инженер-полковник

П. Т. Асташенков

ЧТО ТАКОЕ БИОНИКА

От издательства

Читатель брошюры инженер-полковника Асташенкова Π. Т. «Что такое бионика» узнает о новой отрасли кибернетики — бионике, занимающейся изучением объектов, процессов и явлений живой природы, знания о которых могут быть использованы в новейшей технике. Среди отраслей техники, говорится в брошюре, где могут быть применены получаемые данные, наибольшее значение имеют радиолокация, связь, инфракрасная аппаратура, электронно-вычислительные машины. Автор убедительно доказывает, что выводы бионики способны сыграть важную роль в развитии военной техники — аппаратуры обнаружения, связи, управления, автоматики.

Брошюра рассчитана на массового читателя.

Начало положила кибернетика

Все более популярной становится в настоящее время кибернетика — отрасль науки, родившаяся в первые годы после второй мировой войны. Она занимается математическим исследованием процессов управления и связи в живых организмах и автоматических устройствах. Это научное направление возникло на стыке точных, технических и биологических наук, в ее создании и развитии участвовали математики, физики, инженеры, биологи, врачи, лингвисты. Поскольку кибернетика для исследования процессов управления и строения управляющих систем самой различной природы прибегает к помощи математических методов, она могла развиться лишь на основе всего накопленного наукой в области теории вероятностей, дифференциальных уравнений, математической логики, теории информации.

Первым трудом, в котором была сделана попытка систематизировать основы кибернетики, была книга американского математика Н. Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1948 г.). В разработке основных идей, изложенных в этой книге, участвовали американские ученые К. Шеннон, А. Розенблют и другие.

В развитие математических дисциплин, играющих большую роль в кибернетических исследованиях, внесли существенный вклад замечательные русские ученые A. А. Марков, А. Н. Колмогоров, Η. Н. Боголюбов. Еще до окончательного формирования кибернетики как науки B. А. Котельников осуществил глубокие исследования общей теории связи, А. Я. Хинчин дал строгое математическое истолкование теории информации.

Что же нового в принципиальной постановке вопросов несет кибернетика? Она рассматривает задачи управления в общем виде, не входя в подробности конкретного устройства отдельных механизмов, узлов и т. д. То же самое и в теории связи. Вопросы решаются кибернетикой без уточнения, к каким видам связи они относятся — к телеграфу, радио, телефону или какому-либо другому. В результате такой постановки вопросов появляется возможность под определенным углом зрения рассматривать общее в процессах управления и связи в машинах и организмах, проводить аналогии между вычислительной техникой и мозгом человека.

Все мы знаем такие технические автоматы, как регулятор скорости движения локомотива, станки-автоматы, автоматические телефонные станции, автоматы управления энергосистемами, автоматы управления ядерной реакцией, автоматические метеостанции, автопилоты. Действия автомата могут быть запрограммированы, например работа станка-автомата. Но есть и автоматы, способные выполнять разнообразные задачи в зависимости от внешних условий. К ним относятся автопилоты, устанавливаемые на современных самолетах, и авторулевые, предназначенные для автоматического удержания корабля на прямом курсе.

Поясним принцип действия подобных автоматов на примере авторулевого (рис. 1).

Рис. 1. Схема авторулевого корабля.

Под воздействием многих возмущающих факторов (волны, ветра) корабль может отклониться от заданного курса. Чувствительный элемент — гирокомпас — оценивает величину и направление отклонения от курса и на своем датчике вырабатывает сигнал, пропорциональный этому отклонению. Этот сигнал через промежуточные звенья поступает в специальные устройства, которые вырабатывают команды в виде электрического напряжения, управляющего работой исполнительного двигателя. Под действием приложенного напряжения двигатель приходит в движение и через механическую передачу производит перекладку пера руля в сторону, противоположную изменению курса. После нескольких перекладок руля корабль выходит на заданный курс и все управляющие элементы авторулевого занимают исходное положение.

Мы так подробно остановились на действии авторулевого потому, что в нем отчетливо видны характер и особенности так называемых систем с обратной связью, привлекающих и кибернетику. Понятие обратной связи считается общим для техники и биологии. Принцип обратной связи используется, например, в системе, управляющей равновесием человека. Определяющую роль обратных связей в построении и регуляции движений живых организмов установили в конце двадцатых годов советские ученые.

На рис. 2 показана структурная схема устройства с обратной связью.

Рис. 2. Структурная схема устройства с обратной связью.

Ее действие легко пояснить на том же примере с авторулевым. В схеме A(t) — заданный курс, B(t) — реально выдерживаемое направление. По каналу обратной связи к сравнивающему элементу С подводится сигнал с выхода, и, если B(t) отличается от заданного направления, вырабатывается сигнал рассогласования, равный A(t) — B(t), который усиливается в усилителе. Он воздействует так, чтобы свести рассогласование к нулю. Когда рассогласование при отсутствии внешних воздействий стремится к нулю, обратную связь называют отрицательной.

Такая обратная связь важна не только для осуществления различных движений живого организма, но и для осуществления физиологических процессов в нем, для продолжения самой его жизни. Правда, эти обратные связи действуют медленнее, чем обратные связи движений и поз. Известно, как жестки рамки существования высшего животного с точки зрения температуры, обмена веществ и т. д. Изменение температуры тела на полградуса считается признаком заболевания, а изменение температуры на пять градусов ставит под вопрос жизнь организма. Очень строги требования к осмотическому давлению крови и концентрации в ней водородных ионов. В организме должно быть определенное количество лейкоцитов для защиты от инфекции, обмен кальция должен быть таким, чтобы кости не размягчались и ткани не кальцинировались. Можно привести и многие другие примеры, которые показывают, что в теле человека имеется огромное количество термостатов, автоматических регуляторов и иных устройств с обратной связью.

Их вполне хватило бы для большого химического предприятия.

Сравнивая системы управления в живом организме и машине, ученые вынуждены были все более пристально «вглядываться» в сущность тех своеобразных «приборов», с помощью которых животные и растения воспринимают, анализируют, передают информацию. Данные об устройстве таких «приборов» могут иметь исключительно важное значение для развития многих новых отраслей техники — связи, локации, автоматики, инфракрасной аппаратуры и т. д. В результате возникло новое направление науки, занимающееся изучением биологических процессов и устройства живых организмов с целью получения новых возможностей для решения инженерно-технических задач. Эта новая отрасль науки стала называться бионикой. Название ее происходит от греческого слова бион, что означает элемент жизни (то есть элемент биологической системы).

Многие специалисты считают бионику новой отраслью кибернетики. В соответствии с этим они определяют ее как науку, исследующую пути и методы электронного моделирования природных систем получения, обработки, хранения и передачи информации в живых организмах.