Бионика – стержень робототехники

Если роботы первою поколения, похожие на бесчувственные часовые механизмы, известны человечеству с давних времён, то роботы второго и третьего поколений смогли появиться лишь в XX веке, вслед за выдающимися достижениями современной науки и техники. Своим существованием они обязаны бионике и кибернетике. Эти науки создали научный фундамент для построения мыслящих машин высших поколений.

Необходимость приспособления (адаптации) роботов к изменяющимся условиям внешней среды потребовала разработки для них органов чувств, аналогичных человеческим: слуха, зрения, осязания. Здесь конструкторы вынуждены были обратиться за консультацией к природе, создавшей у живых существ самые разнообразные органы чувств.

Цель бионики (так называется эта сравнительно новая наука) – перенесение в технику принципов действия систем, управляющих живыми организмами.

За время развития жизни на Земле в процессе естественного отбора природа создала массу замечательных образцов живых «инженерных систем». Многие изобретения природы заимствовались людьми для создания конструкций ещё в древности. Так, древние арабские врачи, изучая глаз человека, создали линзы – подобие хрусталика глаза. Великий русский учёный Н. Е. Жуковский, исследовав полет птиц, разработал теорию подъёмной силы крыла и современную аэродинамику. Таких примеров – множество.

Учёным – бионикам принадлежит идея использования биоэлектрических сигналов мышц для управления. С давних времён люди искали способы вернуть руку тем, кто её лишился. И это удалось сделать нашим советским учёным. Они использовали биотоки мышц. Известно, что, когда человек двигает рукой или ногой, в его мышцах возникают биотоки. Появляющиеся в мышцах биопотенциалы можно снять с помощью электродов и усилить. Первую модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, изготовили в СССР в 1957 году. В 1960 году в Москве на Конгрессе по автоматическому управлению 15 – летний мальчик, у которого не было кисти руки, взял протезом кусок мела и написал на доске ясно и чётко: «Привет участникам Конгресса!». Протезом его кисти управляли биотоки мышц.

Искусственная рука, созданная советскими учёными, вернула к труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. Глава английских медиков доктор Р. Джонс сказал: «Русские достигли огромного прогресса в электронной физиологии». Приобрела лицензию на советскую биоэлектрическую руку и Канада. Писатель Дж. Олдридж назвал это изобретение уроком гуманизма, который оставит глубокий след во многих сердцах.

Итак, несмотря на слабость биотоков, усилитель мышечной энергии можно наделить богатырской силой.

 

Проблема «человек–машина»

С возникновением машин, облегчивших человеческий труд, перед бионикой появилась проблема взаимоотношений человека и машины.

Здесь выявилось очень много интересного. Так, было установлено, что во многих производственных процессах (например, при управлении автомобилем или самолётом) полная замена человека автоматическим устройством либо невыгодна, либо невозможна. Следовательно, встаёт проблема оптимального распределения обязанностей между человеком и машиной. Интересно сравнить характеристики человека и технических устройств, в частности сопоставить эффективность их работы в различных условиях.

В процессе биологической эволюции физиологическая и психологическая конституция человека приспособилась к условиям земного существования. Довольно узкий диапазон изменения температуры и давления воздуха и постоянство его состава, земное притяжение и лучевая энергия, падающая на поверхность Земли, – вот характеристики окружающей среды, в которой проходит жизнь человека. Выход в космос насильственно ставит человека в совершенно новую, непривычную среду. Это может привести к временным или даже необратимым нарушениям в организме человека.

Человек не выдерживает сравнения с автоматом и по чувствительности к воздействию радиоактивного облучения. А радиационная устойчивость электронных систем в десятки раз выше допустимой для человека дозы облучения. Исключительно чувствителен человек и к воздействию ускорений и колебаний температуры. Однако не только это создаёт трудности при конструировании пилотируемых космических кораблей. Следует учитывать и такие проблемы, как обеспечение возможности дыхания и питания человека в космическом корабле, а также удаления продуктов обмена, контроль за мышечной деятельностью и действием системы кровообращения в условиях невесомости и, наконец, психологическую подготовку экипажа к полёту в космос. Следует иметь в виду также, что человек подвержен усталости и его работоспособность временами значительно понижается, в то время как автоматы способны работать надёжно длительный срок.

 

Что такое кибернетика?

Итак, робот с помощью своих органов чувств получил информацию о внешней среде: он увидел, услышал, почувствовал… Теперь нужно реагировать на полученные сигналы: протянуть руку, взять нужную деталь, с большой точностью установить её на место, закрепить винтами и т. д. Как все это выполнить «по – человечески» – плавно, без лишней суеты, рывков? Ответ на этот вопрос даёт кибернетика. Кибернетика неотделима от бионики. Говорят даже, что кибернетика родилась «под знаком робота».

В самой краткой формулировке кибернетика – это наука об общих законах управления в живых и неживых системах. О кибернетике каждый из вас немало слышал, а может быть, и читал. Сейчас всякий школьник знает, что такое электронная вычислительная машина, луноход и робот. Всё это – кибернетические машины. Удивительное и кибернетика – рядом. Трудно даже поверить во все её чудеса.

Наверное, каждому из вас хотелось бы поближе познакомиться с кибернетикой, чтобы в школьном кружке или дома с товарищами построить ту или иную кибернетическую модель. Разве не интересно сконструировать своего кибернетического пёсика или небольшую электронную вычислительную машину? Найдутся и такие ребята, которых больше интересует теория: любопытно узнать, какой «алгеброй» пользуются вычислительные машины или как подсчитать количество информации в прочитанной книге?..