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.
Во всех органах и тканях образуются биотоки. Возникают они и при работе сердца, расходясь затем по всему организму. Расслабленное сердце имеет положительный потенциал, сокращенное — отрицательный.
Особенно важное значение придается изучению токов, образующихся при работе мозга. Разность их потенциалов измеряется миллионными долями вольта. Токи мозга можно обнаружить, наложив на голову специальные электроды и соединив их с электронным усилителем (с коэффициентом усиления в десятки тысяч). В результате на экране осциллографа можно видеть характер токов и их изменения. Учеными установлено, что токи мозга обладают определенной ритмичностью. Уже известно несколько таких ритмов — альфа, бета, гамма и другие. Частота изменений у альфа-ритма (8—12 колебаний в секунду), она выше у бета-ритма (20–30 колебаний в секунду) и еще выше у гамма-ритма. Частоты, а значит и ритмы, зависят от состояния, в котором находится человек. Определенное нарушение работы мозга вызывает определенные же изменения биотоков. Такая зависимость характера токов от состояния организма позволяет ученым изучать процессы, происходящие в мозгу человека. И не только изучать, но иногда и судить о том, здоров ли человек, если болен, то чем, и т. д.
А в 1962 г. биотоки мозга были использованы для наблюдения с Земли за состоянием организма космонавтов Андрияна Николаева и Павла Поповича. Для этого ученым пришлось использовать систему биотелеметрии, то есть передачи по радио данных о биотоках. Была создана специальная аппаратура, разработан наиболее эффективный способ отведения биотоков, система наложения электродов.
И вот 11 августа 1962 г. при подготовке А. Николаева к полету ему надели шлемофон с маленькими серебряными электродами в области лба и затылка. На поверхности электродов — тонкий слой специальной пасты. Она уплотняет контакт электродов с кожей.
Провода от электродов подводятся к миниатюрному усилителю, размещенному вместе с источниками питания в маленькой коробочке, а она — в кармане скафандра.
Только начался исторический полет, а на Земле у специалистов космической медицины уже была под руками запись биотоков человека, находящегося в межпланетном пространстве. Такие же записи велись и с борта космического корабля «Восток-4», пилотируемого П. Поповичем. Расшифровка этих записей дала богатый научный материал. Получение первых в истории науки записей биотоков из космоса — выдающееся достижение советской космической медицины и нашей радиоэлектроники.
Исследование биотоков головного мозга космонавтов позволяет получить представление о физиологическом состоянии центральной нервной системы в целом и дает возможность судить о ее реакциях на различные воздействия, связанные с многодневными космическими полетами. Введение в программу наблюдений за космонавтами записи биотоков их мозга преследовало цель исследовать нервнопсихическое состояние организма человека при длительном пребывании в состоянии невесомости. Метод исследования биотоков головного мозга в определенной степени позволяет также контролировать состояние сна и бодрствования, утомления и возбуждения.
У космонавтов исследовались на расстоянии не только биотоки мозга, но и электрическая активность сердечной мышцы, кожно-гальванические реакции. Контроль за электрической активностью сердечной мышцы дает представление о состоянии сердечно-сосудистой системы. Он использовался и в предыдущих полетах, что позволило проводить сравнение полученных данных.
Исследование кожно-гальванических реакций также служит задаче изучения состояния центральной нервной системы. Под кожно-гальваническими реакциями понимают сложный комплекс биоэлектрической активности кожи, обусловленный биотоками потовых желез и ее электрическим (омическим) сопротивлением. В результате возбуждения высших вегетативных центров происходит изменение электрического сопротивления кожи. Значит, по нему можно судить о болевых раздражениях, эмоциональных напряжениях и т. п.
В наблюдениях за космонавтами с Земли применялась и регистрация движений глаз, основанная на улавливании разности потенциалов между положительно заряженным глазным яблоком и отрицательно заряженными его внутренними отделами (сетчаткой и оболочкой). Одновременно в некоторых случаях удавалось отмечать и биотоки глазных мышц.
Все эти изменения предназначались для получения объективной информации о нарушениях вестибулярного аппарата космонавтов (аппарата, «ведающего» равновесием тела человека). Дело в том, что при подобных нарушениях наблюдаются непроизвольные ритмичные движения глазного яблока, характеризующиеся определенным размахом и частотой. Кроме наблюдения за нарушениями вестибулярного аппарата метод регистрации движений глаз дает некоторое представление о двигательной активности космонавта.
Поскольку токи, образующиеся в мозгу, — переменные, то они вызывают в окружающей их среде электромагнитное поле, конечно гораздо более слабое, чем те поля, которые создают антенны радиостанций. Однако и электромагнитное поле мозга можно улавливать. Недавно, например, удалось принять «мозговые» волны на расстоянии в несколько метров. При этом характер волн, как и предполагалось, зависит от того, чем занимается в данный момент человек. И это, по-видимому, также принесет большую пользу науке, особенно медицине.
Уже сейчас в зарубежной печати развернулась широкая дискуссия вокруг телепатии — передачи мыслей на расстоянии. Французский журнал, например, описал будто бы имевший место эксперимент умственной связи между людьми, один из которых находился на берегу, другой — на удалении 2000 км от берега на борту атомной подводной лодки «Наутилус». В назначенные сеансы человек на берегу должен был отгадывать те карты, о которых думал человек, находящийся в плавании. Совпадение будто бы достигло 70 процентов.
Насколько достоверно данное сообщение, трудно судить. Но то, что об использовании физического поля мозга ученые уже думают всерьез, бесспорно.
Но вернемся к биотокам. Мы ведь начали говорить о них в связи с возможностью их применения для совершенствования средств управления на расстоянии, и в частности рычажных манипуляторов. Оказывается, это вполне реальная вещь.
Давайте, читатель, мысленно совершим переход из павильона «Атомная энергия» Всесоюзной выставки достижений народного хозяйства в павильон Академии наук СССР. Здесь представлен биоточный манипулятор. В нем много общего с рычажным, но есть и принципиальное отличие — управление идет от биотоков. Для этого на руку оператора надевается браслет, электроды которого тесно соприкасаются с кожей на участке предплечья. Именно в этом месте расположены мышцы, вызывающие сгибание и разгибание пальцев руки человека. От браслета, тянется провод к искусственной кисти — манипулятору. Начнет оператор сгибать свою руку, и искусственная рука начнет точно такое же движение. Достигается это за счет того, что биотоки, возникающие в мышце, улавливаются браслетом, усиливаются и подводятся к искусственной руке.
На рис. 4 (вверху) показана блок-схема биоэлектрического управления. Она включает токосъем, усилитель, преобразователи, исполнительный орган (манипулятор). Преобразователь предназначен для того, чтобы определить, какое движение намерен выполнить оператор, и дать соответствующий импульс манипулятору. На рис. 4 (внизу) показана схема гидроэлектрического привода искусственной руки биоточного манипулятора.
Рис. 4. Биоэлектрический манипулятор и его гидроэлектрический привод.
Как же происходит процесс биоэлектрического управления? Чтобы лучше понять это, надо вспомнить, как осуществляется передача информации от нервных клеток к мозгу человека и приказов от пего мышцам. Главную роль в этом играют процессы нервного возбуждения. Нервные клетки (рецепторы), когда на них действует раздражение, «отвечают» сигналами. Причем здесь действует закон: все или ничего. То есть до тех пор, пока раздражение не достигнет некоторого порога, оно не вызывает возбуждения нервной клетки. Как только оно превысит это значение, по нервному волокну проходят импульсы. Эти импульсы направляются в мозг, сообщая информацию: «горячо», «тихо», «громко», «белое», «красное» и т. д.
Приказы мышцам к действию также передаются в форме специфических импульсов. Эти импульсы по нервной сети поступают, например, в мышцы, управляющие движениями кисти руки. Импульсы следуют один за другим с определенной частотой, которая тем выше, чем сильнее ладо сжать кисть. Частота достигает десятков и сотен импульсов в секунду, а амплитуда их остается неизменной, так как определяется не силой раздражения, а свойствами нерва.
И вот мы решили использовать биотоки, возникающие в мышце, для управления искусственной рукой. Здесь нас поджидают такие трудности, как малая сила сигналов, наличие большого числа биотоков, из которых надо выделить интересующие нас импульсы. Вот для этого-то и предусмотрены в схеме биоэлектрического манипулятора усилитель и блок преобразования, разгадывающий замыслы оператора.
Таким образом, биоэлектрический манипулятор представляет собой систему управления, в которой «программу» задает живой организм, а отрабатывает ее внешнее техническое устройство. Могут ли быть системы биоэлектрического управления иного рода? Да. Можно задавать программу в форме электрических импульсов с помощью технического устройства, а живой организм будет осуществлять эту программу. Такая система имеется, например, в аппарате для лечения электросном. Вырабатываемые генератором электрические импульсы воздействуют на мозг, вызывают торможение нервных клеток, в организме наступает состояние сна.
Возникает и такой вопрос: нельзя ли добиться, чтобы биоэлектрический манипулятор не только сжимал и разжимал искусственную руку, но и воспроизводил другие функции руки человека? Безусловно можно, но иногда технически целесообразно воспроизводить лишь определенные движения руки, не слишком усложняя конструкцию манипулятора.
Следует отметить, что искусственная рука может обеспечить усилие во много раз большее, чем рука человека. Этому не препятствует то, что биотоки слабы. Они ведь выполняют роль управляющего сигнала, а он может «командовать» неизмеримо более мощными источниками энергии.
Биоэлектрический манипулятор лишь первый шаг в развитии этой новой системы управления. Впереди широкая перспектива использования биотоков различных мышц, в частности сердечной мышцы, мышц, управляющих дыхательными движениями, и т. д. Уже создана в нашей стране система управления рентгеновским аппаратам за счет биотоков сердечной мышцы. Это дает возможность получать снимки сердца в любой момент его сокращения.
Ведутся исследования излучения радиоволн мышцами человеческого тела. В американской печати, например, сообщалось о наличии излучения на частоте 150 кгц и выше. Это излучение бывает, когда мышца напряжена и работает. Причем различные мышцы излучают по-разному, более мелкие сильнее, чем крупные. Особенно сильным излучением обладают будто бы мышцы мизинца. Форма всех этих излучений — острые пики.
Ученые стран, входящих в агрессивный блок НАТО, пытаются п биотоки использовать в первую очередь для создания военных устройств.
Французский журнал «Сьянс э ви» в декабре 1961 г. писал об использовании биотоков в качестве усилителя мускульной энергии. Врачи Эллис и Шнейдермейер разработали систему, дающую возможность в шесть раз увеличивать электролинографический потенциал мускулов. Воспринимая этот потенциал с помощью металлических дисков, прилегающих к коже в точке наибольшего прилива нервной энергии к кожному покрову, диски выделяют биотоки и дают возможность использовать их для питания маленького мотора.
Упор в заметке делается на возможности использования данного открытия в военных целях. «Сервосолдат» сможет один нести тяжелое снаряжение и передвигаться бегом гораздо быстрее, чем обычные люди. Такой солдат сможет приводить в движение и летательные аппараты на мускульной энергии.
Сейчас наука изучает возможности использовать для управления биотоки мозга. Это означало бы, что биотоки мозга сами командовали бы работой машины, технические устройства действовали бы по приказам человеческой мысли.
Изучение процессов в природе способно дать технике не только биоэлектрические средства управления на расстоянии, но и источники электроэнергии, основанные на использовании разложения и окисления органических веществ, приводящих к выработке электроэнергии. Известно, например, что в придонном слое океана образуется электричество, там как бы имеется гигантский топливный элемент. Принцип работы такого элемента воспроизведен на рис. 5.
Рис. 5. Схема биохимического топливного элемента.
Как видно из рисунка, топливный элемент состоит из двух секций, разделенных полупроницаемой перегородкой. Внутри секций — инертные катоды. Анодная секция содержит «топливо» — смесь морской воды с органическими веществами, а также катализатор — бактериальные клетки. В катодную секцию помещается морская вода с кислородом. При работе элемента, как и в придонном слое океана, происходит окисление топлива и выделяется энергия, которая и подается в виде электрического тока во внешнюю цепь.
Достоинства такого элемента — дешевизна, ибо в нем используются «бесплатные» продукты. Что касается времени работы, то оно может быть бесконечно большим, если в катодную секцию ввести живые водоросли с добавлением в воду неорганических солей, необходимых для их питания, и освещать элемент солнечным светом. Печать сообщает о заинтересованности в таких элементах военно-морского флота США.
В другом биохимическом источнике для ускорения процесса распада и окисления применяется иной вид бактерий, благодаря чему реакции ускоряются в миллион раз.
Элемент имеет напряжение 0,5–1 в. В связи с тем что могут быть использованы бактерии сточных вод, в частности бактерии из кишечника человека, открывается теоретическая возможность создания систем с замкнутым циклом для космических снарядов. В США ведутся исследования в этом направлении.
Так изучение электрических явлений в природе обогащает электротехнику новым арсеналом средств.