В последнее время при разработке новой радиоэлектронной аппаратуры специалисты все чаще обращаются к биологическому миру. Отдельные представители этого мира при малых размерах имеют органы восприятия со значительно более высокими показателями по чувствительности к различным сигналам, точности, помехоустойчивости и надежности работы, чем созданные до сих пор образцы радиолокационной, гидроакустической и навигационной техники.
Для изучения явлений и процессов в живых организмах с целью создания электронных приборов, работающих по тем же принципам, что и живые организмы, развилась особая наука, которая называется
бионикой. Бионика подсказывает ученым, как можно наиболее быстро и рационально решить ту или иную техническую проблему на основе заимствования у природы правильного решения аналогичной же проблемы.
Развитие бионики диктуется и крайней необходимостью миниатюризации (уменьшения габаритов) радиоэлектронных систем. Сравнение степени миниатюризации биологических и технических систем показывает, что в этом отношении природа превзошла в сотни тысяч раз то, что до сих пор мог создать человеческий разум.
В настоящее время ученые исследуют применительно к задачам бионики в первую очередь органы восприятия (зрение, слух и др.), а также механизмы, методы локации и навигации различных животных, рыб, птиц и насекомых.
Органы восприятия по существу представляют собой биологические преобразователи одного вида энергии в другой с чрезвычайно высокой чувствительностью.
Так, например, гремучая змея имеет в углублении между ноздрями и глазами орган, чувствительный к инфракрасным лучам, который может обнаруживать разницу в температуре, равную 0,001°. С помощью этого органа змея находит свою жертву в темноте.
Некоторые рыбы весьма чувствительны к запаху. Так они могут обнаружить пахучее вещество в количестве одной стомиллиардной доли грамма на один литр раствора.
По сообщениям зарубежной печати, американцы исследуют вопрос создания на указанном принципе приборов, которые позволяют обнаруживать подводную лодку по изменению химического состава воды, вызванному кильватерным следом.
Установлено, что глаз и мозг лягушки способны «экранировать» от восприятия все детали за исключением тех, которые необходимы для того, чтобы поймать насекомого или уйти- от врага, а глаза морского животного
мечехвоста обладают способностью усиливать контрастность между краями наблюдаемого объекта и окружающим фоном. Указывается, что электронный прибор, созданный на этом принципе, можно использовать при наблюдении за экраном радиолокационной или гидролокационной станции для обнаружения цели на фоне больших помех.
Для радиолокации, гидроакустики и навигации представляет особенно большой интерес изучение методов активной локации и навигации некоторых представителей животного мира.
К живым активным локаторам относятся в первую очередь летучие мыши, дельфины, морские свинки и некоторые из тропических рыб.
Ультразвуковой локационный аппарат летучих мышки помогает им хорошо ориентироваться в темноте, искать пищу и летать, не задевая препятствий. Во время полета летучие мыши непрерывно излучают импульсы ультразвуковых частот и воспринимают ушами отраженные от различных объектов эхосигналы. Локационный аппарат летучих мышей может удовлетворительно работать даже при значительном превышении уровня шума над уровнем полезного сигнала. Летучая мышь способна обнаруживать свой отраженный ультразвуковой сигнал среди пронзительных криков других летучих мышей.
Считают, что изучение принципов локации и распознавания сигналов у летучих мышей позволит усовершенствовать методы выделения отраженных радиолокационных и гидроакустических сигналов на фоне шумов и помех, а также разработать более эффективные средства защиты от искусственных помех.
Один из видов тропических летучих мышей при полете над поверхностью воды на высоте 7—8 см обнаруживает съедобную для него рыбу, находящуюся под водой. Установлено, что перед захватыванием рыбы летучей мышью наблюдается увеличение частоты ультразвуковых импульсов, посылаемых мышью. Исследование принципа такой локации даст возможность разработать более эффективные гидролокационные станции.
Доказано, что локационный аппарат летучих мышей является весьма точным и совершенным и по эффективности намного превосходит существующие образцы гидроакустических и радиолокационных средств.
Частота излучаемых летучей мышью колебаний лежит
в пределах 40—90 кгц. Длительность импульса составляет несколько миллисекунд. Направление на обнаруженный объект летучая мышь определяет за счет приема отраженных сигналов обоими ушами; при выходе из строя одного уха летучая мышь теряет ориентацию.
До сих пор остается неясным, как летучие мыши отличают свой эхосигнал от эхосигналов других мышей, почему не удается искусственно забить их эхосигналы другими звуками и как летучие мыши определяют расстояние до цели.
Звуковой локационный аппарат имеется также у южноамериканской птицы
гуачаро, обитающей в пещерах.
Но особенно большой интерес проявляют ученые к дельфинам. Ими занимаются ученые — зоологи, которые обнаружили, что мозговые полушария этих животных и по размерам и по сложности соперничают с человеческими. О сообразительности дельфинов ходят целые легенды. Органы их слуха очень развиты. А ученые лингвисты нашли, что дельфины весьма «болтливы»; они издают звуки в виде визга, свиста, хрюканья, щелкания, бормотанья.
Дельфины не новички в цирке. В больших бассейнах (океанариумах) их приучают выполнять сложные цирковые трюки. Они прыгают из воды через горящий обруч, ловят резиновые мячи или рыбу, которую бросают им дрессировщики.
Теперь эти экзотические млекопитающие стали объектом пристального внимания зарубежных военных специалистов. Следует, правда, оговориться, что дельфинов и раньше пытались использовать в военных целях.
Так, знаменитый американский физик Роберт Вуд (избранный член-корреспондентом АН СССР) еще во время первой мировой войны предложил использовать дельфинов для обнаружения немецких подводных лодок.
В 1917 г. Британское адмиралтейство с этой целью проводило опыты, которые показали, что дельфинов действительно можно приучить следовать за звуком винтов подводной лодки, а также за запахом масла и выхлопных газов.
Было доказано, что эти животные прекрасно слышат, плавая на полной скорости под водой, что было недоступно для гидроакустических приборов того времени.
В последние годы обнаружились поразительные гидролокационные способности дельфинов. Во время опытов в Океанографическом институте США дельфин находил гидролокационным способом (излучение импульса и прием отраженного эха ) мертвую рыбу длиной 15 см на значительном расстоянии. Отдельные породы рыб обнаруживались дельфинами на дистанциях до 3 км. Животное при поиске излучало серию щелчков, повторяемых с различной частотой, а затем воспринимало эхо, отраженное от рыбы.
Диапазон частот звуков, издаваемых и воспринимаемых дельфином, лежит в пределах от 150 гц до 150 000 гц, что значительно превосходит звуковой диапазон, слышимый человеческим ухом.
Совсем недавно одним из научно-исследовательских институтов США были проведены глубокие исследования гидролокационных способностей дельфинов с тем, чтобы использовать результаты исследований в проектировании гидроакустической аппаратуры, а также головок самонаведения для торпед и ракет. Наибольший интерес вызвали бурые дельфины. Они безошибочно и быстро находили верный курс, обнаруживали и опознавали различные препятствия под водой. Оказалось, что гидролокационный аппарат дельфинов по своим параметрам значительно превосходит самые совершенные гидролокаторы, разработанные человеком.
Во время опытов дельфину закрывали глаза резиновыми присосками, но животное безошибочно ориентировалось по отраженным сигналам, доказав, что не нуждается в зрении. В девяносто восьми из сотни проведенных испытаний подопытный дельфин безошибочно определял, например, с какой стороны его пути был подвешен пластмассовый шарик. Он определял даже разницу в размерах двух подвешенных шаров.
Был сделан вывод, что для гидролокации предметов дельфин набирает воздух в мешочек, расположенный в верхней части головы, затем закрывает некоторые клапаны и прогоняет через них воздух. При этом возникают щелчки — звуки высоких и низких частот, которые излучаются рупорообразными мешочками, находящимися в передней части головы животного.
Посылая гидроакустические сигналы, дельфин поворачивает голову из стороны в сторону в пределах 20—30°, подобно тому, как корабельный гидроакустик вращает вибратор гидролокатора при поиске подводной лодки.
Когда луч встречает цель, образуется отраженное эхо — сигнал низкой частоты, который воспринимается ухом дельфина и некоторыми участками головы. Высокочастотные сигналы, предположительно, воспринимаются через пасть.
Такая система гидролокации имеет два преимущества. Во-первых, сигналы, излучаемые дельфином, имеют высокочастотные и низкочастотные составляющие, в то время как почти все разработанные человеком гидролокаторы работают на одной какой-либо частоте.
Кроме того, дельфин способен фокусировать луч, чего не могут достигнуть разработчики в гидролокационных станциях.
Для взаимодействия друг с другом дельфины используют звукоподводную связь, представляющую собой серии щелкающих звуков в диапазоне 10—400 гц.
Совершенно феноменальной кажется способность дельфинов распознавать полезные эхосигналы, амплитуда которых в сотни раз меньше амплитуд мешающего шума. Как известно, в гидролокаторах уверенное выделение сигнала на фоне помехи возможно лишь при превышении помехой сигнала в два-три раза.
Поразительна способность этих животных мгновенно классифицировать полученный сигнал.
Такие всесторонние исследования различных способностей дельфинов могут помочь ученым и инженерам создать более эффективные гидроакустические приборы наблюдения и самонаведения.
Исследователи предполагают, что ультразвуковой эхолот имеется и у
кита. Спасаясь от преследования, кит с огромной быстротой ныряет на очень большие глубины. Ультразвуковой локатор помогает ему определить расстояние до дна и заблаговременно остановиться, чтобы не разбиться.
Гидролокационным аппаратом обладают также морские свинки, которые даже в мутной воде могут находить кусочки пищи размером 2,5 мм на расстоянии 15 м.
Подобно акустическим самонаводящимся торпедам, акула наводится на жертву с помощью своеобразного механизма самонаведения, который представляет собой орган, воспринимающий звуки и вибрации. В печати сообщалось об исследованиях, проводимых с целью приспособления этого механизма акулы для радиоэлектронной аппаратуры самонаведения оружия.
Многие животные, рыбы, птицы и насекомые могут перемещаться на большие расстояния (до нескольких тысяч километров) по определенным маршрутам и находить нужный район или место конечной цели своего путешествия. К сожалению, еще не полностью установлено, какие органы используются для целей ориентации и навигации.
В литературе высказывались предположения, что голуби, например, имеют магниточувствительный орган, при помощи которого они летают вдоль магнитных силовых линий Земли.
Исследование навигации лососей дало возможность предположить, что они ориентируются по небесным светилам. Также осуществляется навигация у
морских черепах, которые уплывают в море за несколько тысяч километров, а затем через каждые три года возвращаются на прежнее место побережья для кладки яиц. Исследования методов навигации лососей и морских черепах помогут созданию более совершенных навигационных систем для кораблей и самолетов.
Изучая органы восприятия, а также различные методы локации и навигации представителей животного мира, ученые и инженеры создают радиоэлектронные модели,
которые могут выполнять отдельные, пока несложные функции.
Основное внимание уделяется моделированию органов зрения и слуха.
В настоящее время уже разработана модель глаза лягушки. В качестве чувствительных элементов применены фотоэлементы. Модель способна обнаруживать малые цели, появление которых вызывает в ней специальный сигнал.
Создана электрическая модель органа обоняния, которая будет обнаруживать малые концентрации паров и других газов в воздухе. На этом принципе разрабатывается прибор для самолетов, с помощью которого можно обнаруживать корабли по выхлопным газам.
Проводятся работы по моделированию некоторых функций нервной системы и головного мозга человека и животных. При этом широко применяются электронно-вычислительные машины, при помощи которых моделируют отдельные процессы деятельности мозга (процесс запоминания, решения задачи и др.). Это позволит раскрыть до сих пор не известную науке природу памяти и способы обработки информации в биологических системах, что, в свою очередь, позволит создать более совершенные радиоэлектронные системы обнаружения и навигации.
По мнению зарубежных специалистов военно-прикладное значение науки бионики огромно. На ее основе могут быть созданы радиолокационные, гидроакустические и навигационные системы, обладающие такими же удивительными способностями, которые в настоящее время доступны лишь живым организмам.
