XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Научно-технический прогресс характеризуется интенсивным развитием различных видов информационно-измерительных систем (ИИС), которые используются практически во всех видах производств, в системах контроля, для измерения параметров физических полей и сред, управления подвижными объектами и в научных исследованиях [1]. От уровня развития ИИС во многом зависит эффективность использования техники, производительность труда, качество продукции, экологическое состояние окружающей среды и эффективность научных исследований.

Современные средства измерений и вычислительная техника позволяют создавать высокоорганизованные и функционально развитые ИИС, однако во многих случаях качество выполняемых информационно-измерительных процессов, степень использования резервов информации, способность адаптироваться к изменяющимся условиям, уровень техническою интеллекта, надежность и габаритно-массовые характеристики ИИС еще не удовлетворяют современным потребностям, поэтому ведутся активные поиски методов и средств их развития и совершенствования.

Одним из источников новых идей и технических решений в области информационно-измерительной техники является бионика, изучающая особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов и систем. Органы чувств живых существ отличаются миниатюрностью и совершенством строения, высокоэффективными измерительными характеристиками, адаптивностью к случайным изменениям условий обитания, обучаемостью, возможностью самосовершенствования и другими ценными информационными свойствами. Особенно важно, что эти свойства живых организмов были отработаны и проверены на практике в процессе их жизнедеятельности в течение длительного времени эволюционного развития живой природы. Однако использование идей и достижений живой природы в практической инженерной деятельности сталкиваются с трудностями, обусловленными различием технической реализации и материальных носителей живых организмов. Кроме того, сведения о строении и свойствах биологических объектов, представленные в медико-биологической литературе, имеют определенную специфику, что затрудняет использование этих знаний в технике.

В современном понимании бионика – научное направление, занимающееся изучением и использованием принципов организации и функционирования организмов и их элементов для совершенствования существующих и создания принципиально новых технических систем. Из всего множества воздействующих на организм человека факторов окружающей среды лишь некоторые улавливаются сенсорными органами. Эти факторы называются сенсорными стимулами. В ходе эволюции у всех организмов развились специализированные сенсорные органы, оптимальным образом отвечающие на определенные стимулы и квалифицирующиеся на три группы: экстероцепторы, проприоцепторы и интероцепторы (рисунок 1).

Рисунок 1 Классификация сенсорных органов

Экстероцепторы – это рецепторы, стимулируемые окружающей средой и участвующие в реализации слуховой, визуальной и тактильной сенсорных функций. Проприоцепторы регулируют длину мышц, натяжения сухожилий и других параметров положения внешних органов и движения, а также управляют вестибулярным аппаратом. Эти рецепторы участвуют в кинестетической и тактильной сенсорных функциях. Интероцепторы регистрируют информацию, поступающую от внутренних органов тела (датчики температуры, кровяного давления, состава крови и т.п.). Причем большая часть информации, посылаемой в центральную нервную систему интеро- и проприоцепторами, не воспринимается сознанием [2].

Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через распределенную информационную сеть, состоящую из шести основных каналов сенсорной рецепции. Это каналы органов чувств: слух, зрение, осязание, терморецепция, обоняние и вкус. В каждом из них возбуждение регистрируется системой чувствительных элементов рецепторов, специфических для разных сенсорных функций, и передается по каналу связи (нервному волокну) в виде потенциалов действий. Система рецепторов каждой функции (модальности) связана с определенными отделами центральной нервной системы.

Распознавание сенсорного образа у человека является результатом совместной деятельности информационной системы и мозга, причем значительная часть информации обрабатывается уже на уровне рецепторов. С позиции бионики кинестетические рецепторы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элементами исполнительного уровня управления (т.е. являются датчиками соответствующих контуров регулирования). Они регистрируют изменения относительно положения отдельных элементов двигательной системы. Кинестетическая функция реализуется вестибулярным аппаратом и обеспечивает надлежащую ориентацию в пространстве всего организма. Кинестетическая рецепция соответствует информационной системе тактического уровня управления. Исполнительным механизмом организма является скелет, двигательная активность которого формируется посредством связок и суставов (кинематических пар), а также мышц (приводов).

Важнейшие биологические механизмы сенсорных функций являются прототипом информационный (сенсорной) системы робототехнического устройства. Здесь следует отметить, что во многих случаях одна и та же поведенческая задача может быть решена путем объединения нескольких сенсорных функций. Такой принцип замещения широко используется в робототехнике, а также протезостроении.

Бионику нельзя считать разделом кибернетики. Область бионики несравненно шире, и только часть ее направлений, например, моделирование нейронов и нервных сетей, контактирует с кибернетикой. В исследованиях по бионике можно выделить три этапа [2, 3, 4], которые выполняются специалистами различного профиля: биологом, математиком, механиком или физиком и инженером. Поскольку первый этап представляет собой поиск и обнаружение феномена, его тщательное изучение с применением современных экспериментальных методов и наиболее совершенных технических средств, то приоритет принадлежит биологу.

Для обнаружения феномена, представляющего интерес в качестве модели будущей технической системы, применяются исследования в различных отраслях биологии. На первом этапе большое значение имеют экологические исследования в самом широком смысле слова и исследования поведения животных: изучение способов движения, миграций животных и ориентации, функции рецепторов, сигнальной системы связи и других сторон поведения животных в природе.

Эти исследования дают зачастую результаты типа «черного ящика», то есть становится известным только, каким сигналам на входе соответствуют те или иные реакции на выходе системы. Расшифровать внутренний механизм «черного ящика» можно с помощью исследований по физиологии (особенно надо выделить электрофизиологические исследования центральной нервной системы, проводящих нервных путей и рецепторов с применением микроэлектродов (биохимии, функциональной морфологии).

Второй этап – разработка математической или физической модели принципов организации и функционирования изученных процессов и особенностей организации и функционирования биологического прототипа. Создание модели в бионике – это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчета заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей. И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа – бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них – изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число ее эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвленных систем связи и т.п. [4].

В зависимости от направления биологических исследований этот этап выполняется математиком, физиком или специалистом по механике. Второй этап исследований нередко включается в состав теоретической бионики.

На третьем этапе работы вступает в действие инженерное проектирование. Для его осуществления, безусловно, требуется точное описание структур и функций организма, химических реакций, физических особенностей организмов или частей тела, выраженных языком математических формул. Вместе с тем, создавая технические модели, инженер далеко не всегда просто копирует природу – часто это нецелесообразно (так как не исключается улучшение ряда характеристик при техническом моделировании), а иногда и невозможно.

Дело в том, что целостность организма значительно ограничивает разнообразие его структур. В организме не может быть никаких органов, вращающихся на оси по типу колеса, турбины, винта и т. д. Агрегатность технических систем, наоборот, позволяет широко использовать вращающиеся детали. Использование таких агрегатных устройств может значительно облегчить проблему бионического моделирования. Вместе с тем подвижные или имеющие движущиеся части технические устройства неизбежно коренным образом отличаются от животных прототипов тем, что в них не используются двигатели типа сокращающихся волокон. Пока не создана искусственная мышца, существует препятствие точному копированию многих биологических моделей. Следовательно, на третьем этапе работы чаще создаются изоморфные (подобные) конструкции, а не точные копии.

Таким образом, внедрение эффективных и полезных достижений живой природы в технические разработки позволит существенно повысить информационное обеспечение технических средств, расширить функциональные возможности ИИС и приблизить их интеллектуальность.

Список используемых источников

Воротников С. А. Информационные устройства робототехнических систем: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 384 с.

Ахутин В.М. Бионические аспекты синтеза биотехнических систем. М., Сов.радио 2016.

Лекции по основам бионики [Электронный ресурс] URL: https://studfiles.net/preview/5569404/ (дата обращения: 14.02.2019)

Скурлатова М. В. Бионика как связь природы и техники // Молодой ученый. – 2015. – №10. – С. 1283-1289 [Электронный ресурс] URL: https://moluch.ru/archive/90/18343/ (дата обращения: 18.02.2019).

Код для цитирования: Скопировать