Техносфера - Бионика. Когда наука имитирует природу

Содержание

Введение ..................................................................... 9

Часть I. Структуры, способы, материалы

Глава 1

Заимствование технологий природы: от ремесла к индустрии ............................................................ 14

Изобретения для повседневной жизни ......................... 14

Передовая линия в индустрии .................................... 16

Глава 2

Структуры.................................................................. 21

Остовы ................................................................... 21

Формы.................................................................... 24

Текстуры ................................................................ 36

Глава 3

Способы....................................................................... 44

Как лучше соединить................................................ 44

Как лучше развернуться ........................................... 50

Как лучше обращаться с жидкостями и газами ............ 55

Как распространять звуки......................................... 57

Как лучше освоиться в разных средах ........................ 60

Глава 4

Материалы ................................................................. 63

Адгезивный продукт еще один! ............................... 63

Эластичный продукт ................................................ 66

Стойкие участники сопротивления: Прочность............. 71

Часть II. Поведение

Глава 5

От автоматов к аниматам ....................................... 76

Философские игрушки .............................................. 76

Программируемые автоматы...................................... 82

Прото-роботы .......................................................... 84

Кибернетические роботы........................................... 87

Интеллектуальные системы ....................................... 93

Адаптивные роботы: аниматы.................................... 99

Изобилие источников для заимствования..................... 101

Глава 6

Воплощенное действие ............................................ 102

Плавание ................................................................ 102

Ползание................................................................. 106

Ходьба.................................................................... 108

Полет ..................................................................... 111

Захват .................................................................... 114

Перфорация ............................................................ 115

Глава 7

Продвинутые сенсоры ............................................. 117

Зрение .................................................................... 117

Обоняние ................................................................ 124

Осязание ................................................................. 125

Мультимодальное восприятие .................................... 127

Глава 8

"Канализированные архитектуры" управления.............. 129

Искусственный таракан............................................. 130

Разум множества ..................................................... 137

За пределами простых рефлексов ............................... 144

Глава 9

Обучающиеся роботы .............................................. 146

Обучение через подкрепление .................................... 147

Обучение с помощью подражания............................... 154

Обучение по ассоциации............................................ 156

Коллективное обучение ............................................. 163

Глава 10

Развитие и эволюция в робототехнике................ 167

Развитие ................................................................. 167

Эволюция................................................................ 178

Коэволюция............................................................. 190

Часть III. Гибриды

Глава 11

От протезов к киберпротезам................................ 202

Древности ............................................................... 202

Пассивные протезы................................................... 203

Эра киберпротезов ................................................... 205

Глава 12

Искусственные гибриды.......................................... 207

Гибридизация с природными сенсорами ...................... 207

Гибридизация с природными эффекторами.................. 210

Гибридизация с природными архитектурами управления 211

Другие гибридизации................................................ 218

Глава 13

Живые гибриды........................................................ 224

Интеллектуальные протезы ....................................... 225

Интеллектуальные эндопротезы ................................. 230

Протезы, предназначенные для радио-контроля............ 233

Эндопротезы стимулирующие и регистрирующие ......... 237

Дух - над материей ................................................. 240

Заключение ................................................................ 250

Биология и технологии.............................................. 250

Биология и робототехника ......................................... 252

Органическое и неорганическое .................................. 257

Перспективы? .......................................................... 258

Эпилог ......................................................................... 261

Благодарности ........................................................... 262

Литература................................................................. 263

Примечания ............................................................... 267

Предметный указатель............................................ 278

Введение
Природа - великий учитель, особенно для то-
го, кто наблюдателен.
Карло Гольдони
Нить паутины в пять раз прочнее и вдвое эластичнее нейлонового
волокна, а летающий микродрон машет крылышками, как насеко-
мое; кибер-рука позволяет осязать и ощущать тепло. . . Так человек
пытается подражать всему возникшему в результате эволюции. Мно-
жество тому свидетельств сохранилось в исторических документах
или в легендах со времен появления письменности. Двадцать че-
тыре столетия назад один грек создал из дерева летающего голубя;
три века спустя в Египте была изготовлена подвижная искусствен-
ная рука; по аналогии с текстурой осиных гнезд в начале нашей эры
китайцы придумали бумагу.
Во все времена человеческий ум зондировал ум Природы, чтобы
по ее подобию усовершенствовать собственные изобретения. Иногда
технические возможности человечества этому не соответствовали.
Например, навеянные полетом птиц и летучих мышей летательные
аппараты, макеты которых рисовал Леонардо да Винчи, не смогли
бы подняться в воздух. В его время еще не было достаточно легких
материалов и мощных двигателей.
Начиная с XIX века технологический прогресс набрал головокру-
жительные обороты. Вдохновленные индустриальной революцией,
инженеры придумывали все новые способы воплощения в жизнь все-
возможных природных конструкций и материалов.
В наши дни происходит другая революция. Речь идет об исполь-
зовании бесконечно малых частиц материи, порядка миллиардной
доли метра, при манипуляциях на уровне атомов. Действительно,
нанотехнология предлагает совершенно оригинальные устройства,
применяющиеся в различных областях. Важное преимущество этих
устройств - в их миниатюрности. Благодаря крошечным размерам
механические, электрические и оптические свойства наноматериалов
полностью отличаются от свойств макроматериалов. Для исследова-
телей стало досягаемым конструирование искусственных структур,
имитирующих микроскопические структуры живой клетки.
Параллельно этим направлениям технического прогресса, про-
исходит сближение природных и искусственных систем. В 1940–
1950-е годы американский психолог Кларк Леонард Халл (Leonard
Hull ) заявил, что законы, управляющие поведением животных и ме-
ханизмов, по-видимому, одинаковы и их можно с успехом взять на
вооружение. В тот же период математик Норберт Винер (Norbert
Weiner ) основал новую дисциплину, которую назвал кибернетикой.
В основу кибернетики положено сходство информационных процес-
сов в природных и в искусственных системах. Чуть позже пионеры
искусственного разума прибегли к той же аналогии и даже дошли
до заявлений о полном сходстве компьютерного процессора и мозга.
С этой точки зрения нечто искусственно созданное стало метафорой
живого, а не наоборот, как это обычно бывает.
Идея о том, что науки о живом мире и технические дисциплины
могут идти рука об руку, набирала силы. Так, в сентябре 1960 года,
после американского симпозиума в Дайтоне (штат Огайо), у всех на
слуху оказался термин∗ "бионика". Совмещение биологии и тех-
ники, а затем биологии и электроники заявленный предмет этой
науки. Появилась обширная программа, объединяющая компетен-
цию инженеров и ученых-исследователей из самых разных областей
знания: математиков, физиков, химиков, а также биологов и пси-
хологов. Это объединение предполагало искать в природе способы
преобразования искусственных систем. А то, что можно назвать
новой бионикой, пришло десяток лет спустя (и, несомненно, вместе
с одним хорошо известным американским фельетоном: Человек,
Цифрами в верхнем индексе здесь и далее обозначены примечания авторов,
которые можно найти в конце книги (см. раздел Примечания). А звездочками
и другими нецифровыми обозначениями далее будут отмечаться постраничные
сноски переводчика и редактора русского издания.
который стоит 3 миллиарда). Речь идет о концепции гибридных
систем, интегрирующих живые и искусственные компоненты.
Тогда начали развиваться три направления молодой науки. Пер-
вое описывало некоторые из множественных технологических во-
площений природных структур, приемов и материалов. Например,
оно пыталось объяснить, каким образом лапки ящерицы геккона
успевают плотно прилипнуть за 1/8000 секунды к любой поверхно-
сти. Это помогло бы разрешить головоломку, которую представляет
собой идея сухого прилипания совершенного удерживания неза-
висимо от характера опоры. Второе направление охватывало поле
исследования задач, будораживших умы людей с самых давних вре-
мен, но возродившихся к жизни лишь в последние годы. Речь идет
о концепции автономных роботов, вдохновленной животными и их
поведением. Таких роботов относят к так называемой биозаим-
ствованной робототехнике (la robotique bioinspir´ee)∗. Она, напри-
мер, предполагает интерес к следующему феномену: каким образом
альбатросу удается целыми днями напролет планировать в возду-
хе, ни разу не взмахнув хотя бы одним крылом? Ответ на этот
вопрос помог бы разрешить проблему летательных аппаратов с ма-
лым резервом горючего, такое решение можно было бы перенести
на будущий микродрон. Наконец, третье направление касается ати-
пичных произведений, предполагающих гибридизацию природных
и искусственно созданных систем. Скажем, сюда относится задача
создания нейропротеза, который мог бы позволить страдающим
тетраплегией† пациентам дистанционно управлять механизмами.
В предлагаемой читателю книге мы рассмотрим множество дру-
гих примеров заимствований у природы и их комбинации, воплоща-
емые по мере исследования материи. Кроме того, будут поочередно
кратко описаны особенности исторического пути различных сфер
приложения бионики. В конце работы мы обсудим перспективы
Термин можно перевести также выражениями: биовдохновленная робототех-
ника или биоинспирированная робототехника¿. По-английски: bioinspired.
Прим. перев.
†Тетраплегия, или квадроплегия (от греч. тетра - четыре и plege - удар,
поражение), паралич всех четырех конечностей, обычно связан с поврежде-
нием спинного мозга. Прим. перев.
по крайней мере так, как их себе представляют некоторые смелые
исследователи. Помимо этого мы коснемся определенных ограниче-
ний, с которыми сталкиваются исследователи в работах такого рода.
Сюда относятся этические проблемы и некоторые иные, затрагива-
емые в различных текстах и законодательных актах во всем мире,
призванных предотвратить любой риск пагубного применения этих
искусственных творений.

ГЛАВА 1. Заимствование технологий природы: от ремесла к индустрии
Человеческий гений способен породить самые разно-
образные изобретения благодаря применению различ-
ных инструментов, служащих одной цели. Однако
он никогда не сможет создать нечто столь же пре-
красное, столь же простое и приспособленное, как
творения самой Природы, ибо в них все безупречно и
нет ничего лишнего.
Леонардо да Винчи
Задолго до того, как бионика стала научной дисциплиной, ее
практиковали в рамках ремесленного производства ради улучше-
ния обыденной жизни или расширения человеческих возможностей.
В XIX веке стали появляться отдельные патенты, защищающие та-
кие изобретения, и их незамедлительно брала на вооружение про-
мышленность.
Изобретения для повседневной жизни
Восемь веков назад в Китае жители деревни Хонг-Чун, расположен-
ной в горах Хуанг-Шань (что означает Желтые горы), проявили
себя как первые архитекторы-бионики. Они придали своей деревне
форму быка и для обеспечения подачи воды придумали водную (гид-
рологическую) сеть, имитирующую пищеварительную систему. Го-
ловой такого быка служил холм, рогами два больших дерева.
Четыре моста изображали ноги, а деревенские дома тело быка.
По кишечнику чистая вода подавалась к подножию каждого дома
и затем стекалась к озеру-желудку в форме полумесяца, а потом
к озеру побольше, которое имитировало живот быка, и, наконец,
впадала в реку. Эта канализационная система вплоть до наших дней
способна подавать воду, пригодную для питья и орошения сельскохо-
зяйственных культур. Правда, сейчас жители деревни используют
ее скорее в туристических видах, нежели в практических целях, тем
более что деревня Хонг-Чун была включена в список мирового на-
следия ЮНЕСКО. . .
Этот пример имеет еще и символическую интерпретацию. В Ки-
тае бык олицетворяет долговечность. Происхождение и источники
других заимствований у природы очертить труднее. Предполага-
ют, например, что искусственные плотины из камня, датируемые
3-м тысячелетием до нашей эры, были заимствованы у бобров, что
устройство паутины натолкнуло древних рыбаков на идею рыболов-
ных сетей. Кроме того, полагают, что прекрасная терморегуляция
ячеистых домов индейцев пуэбло в Новой Мексике домов, по-
строенных из смешанной с водой глины, объясняется имитацией
архитектуры глиняного гнезда ос-отшельников.
Имена некоторых первооткрывателей забылись, но другие суме-
ли войти в историю. Китайца Чай-Луна (или Тсай-Луна) считают
изобретателем бумаги. Этот материал он создал в 105 году на-
шей эры, смешивая бамбук с водой, после внимательного изучения
гнезд общественных, т. е. живущих роем, ос родственниц упо-
мянутых выше одиночных ос. Гнезда этих перепончатокрылых на
самом деле состоят из дерева, смешанного со слюной. Они строят-
ся вокруг сот, закрепленных на столбе или другой опоре, которые
окружены множеством слоев из того же материала. Гораздо позже,
в 1719 году, такая же наблюдательность позволила французскому
естествоиспытателю Рене-Антуану Фершо де Реомюру∗ предложить
рецепт производства более современной и мягкой бумаги на основе
вторичного использования тряпья.

Передовая линия в индустрии

В XIX веке большинство изобретателей, полагаясь на интуицию и
продвигаясь на ощупь, все же получили патенты на свои устройства.
Ремесленные рынки остались в прошлом. Хороший пример перехо-
да от эры ремесленной к эре индустриальной история колючей
проволоки. На западе США заменителем проволоки с железными
колючками изначально служили ветки колючего техасского апель-
синового дерева l’oranger des Osages, которые использовались ин-
дейцами племени сиу. Французские миссионеры вместо исконного
местного Wazh´azhe дали дереву более легкопроизносимое назва-
ние Osage, или озаж. Из веток этого дерева индейцы сиу делали
луки, а напоминающий каучук сок его несъедобных плодов использо-
вали для раскраски лиц. Первые колонисты-американцы придумали
ограждать свои владения зарослями апельсинового терновника, что-
бы уберечь домашний скот. Про эту изгородь говорили, что она:
¾достаточно высокая для лошадей, достаточно прочная для быков и
достаточно частая для свиней¿. Однако такая живая изгородь росла
медленно, и некоторые находчивые фермеры заменили естествен-
ные заграждения металлической проволокой с железными колючка-
ми, имитирующими колючки на ветках терновника. Изобретение,
названное индейцами поясом дьявола, было усовершенствовано
Джозефом Ф. Глидденом, который в 1874 году заявил патент на про-
изводство колючей проволоки одному местному коммерсанту.
Распространение этого удобного новшества имело драматические
последствия. Ковбои оказались перед лицом технологической безра-
ботицы. Изгороди, став съемными и растяжимыми, спровоцировали
ожесточенную борьбу между фермерами, стремившимися во что бы
то ни стало заполучить каждый лишний клочок земли. Заграж-
дения позволяли им то и дело расширять свои владения, вытесняя
индейские племена и их главную пищу бизонов, заставляя их пере-
мещаться в местности, все более тесные и скудные. Во время войны
между Севером и Югом проволочные заграждения использовались
американцами для западней и охраны пленных. Колючая проволока
стала орудием политического управления пространствами.
Использование изобретений и быстрое освоение любых иннова-
ций в военные времена приносит злополучную выгоду. Первая миро-
вая война для распознавания подводных объектов эксплуатировала
гидролокатор, разработку которого к 1915 году завершил француз-
ский физик Поль Ланжевен∗ (Langevin). Этот пример лишь капля
в море. На первый взгляд, гидролакатор представлял собой прямое
заимствование принципа эхолокации у морских животных, но на са-
мом деле это не так. Сходство принципов работы искусственного
гидролокатора и эхолокаторов у животных было обнаружено зна-
чительно позднее. Правда, в качестве реванша, во время Второй
мировой войны тот же Поль Ланжевен, по иронии судьбы, оказался
причастен к одному изобретению, которое, бесспорно, заимствовано
у биологии. Речь идет о часах Cricket Watch† первых наручных
часах с функцией будильника.
Руководство американской армии стремилось снабдить своих сол-
дат каким-нибудь устройством, позволяющим синхронизировать
военные операции. Часы-будильник уже в то время производила,
с 1890 года, швейцарская фирма Vulcain (Вулкан), но они облада-
ли двумя значительными недостатками. С одной стороны, изда-
ваемые звонком вибрации систематически расстраивали механизм
часов. С другой слабый звук этого будильника легко заглушали
окружающие шумы. Инженеры изо всех сил старались привнести
улучшения в это устройство и уже готовы были признать тщет-
ность своих попыток. И тут Поль Ланжевен, будучи с визитом на
предприятии, сказал своим собеседникам, что проблема эта вполне
разрешима: если такое маленькое насекомое, как кузнечик, способно
производить звук, разносящийся на десятки метров, то в часах, ра-
зумеется, можно добиться такого же эффекта. . . Это подтолкнуло
идею сделать мембрану (во втором дне, с отверстием, способству-
ющим распространению производимого часами звука) стальную
мембрану, на которой создается резонанс от маленького молоточ-
ка, по образцу стрекотательного аппарата насекомого. Часы Cricket
Watch были усовершенствованы к 1947 году и, начиная с президента
Эйзенхауэра, стали культовыми для многих президентов США.
В 1960 году, в эпоху холодной войны, в СССР был сбит аме-
риканский самолет, а его пилота заключили в тюрьму. Это бы-
ло в тот период, когда проходила знаменательная конференция в
Дайтоне, организованная военно-воздушными силами США на базе
Райт-Паттерсон∗. Эта конференция имела широкий резонанс поми-
мо интереса к теме военных секретов¿, которых она касалась. Она
вдохновила исследования во множестве публичных и частных лабо-
раторий во всем мире. Так, по инициативе одной из лабораторий
института INRA† в 1966 году был организован первый научный сим-
позиум в Италии, посвященный эхолокации (сонарам) у морских и
наземных животных. Затем исследования в области бионики стали
быстро распространяться в мире, и особенно в Германии. В 2005 году
в рамках Всемирной выставки в Аиши (Япония), павильон Германии
был целиком посвящен бионике. Однако во Франции, несмотря на
официальные заверения, междисциплинарным исследованиям дол-
гое время не уделяли должного внимания. . .
Три последующие главы посвящены развитию технологических
изобретений в области бионики, заимствованных у живых систем.
Эти последние экспериментировали и продолжают экспериментиро-
вать поныне с помощью множества морфологических форм и меха-
низмов, обеспечивающих их выживание. После двух с половиной
миллиардов лет, в течение которых изолированные клетки дока-
зывали свою сверхустойчивость в водной среде, над поверхностью
воды развилось множество разновидностей многоклеточных орга-
низмов в виде самых сюрреалистических3 форм. Из этого огромного
множества архитектурных форм осталась лишь малая часть пред-
ставителей, но зато достаточно вооруженных, чтобы продолжать
существовать в морских глубинах до наших дней. Цианобактерии
(бактерии, способные к фотосинтезу, которых ранее относили к во-
дорослям) и растения первыми осмелились использовать сушу как
новую экологическую нишу. Для противодействия сухому возду-
ху, силе тяготения, ультрафиолетовым лучам, резким колебаниям
климатических условий на поверхности Земли они изменили свою
структуру и физиологию. Немного позже появились беспозвоноч-
ные животные, затем позвоночные. Их морфология и физиология
трансформировались под тем же давлением внешних условий, к ко-
торому до них приспосабливались растения.
Большинство из них относятся к группам, в настоящее время
совершенно исчезнувшим: из 120 ветвей осталось примерно 33, среди
которых можно назвать, например, губок и моллюсков.
Таким вот образом жизнь измышляет огромную коллекцию до-
спехов, адаптированных к невероятному разнообразию форм суще-
ствования на планете. Но какие ингредиенты лежат в ее основе?
Всегда одни и те же! Около 99% углерода, водорода, кислорода и
азота, в остатке примерно двадцать других элементов из сотни
прочих, составляющих известную нам Вселенную.
Однако Природа не так легко раскрывает секреты своей кухни. . .