На суше и на море 1962(3)

ПРИРОДА ПОДСКАЗЫВАЕТ ИНЖЕНЕРУ

ОБЪЯСНИМЫЙ ПАРАДОКС

НЕСКОЛЬКО ЛЕТ назад в зарубежной печати появились сообщения об использовании дрессированных голубей для... управления боевыми ракетами. В течение нескольких лет было проведено множество экспериментов, и в окончательном виде эта- оригинальная система управления функционировала так. В головке ракеты помещалось устройство, которое следило за целью (например, самолетом или кораблем) и проектировало ее изображение на особый экран. Перед ним сидел на жердочке голубь, который клевал изображение, когда оно появлялось на экране. Если ракета двигалась точно в направлении цели, изображение находилось в затемненной центральной части экрана и поэтому было невидимым. Однако едва ракета отклонялась в сторону, изображение цели перемещалось на освещенную часть экрана, голубь видел его и принимался клевать, пока оно не исчезало вновь. Поверхность экрана была токопроводящей, а на клюв птицы надевался металлический наконечник. Это давало возможность в зависимости от положения цели на экране снимать с него ток определенной величины. Через преобразователь этот ток подавался на рули управления, которые заставляли ракету снова лечь на правильный курс...

Правда, поразительно: стальное чудовище, в утробе которого заключена сила нескольких десятков тысяч лошадей, управляется столь примитивным устройством. В чем дело, почему исследовался такой «допотопный» способ управления ракетой? Ведь любой конструктор в течение часа без труда набросает десяток, а то и больше схем — механических, пневматических, электрических и каких угодно, — с помощью которых вроде бы вполне можно обеспечить выполнение функций, доверенных голубю. Устройства, работающие по этим схемам, вообще говоря, не так уж трудно создать, или, как говорят в таких случаях инженеры, «воплотить в металл». Наконец, есть специальная наука об управлении — кибернетика, которая занимается созданием управляющих систем и которая располагает, казалось бы, чудесной, всемогущей и универсальной техникой. В самом деле, сколько в последнее время приходится читать и слышать о быстродействующих электронных вычислительных машинах, о машинах, играющих в шахматы, сочиняющих стихи и музыку, помогающих врачу ставить диагноз, управляющих разнообразными технологическими процессами. Может быть, следовало обратиться к услугам кибернетики? Почему же тогда американцы пред-почли прибегнуть к такому ненадежному устройству, как голубь?

Как это ни парадоксально, использовать голубя для управления ракетой предложили именно кибернетики. Впрочем, парадокс здесь только кажущийся: вспомните, что кибернетика имеет дело с процессами управления и в системах, созданных человеком, и в системах, созданных природой в ходе эволюции. Само развитие кибернетики тесно связано с расширением наших знаний о процессах управления и регулирования в живых организмах. Дело в том, что природа — это огромная лаборатория, работающая сотни миллионов лет. За это время в ней было произведено бесчисленное множество экспериментов. И хотя эволюция слепа — ее можно сравнить со скульптором, который не видит собственных творений и не знает, что с ними будет дальше,— она, пройдя сквозь запутанные лабиринты поисков и потерпев невероятное количество неудач, создала тем не менее то фантастическое разнообразие видов живых организмов, которое существовало и существует на нашей планете. И вот обнаружилось, что живые организмы обладают, как правило, уникальными аппаратами управления и регулирования — удивительно экономичными, надежными, способными воспринимать и запоминать порой ничтожные изменения множества факторов внешней среды и отвечать на это сложнейшими приспособительными реакциями.

С точки зрения кибернетики любой живой организм — это своего рода некая система управления и регулирования, сложная, правда, но зато очень эффективная и по своей надежности в некоторых отношениях даже превосходящая управляющие системы, созданные человеком. Эти слова можно отнести, например, к подсолнечнику, шляпка которого с поразительной точностью поворачивается вслед за солнцем; петуху, который неведомым для нас способом «отмеряет» время от крика до крика; наконец, к человеку, мозг которого, в сущности, великолепное счетно-решающее устройство — весьма «портативное», обладающее колоссальной памятью, потребляющее небольшую мощность, способное делать сложнейшие расчеты и умозаключения.

Сразу же возникает вопрос: нельзя ли, зная, как устроены и работают биологические системы управления и регулирования, создавать искусственные системы, которые обладали бы подобными же характеристиками и свойствами? Разумеется, можно. В свое время Архимед сказал, восхищаясь возможностями, заложенными в таком простом механизме, как рычаг: «Дайте мне точку опоры, и я подниму земной шар!»

С неменьшим правом инженеры наших дней могут заявить: «Дайте нам схему механизма любой биологической системы управления и регулирования, и мы создадим не менее совершенную техническую систему!»

БИОЛОГИЯ ПЛЮС КИБЕРНЕТИКА

Вся трудность в том, однако, что механизмы работы биологических систем управления и регулирования по большей части неизвестны. Биология, как известно, не принадлежит (во всяком случае сейчас) к числу точных наук. До недавнего времени основными методами, которыми она пользовалась, были описание и качественная оценка явлений, изучаемых ею. Лишь в последние десятилетия и особенно в последние годы наметился переход биологии в лагерь наук, пользующихся в своих методах аппаратом математики для установления точных количественных оценок. Решающую роль в этом сыграло появление и развитие кибернетики.

Особенно плодотворным для биологии оказалось ее тесное содружество с кибернетикой. Впрочем, это содружество немало дает и кибернетике. Обе эти науки — биология' и кибернетика — образовали сейчас нечто вроде автоколебательного контура. Чтобы сделать бросок вперед, кибернетике все чаще приходится опираться на достижения биологии. Но продвинувшись вперед, кибернетика не остается в долгу, подтягивая на новые рубежи и биологию. Изучая с помощью биологов управляющие системы и чувствительные органы, созданные природой, инженеры используют принципы их работы для создания тех или иных технических устройств. В свою очередь разработка этих технических устройств помогает и кибернетикам и биологам глубже понять процессы, которые происходят в живых системах.

В последнее время сотрудничество биологов и кибернетиков вылилось в совершенно новую форму: появилась молодая отрасль технической кибернетики —бионика. Это направление кибернетики занимается решением инженерных проблем, используя изучение биологических систем и процессов. Цель бионики — создание технических устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов.

Не надо думать, однако, что бионика ставит своей задачей просто копировать природу. Зная принципы работы различных механизмов биологических систем, человек не только сможет воспроизвести их, но и создать на их основе более совершенные устройства. Кстати, у него для этого больше возможностей, чем у природы. Ведь природа не может, подобно конструктору, разобрать свое творение на части и заново собрать его, пытаясь сотворить нечто лучшее. Ее творчество выражается лишь в поправках, достройках, доделках, усовершенствованиях.

И не так уж она мудра, эта природа. Немногого добился бы человек, если бы он решил рабски подражать ей. Наши предки правильно сделали, что не стали в свое время придумывать шагающую повозку, а изобрели колесо, которое во многих отношениях оказалось более удобным. Или еще примеры. Скажем, самолет никак нельзя назвать увеличенной во много раз птицей, а подводная лодка движется совсем не так, как рыба. Среди творений живой природы нет ни одного, которое передвигалось бы со сверхзвуковыми скоростями, а человек собирается в будущем создать межзвездные корабли, которым будут доступны субсветовые скорости.

Но вместе с этим природа создала множество устройств, о которых ученые и инженеры пока могут только мечтать. Больше всего она «дразнит» их своими системами, предназначенными для переработки громадных объемов информации, и сверхчувствительными датчиками, принимающими и передающими информацию. Количество и разнообразие оригинальных систем, созданных природой в ходе эволюции, просто ошеломляет. Кажется, нет ни одного живого организма, при знакомстве с которым не возникло бы желание: вот бы позаимствовать у него схему управляющего механизма.

Правда, сегодня о большинстве этих биологических управляющих систем мы знаем лишь в общих чертах, но в недалеком будущем несомненно появятся и целые библиотеки книг, в которых они будут описаны, и груды авторских свидетельств, выданных на аналогичные им искусственные системы. Чтобы представить себе потенциальные возможности бионики, давайте совершим с вами экскурсию в музей, где выставлены интересующие нас изобретения природы.

ПО ЗАЛАМ НЕОБЫЧНОГО МУЗЕЯ

Вы, конечно, понимаете, что этот музей — сама природа, а его экспонаты — всевозможные живые организмы, созданные ею. Большинство из них вы видели и раньше, но, по-видимому, не догадывались при этом, с какими чудесами техники сталкиваетесь. Приглядимся к ним повнимательнее.

Мы уже упоминали об удивительной способности петухов «отмерять» время. Быть может, вы знаете и о том, что цветы на лугу или в саду открывают и складывают свои венчики в определенный час дня. Делают они это с такой пунктуальностью, что по ним можно сверять время. В последние годы способность ориентироваться во времени обнаружена у большого числа живых организмов. Оказалось также, что многие процессы внутри организма протекают в двадцатичетырехчасовом цикле. Это явление ученые называют сейчас «биологическими часами».

Где в организме помещается механизм «биологических часов» и как он действует — это пока неизвестно. А между тем вопрос этот имеет, вероятно, и большой практический интерес. Вообразите, что мы разгадали механизм «биологических часов» и научились по своему усмотрению останавливать и снова заводить их. Опыты, проведенные недавно группой английских физиологов, доказывают, что это принципиально возможно. Поместив петуха в специальную камеру, они обнаружили, что после нескольких дней пребывания в темноте он утратил «чувство времени» и, растерявшись, перестал кукарекать. Его «биологические часы» остановились. Но достаточно было осветить эту камеру хотя бы на мгновение лучом солнечного света, как «часы» снова пошли. В течение нескольких дней петух своим кукареканьем «отмерял» время как обычно, но затем опять замолк. Словно у его «часов» раскрутилась «пружина».

Как же человек может использовать свою способность останавливать «биологические часы» живых организмов? Вот одна из возможностей. Токсичность большинства микробов и бактерий в течение суток неодинакова и меняется в соответствии с ходом «биологических часов» по определенному закону. У некоторых видов микроорганизмов она временами доходит почти до нуля. А что если в этот момент остановить «часы»?

С работой «биологических часов» некоторые ученые связывают, например, способность голубей находить дорогу домой. Считают, что голубь каким-то образом ставит в соответствие показания своих «часов» и положение Солнца на небе, определяя с помощью этого свое местонахождение. Может быть, используя этот принцип, инженерам удастся создать точнейшие приборы для аэро- и космонавигации?

У многих животных, рыб и насекомых удивительно развита чувствительность к запахам. Собака, например, различает нужный ей запах в «букете», составленном из нескольких сот различных ароматов. Самцы одного из видов бабочек—павлиний глаз,— по-видимому, находят самку по запаху веществ, выделяемых ее железами, даже если она находится в десяти-пятнадцати километрах. Пчелы чувствуют запах меда, находящегося в герметически закрытой банке.

Физическая природа запахов установлена лишь недавно. Согласно последней гипотезе, предполагают, что запах, присущий тому или иному веществу, объясняется характерными для этого вещества низкочастотными колебаниями его молекул или частей молекул. При этом вибрирующие молекулы излучают электромагнитные волны длиной от 8 до 14 микронов, которые воспринимаются и регистрируются органами обоняния. Таким образом, поразительная чувствительность к запахам у животных и насекомых объясняется тем, что их органы обоняния — это своего- рода великолепные радиоприемники, обладающие тонкой настройкой, способные принимать и анализировать электромагнитные колебания невообразимо ничтожной мощности.

Как пригодились бы человеку такие чувствительные устройства! Ведь с их помощью химики, скажем, могли бы быстро и точно производить сложнейшие анализы различных веществ и смесей, астрономы, быть может, определили бы, не покидая своих обсерваторий, химический состав атмосфер других планет нашей Солнечной системы, врачи получили бы, пожалуй, возможность, контролируя обмен веществ в организме, ставить диагноз болезни, едва она наметится.

А ориентация рыб и водных животных с помощью обоняния, способность их улавливать запахи в воде? Ведь это означает возможность радиосвязи под водой! Надо думать, существует какой-то диапазон электромагнитных колебаний, которые не поглощаются водой или же, поглощаются незначительно. Не подскажет ли природа инженеру, какие длины волн для этого подходят? Нельзя ли заимствовать у нее схемы чувствительных устройств, воспринимающих запахи?

Впрочем, не менее интересны для инженера и другие созданные природой «устройства», с помощью которых обеспечивается функционирование тех или иных органов чувств: слуха, зрения и других. Какую зависть у инженера вызывают, например, такие «приборы», как глаза — глаза насекомых, птиц, пресмыкающихся, рыб и других живых существ! Оказывается, многие насекомые воспринимают ультрафиолетовый свет, особые глаза глубоководных кальмаров способны воспринимать инфракрасные лучи, человеку же удается краешком глаза «заглянуть» в эти области электромагнитного спектра лишь с помощью сложных и несовершенных приборов. Но инженеры считают сейчас, что, «проконсультировавшись» у природы, они смогут в недалеком будущем создать особые устройства, своего рода искусственные органы зрения, которые дадут человеку возможность значительно увеличить объем получаемых им зрительных восприятий.

Прогулка по музею изобретений природы лишь началась, а сколько замечательного мы уже увидели! К сожалению, невозможно хотя бы перечислить все созданные ею системы, к которым с интересом присматриваются сейчас инженеры. Упомянем лишь еще о нескольких загадках, над которыми бьются сегодня бионики. Это прежде всего принципы ультразвуковой локации летучих мышей, дельфинов, термолокации гремучих змей, принципы действия «антенн» у бабочек, системы ориентации водных животных на основе обоняния, устройство и работа «фабрик» в клетках зеленого листа, наконец, устройство и работа человеческого мозга, механизм кодирования информации в нем, структура памяти, схемы выработки программ поведения, вопросы, связанные с тем, как осуществляется обучение, как осуществляется контроль над исполняющими органами.

Впрочем, об этом следует рассказать несколько подробнее.

КИРПИЧИКИ И БЛОКИ МОЗГА

Мы уже говорили о том, что с точки зрения кибернетики мозг — это некое счетно-решающее устройство, обладающее огромной памятью, экономичное и надежное. Особенно уникален мозг человека. Вот его основные «технические данные»: вес около полутора килограммов, емкость памяти равна примерно 10 триллионам знаков, состоит он из 14 миллиардов «кирпичиков» — нейронов, потребляемая им мощность составляет несколько десятков ватт.

Насколько наша техника близка к тому, чтобы создать счетно-решающее устройство с подобными же характеристиками?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно подумать сначала, из каких элементов, из каких «кирпичиков» мы будем его строить. Электронные лампы — основной элемент большинства современных вычислительных машин — явно не подходят. Лучшие из этих машин весят в сотни тысяч раз больше, чем мозг человека, во столько же раз «примитивнее» его (если исходить из числа основных элементов) и во столько же раз требуют больше энергии.

Но может быть, нас устроят малогабаритные полупроводниковые элементы? Увы, тоже нет. Несколько лет назад в одном из американских изданий был приведен любопытный расчет. Оказалось, что для создания «памяти», состоящей всего лишь из миллиона попарно связанных между собой полупроводниковых элементов, нужно создать устройство невообразимых размеров, которое потребляло бы мощность около 100 миллионов ватт! А ведь в мозге человека таких элементов свыше 10 миллиардов, и соединены они не попарно, а много сложнее!

Кроме того, и электронная лампа, и полупроводниковый элемент — это просто реле, или выключатели. Устройство нейрона — основного элемента мозга — значительно сложнее. Вычислительные машины, состоящие из ламп или полупроводников, не смогут конкурировать с мозгом, какими громоздкими они ни были бы.

Единственный выход — строить счетно-решающие устройства на основе тех или иных аналогов нейронов. Именно в этом направлении сосредоточены сейчас усилия многих ученых-биоников. И хотя свойства нейрона изучены не до конца, удалось создать несколько его моделей, которые по своим характеристикам приближаются к «кирпичику» живого мозга.

Искусственный нейрон — это преобразователь с двоичным «выходом» и несколькими «входами». Один из видов таких нейронов, так называемый артрон, взят за основу разрабатываемых сейчас познающих, самоорганизующих систем. У него два «входа» — поощряющий и наказывающий. Это позволяет «наказывать» машину, если она, действуя наугад, сделает что-то неправильное, и «поощрять» ее, когда она случайно же сделает это верно. В результате машина приобретает определенные, требуемые от нее «навыки». Такие машины получили название персептронов. Первая из них, знаменитый «Марк I», созданный в 1960 году, после пятнадцати «уроков» безошибочно опознавала любую букву алфавита. «Видел» он ее «глазом», построенным из 400 фотоэлементов. Однако такие системы могут работать не только от оптических импульсов. Несложно заставить ее, например, опознавать звуки и преобразовывать их в сигналы, управляющие, скажем, пишущей машинкой.

Хотя сегодня подобные машины, как говорится, еще в пеленках, несомненно у них большое будущее. С их появлением человек освободится от необходимости делать большое количество однообразной, нетворческой работы. Учителя смогут доверить им проверку школьных тетрадей, библиографы — поиски тех или иных публикаций, конструкторы — вычерчивание стандартных деталей, инженеры—расчеты по типовым схемам. Станут исчезать такие профессии, как стенографистка, машинистка, наборщик, корректор-считчик и многие другие.

Из подобных систем можно будет, как из блоков, создавать и более сложные устройства, способные выполнять работу повышенной сложности. Например, диагностическую машину, которая поможет врачу оценить состояние больного и назначить лечение. Или машину-синоптика, которая будет в состоянии анализировать огромное количество подробных метеосводок и выдавать точнейшие прогнозы погоды.

Хотя сегодня искусственные аналоги нейронов значительно превосходят размерами нейроны мозга, бионика уже наметила пути их миниатюризации. Уже сейчас она обещает приблизить в перспективе плотность монтажа технических счетно-решающих систем к плотности элементов мозга!

Ничто не помешает нам создавать в будущем вычислительные и логические устройства любых размеров. Таким «мозгам» или даже бригадам «мозгов» под силу будет перерабатывать гигантские объемы информации, решать невиданно трудоемкие проблемы, которые поставит перед ними человек.

МЕЛЬНИЦА, ПЕРЕМАЛЫВАЮЩАЯ ПРОБЛЕМЫ

В наши дни новые отрасли знаний возникают одна за другой и прямо из пеленок устремляются к далеким горизонтам. И все-таки трудно найти другую молодую науку, которая застолбила бы для себя больше «золотых россыпей» в списке нерешенных проблем, чем бионика. Ее хочется сравнить с мельницей, перемалывающей проблемы. Причем жернова у нее — математический аппарат и кибернетическая техника — от работы не снашиваются, а, наоборот, становятся все тверже.

Мы говорили уже, что бионика занимается созданием управляющих систем и чувствительных органов с не менее совершенными характеристиками, чем у живых организмов. Особенно большое воздействие эти приборы оказывают и еще окажут на развитие тех наук, которые пока не относятся к числу точных.

Медицине бионика даст возможность решить такие проблемы, как точная постановка диагнозов, как безотказные методы регулировки «разлаженного» организма, как создание протезов, способных полностью заменить те или иные органы и ткани. Великолепный успех советских ученых Кобринского, Брейдо и Гурфинкеля, создавших управляемый биотоками мозга и мышц протез руки, показал, что можно использовать для этих целей регулирующие системы нашего организма. В нашей стране уже созданы регуляторы работы искусственных легких, управляемые биотоками дыхательных мышц, механизм затвора к рентгеновскому аппарату, который включается биотоками сердца и позволяет получить снимок сердца в нужной фазе сокращения.

С развитием бионики, возможно, совершенно иначе встанет вопрос о приобретении организмом каких-то качеств и передаче их по наследству. Быть может, удастся покончить с болезнями, передаваемыми по наследству, искусственно закреплять те или иные навыки.

Фантастично, не так ли? Да, и все-таки это принципиально возможно. Ведь аппарат наследственности — это, в сущности, передаваемая из поколения в поколение удивительная книга. В ней сочетаниями аминокислот описано почти все будущее развитие организма. При «переизданиях» этой книги возможны «опечатки». Но разве нельзя эти опечатки «выправить»? В самом деле, если дать эту книгу специальной «читающей» машине, то она сможет сравнить ее с каким-то эталоном, так сказать, с «рукописью», найти искажения в тексте. Найдя способ исправления «опечаток», человек сможет, по-видимому, вносить в «текст» и свои дополнения.

В перспективе — еще более заманчивая возможность: «писать» такие «книги», какие нам нужны. Трудно представить себе переворот, который начнется в нашей жизни, когда это станет осуществляться.

Представьте себе химические фабрики, на которых будут производиться любые количества всевозможных искусственных биомасс! Одни такие биомассы по своим питательным и вкусовым качествам ничем не будут отличаться, скажем, от мясного фарша, другие — от пшеничной муки или даже печеного хлеба, третьи — от каких-нибудь фруктовых соков, мармеладов, варений. Или вообразите рудник, где искусственные микроорганизмы будут восстанавливать металлы из их окислов и выбрасывать свои «отходы» — например, порошковое железо — прямо на конвейер.

Тоже фантастично? Верно, но опять-таки к этому нельзя относиться, как к чему-то нереальному. Нужно иметь поистине необычную фантазию, чтобы «изобрести» проблему, которая затрагивала бы биологию и технику и которая в то же время была бы принципиально неразрешима для бионики. Она еще многим нас удивит — эта инженерная наука биовека!

В. Ковалевский