стр. 1
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

U. В. Литнщкий




БЕСЕДЫ
О БИОНИКЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москва 196S
Илот Борисович АитинецкиИ БЕСЕДЫ О БИОНИКЕ
УДК 62-5 м 1968 Vtt 592 стр с идд
Редактор И. А. Райская
Техн. редакторы А. Ш. Аксель род,
А. П. Колесникова
Корректоры 3. В. Автонеева,
Т. С Плетнева





















Сдано в набор 1/IV 1968 г. Подписано к печати 22/VIII 1968 г. Бумага 84X1G81/,,. Фнв. печ. л. 18,5. Условн. печ. л. 31,08. Уч.-изд. а. 31,27. Тираж 50 000 вкэ. Т-09Б82. Цена книги 1 р. 18 к. Заказ № 2599.
Издательство «Наука»
Главная редакция физико-математической литературы. Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.
Ордена Трудового Краевого Знамени Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Москва, Ж-54, Валовая, 28.
2-10-2 17448
С од ерэ/сание







Предисловие 4
Беседа первая
Скальпель, паяльник, интеграл 7
Беседа вторая
Скорость, экономичность, маневренность .... 18 Беседа третья
Биотоки в упряжке 86
Беседа четвертая
Оракулы природы 115
Беседа пятая
Биологические часы 148
Беседа шестая
Живые локаторы 177
Беседа седьмая
Искусные навигаторы 229
Беседа восьмая
Бионика и архитектура 266
Беседа девятая
Покорение голубого континента 311
Беседа десятая
Биологическая связь 383
Беседа одиннадцатая
Машина учится слушать, понимать, говорить . . 439 Беседа двенадцатая
Зрячие машины 478
Беседа тринадцатая
На пути к искусственному мозгу 521
}
п редисловие








Пожалуй, ни одна из новых наук, родивших­ся в наш XX век, не приобрела за короткий срок свое­го существования такой огромной популярности, как бионика. Однако, если не считать отдельных статей и брошюр, до сих пор о бионике с инженерных пози­ций с широким кругом читателей еще никто всерьез не говорил.
Популяризация любой науки — дело сложное и трудное, а бионики — особенно. Чтобы написать в за­нимательной форме с большой научной достоверностью книгу о современных достижениях бионики и дальней­ших путях развития этой новой многообещающей нау­ки, нужно обладать не только обширными и глубокими инженерными знаниями, но и приобщиться к «безбреж­ной» биологии, что само по себе не просто. Надо быть еще немножко историком и философом, потому что подлинно популярную книгу о бионике сегодня нельзя уложить в рамки локальной научной публикации: такая книга должна воссоздать перед читателем картину за­рождения и становления новой науки, берущей свое начало в глубокой древности, показать всю ее современ­ную многогранность и потенциальные возможности. Надо отличаться большим трудолюбием и быть энтузи­астом бионики, чтобы в течение нескольких лет по крупицам собирать, обрабатывать и систематизировать разрозненный в сотнях публикаций на различных язы-

ках мира обширнейший материал о результатах биони­ческих исследований, проведенных со времен Леонардо да Винчи, Кеплера и до наших дней. Наконец, надо владеть пером, чтобы, не утомляя читателя специальной научной терминологией, образно и эмоционально рас­крыть по возможности полно всю проблематику совре­менной бионики.
Сейчас более или менее четко определилось три ос­новных направления бионики: биологическое, теорети­ческое (математическое) и техническое. Предметом биологической бионики является изучение явлений и процессов, протекающих в живых организмах, для вы­яснения положенных в их основу принципов, могущих помочь в решении тех или иных актуальных проблем. Теоретическая бионика занимается разработкой фор­мально-математических моделей жизнедеятельности. Эта отрасль бионики является относительно новым на­правлением, результаты работы которого необходимы как биологам — для углубленного понимания функций биологических систем, так и инженерам — для создания электронных аналогов этих систем. Что же касается технической бионики, то она занимается усовершенст­вованием существующих и созданием принципиально новых технических систем, основанных на математиче­ских моделях, разработанных теоретической бионикой. Таким образом, общей задачей бионики является углуб­ленное изучение функций, особенностей и явлений жи­вой природы с целью применения добытых знаний в мире техники. Автор в основном посвятил свою книгу наиболее интенсивно развивающейся в настоящее время технической бионике.
Автор знакомит читателя с важнейшими исследова* ниями, которые ведутся в настоящее время отечествен­ными и зарубежными коллективами биоников в области аэрогидродинамики, биомеханики, биоархитектуры, био-метеорологии; с работами по изучению механизмов и
}
методов локации, ориентации и навигации различных животных; с бионическими аспектами проблемы «чело­век — машина»; с созданием биоэлектрических систем управления техническими объектами и биоточным про­тезированием; с исследованием возможностей долговре­менного пребывания человека под водой и работами по освоению сказочных богатств «голубого континента»; с фундаментальными исследованиями в области распо­знавания зрительных и акустических образов; с моде­лированием нейронов и нервных сетей и, наконец, с ра­ботами по изучению принципов микроминиатюризации и обеспечения высокой надежности биологических систем.
Каждая беседа насыщена огромным фактическим ма­териалом, поданным в увлекательной форме. Поэтому соблазн пересказать содержание всей книги очень велик.
Нам надо, писал В. И. Ленин, чтобы «наука действи­тельно входила в плоть и кровь, превращалась в состав­ной элемент быта вполне и настоящим образом». «Бе­седы о бионике» прочтет с удовольствием не только специалист, но и каждый образованный человек, потому что книга посвящена новому и интересному научному направлению и написана не шаблонным, не сухим «на­учным» языком. Романтическая книга о науке привлечет и новых энтузиастов бионики: ведь для того, чтобы от­крыть новые земли, нужен, образно говоря, не только учебник навигации, но и «Одиссея», пробуждающая героическую жажду исканий. И в этом смысле значение «Бесед о бионике» И. Б. Литинецкого трудно переоце­нить. Написана умная и содержательная книга, увлека­тельный рассказ о новейших достижениях самой моло­дой и многообещающей науки. Такую книгу уже давно ждет широкий круг наших читателей.

23 октября 1967 г. Москва
Академик А. И. Берг

Беседа первая

Скальпель,
паяльник,
интеграл


Молодая наука бионика получила свое на­звание от древнегреческого слова «Ыоп» — элемент жизни, ячейка жизни или, точнее, элемент биологиче­ской системы.
Формально датой рождения бионики принято счи­тать 13 сентября I960 г.— день открытия первого аме­риканского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой тех­нике». Однако такой симпозиум можно было провести только потому, что к этому времени уже были получены первые значительные результаты в изучении принципов организации и функционирования некоторых живых систем и практическом использовании добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.
Каковы же особенности новой науки? В чем ее суть? Что это за «живая вода» техники? Какие причины вы­звали к жизни бионику? Для того чтобы ответить на все эти вопросы, нам придется совершить небольшой экскурс в далекое прошлое.
Предполагается, что Земля существует около 5 мил­лиардов лет, что жизнь в самом примитивном виде за­родилась 1,5 — 2 миллиарда лет назад. В процессе после­дующего беспощадного естественного отбора, дливше­гося миллионы лет, среди животных и растений выжили самые сильные, лучше всего приспособившиеся к определенным природным условиям, совершавшие мень­ше всего ошибок, действовавшие более рационально. В итоге столь продолжительной эволюции природа соз­дала на Земле гигантскую сокровищницу, в которой не счесть изумительных образцов «живых инженерных систем», функционирующих очень точно, надежно и экономично, отличающихся поразительной целесооб­разностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспосо­бительными реакциями.
Многие из этих «изобретений» природы еще в глубо­кой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические опера­ции, арабские врачи уже много сотен лет назад полу­чили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изуче­ние хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хру­сталя или стекла, для увеличения изображения. «Созда­ние линзы,—отмечает Джон Бернал, — является первой попыткой расширить сенсорный аппарат человека... Лин­за стала прототипом телескопа, микроскопа и других оптических приборов позднейшего времени. Если бы арабские врачи создали только оптику и ничего больше, то и в этом случае они внесли бы важнейший вклад в науку».
В области физики изучение многих основных прин­ципов учения об электричестве было начато с исследо­вания так называемого животного электричества. В част­ности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII века Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в ко­нечном итоге к созданию гальванических элементов — химических источников электрической энергии.
Французский физиолог и физик XIX столетия Жан Луи Мари Пуазейль на основе экспериментальных ис­следований тока крови в кровеносных сосудах устано­вил закон течения жидкости в тонких трубках. Этот закон ныне широко используется в гидравлике при определении вязкости, а также скорости кровотока в капиллярных сосудах.
В 1840—1841 гг. немецкий ученый Юлиус Роберт Майер, выполнявший обязанности судового врача на голландском судне, направлявшемся на остров Яву, за­метил, что в тропиках цвет венозной крови изменяется. Тщательное изучение энергетического баланса живого организма и крови человека завершилось установлением закона сохранения и превращения энергии, который был изложен Майером в труде «Замечания о силах не­живой природы» (1842 г.), а более полно и разверну­то — в трудах «Органическое движение в его связи с обменом веществ» (1845 г.) и «О количественном и качественном определении сил» (1881 г.).
И еще один, последний, пример. Великий русский ученый Н. Е. Жуковский, исследуя полет птиц, открыл «тайну крыла», разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воз­духе. Он не замедлил приложить свою теорию к прак­тике, и, в сущности, результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Н. Е. Жуковский, лежат в основе современной аэроди­намики.
Приведенные примеры, а их число можно было бы значительно умножить, убедительно говорят о том, что замечательные творения живой природы уже давно изу­чаются, а принципы их построения заимствуются чело­веком. Однако поиски в патентной библиотеке кудес-ницы-природы новых идей, приложимых к различным задачам техники, были нерегулярными, носили споради­ческий характер. Лишь в последние годы в связи с бур­ным развитием автоматики, электроники и кибернетики, а также с успехами экспериментальной техники такие поиски стали систематическими и приобрели широкий размах. Именно это стремление ученых понять, в чем природа совершеннее, умнее, экономнее современной техники, их попытки найти новые методы решения стоящих перед инженерами сложных проблем и поро­дили новую науку, получившую название бионика.
Живые системы значительно многообразнее и слож­нее технических конструкций. Чтобы познать «конст­рукцию» и принцип действия биологической системы, повторить ее в металле или хотя бы промоделировать, исследователю необходимы универсальные знания. Между тем до сравнительно недавнего времени шел ин­тенсивный процесс разъединения, дробления научных дисциплин. В конечном итоге это привело к возникно­вению около 1200 отраслей знания. На определенном этапе такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию всех или почти всех отраслей нау­ки и техники. Но теперь узкая специализация ученых затрудняет прогресс. В результате чрезмерной диффе­ренциации науки очень усложнилось общение специа­листов, работающих даже в смежных областях. Ученые говорят подчас на разных «языках» и плохо понимают друг друга, причем трудности общения специалистов с каждым годом возрастают. Вследствие этого появилась настоятельная потребность в такой организации резуль­татов исследований, которая позволяла бы охватить их целиком, интегрировать на основе единых всеобъемлю­щих принципов.
Первый крупный шаг на пути к новому объединению наук — интеграции на основе всеобщности принципов управления живым и неживым и их связи сделала в се­редине нашего столетия кибернетика. По этому же пути, но еще дальше пошла недавно родившаяся био­ника. Бионика устраняет противоречие, возникшее ь результате специализации наук, и соединяет разно­родные сведения в соответствии с единством живой природы. Она сформировалась на базе различных от­раслей биологии, физики, техники и других наук. По существу, она синтезирует накопленные знания в ботанике и электронике, физиологии и кибернетике, математике и нейрофизиологии, физике и психоло­гии, биохимии и механике, биофизике и психиатрии, нейрологии и эпидемиологии, химии и анатомии. Не случайно бионики избрали своей эмблемой скаль­пель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом — «Живые прототипы — ключ к новой тех­нике».
Хотя новая наука сразу же обзавелась эмблемой и девизом, нельзя не отметить, что до сих пор среди ученых нет единого мнения о содержании бионики. Первоначально бионика связывалась с решением ряда специфических задач электроники, и в литературе по­явилось множество названий дисциплин, расположен­ных между классической биологией и электроникой и объединяющих эти две отрасли («биомедицинская электроника», «биотехника», «медицинская электро­ника», «прикладная биофизика», «биофизическое при­боростроение», «бионика» и др.). Такое множество названий, естественно, вносило путаницу и затемняло существо вопроса, в котором должна была царить пол­ная ясность. Затем была высказана мысль о том, что бионика — это лишь «искусство применения знаний биологии при решении некоторых инженерных проб­лем». Несколько позже бионику начали трактовать как комплекс практических приемов и методов, заимство­ванных из биологии и используемых при решении тех­нических задач.
В настоящее время многие специалисты считают бионику новой отраслью, новой ветвью кибернетики. «Бионика — это раздел кибернетики, занимающийся использованием биологических процессов и приложе­нием биологических методов для решения инженер­ных задач». Именно так определяет бионику энцикло­педия «Автоматизация производства и промышленная электроника».
Однако имеется немало ученых, которые не со­гласны с таким определением. В частности, один из основоположников этой науки, профессор Массачу-сетского технологического института Уоррен Мак-Кал-лок в докладе «Подражание одних форм жизни дру­гим — биомимезис», прочитанном осенью 1961 г. на состоявшемся в Итаке (США) симпозиуме по бионике, высказал следующее мнение:
«Ее (бионику.— И. Л.) никоим образом нельзя отождествлять с кибернетикой или считать частью этой науки. В сущности, бионика — область гораздо более широкая... Главное ее содержание — изучение тех приемов, к которым прибегает природа для реше­ния различных задач, а конечная цель — воплощение их в виде инструментов и приборов».
Итак, мнения ученых в вопросе о том, является ли бионика самостоятельной научной дисциплиной или же новой ветвью кибернетики, расходятся. Однако нам думается, что если учесть существующее ныне по­ложение в бионике, достигнутые ею за последние годы успехи и зримо видимое уже сегодня ее многообещаю­щее будущее, то бионику вполне заслуженно, не колеб­лясь, можно и должно возвести в «ранг» самостоятель­ной науки. В самом деле, ее задачи никак нельзя сводить лишь к изучению вопросов, непосредственно связанных с процессами управления и связи, т. е. к исследованию механизмов восприятия, переработки и передачи ин­формации в живых организмах, и к использованию полученных данных при проектировании кибернетиче­ской аппаратуры различных видов.
На наш взгляд, бионика является более широкой наукой, она имеет дело с самыми разнообразными ха­рактеристиками живых организмов, переносимыми в технические системы, в том числе с характеристиками вещественных, энергетических и информационных процессов. У бионики чрезвычайно широкий круг интересов, она связана теснейшим образом с множе­ством прикладных технических отраслей: самолето­строением, космонавтикой, кораблестроением, радио­электроникой, инструментальной метеорологией, ма­шиностроением, строительным делом, навигационным приборостроением, архитектурой, технологией химиче­ских производств и др. Объединяя и взаимно обогащая изолированные ранее друг от друга биологические и технические науки, бионика стремится на основе совре­менных математических, физических и физико-хими­ческих методов исследования биологических систем найти оптимальные решения самых сложных инженер­ных проблем.
Говоря кратко, бионика — это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирова­ния биологических систем и их элементов и примене­нием полученных знаний для коренного усовершенст­вования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Ее можно также назвать наукой о построении технических уст­ройств, характеристики которых приближаются к ха­рактеристикам живых систем.
В настоящее время различают три основных мето­дологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое. Био­логическая бионика, базируясь на самых разных раз­делах биологии и медицины, использует их достиже­ния для выявления определенных принципов живой природы, могущих быть положенными в основу реше­ния тех или иных чисто инженерных проблем. Содер­жанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделиро­вания, а также математических моделей явлений и про­цессов, протекающих в живых организмах. И, наконец, техническая бионика занята реализацией математиче­ских моделей тех или иных сторон деятельности жи­вых организмов с целью усовершенствования сущест­вующих и создания совершенно новых технических средств и систем — приборов, аппаратов, устройств, превосходящих по своим характеристикам уже создан­ные ранее и действующих по биологическому прин­ципу.
Однако надо заметить, что в природе не все устрое­но лучшим образом. Выступая на I Всесоюзной конфе­ренции по бионике в конце 1963 г., академик А. И. Берг отметил: «Далеко не все методы и способы решения и реализации, оправданные в живой природе, приемлемы для нас сегодня в технике. В природе очень много нецелесообразного, лишнего, давно отжившего, несовершенного. Ведь часто интересы отдельного субъекта растворяются в интересах сохранения, вос­произведения и размножения всего вида. Избыточ­ность в природе часто неэкономична и с научной точ­ки зрения совершенно неоправдана... Не удовлетво­ряют современную технику и те скорости рабочих процессов, с которыми мы встречаемся в биологиче­ских системах». Поэтому бионика не идет по пути слепого копирования природы. Изучая биологические объекты и процессы, она стремится позаимствовать у природы лишь самые совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, ее внима­ние сосредоточено «...на раскрытии тех принципов построения структуры, определении тех важнейших функциональных зависимостей и методов приспособ­ления, резервирования и самообновления, которые обеспечивают биологическим системам исключительно высокую гибкость и живучесть в сложных условиях их существования». Иными словами, бионика стремится перенести в технику лучшие создания природы, самые рациональные и экономичные структуры и процессы, которые выработались в биологических системах за миллионы лет эволюционного развития.
Тематика проводимых в настоящее время в разных странах бионических исследований чрезвычайно обшир­на. Всю совокупность разрабатываемых ныне важней­ших проблем условно можно подразделить на ряд комп­лексов, дающих представление о целенаправленности и характере задач, решаемых бионикой. Перечислим эти комплексы:
Исследование и моделирование нейронов, нейрон­ных сетей, нервных центров и принципов организации мозга живого организма с целью изыскания путей их использования в технических устройствах и системах.
Исследование принципов, позволяющих достичь высокой надежности биологических систем, моделиро­вание биологических принципов резервирования, ком­пенсаторных функций организмов и их способностей к адаптации.
Исследование биологических рецепторных и анали­заторных систем (главным образом изучение органов зрения, слуха и обоняния) с целью построения их тех­нических моделей.
Исследование систем навигации, локации, стабили­зации, ориентации некоторых представителей мира животных; создание принципиально новых технических устройств на основе результатов этих исследований.
Исследование методов кодирования, передачи и об­мена информацией, применяемых биологическими си­стемами на различных уровнях организации (на уровне коллективов, отдельных организмов, органов, на кле­точном и молекулярном уровнях), с целью создания новых видов и средств технической связи.
Проблема «человек — машина»; бионические ас­пекты проблемы: разработка методов выявления и оценки психофизиологических способностей и воз­можностей человека; поиск оптимальных методов обучения и тренировки; создание средств, облегчаю­щих условия работы человека-оператора биоэлектриче­ских систем управления техническими объектами и си­стемами; разработка методов и средств контроля и про­гнозирования состояния человека-оператора.
Исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик рыб, ки­тообразных, а также рыхлящих и землеройных приспо­соблений некоторых животных с целью использования результатов этих исследований в авиа- и судостроении, при конструировании и изготовлении землеройных машин.
Построение технических систем для получения энергии на основе аналогии с биологическими систе­мами и для получения энергии в специальных случаях непосредственно от биологических систем.
Освоение биологических способов добычи полез­ных ископаемых, биологических методов в технологии производства сложных органических веществ.
Изучение биологических процессов, природных конструкций и форм с целью их использования в стро­ительной технике и архитектуре.
Возможно, что завтра у бионики появятся новые за­дачи, идеи, направления, которые трудно предусмот­реть сегодня. Однако независимо от этого предельно ясно, что благодаря стремительному и целенаправлен­ному развитию бионики во многом еще «загадочная» природа становится все более мудрым советчиком, учителем и союзником человека.
Возможности искусственного воспроизведения при­родных объектов, живых структур всегда зависят от исторических условий, от определенного уровня раз­вития науки и техники. В развитии творческой мысли и технических возможностей человека не существует какого-либо предела. Следовательно, нет и не может быть естественных объектов, принципиально не вос­производимых искусственно. Существуют лишь объек­ты, которые не могут быть смоделированы на данном этапе развития науки и техники. Но по мере развития наших знаний и технических средств возможности моделирования «естественной» природы расширяются. Поэтому не может быть сомнения в том, что со временем бионики не только повторят самые выдаю­щиеся инженерные шедевры природы, но и превзой­дут их.
Уделив столько места предмету бионики, нельзя не сказать нескольких слов о том, как и почему появилась эта книга, какую задачу пытался решить автор, соби­рая и систематизируя огромный по объему материал.
Несмотря на свой еще совсем юный возраст, био­ника уже может и должна подвести некоторые итоги.
Такое утверждение можно оправдывать по-разному, но оно покажется совершенно очевидным всякому, кто прочтет до конца эту книгу.
Однако сегодня трудно представить себе моногра­фию или научный обзор, который охватил бы все об­ласти бионики — этого поразительного конгломерата, объединившего столько отраслей человеческих зна­ний. Именно поэтому автор остановил свой выбор только на одном направлении — это книга в основном о технической бионике, ее проблемах и достижениях, ее загадках и перспективах.
Казалось бы, задача поставлена предельно скромно. Но решить ее в одной книге каким-либо путем, отлич­ным от того, который избрал автор, представляется нереальным. Выше мы перечислили те комплексы ис­следований, из которых складывается сегодняшняя техническая бионика. Проблемы этих исследований на­столько различны, средства для решения этих проблем настолько разнообразны, что серьезные научные ра­боты должны неизбежно становиться узкими и спе­циальными. Значит, популярный рассказ — это та единственная форма, которая может сгладить все внутренние противоречия и решить основную задачу — подвести итоги развития молодой, бурно развиваю­щейся науки.
Серьезной проблемой, неизбежно возникающей пе­ред автором любой популярной книги, становится во­прос о библиографии. Вполне очевидно, что, обобщая и анализируя огромный по объему материал, автор лишен практически возможности сделать ссылки на все лите­ратурные источники (от трудов специальных научных симпозиумов до сообщений в периодической печати), которые так или иначе были использованы в процессе создания книги. Там, где это возможно, автор указывает место, время и исполнителей того или иного экспери­мента, иногда ссылается в тексте на источник получения информации. Но систематического библиографического указателя в книге не дано, и сделано это вполне созна­тельно. Если задаться на сегодня такой целью, то сама по себе библиография займет не меньше чем пятую часть объема этой книги и скорее будет полезной спе­циалистам, нежели тем читателям, которых имеет в виду автор. Не ссылаясь всякий раз на источники, автор тем самым берет на себя, берет добровольно и сознательно, дополнительную ответственность.
Есть условия, которые при всем при этом должны соблюдаться свято: научная достоверность приводимого факта и грамотное с точки зрения физика и химика, биолога и инженера объяснение факта, исследования,

задачи. В этом смысле неоценимую помощь советами и обсуждениями, рецензиями и рекомендациями ока­зали автору академик А. И. Берг, чл.-корр. АН СССР Б. С. Сотсков, акад. АН УССР В. Г. Касьяненко, докт. биол. наук, проф. А. Г. Томилин и все те, кто взял на себя труд прочесть рукопись или ее отдельные части.
Есть еще одна цель, которую преследовал автор, работая над этой книгой. Чтобы быть перед читателем честным до конца, следует рассказать и о ней. По на­шему глубокому убеждению, бионика больше всего сейчас нуждается в специалистах, в энтузиастах, в ро­мантиках, способных поверить в ее будущее, способ­ных отдать ей весь пыл и всю страсть молодости, весь опыт и всю мудрость зрелости. При этом жанр науч­ной популяризации может и наверняка сыграет решаю­щую роль. С этой позицией автора связана одна осо­бенность книги, которая вряд ли встретит всеобщее понимание. Автор время от времени позволял себе по­мечтать вместе с читателем о том, что сегодня может показаться фантастическим (но заметьте, не абсурд­ным!). Автор рассказывает о самых смелых, о самых «головокружительных» проектах и стремится, чтобы голова у читателя закружилась в ту же сторону. Даже если читатель углубится в какую-либо проблему с целью опровергнуть «зарвавшегося» автора, это бу­дет большим достижением и принесет автору немалое удовлетворение.
И если, говоря о бионике серьезно, мы называем ее символами скальпель, паяльник и интеграл, то полу­шутя-полусерьезно сегодня следует прибавить к этим символам еще и перо.

Беседа вторая

Скорость,
ЭКОНОМИЧНОСТЬ,
маневренность



Природа не «изобрела» ни колеса в том виде, в котором мы его привыкли видеть, ни гребного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств,
широко применяемых ныне в различных видах транс­порта. И все же ни одна отрасль техники так не обя­зана природе своим возни­кновением и стремитель­ным развитием, количест­вом заимствованных у нее идей и методов, как совре­менный транспорт во всем его многообразии.
Щедрая, все знающая и
1-*л все умеющая природа на-
\ \Ш ^^aW J учила человека строить са­молеты, сделала его крыла­тым, как птица, и быстрым, словно мысль. Она же на-Рис. 1. Нога человека при учила его плавать и мастер-ходьбе описывает часть окруж- ски СООруЖать речные, мор-
ности' ские и океанские корабли.
И очень может быть, что идею изобретания колеса человеку также подсказала природа. Действительно, присмотритесь повниматель­нее, как идет человек (рис. 1). Шагание, как говорят инженеры,— это «прерывистое качение». Человек же в свое время пошел дальше, он создал колесо, способ­ное к непрерывному качению. Рушились царства, сме­нялись цивилизаций, но круглая форма колеса остава­лась неизменной. Гениальное изобретение человека — колесо прочно вошло в нашу жизнь. Найдись ныне какой-нибудь озорник, который вздумал бы вдруг ута­щить у нас все колеса, и мы оказались бы в крайне затруднительном положении.
По сути, природа была первым политехническим институтом, в котором человек за многие века своей учебы приобрел «высшее» образование в разных обла­стях транспорта. Но все это было давно. А сегодня? Можем ли мы, располагая быстроходными автомаши­нами, скоростными железнодорожными экспрессами, комфортабельными дизель-электроходами, стремитель­ными воздушными лайнерами, еще чему-нибудь на­учиться у природы, позаимствовать из ее «инженер­ной» сокровищницы новые прогрессивные идеи, ме­тоды и средства для дальнейшего развития техники транспорта? Оказывается, можем, и вот тому пример.
Не так давно сотрудники Научно-исследователь­ской лаборатории механизации трудоемких работ Горьковского политехнического института разработали под руководством А. Ф. Николаева оригинальную сне-гоходную машину, в основе которой лежит принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Эти за­бавные птицы передвигаются весьма своеобразным способом — на брюхе, отталкиваясь от снега ластами, словно лыжники палками. Точно так же, лежа на снеж­ной поверхности широким днищем и отталкиваясь от нее колесными плицами, легко скользит по рыхлому снегу новая снегоходная машина «Пингвин», развивая скорость до 50 км/час.
В таких машинах давно нуждаются многие отрасли народного хозяйства на Севере нашей страны; они окажут неоценимую услугу отважным советским ис­следователям Антарктиды во время их долгих и труд­ных походов по снежной пустыне, где обычные тягачи, тракторы и транспортеры не способны развивать до­статочно большую скорость: эти машины образуют слишком глубокую колею, часто буксуют и увязают в мелкозернистом, несцементированном, рассыпчатом, как песок, снегу.
Не менее интересна и другая транспортная новинка, позаимствованная у природы.
У любителей автомобильного спорта и шоферов-профессионалов есть давняя мечта — сесть за руль ма­шины, которая с одинаковой легкостью мчалась бы по шоссе и грунтовой дороге, пересекала бы болота и пески, переносилась бы через канавы и овраги, ручьи и реки... Над осуществлением этой мечты уже не пер­вый год работают ученые и конструкторы ряда стран. И вот, сравнительно недавно, известный инженер В. Турик разработал конструкцию первого в мире бес-колесного прыгающего автомобиля. Идею этого изо­бретения В. Турику подсказал... кенгуру!







Рис. 2. Кенгуру и схема перемещения прыгаю­щего автомобиля.

Да, да! Мы не оговорились, обычный кенгуру, ка­ких немало водится в Австралии. Этих животных при­рода приспособила к быстрому бегу прыжками на зад­них конечностях. У крупных кенгуру длина прыжков достигает Юм, высота — 3 м. Этих сумчатых млекопи­тающих практически не догонит ни одно из умеющих бегать животных, они могут даже поспорить с некото­рыми автомобилями. И вот еще одна любопытная и чрезвычайно важная деталь: перемещаясь прыжками, кенгуру сохраняет очень высокую маневренность. Все специфические особенности «прыжкообразного» дви­жения кенгуру нашли свое отражение в предложенной В. Туриком конструкции автомобиля-прыгуна (рис.2).
Новая машина может совмещать в себе одновре­менно функции трактора, автомобиля и тягача. При движении она не образует колею. И, наконец, самое главное — ей не нужна дорога. По высокой проходи­мости автомобиль-кенгуру можно сравнить лишь с бу­дущими «автолетами». И хотя прыгающий автомобиль еще не создан, можно не сомневаться в том, что новый принцип движения найдет в ближайшее время успеш­ное применение.
Одним из интересных и перспективных направле­ний современной бионики является разработка шагаю­щих вездеходов. Над их созданием сейчас работают инженеры ряда стран, хотя идея построения таких си­стем сама по себе не нова.
В конце прошлого века гениальный русский ученый П. Л. Чебышев построил «переступающую машину».

Рис. 3. «Стопоходящая машина» П. Л. Чебышева.

Модель оригинального механизма состоит из четы­рех, похожих на греческую букву «ламбда», ног. Меха­нические ноги (только они и показаны на рис. 3) соединены так, что их кривошипы образуют обыкно­венный параллелограмм, в углах которого находятся шарниры. Каждая нога «стопоходящей машины» — так назвал свое изобретение автор — представляла собой копию ноги кузнечика. Стоило рукой переместить кор­пус «стопохода» вперед или назад, как машина прихо­дила в движение. Четыре ноги «стопохода» перемеща­лись попарно: вторая с четвертой и первая с третьей. Внешне похожий на плоского кузнечика «стопоход» шагал...
Однако «стопоходящая машина» не получила прак­тического применения при жизни ее создателя. Не был реализован также патент на шагающий механизм, полученный незадолго до Октябрьской революции Дву­мя талантливыми русскими изобретателями П. Орлов­ским и Н. Гусевым.
Почему же теперь, спустя несколько десятилетий, инженеры вновь вернулись к изобретению П. Л. Чебы-шева, к патенту П. Орловского и Н. Гусева? Все дело в том, что практика требует создания все новых и но­вых конструкций вездеходов для работы в труднопро­ходимых местностях, в горах, песках, снегах, на боло­тах. Так уже бывало не раз, когда ученые, сталкиваясь с новыми сложными проблемами, возвращались к давно забытым идеям и изобретениям.
Американцы, например, стремятся использовать принципы ходьбы в машинах, предназначенных для военных целей. Над решением этой задачи по кон­тракту, заключенному с Техническим управлением бронетанковых войск США, в настоящее время рабо­тает большая группа специалистов. Первый опытный образец бесколесной шагающей машины был создан учеными Мичиганского университета шесть лет назад. У него 8 ног, по 4 с каждой стороны. Ноги машины смонтированы на соединяющем брусе, который Чебы-шев называл корпусом. Концы ног соединены с лы­жами. В сущности, это кривошипно-шатунный меха­низм, очень похожий на «стопоходящую машину». Разница заключается лишь в том, что великий русский механик и математик при создании своего «стопохода» был более дальновидным и предусмотрительным, не­жели американские разработчики шагающей машины. При испытаниях опытный образец американской ма­шины трясло и раскачивало, как корабль в сильный шторм. Причиной этого были возникшие в машине крутящие моменты и инерционные силы, которые кон­структорам не удалось сбалансировать.
По-иному подошел к созданию шагающей машины инженер Юлиус Макерле. Он решил «научить» авто­мобиль ходить подобно тому, как это делает человек. На первый взгляд такая идея может показаться несо­стоятельной, ибо уже давно известно, что шагающая машина, точно повторяющая шагающий механизм че­ловека, экономически невыгодна при больших скоро­стях передвижения. Совершая шаг, нога делает движе­ние, похожее на качание маятника. Она получает ускорение и затем тормозится. Расчеты показывают, что до ги энергии, расходуемой на шагание, затрачи­вается в фазе торможения.
Однако для процесса ходьбы характерна одна важ­ная особенность. Она заключается в том, что при каж­дом шаге нога отталкивается от земли в точке, находя­щейся несколько позади центра тяжести тела. В ре­зультате человек падает вперед до тех пор, пока он не

Рис. 4. Шагающее колесо. А — втулка колеса, в которой пере­мещается золотник, распределяющий давление воздуха в камерах. Б — по­лость золотника, обеспечивающая сообщение камер / и 2 с атмосфе­рой. В — полость золотника, по ко­торой воздух под давлением идет от компрессора в камеру 4.

выставит вперед другую ногу. Эта особенность и на­толкнула Юлиуса Макерле на мысль создать так назы­ваемое «шагающее колесо».
Шагающее колесо имеет на своем ободе большое число пневматических камер. Давление воздуха в них непостоянно, и все они связаны с компрессором, кото­рый, изменяя давление в камерах, заставляет колесо перемещаться. Как это происходит, легче всего понять с помощью схемы, изображенной на рис. 4. Вкратце вся идея действия этих камер сводится к тому, что камера, находящаяся за точкой касания колеса с грун­том, раздувается воздухом таким образом, что колесо опирается на нее. При этом возникает такой же опро­кидывающий момент, как и при ходьбе человека.
Двигателем машины с таким колесом служит агре­гат, состоящий из мотора и компрессора. Раздувание камеры, находящейся позади точки касания колеса, сопровождается одновременным сжиманием камеры перед этой точкой, причем общий объем воздуха во всех камерах остается практически неизменным. Скорость вращения колеса прямо пропорциональна, числу оборотов компрессора, иначе говоря, скорости подачи воздуха в раздуваемые камеры. Чем быстрее они будут наполняться, тем скорее будет перекаты­ваться колесо.
Испытания опытной модели нового двигателя пока­зали, что принцип, положенный в его основу, практи­чески вполне себя оправдал. При избыточном давле­нии в 0,3 кг/см2 модель весом 4,3 кг передвигалась довольно успешно даже с дополнительной нагрузкой в 10 кг. Модель свободно преодолевала довольно серь­езные для ее размеров препятствия и легко шла по очень плохим (с точки зрения автомобилиста) до­рогам, например по глубокому песку.
Разумеется, маловероятно, что такое колесо по­явится на обычном автомобиле, однако на специаль­ного вида машинах, например строительных, экспеди­ционных, военных — словом, там, где необходимо иметь высокую проходимость и маневренность, шагаю­щее колесо, несомненно, найдет широкое применение.
На очереди у творцов транспортных машин еще одна задача. Речь идет о том, что рано или поздно че­ловек начнет осваивать пока еще загадочные просторы нашего древнего спутника — Луны, и для этого ему, естественно, понадобятся транспортные средства. Как же будут выглядеть транспортные машины, которые возьмут с собой лунные экспедиции?
Проектов лунных вездеходов разработано много. Предложено несколько вариантов танкеток на гусенич­ном ходу. Запроектированы лунные экипажи на квад­ратных и овальных, а также на гибких колесах. Суще­ствует проект настоящего механического монстра — трехосной машины на гигантских шарообразных коле­сах. Такие колеса, по мнению изобретателей, должны легко катиться по лунному «бездорожью». Имеется проект вездеходов в виде двойной винтовой спирали — так называемого винта Архимеда, — которая должна ввинчиваться в почву для передвижения по лунной поверхности. Наконец, разработан проект скачущего джипа — небольшой ракетной повозки, передвигающей­ся гигантскими скачками длиной в несколько десятков километров каждый.
Все эти проекты были разработаны с учетом суще­ствовавшей до последнего времени гипотезы, согласно которой поверхность Луны покрыта толстым слоем пыли. Однако результаты изучения лунных фотогра­фий такое предположение не подтвердили, хотя воз­можность существования пылевых слоев в некоторых районах Луны полностью исключить нельзя. Деталь­ный анализ снимков свидетельствует о сложной струк­туре лунной поверхности. Вероятно, наружный слой лунной породы толщиной в несколько сантиметров представляет собой интенсивно взрыхленное вещество. Оно покрывает практически всю поверхность Луны. Его шероховатая, сильно изъеденная структура напо­минает начавший таять грязный весенний снег. Этот слой неоднороден. Вместе с мельчайшими частицами размерами в доли миллиметра встречаются более круп­ные куски пород сантиметровой и дециметровой вели­чины. По подсчетам ученых, несущая способность по­верхностного слоя Луны равна 1—10 кг/см2, что со­ставляет примерно 1/100—1/1000 несущей способности массивной базальтовой породы. Из этих расчетов сле­дует, что поверхность Луны достаточно прочна.
Учитывая новые данные о лунной поверхности, до­бытые за последние годы советскими и американскими автоматическими станциями, многие специалисты ныне все больше склоняются к мысли, что лунные вездеходы следует ставить не на колеса, а на ноги в самом пря­мом, буквальном смысле этого слова. Ноги лучше ко­лес. Не повсюду, конечно, но в горах, в песках, среди ледовых торосов они убедительно доказали свое пре­имущество. Оправдают они себя и на Луне.
У кого же поучиться конструированию шагающей техники, с которой придется работать в необычайно трудных «лунных условиях»?
И снова беспокойная, вечно ищущая мысль человека обращается к живой природе. К кому же именно?
Не так давно внимание ученых привлек обыкновен­ный паук. Их заинтересовало, как этот представитель членистоногих ходит и довольно быстро бегает, имея длинные лапки, практически лишенные мышц.
Какая же сила движет лапки паука? Зоологи Кемб­риджского университета Парри и Браун установили, что эта движущая сила имеет гидравлическое проис­хождение. Значит, движение лапок паука осущест­вляется посредством своеобразного «гидравлического привода», жидкостью для которого служит кровь.
Произвели киносъемку и с ее помощью установили, что природа действительно наградила пауков чудес­ным гидроприводом. Если паук вытягивает лапки, гид­ропривод повышает в них давление крови до такой степени, что отвердевают их щетинки, и, наоборот, при сгибании конечностей гидропривод уменьшает в них давление крови.
В состоянии покоя давление крови в организме паука, как показали произведенные замеры, лишь на 0,05 атм выше давления окружающего воздуха. Но в момент прыжка животного оно мгновенно повы­шается на 0,5 атм\ «Искусственная гипертония» слу­жит тем источником энергии, которая позволяет пауку ставить «мировые рекорды» в прыжках. Так, например, европейские пауки-прыгуны берут высоту, превышаю­щую в десятки раз (!) размеры их тельца.
Итак, уникальный гидропривод паука — это та био­логическая система, которая может послужить образ­цом для создания компактного, легко управляемого, неприхотливого в эксплуатации лунного вездехода повышенной проходимости и маневренности. Большая скорость для лунной экспедиционной машины ни к чему, здесь важно другое — уверенное прохождение по любой местности. Длинные голенастые ноги буду­щего «лунного паука» нигде не увязнут, легко пере­шагнут трещины, одолеют самые крутые подъемы. И еще одно очень важное качество такой космической машины — затраты энергии на преодоление больших расстояний будут невелики.
Можем ли мы сегодня точно воспроизвести гидро­систему паука? Пока нет, ибо ни биологи, ни инже­неры не знают самого главного — каким образом пауки добиваются мгновенного изменения кровяного давления, как они автоматически регулируют его в со­судах. Но первый практический шаг на пути к созда­нию такой искусственной системы уже сделан.
По сообщениям американской печати, одна фирма в прошлом году разработала проект машины, которая

Рис. 5. Экспериментальный «лунопроходец».

по внешнему виду и способу передвижения напоми­нает паука. «Металлический паук», которого мы видим на рис. 5, имеет четыре шарнирные «ноги» длиною более 2 м каждая. «Ноги» несут кабину, в которой на­ходится человек. Водитель с помощью рычагов, при­крепленных к его рукам, ногам и торсу, управляет перемещением кабины. При этом он пользуется услу­гами серводвигателей, которые точно воспроизводят все его движения и увеличивают прилагаемую мышеч­ную силу во много раз. Ноги водителя управляют «задними ногами» «металлического паука», руки — его «передними ногами». При остановке машина «стано­вится на колени», опуская кабину на грунт. Чтобы стать водителем «металлического паука», не нужны курсы — таким шоферам достаточно пятиминутного об­учения.
Такая машина будет, как полагают ее создатели, идеальным средством для передвижения по бездо­рожью Луны или других планет. Груз в 200 кг она смо­жет переносить по пересеченной местности со ско­ростью около 10 км\час. Способность передвигаться на согнутых ногах очень расширит приспособительные возможности «лунного паука». Он сможет легко прео­долевать подъемы в 45°, в наиболее труднопроходимых местах идти лучше собачьей упряжки, не говоря уже об обычных вездеходах, а тем более о колесных маши­нах. Пока создана только упрощенная модель шагаю­щего лунного вездехода. Ей еще очень далеко до такой совершенной биологической системы, какой является паук. Но когда бионики познают тайну механизма гид­ропривода паука и воплотят ее в металл, шагающий вездеход станет замечательным помощником космонав­тов в исследованиях неизвестных нам миров.
Попробуем представить себе, как будет выглядеть будущий «лунный паук» — вездеход. Кабина космонав­тов герметична и имеет отсек, служащий шлюзом для выхода космонавтов на поверхность Луны. С помощью специальных манипуляторов космонавты могут доста­вать образцы пород с поверхности Луны, не покидая кабины. Для непосредственных наблюдений за лунной поверхностью передвижная лаборатория снабжена двумя окнами. Из-за отсутствия на Луне рассеянного света предметы, находящиеся в тени, остаются невиди­мыми. Поэтому «лунный паук» оснащен мощными про­жекторами. В системах управления и навигации лабо­ратории широко используется телевизионная система. С ее помощью будут проводиться исследования лун­ной поверхности. Но самое главное — ученые назем­ного центра управления лунной экспедицией смогут видеть на экранах телевизоров то же, что видят космо­навты, и смогут контролировать их работу, а в случае необходимости — давать советы относительно манев­ров лаборатории, исследования различных объектов и т. д.
Подвижная лаборатория, согласно существующим проектам, будет доставлена на Луну заблаговременно (до высадки космонавтов) непилотируемым космиче­ским аппаратом. Лунная кабина с космонавтами на борту совершит впоследствии посадку вблизи лабора­тории; при помощи дистанционного управления по­следнюю приблизят к лунной кабине, и космонавты перейдут в нее.
Теперь — за работу.
Луна создана из того же «теста», что и Земля, из тех же химических элементов. И недра ее таят колос­сальные запасы полезных ископаемых. Лунные геологи откроют богатые месторождения серы в трещинах вул­канов. Там возможны скопления вулканических пород, богатых свинцом, цинком, хромом и другими промыш-ленно ценными элементами. Размеры нашего соседа достаточно внушительны, и надо полагать, что в его недрах сформировались и алмазы. Когда-нибудь огромный лунный бриллиант заблестит в руках космо­навта-геолога...
Вместе с будущими исследователями Луны и дру­гих планет от биоников ждут новых машин и покори­тели «космоса № 2» (так иногда называют земные недра).
Общеизвестен миф, согласно которому при дележе вселенной между богами подводное царство досталось Нептуну, подземное — Плутону. У входа в свои владе­ния сумрачный Плутон поставил громадного трехгла­вого пса Цербера. Свирепый страж должен был обере­гать от простых смертных тайны обиталища теней. Но не тут-то было. Нашелся смельчак —это был зна­менитый силач Геркулес,— который победил страш­ное чудовище и вступил в единоборство с Плутоном. В этом античном мифе отражены наивные представ­ления той эпохи о таинственном мире, расположенном у нас под ногами, и мечты о его покорении человеком.
Минули тысячелетия. На смену мифам, легендам и сказкам пришли научные представления геологии и геофизики. В поисках угля и урана, золота и алмазов человек с помощью построенных им машин вдоль и по­перек изрыл покров царства Плутона гигантскими коридорами. Все глубже и глубже ввинчиваются в землю стальные сверла, снабженные алмазными «зу­бами». Более далекие от поверхности складки земной коры геофизики инспектируют волнами искусствен­ных землетрясений, отзвуки которых воспринимаются чувствительными приборами — сейсмографами. Изуче­ние выброшенных вулканами газов, паров и лазь;, определение их состава и относительного содержания разных химических элементов дополняет наши сведения о строении земных недр. И тем не менее подземный мир до сих пор окутан покровом таинственности.
Что мы знаем о резиденции Плутона? В сущности, очень мало. Спустившись на дно глубочайшей шахты мира, вы очутитесь всего в 2,5 км от поверхности земли. Втрое глубже удалось проникнуть бурильщикам нефтя­ных скважин. Таким образом, в масштабах нашей пла­неты досконально изученный слой земной коры не пре­вышает по своей толщине слоя краски на глобусе. А дальше — неизвестность. «Космос № 2» — пока еще белое пятно в науке.
Не потому ли писатели-фантасты так оседлали неис­черпаемую тему покорения «подземного космоса»? Они давно уже пробурили Землю насквозь во многих ме­стах с помощью «ракеты-бура» (раскаленной струи газа с температурой более 3000° Ц), специальных ампул со взрывчаткой, подземохода с атомным реактором и т. п. Однако в реальной жизни дело с землепроходными ма­шинами обстоит несравненно хуже, чем на страницах научно-фантастических романов и повестей.
Подавляющее большинство применяемых ныне зем-лепроходных машин не удовлетворяет потребителей своей производительностью, эксплуатационной надеж­ностью и другими параметрами. Можно без преувели­чения сказать, что землепроходных машин, достаточно простых, удобных и прочных, к сожалению, пока еще нет. Они существуют лишь в живой природе. Здесь, ес­ли внимательно присмотреться, можно увидеть не одну «землеройную машину», доведенную в процессе эволю­ции после многовекового отбора до самой высокой сте­пени совершенства. Эти живые «землеройные машины» и служат ныне объектом изучения биоников.
Для копирования в технических системах наиболь­ший интерес представляют приспособления, которыми снабжены личинки почвообитающих насекомых для прокладывания ходов в почве. Природа наделила их хо­рошо развитым аппаратом для рыхления или раздвига­ния частиц грунта и специальными приспособлениями для фиксации положения тела.
У одних видов рыхлящие органы располагаются на переднем конце тела и работают как клин и отбойный молоток (при этом отгребание измельченного субстра­та осуществляется другими органами); у других — рых­лящий и отгребающий аппараты объединены в систему типа сложного скребка, действующего как одно целое, что характерно для личинок и ряда насекомых с гипо-гнатическим расположением ротового аппарата, а так­же для личинок, обитающих в почве или древесине (роль скребка у них играет ротовой аппарат и нижняя поверхность головы). Раздвигание частиц грунта про­изводится либо гидравлическим способом, либо с по­мощью расширенных, ножницеобразно двигающихся челюстей; функции опорных приспособлений для фик­сации положения тела выполняют либо одно или два острия, расположенных на заднем конце тела в плос­кости приложения сил рыхлящего аппарата, либо зна­чительное число подушковидных образований, покры­тых множеством мелких шипов (эти образования тесно прижимаются к стенкам хода, точно повторяя их не­ровности).
Тщательное изучение приспособлений, которыми снабжены личинки насекомых для прокладки ходов в почве, и их моделирование может оказать большую по­мощь при создании новых рыхлящих и движущихся под землей агрегатов (угольные комбайны, приспособления для кротового дренажа и др.).
Приведем еще один пример возможного моделиро­вания оригинальной живой «землеройной машины». Речь идет о копировании весьма совершенного способа передвижения во влажном грунте червей приапулид. Эти крошечные беспозвоночные животные (длиной 10—15 мм), живущие неглубоко под морским дном, яв­ляются непревзойденными мастерами по прокладке ка­налов. В своих «туннельных работах» они используют преимущественно гидравлический способ передвиже­ния. Основным буровым инструментом приапулид слу­жит короткий и мощный, похожий на усеянный шипа­ми кактус, выбросной хоботок (на нем размещено более 1500 шипиков). Тело червя снабжено небольшим количеством продольных и кольцевых мышц, а также специальными механизмами, препятствующими обрат­ному движению приапулид в грунте. Технология прок­ладки туннеля такова. Упираясь в грунт, червь при по­мощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся по­ступающей из тела жидкостью, приапулида расширяет и обжимает ход. Расширив и обжав отверстие, червь подтягивается. В это время хоботок сжимается, убира­ется внутрь, и начинается следующий цикл проходки. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный вес. Ученые подсчитали, что червячок ве­сом до 2 г развивает усилие, в 40 раз (!) превышающее его собственный вес. И вот еще что весьма любопытно. Зоологи полагают, что, вонзив с силой свой хоботок во влажный морской грунт, червь затем поворачивает хоботок на некоторый угол. Таким образом, хоботок с насаженными на него многочисленными шипами ра­ботает, как бур.
Ну разве не достойна подражания такая великолеп­ная «гидравлическая машина» для прокладки каналов в грунте? Ведь ее механизм природа оттачивала веками!
Не останутся, конечно, бионики в стороне и от ре­шения такой увлекательной проблемы, как создание подземного корабля для путешествия к центру Земли, для поисков неразведанных богатств — руд, нефти, ал­мазов. Недавно оригинальную конструкцию «подземо-хода» разработал советский инженер А. Требелев. При расчете своей машины он всесторонне изучил методы «работы» крота — признанного рекордсмена подземных проходок. Модель «железного крота» успешно прошла первые испытания.
Многое могут позаимствовать у природы и судост­роители, это поможет им в коренном усовершенствова­нии существующих и создании новых средств водного транспорта. Ведь ни для кого не секрет, что под на­тиском более скоростных соперников водный транспорт постепенно утрачивает свои былые позиции. Достаточ­но сказать, что даже на трансконтинентальных линиях, где еще совсем недавно он считался монополистом, се­годня почти 65% пассажиров отдает предпочтение авиации и лишь оставшиеся 35% путешествуют на бор­ту океанских лайнеров. Это — закономерное явление: в то время как реактивные самолеты несут пассажиров со скоростями 800 — 900 км/час, могучие корабли меряют океан с «черепашьими» скоростями 50—60 км/час. Хо­роший клипер XIX века мало уступает по скорости са­мому современному океанскому лайнеру! И всему ви­ной огромное сопротивление, которое испытывают пог­руженные в воду корпуса судов.
По мере роста скорости это сопротивление увели­чивается сначала пропорционально ее квадрату, но затем растет быстрее — пропорционально третьей, чет­вертой и даже пятой степени скорости. Здесь уже нель­зя говорить о борьбе за скорость путем увеличения мощности двигателей: для этого двигательная установка должна была бы занимать весь корабль. Правда, благо­даря появлению подводных крыльев, поднявших кор­пуса судов над водной поверхностью, судостроителям удалось преодолеть заветный рубеж крейсерской ско­рости на воде, равный 100 км/час. Но корабли на под­водных крыльях не до конца избавлены от контакта с водой, а главное, по мере роста размеров судов они заметно утрачивают свои высокие качества.
Неужели же ученые бессильны вырвать корабль из плена воды, победить в единоборстве со стихией, ока­завшейся самой неподатливой? Нет, не бессильны!
Изучив особенности строения многих обитателей морей и океанов, обеспечивающие им высокие гидро­динамические качества, человек может положить в ос­нову конструкции различных плавающих аппаратов новые принципы. Сошлемся на факты.
После длительных наблюдений и исследований 1 японский ученый профессор Тако Инуи сначала пред­положил, а затем опытным путем на специально изго­товленной модели пассажирского парохода «Куренаи Мару» доказал, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в воде, нежели ножевидная форма носовой части современных судов. Этим открытием не гамедлили воспользоваться кораб­лестроители. Они построили океанское судно, напоми­нающее по своей форме кита. Первые же испытания показали, что по сравнению с обычными судами кито­образный корабль весьма экономичен. Мощность его двигателей на 25% меньше, а скорость и грузоподъем­ность те же!
А вот еще один не менее поучительный пример. Одна из американских подводных лодок носит назва­ние «Скипджек». Форма корпуса подводной лодки в точ­ности такая же, как у тунца (рис. 6). Конструкторам удалось добиться хорошей обтекаемости корпуса лод­ки и значительно повысить ее скорость, а главное — создать очень поворотливое судно. (Поворотливостью называют способность судна к быстрому изменению направления. Это очень важное свойство: ведь боль­шому кораблю для разворота требуется описать полу­окружность с радиусом по крайней мере в 4—5 длин корпуса.)
Очень часто мы говорим: «плавает, как рыба». Одна­ко это определение весьма неточно, потому что рыбы

Рис. 6. Американская подводная лодка «Скипджек». Форма корпуса подводной лодки точно такая же, как и у быстроходной рыбы тунца.

плавают по-разному. Угри и миноги, например, боль­шой скорости не развивают. Лучшими пловцами среди рыб считаются жители открытых морских просторов — лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со ско­ростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36— 42 км/час. Не уступают им в скорости и некоторые морские млекопитающие. Кит, в частности, свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но все эти рекорды по­бивает рыба-меч. С завидной легкостью она может раз­вивать скорость, достигающую 130 км/час1
Откуда у рыбы такие силы? Или, быть может, здесь дело не столько в силе, сколько в особом умении?
Эту загадку пытался разгадать не один ученый в те­чение последних 40 — 50 лет. Были проделаны сотни экспериментов, но проверить, наглядно зафиксировать механизм движения рыбы в воде, установить характер образующихся водяных потоков, вычислить сопротивле­ние, испытываемое движущейся в воде рыбой, силу тяги и мощность, развиваемые ею, так никому и не удалось. Общепризнанным до последнего времени было

лишь одно — рыбы передвигаются под водой за счет дви­жений хвоста и отчасти плавников.
И вот совсем недавно секрет скоростного переме­щения рыб раскрылся самым неожиданным образом. По сообщению журнала «Мэшин Дезайн» был поставлен такой опыт. Рыб пустили в аквариум, наполненный не водой, а молоком. Молоко позволило проследить дви­жения рыбы, возмущения жидкости, вызываемые пе­ремещением в ней рыбы (рис. 7). Было установлено, что при каждом ударе хвоста образуется некоторое воз­мущение жидкости у жабр, а никак не у хвоста рыбы,

как думали раньше. Но это еще не самое главное. Ока­зывается, что основная «движущая сила» возникает при колебательных движениях туловища рыбы. Животное скользит вдоль пришедших в движение слоев жидкости, и они на глазах превращаются в маленькие «водоворо­ты» — завихрения с вертикальной осью вращения. Ког­да рыба скользит мимо этих возмущений, они закру­чиваются еще сильнее и увеличиваются в размере. Ког­да хвост рыбы по касательной проносится по завихре­нию, рыба как бы вбирает в себя всю накопившуюся там кинетическую энергию вращения. Создается впе­чатление, будто рыба плывет, отталкиваясь от водово­ротов, что завихрения как бы выталкивают ее вперед.
Правильность этих предположений была проверена еще на одном простом, но весьма остроумном опыте. Известно, что, если пойманную в реке рыбу бросить на берег, она будет подпрыгивать и биться о землю. Но вот вбили в доску два ряда гвоздей на одинаковом расстоянии друг от друга и положили рыбу между ними

2*
35

(рис. 8). И она «поплыла» посуху(!), отталкиваясь кор­пусом и хвостом от гвоздей, словно от водоворотов. Сходство прямо-таки поразительное!
Ученые полагают, что установленные ими факты мо­гут оказаться весьма полезными при конструировании кораблей. Уж очень заманчива перспектива создания судов, особенно подводных, способных двигаться в во­де с легкостью рыбы. Эта проблема сейчас волнует не

Рис. 8. Форель «плывет» по доске, в которую в опре­деленном порядке вбиты гвозди. Телом и хвостом рыба уцирается в гвозди совершен­но так же, как она «опирается» в воде на завихрения.

только кораблестроителей и гидродинамиков, но и био­логов, биофизиков и биохимиков. Эта сложная и ин­тересная задача увлекла и математиков.
Однако многие специалисты утверждают, что под­водный аппарат, использующий принцип плавания рыб, не сможет развивать скорость, большую 30 узлов*). Опыты показали, что при любой попытке плыть быстрее коэффициент полезного действия плавательного аппа­рата начинает катастрофически падать.
Как же быть? Выход из тупика подсказал дельфин.

стр. 1
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>