Бионика как технология

Бионика — это наука, которая изучает конструирование искусственных систем, обладающих некоторыми характеристиками живых систем. Бионика — это не специальная наука, а междисциплинарная; это можно сравнить с кибернетикой.

Бионика

Бионика и кибернетика были названы двумя сторонами одной медали. Оба используют модели живых систем. Бионика, чтобы найти новые идеи для полезных искусственных машин и систем, а кибернетика, чтобы искать объяснение поведения живых существ.

Таким образом, бионика отличается от биоинженерии (или биотехнологии), которая заключается в использовании живых организмов для выполнения определенных промышленных задач, таких как выращивание дрожжей на нефти для получения пищевых белков, использование микроорганизмов, способных концентрировать металлы из низкосортных руд и переваривание отходов бактериями в биохимических батареях для подачи электрической энергии.

Мимикрия природы — старая идея. Многие изобретатели моделировали машины на примере животных на протяжении веков. Копирование с натуры имеет явные преимущества. Большинство живых существ, находящихся сейчас на Земле, являются продуктом двух миллиардов лет эволюции, и конструирование машин для работы в среде, напоминающей среду обитания живых существ, может извлечь выгоду из этого огромного опыта. Хотя самым простым способом можно считать прямое подражание природе. Это часто трудно, если не невозможно, среди прочих причин из-за различий в масштабе. Исследователи бионики обнаружили, что более выгодно понимать принципы того, почему вещи именно так работают в природе.

Захват на основе модели щупалец осьминога

Следующим шагом является обобщения поиска вдохновения от природы. Живые существа можно изучать с нескольких точек зрения. Животная мышца является эффективным механическим двигателем; солнечная энергия накапливается в химической форме растениями с почти 100-процентной эффективностью; передача информации в нервной системе более сложна, чем на крупнейших телефонных станциях. Решение проблем человеческим мозгом намного превосходит возможности самых мощных суперкомпьютеров. Они иллюстрируют две основные области исследований бионики — обработку информации и преобразование, и хранение энергии.

Общая схема информационной сети живых организмов следующая: ощущения окружающей среды воспринимаются органами чувств и затем кодируются в сигналы, которые передаются нервами в центры обработки и запоминания мозга. Например, ямки гадюки подсемейства Crotalinae (включая гремучих змей) имеют термочувствительный механизм, расположенный в углублении между ноздрями и глазами. Этот орган настолько чувствителен, что может обнаружить мышь на расстоянии нескольких метров. Хотя существуют гораздо более чувствительные искусственные инфракрасные детекторы, бионика все же может извлечь выгоду из изучения гадюк. Во-первых, было бы интересно и потенциально полезно понять принцип преобразования энергии, происходящего в инфракрасной ямке гремучей змеи, а также процесс, посредством которого нервы стимулируются в отсутствие усиливающего механизма. Еще один яркий пример — орган обоняния шелковой моли Bombyx mori. Самец может обнаружить химическое вещество, выделяемое самкой, в количестве всего нескольких молекул.

В проводнике, таком как телефонный провод, сигнал ослабляется, когда он проходит вдоль провода, и усилители должны быть размещены через определенные промежутки времени, чтобы усилить его. Это не относится к нервному аксону животного: нервный импульс, исходящий от органов чувств, не ослабевает при движении вдоль аксона. Этот импульс может распространяться только в одном направлении. Эти свойства делают нервный аксон способным к логическим операциям. В 1960 году было разработано полупроводниковое устройство, называемое нейристором, способное распространять сигнал в одном направлении без затухания и способное выполнять числовые и логические операции. Нейрористорный компьютер, вдохновленный естественной моделью, имитирует динамическое поведение естественных нейронных информационных сетей; каждая схема может служить последовательно для различных операций способом, аналогичным нервной системе.

Легкий пневматический робот

Другой вопрос, представляющий интерес для бионики, заключается в том, как живая система использует информацию. В меняющихся обстоятельствах люди оценивают альтернативные варианты действий. Каждая ситуация как-то напоминает ситуацию, пережитую раньше. «Распознавание образов», важный элемент человеческой деятельности, имеет значение для бионики. Одним из способов создания искусственной машины, способной распознавать образы, является использование процессов обучения. Экспериментальные версии такой машины были разработаны. Они учатся, устанавливать и изменять соединения между большим количеством возможных альтернативных маршрутов в сети путей. Это обучение, однако, все еще зачаточно и далеко от человека.

Первое существенное различие между существующими электронными компьютерами и человеческим мозгом заключается в том, как организована их память. Как в памяти живого существа, так и в машине, основная проблема заключается в извлечении информации после ее сохранения.

Метод, используемый компьютерами, называется «адресация». Память компьютера можно сравнить с большой стойкой с «голубями», каждая из которых имеет определенный номер или адрес (местоположение). Можно найти определенную часть информации, если известен адрес, то есть номер почтового ящика. Человеческая память работает совсем по-другому, используя ассоциацию данных. Информация извлекается в соответствии с ее содержанием, а не по искусственно добавленному внешнему адресу. Эта разница качественная, а также количественная. Искусственные запоминающие устройства теперь строятся с использованием ассоциативных принципов, и в этой области есть большой потенциал.

Бионическая рука

Второе основное различие между электронными компьютерами и человеческим мозгом заключается в способе обращения с информацией. Компьютер обрабатывает точные данные. Люди принимают нечеткие данные и выполняют операции, которые не являются особо строгими. Кроме того, компьютеры выполняют только очень простые элементарные операции, производя сложные результаты, выполняя огромное количество таких простых операций с очень высокой скоростью. Напротив, человеческий мозг работает с низкой скоростью, но параллельно, а не последовательно, производя несколько одновременных результатов.

В живом мире энергия хранится в форме химических соединений; его использование всегда сопровождается химическими реакциями. Солнечная энергия накапливается растениями посредством сложных химических процессов. Энергия мышечного движения происходит от химических изменений. Свет, излучаемый такими живыми организмами, как грибы, светлячки и некоторые рыбы, имеет химическое происхождение. В каждом случае преобразование энергии является удивительно эффективным по сравнению с тепловыми двигателями.

Начинается понимание того, как эти превращения происходят в живом материале, и сложной роли природы, которую играют живые мембраны. Возможно, некоторые из ограничений молекулярной сложности и хрупкости можно было бы преодолеть в искусственных машинах с искусственной энергией и добиться лучших результатов, чем в натуральных мембранах.

0

Комментарии


Чтобы оставить комментарий, пожалуйста, авторизируйтесь!