По живому подобию

Бесконечен путь эволюции живого. Где, на каких глубинах истории зародилась живая клетка? Кто дал первый толчок жизни - тепло, свет или электрические разряды молний? Но, родившись однажды, жизнь начала стремительно развиваться. Миллионы лет природа шлифовала, оттачивала, развивала все живое. И даже сегодня, создавая кибернетические машины, строя удивительные станки и аппараты, рождая в хитросплетениях мысли новые теории и гипотезы, мы все еще не можем понять многие секреты природы.

Всего несколько лет назад возникла новая наука - бионика. Владения ее разместились на пограничной полосе между биологией и техникой. Это та зона, которая всегда наиболее плодотворна, ибо два направления питают ее, придают силу новой науке.

Как использовать в технике то, что на протяжении всей эволюции создавала природа? Неверно было бы говорить, что самолет повторяет птицу, что корабль подобен рыбе. Нет, они далеко не схожи. Но в мире есть отдельные элементы, отдельные части живого, которые могут быть полностью освоены как принцип, как идея.

Миллиарды лет живые организмы приспосабливались ко всем изменениям окружающих условий. Природа создала поразительные формы живого полета, плавания, перемещения в пространстве. Природа дала живым организмам и приспособляемость и, наконец, средства связи между собой.

Высшим созданием природы явился мозг, как его назвал физиолог И. П. Павлов - "высшее творение на земном шаре".

Изучить все это богатство, выработанное эволюцией, освоить основы работы мозга - вот центральный вопрос бионики и кибернетики.

Японские инженеры тщательно изучили форму кита и характер его плавания. И вот было создано судно китообразной формы. Выяснилось, что мощность двигателей нового корабля на 25 процентов меньше при той же скорости и грузоподъемности.

А что может быть неповоротливее пингвина? Однако Он придумал способ движения по снегу. Чтобы не зарываться в снег, пингвин ложится на белый пух своим обтекаемым телом и энергично, словно веслами, работает крыльями-ластами.

Именно по этому принципу и создаются сейчас вездеходы - не на лыжах и не на гусеницах. Вездеход нового типа как бы лежа скользит по мягкому снегу, совершенно свободно выходит на воду и вновь взбирается на лед.

Вспомните обыкновенный подсолнечник, который всегда поворачивается к солнцу. А как он это делает? За счет чего создается усилие поворота? Как поток световых лучей вращает в одном направлении миллионы желтых соцветий? Пока эта тайна природы не раскрыта. А как много может это дать науке - солнечным машинам, фотоэлементам?

Существуют породы рыб, обладающие феноменальным обонянием. Если в литре воды находится одна стомиллиардная часть пахучего вещества, то есть частица, не уловимая никакими научно-техническими средствами, рыба чувствует ее. Даже хорошо нам знакомая обыкновенная собака различает до полумиллиона запахов, абсолютно недоступных человеку.

Ученые работают над локаторами запахов. Чувствительность их может быть доведена до едва различимых пределов. Представьте себе, что где-то на юге Каспийского моря в воду пустили одну каплю ароматического вещества. С помощью локатора запахов вы можете обнаружить около устья Волги, что это за вещество и где оно было запущено.

А разве поразительная способность крысы ощущать радиацию не заставляет нас задуматься о механизме этой способности?

Чрезвычайно важно в наш атомный век научиться быстро распознавать радиоактивность. А может быть, где-то в глубинах человека тоже есть анализаторы радиоактивности?

Неоднократно говорилось об удивительной способности летучих мышей в полной темноте не наталкиваться на препятствия. После долгих исследований было установлено, что летучие мыши обладают секретом звуковой локации. Они издают во время полета неслышимые звуки, отражение этих звуков от предмета и дает им возможность ориентироваться в пространстве. Учитывая время возвращения этих сигналов, летучая мышь абсолютно точно ориентируется в пространстве. Но за последнее время была обнаружена и другая особенность. Некоторые летучие мыши, быстро проносясь над водою, без промаха хватают рыбу, плавающую близко к поверхности. Что же происходит? Ведь известно, что 99 процентов звуковой энергий отражается от поверхности воды. Сколько же энергии доходит обратно к летучей мыши, если к рыбе поступает всего один процент колебаний сквозь слой воды?

Недавно был создан гироскоп принципиально новой конструкции, использующий тончайшие вибрирующие пластинки. Как вы думаете, откуда родилась эта идея? В результате наблюдения за организмом насекомых. Многие из двукрылых насекомых имеют жужжальца. Когда изменяется направление полета, в дрожащем жужжальце возникает дополнительное напряжение, а соответственно и раздражение, которое передается в головной мозг насекомого. Тем самым насекомое корректирует направление полета. Этот принцип и был использован в гироскопе.

Совсем недавно был изобретен прибор, измеряющий ускорение, так необходимый для самоуправляющихся снарядов и ракет. Принцип этого прибора был найден при изучении вестибулярного аппарата человека. Малейшее ускорение вызывает перемещение жидкостей в сосудах, куда опущены электроды.

Во время войны были использованы исключительные способности тюленей слышать звуки. Как известно, тюлени на огромном расстоянии улавливают шум гребных винтов. Американский физик Роберт Вуд попытался использовать эту особенность ушей тюленя. Сегодня чувствительность тюленя уже получила применение в гидрофонах.

Долгое время загадкой была скорость движения дельфина. Он свободно обгоняет любой корабль, и было непонятно, где в таком небольшом объеме - теле животного - заключен такой мощный мотор. Оказалось, что дело вовсе не в моторе, а в особой структуре кожи животного. Дельфин скользит в воде с минимальным сопротивлением, так как кожа его не производит никаких турбулентных, вихревых движений. Сейчас за рубежом пытаются проектировать суда, поверхность которых имитирует кожу дельфина.

Непонятно было, как гремучая змея в абсолютной темноте совершенно точно нацеливается на свою жертву. Дело не в том, что ее глаза якобы видят в темноте. Ничего подобного! Оказывается, у гремучей змеи есть исключительно чувствительный инфракрасный локатор. Он улавливает разность температуры в 0,001 градуса - он-то и направляет смертоносный укус змеи. По этому принципу строятся сейчас тепловые локаторы большой чувствительности.

Ученые установили, что нильская рыба "водяной слон" обладает поразительным локатором, расположенным на спине. Излучая из хвостовой части колебания, нильский "водяной слон" воспринимает их отражение от приближающегося противника небольшим участком кожи на спине. Подобные приборы создаются сегодня. Они используют электромагнитные волны и применяются в мореходстве и в авиации.

Многие конструкторские бюро заняты в настоящее время исследованием полета насекомых. Эти исследования очень важны и интересны, потому что именно насекомые являются самыми крупными рекордсменами скорости. Стоит задуматься, почему винт и реактивный двигатель - несущая сила современного самолета - в то же время мешают увеличению скорости. Полет насекомых более экономен и обеспечивает большую скорость.

Давайте сопоставим скорость полета насекомых, птиц и самолета.

Скорость полета шмеля - 18 километров в час, слепня - до 55 километров в час, а вот скворец пролетает в час более 70 километров. Стрижи могут развить скорость до 100 километров в час. У самолетов как будто явное преимущество. Но это далеко не так.

Распределим призовые места по другому принципу, учитывая длину тела. Тогда мы увидим, что слепень за час покрывает расстояние, равное 30 000 своей длины, шмель - 10 000, стриж будет уже на третьем месте - 8000. На последнем месте окажется самолет, летящий со скоростью 900 километров в час. За час он пролетает путь, равный 1500 своей длины, то есть в 15 раз меньше, чем слепень.

Где же источники этой поразительной скорости? Обыкновенная муха, которая весит 73 миллиграмма, имеет крылья площадью в 56 квадратных миллиметров. Таким образом, на один килограмм веса мухи приходится чуть больше половины квадратного метра площади крыльев. У комара же на один килограмм веса приходится площадь крыльев в 10 квадратных метров.

Все эти цифры очень важны для тех, кто занимается сегодня изучением новых средств полета в технике.

Полет - это общий принцип. Но любая "деталь" живого организма может представлять интерес для конструктора.

Какова связь между глазом пчелы и полетом спутников в межзвездном пространстве?

А ведь эта связь есть. Глаз пчелы имеет фасеточную конструкцию - он состоит из тысячи воспринимающих ячеек. Но пчела видит солнце только несколькими из этих элементов. Обладая "биологическими часами", как бы отсчитывающими время, пчела потрясающе ориентируется в пространстве по солнцу. Но ведь этот же принцип применим для ориентации спутников.

В одном из научных институтов Америки был создан аппарат, копирующий действия глаза лягушки.

Дело в том, что лягушка умеет абстрагироваться от неподвижного предмета, сосредоточив все свое внимание только на предмете движущемся. Это помогает ей охотиться за насекомыми. Искусственный глаз лягушки занимает сегодня очень много места. Это 7 рам, размером 1 X 1 метр, состоящие из фотоэлементов - искусственных нейронов и неоновых ламп. Число фотоэлементов огромно - свыше 1000 на каждой раме. Комбинация фотоэлементов устроена таким образом, что они взаимно погашают любое неподвижное изображение, попадающее в сферу обзора "лягушиного глаза". Но как только электрическое равновесие системы будет нарушено движущимся предметом, он будет тут же обнаружен.

Такой прибор представляется весьма интересным и полезным. Ведь ему ничего не стоит обнаружить самолет, отличив его от неподвижных сигналов - отражения гор, мачт электропередачи, заводских труб и т. п. Подвижный предмет мгновенно привлечет внимание и будет зафиксирован аппаратом. Это важно для управления воздушным движением, для радиолокации и других целей.

Мы уже говорили о том, что создается модель живых нейронов. Существует уже около двух десятков таких моделей. Они отличаются друг от друга не только схемами, но и принципами действия. Существуют модели нейронов электронные, полупроводниковые, химические.

Хочется верить в то, что с помощью этих моделей мы подойдем к возможности создавать "умные" машины.

Но сумеем ли мы добиться когда-нибудь того замечательного качества, каким обладает живой мозг,- умения предвидеть будущую ситуацию, чтобы успеть подготовиться к ней?

Ведь ни один поступок, ни одно действие не совершаем мы без того, чтобы не предвидеть в довольно ясной форме тех результатов, которые мы получим. Не будь этого, мы бы не могли существовать, вся наша жизнь стала бы неуправляемой, бессистемной и хаотичной.

Создание "предвидения" результатов у электронных и кибернетических аппаратов - чрезвычайно важная проблема современной техники, стоящая рядом с проблемой надежности "мыслящей машины".

Я вспоминаю свой разговор с "отцом отечественной кибернетики" - академиком Акселем Ивановичем Бергом. Человек темпераментный и энергичный, он сконцентрировал мое внимание на основной теме, с которой сталкивается любой кибернетик,- на надежности.

- Нет аппарата надежнее и экономичнее живого мозга,- говорил Аксель Иванович.- Исследователи доказали: можно удалить половину массы мозга у животного, и оно будет продолжать жить и действовать. И не потому, что эта половина не работала,- горячился академик.- Нет, дело в том, что оставшаяся часть мозга немедленно перестраивается и начинает работать за обе половины.

- Вот бы такую кибернетическую машину...- заметил я.- Утром выбросил половину шкафов, и ничего не изменилось - работает, как прежде.

- Увы, здесь дело обстоит сложнее,- поясняет Аксель Иванович.- Как бы быстро ни работала машина, как бы ни был велик объем ее памяти, малейшая неисправность вызывает грубейшие ошибки. Если бы один-единственный раз только одна электронная лампа не передала импульс другим лампам, то, проделав более 10 миллионов арифметических действий, решив 10 миллиардов уравнений, машина заведомо даст неправильный ответ. Она должна работать с такой надежностью, чтобы ошибка не превышала 1/1000 000 000. Как же этого добиться? Ведь такой ошибки не может быть в нормальном, здоровом человеческом мозге.

Выдающийся ученый прав. Здесь кибернетика должна вступить в соревнование с мозгом.

На протяжении многих лет член-корреспондент Академии наук Э. А. Асратян занимается проблемой: как центральная нервная система восстанавливает любое нарушение?

"Способность мозга, в особенности его высших отделов,- говорит он,- к восстановлению нарушенных функций поражает самое пылкое воображение".

Действительно, мозг - один из самых сложных агрегатов, какие когда-либо создавала природа. Но он и самый надежный аппарат. Он работает в любых условиях, десятками лет, не давая осечки, не реагируя на температурные изменения, на положение в пространстве, на влияние внешней среды. Это сверхнадежный, сверхточный прибор. В чем же его сила и в чем секрет его фантастической надежности?

Миллиарды нейронов - крошечных сложных устройств - составляют мозаику мозга. У каждой нервной клетки сотни и тысячи связей, или, как говорят кибернетики, "выходов", с другими клетками. А сколько выходов имеет электронная лампа? 4 - 6, не больше.

Мозг состоит из двух полушарий, которые как бы дублируют друг друга, создавая исключительную надежность. Постараемся цифрами показать, в чем достоинство такого дублирования. Представьте себе, что в двух каналах происходят два события, не зависящие друг от друга. Возможность их совпадения почти исключена. И если в этом случае ошибка одного из вычислений составляет 0,01 процента, то два параллельных вычисления могут дать неверный результат в размере 0,01 X 0,01 = 0,0001 процента. Это значит, что ошибка может быть допущена в одном случае из 10 000. Не поэтому ли чудотворец Природа разделила мозг на две параллельно работающие группы? Но есть и другие условия надежности мозга. Чтобы предохранить человеческий мозг от повреждений, чтобы дать ему возможность работать неистощимо, после возбужденного состояния клетки наступает так называемое торможение. Член-корреспондент Асратян установил, что период тормозного состояния клетки немедленно используется для ее профилактического ремонта на ходу. Но, кроме того, ежесуточно клетка ремонтируется и более основательно: сон человека позволяет полностью отдыхать мозгу.

От перегрузки клетка тоже защищена. Это - открытое академиком Козловым так называемое "запредельное торможение". Если усилить воздействие на клетку, она будет реагировать энергично, но при очень большом уровне воздействия нервная система автоматически отключается, с тем чтобы при снятии воздействия вновь приступить к нормальной работе.

Замечательное качество нервных центров - это способность перестраиваться. В лаборатории Асратяна был проделан необычный опыт. Собаке под наркозом пришили сухожилия мышц сгибателей к разгибателям и наоборот, сухожилия разгибателей - к сгибателям. Когда бедняга проснулась от наркоза, конечности ее начали действовать в обратном направлении: когда она хотела согнуть лапу, она ее разгибала. Однако это продолжалось недолго: через некоторое время Произошла полная перестройка нервных центров, и животное научилось правильно владеть своими конечностями. Хочется спросить: как можно достигнуть такого совершенства в любой кибернетической машине?

Но и это еще не все. Нервная система человека как бы двухэтажна. Верхний этаж - это кора полушарий, нижний - система саморегулировки отдельных органов. Как надежно работает последняя система, видно из такого наглядного примера. Сердце, отделенное от живого организма, может длительное время работать самостоятельно, если через него пропускать физиологический раствор.

Исключительная надежность работы мозга и заключается в том, что существует двухэтажное строение нервной системы, своеобразное двойное подчинение органов.

Могут ли все эти поразительные качества быть перенесены в машину? Конечно, могут.

Сегодня малейшая поломка в кибернетической машине делает машину беспомощной. Почему бы не воспользоваться биологическими резервами мозга - его способностью к ремонту и перестройке на ходу. Вот почему конструкторы задумываются о создании кибернетических машин, построенных из элементов трех типов.

Первая группа элементов обеспечивает быструю и точную работу машины, вторая группа способна при выходе из строя заменять один элемент другим, и, наконец, третья группа элементов может работать не так быстро и точно, но она обеспечивает машину от перебоев, пока аварийная команда заменяет поврежденные основные элементы. Такая организация кибернетической машины будет в какой-то степени приближаться по своей надежности к работе мозга.

Возможен еще один путь к надежности машины, копирующей живую нервную систему. Машина должна быть построена так, чтобы отдельные узлы ее были достаточно самостоятельными, и в то же время они должны подчиняться общему регулированию. Если из строя выйдет общий регулятор, нижестоящий узел все равно будет работать самостоятельно, как сердце при питании его физиологическим раствором. Таким образом, надежность кибернетической машины увеличится.

Однако машина должна приспособляться к окружающим условиям, чтобы не терять своей надежности.

Как известно, в химической, угольной, нефтяной промышленности, в промышленности, связанной с возможностью неожиданных взрывов, нельзя применять электронику. Достаточно искры от размыкания реле - и происходит взрыв. Так неужели мы должны в этих областях отказываться от применения электроники? Или нужно так усилить надежность защиты электронных устройств, что они превратятся в громоздкие, тяжелые блоки. Советские конструкторы пошли по другому пути - они создали не электрический, а пневматический мозг. Они создали машину, работающую на сжатом воздухе.

По тончайшим трубкам воздух подходит к различным частям пневматического мозга, состоящего из отдельных элементов, по функциям своим подобных электронной лампе. Размеры этих воздушных элементов незначительны - не превышают спичечной коробки. Однако пневматический мозг, состоящий из многих сотен таких коробок, может управлять рядом химических производств. По его приказу добавляется и сокращается поступление химикатов, регулируется температура и давление при том или ином процессе. За свое удивительное изобретение конструкторы получили звание лауреатов Ленинской премии.

В лаборатории Института автоматики и телемеханики уже создали клетку воздушного мозга размером со спичку, и работает она абсолютно надежно.

Для управления сложнейшими процессами современного промышленного предприятия уже существуют настолько миниатюрные аппараты, что машина, состоящая из таких элементов, может свободно уместиться в школьном ранце.

Но человеческий мозг, проигрывая машине в скорости операций, всегда останется примером надежности и компактности для конструкторов. Да и нужно ли мозгу гнаться в скорости за машиной! Замечательно высказался на эту тему один ученый.

"Если бы мозг приобрел все достоинства электронных машин,- сказал он,- мозг немедленно потерял бы все свои преимущества перед этими машинами. А их, как мы видели, немало..."

Итак, мы вновь сталкиваемся с основной проблемой бионики: исследовать живое для того, чтобы использовать преимущества живого в мире машин, механизмов и электроники. Можно с уверенностью сказать - живой мир еще недостаточно исследован, он таит в себе огромные возможности для развития мира машин.

- Я не увлекаюсь альпинизмом, но горы - идеальное место для испытаний шагающего вездехода