Бионика. Прошлое, настоящее и будущее

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.