Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич - Страница 4

Среди возможных применений этого открытия — создание синтетического «наружного уха» для устройства, улавливающего подводные источники звука. Один из ученых в США продемонстрировал толстые диски с просверленными в них тремя отверстиями, которые, как он указал, выполняют роль ушной раковины человека. Такой перфорированный диск, помещенный под головкой микрофона, с которого ведется запись, создает отставание во времени, позволяющее при прослушивании записи определять расстояние и направление звука.

По типу медузы советские ученые построили прибор, предсказывающий приближение шторма. Оказывается, даже такое простейшее морское животное слышит недоступные человеку инфразвуки, возникающие от трения волн о воздух и имеющие частоту 8—13 колебаний в секунду.

У медузы имеется стебелек, оканчивающийся шаром с жидкостью, в которой плавают камешки, опирающиеся на окончание нерва. Первой воспринимает «голос» шторма колба, наполненная жидкостью, затем через камешки этот голос передается нервам. В приборе, имитирующем орган слуха медузы (рис. 3), имеются рупор, резонатор, пропускающий колебания нужных частот, пьезодатчик, преобразующий эти колебания в импульсы электрического тока. Далее эти импульсы усиливаются и измеряются. Такой прибор позволяет определять наступление шторма за 15 часов.

Рис. 3. Схема аппарата — предсказателя шторма.

С 1950 г. один из зарубежных специалистов использует искусственное ухо, представляющее собой микрофон особой конструкции. Электрический ток, протекающий в цепи микрофона, возбуждает конечность слухового нерва. Это, конечно, первая, еще несовершенная конструкция, так как в действительности слуховой нерв имеет сложную «шифровку информации». Для воссоздания искусственным путем процесса действия слухового нерва потребуется немало усилий, в частности, специалистов по радиоэлектронике.

В связи с этим за рубежом интенсивно изучается механизм восприятия звуков человеком с помощью электронной модели, воспроизводящей частотные свойства уха. Специалистам удалось проникнуть в суть многих явлений, в частности в процесс восприятия тембра.

Специалисты стараются также создать модель, которая подобно человеческому уху различает слабые сигналы на фоне шумов.

Кроме органов зрения и слуха внимание специалистов привлекают орган температурной чувствительности у кузнечиков (он расположен на двенадцатом членике усиков), у скатов и акул, механизмы чувства времени у животных, птиц и насекомых. Механизмы чувства времени называют биологическими часами. Они управляют ритмами жизнедеятельности организма, причем на один ритм имеется несколько часов. Изучение их у насекомых показало, что они связаны с особыми клетками в нервных узлах. Эти клетки вырабатывают для управления ритмами жизнедеятельности особые гормоны.

Исследования биологических часов проводились в ряде зарубежных университетов и институтов. Они показали, что эти часы нечувствительны к изменению температуры лишь в определенных рамках. При выходе температуры за эти рамки, например при охлаждении до 0°, биологические часы останавливаются. После повышения температуры до нормальной они начинают снова идти, отставая на время остановки.

Специалисты за рубежом стремятся создать электрический аналог биологических часов. В состав аналога введен генератор, характер колебаний которого зависит от воздействия окружающей среды — чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Этот прибор, по замыслу его конструкторов, «должен пролить свет на процессы функционирования биологических систем при воздействии периодически меняющихся условий окружающей среды».

Биотоки и управление на расстоянии

В павильоне «Атомная энергия» на Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства СССР внимание посетителей привлекает манипулятор, который как бы удлиняет руки оператора и позволяет ему выполнять работу там, где никак нельзя находиться человеку. Такая обстановка может, например, возникнуть на предприятии атомной промышленности, где имеются зоны радиоактивного заражения. И вот в том месте, где надо выполнить какие-либо операции, действуют манипуляторы, управляемые на расстоянии. Они обладают большим числом степеней свободы и способны по командам оператора, наблюдающего из безопасного места, выполнять разнообразные операции. Они могут брать сосуды, переливать жидкости, зажигать спички и т. д.

Если вникнуть в устройство манипулятора подробнее, то можно установить, что это — по принципу действия — рычажное устройство. Оно предназначено для выполнения строго определенного числа операций, требуемого для осуществления эксперимента. Но нельзя ли создать манипулятор без рычажной системы? И тут на помощь ученым может прийти знание основ управления в живом организме, и в частности биотоки.

Что такое биотоки и когда они обнаружены? Электрические рыбы, то есть рыбы, в теле которых возникают высокие разности потенциалов, были известны людям задолго до того, как удалось создать первый искусственный источник тока. Конечно, на людей тех отдаленных времен электрические свойства рыб наводили страх, так как в их присутствии из-за электрических разрядов гибли мелкие животные, наносились поражения человеку.

Первым, кто исследовал электричество в живом организме, был итальянец Луиджи Гальвани. В 90-х годах XVIII века он провел ряд опытов с лягушкой и установил, что в нервно-мышечной ткани при определенных условиях возникают кратковременные токи. Электричество, сделал вывод ученый, имеется в живом организме.

Против этих выводов выступил ученый Алессандро Вольта, создавший первый источник тока, названный позже гальваническим элементом. Но современная наука подтверждает правильность выводов Гальвани. Действительно, в живом организме электричество существует.

…У морской рыбы из рода Astroscopus имеется как бы автомат для добычи пищи, основанный на использовании электрической энергии. Глаза и рот у этой рыбы расположены на спине. Если в ее поле зрения попадает небольшой малек, хищник изготавливается к «атаке». В момент появления малька на уровне глаз к электрическим органам поступает сигнал, и в сторону малька направляется электрический разряд. Оглушенный малек падает прямо хищнику в рот.

В настоящее время известно свыше ста видов рыб, способных вырабатывать электричество с довольно высокой разностью потенциалов. Так, электрический скат может создать напряжение до 70 в. Разряд при такой разности потенциалов служит средством защиты ската от нападения врагов. Электрический сом в зависимости от раздражения способен вызвать напряжение в 80—100 в и больше, а электрический угорь — от 300 до 500 в.

Рыбы, способные создавать сильные электрические разряды, встречаются главным образом в тропических морях. Вырабатывают электричество у них специальные электрические органы.

Но это не значит, что только некоторым живым организмам свойственно электричество. Просто у них электрические свойства выражены в более сильной степени. Более слабые токи систематически возникают во всех живых и даже растительных организмах. В исследование токов в организмах, названных биоэлектрическими, внесли большой вклад такие ученые, как Дюбуа-Реймон, И. М. Сеченов и другие. Замечательный русский физиолог Н. Е. Введенский в 1882 г. заставил биотоки подать свой голос: он сумел услышать в телефон токи мышц и нервов человека. Несколько позже наш соотечественник В. Ю. Чаговец на основе обобщения всех полученных до него данных о биотоках обосновал теорию их возникновения в живом организме. Эта теория легла затем в основу современных представлений о биотоках. Возникла специальная отрасль физиологии, занимающаяся электрическими процессами в органах и тканях организма.

Как же она объясняет теперь происхождение биотоков? В процессе обмена веществ между организмом и окружающей средой, между тканями и органами происходят сотни биохимических реакций, образуются электрически заряженные молекулы и атомы, называемые ионами. Положительные ионы (катионы) меньше по размерам, более подвижны, чем отрицательные ионы (анионы). В результате катионы легче проходят через клеточные перегородки, чем анионы, создаются условия для их разделения, то есть образования между отдельными участками мышечной, железистой или нервной ткани разности потенциалов. В теле неработающего человека она достигает 0,01 в, в теле работающего — доходит до 0,03 в. При повреждении тканей разность потенциалов может достигать 0,06—0,07 в. Роль проводника для токов, образующихся в результате наличия разности потенциалов, играют ткани, обладающие более высокой проводимостью, чем соседние.