Что такое бионика?

Бионика... Слово незнакомое, и все-таки у многих оно вызовет определенные ассоциации. Не образовано ли оно сочетанием слов биология и электроника?

Такая догадка возникала не только у непосвященных, но на первых порах даже и у тех, кто в некоторой степени был знаком с предметом и методами этой науки; существование ее действительно немыслимо в отрыве от биологии и электроники. И все же слово "бионика" имеет иное происхождение. Оно образовано от древнегреческого слова "бион", что означает - ячейка жизни.

Ибо бионика, подобно биологии, интересуется живой природой. Но цель у бионики совершенно иная. Новая наука неразрывно связана с практикой, с техникой и изучает живую природу специально для того, чтобы понять, в чем она совершеннее, умнее, экономичнее современной техники и, поняв, дать в руки инженеров новые знания, новые принципы и методы решения труднейших проблем, вставших ныне перед техникой. Вот почему бионика - и наука и техника одновременно. Один из инженеров дал такое определение бионики: "Бионика является искусством применения знаний о биологических системах и методах к решению инженерных задач".

Если рассматривать бионику с таких именно позиций, можно решить, что ничего нового в ней нет. Ведь род человеческий с первых дней подражает природе, учится у нее, старается перенять все, что можно обратить себе на пользу. Так, старинное предание говорит, что во времена средневековья арабские ученые, исследовав строение глаза, изобрели линзу, без которой не мыслимо существование оптики, фотографии и кинематографии; без которой не возникла бы и современная физика. О том, как изучение живой природы с самых давних времен помогало человеку изобретать, можно рассказать многое.

И все-таки бионика молода. Она зарождается на наших глазах. В отличие от прежних исследователей природы, открытия которых время от времени и лишь непреднамеренно приводили к техническим изобретениям, бионики всегда ставят перед собой цель - изучать живую природу для того, чтобы открывать новые технические принципы и на их основе создавать новые инженерные устройства.

Иными словами, бионик изучает живую природу не ради нее самой, а заранее задавшись определенной технической целью.

Времена случайных открытий отошли в прошлое. Ныне биологи, как и представители точных наук, по большей части знают, что хотят найти. Знают это и бионики. Но, в отличие от биологов, они в первую очередь интересуются техническими принципами действия биологических систем (если хотите - биологических машин) или отдельных органов. А это означает, что основное внимание бионика сосредоточивает на том, как работает система, как работает орган, а не на их биологических особенностях, если они не важны для решения технической проблемы.

Конечно, бионика не возникла на пустом месте. Науки, из которых она выросла, известны всем. Это биология, физика, химия, математика и, разумеется, электроника и кибернетика, это многие инженерные науки. Рождение бионики подтверждает основное правило развития современных наук: наиболее важные и плодотворные направления возникают на стыке многих не связанных дотоле наук.

Передо мной несколько книг по бионике. Это не учебники (их еще не скоро напишут), не монографии. Это сборники докладов, зачитанных на советских и зарубежных конференциях. Круг тем необычайно широк: тут и сообщения о первых бионных приборах, и доклады об исследовании принципов полета птиц, об обтекаемости тела рыб и водных млекопитающих, о биолюминесценции (свечении организмов), о строении мышц и о многом другом. Как ни разнохарактерны темы исследовательских работ и докладов, все они сегодня с равным правом относятся к той области науки, которая родилась на наших глазах и наречена бионикой.

Однако уже и сейчас можно довольно точно установить главные направления этой науки на ближайшее будущее. Сравнивая доклады на конференциях и журнальные статьи, легко заметить, что год от года увеличивается число работ, посвященных органам чувств животных, процессам в нервной системе и вопросам навигации у животных. Это не случайно. Именно изучение принципов работы органов чувств, нервной системы, перелетов птиц, путешествий насекомых, рыб и морских животных позволит разрешить наиболее важные и трудные, наиболее неотложные проблемы, назревшие в технике, поможет инженерам создать новые удивительные машины.

Но, повторяю, бионика занимается и многими другими вопросами, ведет исследования в совершенно иных направлениях. Какое из них первым принесет успех, предсказать невозможно.

Ведь в бионике еще ничего не устоялось. И на ее счету нет пока ни фундаментальных открытий, ни существенных практических результатов. Нынче она всего лишь многообещающий младенец. Несомненно только одно: многие бионные исследования рано или поздно принесут свои плоды. Бионика уже сейчас начала оказывать влияние на технику, а к тому времени, когда вы завершите свое образование, то есть примерно к концу семидесятых годов, эта наука обретет свою теорию, даст очень важные для практики результаты.

Как видите, краткого и определенного ответа на вопрос "Что такое бионика?" не существует. Более того, среди ученых немало тех, кто отвергает бионику. Но мне не встречался ни один инженер, который не приветствовал бы эту новую науку. Почему среди ученых есть такие, которые отрицают бионику, а среди инженеров их нет и обоснованно ли такое отрицание, мы увидим позже. Пока добавлю, что сегодня на свете еще нет "профессиональных" биоников, и ни в одном учебном заведении еще не создан факультет бионики. Сейчас этой науке отдают свои силы энтузиасты из самых различных областей техники, в основном из электроники, и, разумеется, биологи и кибернетики.

Бионика

Теперь, читатель, я хочу сделать небольшое отступление. Я знаю, что вам уже кое-что известно о "патентах природы", ведь о них не раз писали в газетах и журналах, немало рассказывали по радио. И вы, вероятно, рассчитываете, что уже со следующей страницы начнется рассказ о сенсационных открытиях, удивительных бионных машинах и таинственных загадках природы - словом, обо всем том, о чем вы уже чуточку наслышаны.

Я должен разочаровать тех, кто надеется на это. Прежде чем дело дойдет до "патентов природы", вам придется прочитать немало страниц, посвященных совсем другой, несенсационной бионике, о которой куда меньше говорили и писали. Мне тоже хотелось бы, как говорится, взять быка за рога, но опасаюсь, что столь опрометчивый поступок привел бы нас с вами к весьма печальному финалу: я не сумел бы рассказать по-настоящему, а вы понять, что такое бионика, почему на нее возлагается столько надежд и чего можно в действительности ждать от этой инженерной науки.

Чтобы понять бионику, надо знать ее истоки и причины, вызвавшие ее к жизни, а следовательно, представлять себе путь, по которому наука и техника пришли в школу живой природы.

И нам, правда очень бегло, придется повторить этот путь: мы начнем его в Италии конца XVIII столетия, затем узнаем о некоторых научных открытиях, сделанных у нас на Родине в конце прошлого и в начале нашего века, познакомимся с одним американским ученым, а попутно поговорим об электричестве, кибернетике, о профессии инженера, об экономии и о том, насколько надежна современная техника.

Многое из того, что встретится в начале книги, быть может, известно вам. Но дело в том, что совсем недавно все это известное даже специалистам казалось не объединенным друг с другом ничем, кроме истории науки, Теперь же, после возникновения бионики, ясно видно, что все, о чем мы будем говорить, тесно связано в единую цепь.

А пока расскажу об одном случае, приключившемся с маленькой девочкой, которая ехала на Юг.

Девочка много слышала об удивительном Черном море, о Кавказских горах, и ей не терпелось увидеть все самой: и горы, и особенно море. Она была не сильна в географии и знала только одно: море находится на Юге. Но Юг она понимала по-своему - для нее это было не направление, а некая страна, где плещет теплое море.

И когда тронулся поезд, девочка прижалась носом к оконному стеклу и неотрывно смотрела, как медленно поворачивается за окном земля, как приближаются, а затем уходят назад дымящие фабричные трубы, дома, белье, развешанное на веревках, неторопливо идущие люди, деревья, поля, луга со стадами. Дома, заводы, деревья... все было знакомым, все это она уже не раз видела, и ей казалось, что поезд тоже не торопится и идет слишком медленно; ей так хотелось скорее попасть на Юг!

Но все-таки картины, мелькавшие за окнами, постепенно менялись: как-то незаметно отступили от дороги леса, а затем и вовсе исчезли, за окном раскинулась бескрайняя степь. Но и она постепенно сменилась холмами - поезд приближался к Кавказу. Над ночным горизонтом розовели в последних лучах солнца вершины гор. Но тут девочку уложили спать.

Утром девочка проснулась и выглянула в окно. Но ничего, кроме высоких деревьев да клочка необыкновенно синего и высокого неба, не увидала. А вскоре в вагоне стало темнее, чем ночью, - поезд вошел в тоннель. Потом вышел из него и почти сразу нырнул в другой, третий, а когда выбрался из последнего, отец воскликнул: "Смотри, море!"

Море! Оно даже снилось ей. Девочка знала, что оно синее, сверкающее, огромное. И она быстро повернулась к окну, но увидела только деревья, траву и бескрайнее синее нe6o.

- Где же оно? - нетерпеливо спросила девочка.

- Да прямо перед тобой! - ответил отец.

Но она еще долго не могла увидеть моря. Возможно ли это?

Да, возможно. Ведь девочка никогда не видела моря и ясным солнечным утром не сумела отличить его от южного неба.

Поверит ли кто-нибудь этой истории, если ее героем окажется не ребенок, а взрослый?

Но представим себе, что надо заметить не море, а новое, неизвестное науке явление или новую научную идею. Порой их чрезвычайно трудно распознать и отличить от старого, давно известного науке. И нередко старое принимают за новое. Один ученый шутил: "Новое - это прочно забытое старое".

Но зато, когда новое узнано и понято, наступает пора прозрения; все поиски, которые велись как бы вслепую, все попытки продвинуться по пути знания озаряются светом нового открытия, новой идеи. И тогда становится ясно, что наука шла именно к этому открытию, что оно подготавливалось всем ходом развития человеческого общества и сделано вовсе не случайно, хотя, разумеется, никто заранее не мог предвидеть, каким будет открытие, какой окажется новая идея.

Я позволю привести пример из своей жизни.

В пятидесятых годах мне пришлось работать над одним очень сложным электронным прибором. Нет нужды говорить о нем подробно. Скажу только, что этот прибор должен был следить за перемещениями светового зайчика, отбрасываемого на экран колеблющимся зеркальцем. Куда бы ни двигался зайчик, вверх или вниз, влево или вправо, как бы ни менялась его яркость, прибор должен был обнаруживать перемещения, их направление и скорость и выдавать управляющие сигналы на электродвигатели.

Было ясно, что прибор этот имеет некоторое сходство с человеческим глазом. Но поначалу я не придавал ему никакого значения. Мне казалось, что подобное сходство меня, инженера, ни к чему не обязывает. Правда, было забавно наблюдать, как первый неуклюжий лабораторный макет прибора поворачивал вслед за зайчиком, бегущим по полотну экрана, голубой глаз объектива, как нерешительно и недоуменно замирал и вздрагивал объектив, когда зайчик ускользал из его поля зрения. В нем было что-то от живого существа, в этом электронном автомате. Постепенно, сталкиваясь с новыми и новыми трудностями, я стал понимать, что глаз гораздо лучше прибора умеет следить за световым зайчиком. В этом меня убеждали собственные глаза. И я понял, что прибор можно значительно улучшить, если он будет работать по тому же принципу, что и глаз.

Я думал об этом непрерывно. Глядя из окна троллейбуса на прохожих, наблюдая за полетом птиц, самолетов, играя в теннис, я все время пытался понять, каким образом мои глаза успевают следить за движением стремительного теннисного мяча, птицы, самолета... Я пытался анализировать свои ощущения, но вскоре понял, что столь кустарным путем мне не удастся узнать ничего нового. И тогда я с жадностью накинулся на книги о глазе, зрении. Они были полны интересных и новых для меня сведений. Но того, что меня интересовало более всего, я в них не нашел.

А прибор, хотя и работал хорошо, меня уже не удовлетворял. Мне хотелось, чтобы он не уступал глазу. И я решил обратиться за помощью к физиологам. "Если об этом ничего не написано в книгах, - рассуждал я, - то, скорее всего, физиологи просто не придавали значения тому, как глаз следит за движущимися предметами. Когда же я объясню, зачем мне это нужно, они проведут исследования и через несколько месяцев выяснят все необходимое". Я пошел к физиологам. И сразу узнал, что дело обстоит не так-то просто. Оказалось, что физиологи тоже очень хотят знать, как работают глаз и мозг, следя за движущимися предметами, и уже давно проводят исследования. Они очень сложны, эти исследования, но ожидаемых результатов пока не приносят.

Так мне и не пришлось воспользоваться помощью физиологов. Прибор, на который было потрачено три года работы, выполнял свою задачу. Но был он в сравнении с глазом чрезвычайно громоздким и ненадежным. Я до сих пор помню чувство горечи и собственного бессилия оттого, что не удалось сделать прибор, хотя бы приближающийся по своим возможностям к глазу. О том, чтобы сделать прибор, сравнимый с глазом, я и не мечтал. К этому времени я многое узнал о технических достижениях природы и понимал, что инженерам еще очень далеко до них. Знал я и то, что многие важнейшие технические изобретения живой природы еще не поняты, что понять их необычайно трудно, и считал, что инженерам придется еще в течение очень многих лет полагаться только на собственную изобретательность. В этом была моя ошибка.

В 1961 году были опубликованы первые материалы по бионике. Название новой науки привлекло меня, и я решил почитать статьи.

И сразу же мне бросились в глаза слова: "Бионика исследует функции и принципы организации биологических систем. Цель этой науки - ускорить решение сложных инженерных задач".

"Вот оно!" - подумал я, и у меня даже пересохло во рту от волнения. Мне ничего не нужно было объяснять. Я все понял. Ведь и меня волею обстоятельств и любопытства жизнь выводила на берега моря, название которому "Бионика". Но тогда оно было еще безымянным, и я не заметил его. А теперь нашлись те, кто увидел это море, и на весь мир заявили об этом. Не отрываясь, читал я все статьи и доклады. Они убеждали меня в том, что я и сам смутно предчувствовал, ярким светом озаряли трудности, возникшие в технике, объединяли несвязанные до того поиски новых инженерных решений в новое техническое направление. И я ни минуты не сомневался в великой будущности бионики. Сама жизнь, опыт убеждали меня в этом.

Так же как и я, приняли бионику все инженеры, которым хотя бы раз приходилось соревноваться в своей работе с живой природой. А вот некоторые биологи скептически отнеслись к бионике. Не сталкиваясь с инженерными задачами, они ничего не знали о трудностях, возникших в технике. Они видели в бионике лишь сенсационное направление все той же биологии, они честно не понимали, что в ней нового. И, как всякие ученые, подозрительно относились к шумихе, поднятой вокруг народившейся науки.

Испытывал ли я горечь оттого, что не первым крикнул "Море!", что не додумался сам до той же идеи? Совершенно честно - нет! Одно дело - смутное ощущение надвигающихся новых идей, оно присуще большинству грамотных инженеров и ученых, другое дело - точная и ясная формулировка этих новых идей. Последнее выпадает лишь на долю самых знающих и талантливых. Люди, ясно сформулировавшие главную идею бионики, были именно такими. Они прекрасно знали технику, ее возможности и трудности, знали биологию, кибернетику, математику. Они отлично знали историю развития науки и техники. Только сплав этих знаний позволил им ясно высказать то, что предчувствовали многие.

Как видите, бионика не только наука и инженерия, в ней таится и чисто человеческое содержание, ибо она отвечает надеждам и мечтам инженеров о новых замечательных машинах, о сбережении драгоценных природных ресурсов, о новом расцвете человеческой цивилизации. Чтобы ясно представить себе, что такое бионика, что сулит она человечеству, нам придется совершить довольно далекое путешествие по дороге, у начала которой стоит указатель с надписью: "Бионика". По этой дороге нам предстоит двигаться не только в будущее, но и в прошлое, порой довольно отдаленное. Потому что рождение бионики, как вам уже известно, было предопределено важными научными открытиями, техническими изобретениями, и в не меньшей степени трудностями в современной технике, Только узнав о них, поняв их сущность, можно ясно представить себе, что такое бионика.

Вот почему я прошу вас не спешить и уделить внимание не только сегодняшней бионике, но и ее предыстории. А начинается она с одного великого научного спора, разгоревшегося в Италии примерно сто восемьдесят лет Назад.