2.7 Бионика
Кибернетический подход к рассмотрению механизмов работы различных живых систем позволил открыть ряд новых принципов конструирования технических устройств различного назначения. Известно, что инженеры нередко выдвигают в своих технических разработках идеи, уже известные биологам. Например, еще до разработки первых радиолокационных установок биологам был известен принцип ультразвуковой локации, используемый летучей мышью. Так как человек является наиболее сложной из известных в природе самоорганизующихся систем, то, несомненно, в устройстве этой системы имеется еще много пригодных для приложения к технике принципов, еще неизвестных науке. Кибернетический подход к исследованию организма человека и животных обеспечивает нахождение плодотворных для техники идей. Подобное направление работы получило название бионики. Таким образом, бионика представляет собой приложение знания биологических процессов и методов к решению инженерных задач. Бионика занимается исследованием и разработкой технических систем, имеющих характеристики, подобные характеристикам живых систем.
Бионика является новой технической дисциплиной, основанной на применении биологических знании в технике в отличие от биологической электроники, в которой, наоборот, технические знания служат для решения биологических вопросов. Следует указать также на различие между бионикой и моделированием. При моделировании на первом месте стоит задача исследования. В бионике главное – практическая реализация накопленных биологией знаний. В свою очередь технические устройства, созданные на основе достижении бионики, являются в какой-то степени моделями живых систем. Но это практически полезные модели в отличие от моделей, используемых только для решения научной задачи.
Некоторые авторы различают три направления бионики: биологическое, техническое и теоретическое [9]. Биологическая бионика занимается изучением живых организмов с целью выяснения принципов, лежащих в основе происходящих в организме явлений и процессов. К этому направлению можно отнести любые биологические и физиологические исследования, которые в последующем могут быть развиты в техническом аспекте, т.е. могут быть использованы инженерами для разработки новых технических идей. Техническая бионика – это область инженерной деятельности, в которой построение новых технических систем и устройств и совершенствование старых происходят на основе биологических знаний. Теоретической бионикой может быть назван раздел моделирования, связанный с выяснением возможности создания того или иного технического устройства путем предварительного испытания его модели (физической, математической, электрической и т.п.).
Понятно,
что круг специалистов, проявляющих
интерес к бионике, чрезвычайно велик.
Здесь биологи и физиологи, физики и
химики, радиоинженеры и кораблестроители.
Специалист любой отрасли знания может
быть назван биоником, если он занимается
вопросами применения биологических
знаний в инженерном деле. По-видимому,
трудно выделить исключительно биоников,
так как такой специальности нет. Каждый
бионик – это специалист в своей области,
теоретик или практик. Развитие бионики
устраняет узкую специализацию и
соединяет разнородные науки в соответствии
с натуральным единством природы.
Идея применения знаний о живых организмах для решения инженерных задач была высказана еще 400 лет назад Леонардо да Винчи, который пытался построить орнитоптер – летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц. В наше время толчок развитию бионики дала кибернетика. Действительно, основная идея кибернетики о единстве систем управления в живых организмах и машинах в процессе своего развития приводит к исследованию возможности использования более совершенных принципов биологического управления в технике. Официальное рождение бионики состоялось в Дайтоне (США) в сентябре 1960 г, на первом симпозиуме по бионике, где присутствовало более 600 представителей крупных научных организаций и ведущих фирм. На этом симпозиуме была принята и официальная эмблема бионики: скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла (рис. 2.3). Эта эмблема может интерпретироваться двояко: скальпель – символ биологии, паяльник – техники, интеграл – знак объединения этих двух отраслей знания; или скальпель – символ анализа, паяльник – символ синтеза. Также на симпозиуме был принят девиз бионики: «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Сейчас в бионике преобладает процесс научного поиска. Инженеры и биологи заняты установлением областей и направлений, в которых можно ожидать успешного применения биологических закономерностей для нужд техники. Буквально каждый день выявляются все новые возможности плодотворного сотрудничества представителей разных отраслей науки.
Во многих направлениях уже проводится серьезная исследовательская работа [9].
Вначале существовала тенденция рассматривать бионику лишь в связи с кибернетикой, т.е. исследовать вопросы применения методов хранения, переработки и передачи информации в живых организмах для построения технических систем. Сейчас область интересов бионики в биологии распространилась с живых информационных систем на самые разнообразные биологические явления и процессы. Многие биологические дисциплины, включая морфологию и систематику, генетику и эволюционное учение, вошли в сферу внимания бионики. Таким образом, возникнув как составная часть кибернетики, бионика за весьма короткий срок стала наукой, широко исследующей все многообразие функциональных и структурных решений живой природы.
В настоящее время основные направления исследовательских работ в бионике связаны со следующими проблемами:
изучением нервной системы человека и высших животных и моделированием нейронов и нейронных сетей с целью дальнейшего совершенствования вычислительной техники и для разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики, изучением надежности живых систем;
исследованием органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения, изучением принципов опознавания;
изучением принципов ориентации и навигации у различных представителей животного мира для использования этих принципов в технике;
исследованием морфологических, физиологических и других особенностей живых организмов для получения новых технических и научных идей.
Указанный круг вопросов непрерывно расширяется. По мере проникновения в мир биологических представлений инженеры проявляют интерес к таким вопросам, которые прежде вряд ли привлекли бы их внимание. Подтверждением этому является сама короткая история бионики, которая началась с создания искусственных нейронов, а сейчас распространяет сферу своего влияния па такие специфические проблемы, как увеличение быстроходности кораблей на основе исследования морфологии рыб.