Текст книги "Бионика. Прошлое, настоящее и будущее"

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.