантируется высокое качество получаемых решений.

Следовательно, научный метод бионики, заимствованный у природы, может быть основан на синтезе обобщенной модели эволюции живых организмов, изучении и отборе наилучших альтернатив ее реализации.

А теперь перейдем к фактическим технологиям, появившимся в результате этого научного метода.