"А если голубь заснет или перестанет клевать? — спросил журналист у инженера Быкова.
— Блокирующее устройство прекратит подачу деталей.
— А если будет так много брака, что голуби объедятся?
— Тогда надо гнать бракоделов с работы, — смеясь ответил Анатолий Михайлович. — В ближайшее время мы хотим внедрить голубиный контроль на небольшой пуговичной фабрике. Сейчас этим делом там заняты семь женщин.
— Допустим, голубь надежнее человека. Но ведь имеются и контрольные автоматы для разбраковки шариков. Они-то уж абсолютно надежны.
— Пока таких автоматов нет, и вряд ли они скоро появятся. Для этого их нужно обучить распознаванию образов, т. е. решить сложнейшую задачу современной кибернетики, снабдить автоматы высококачественной оптикой с большой разрешающей силой, составить для каждой детали свою программу. А голубь с детали на деталь переходит легко. На переучивание ему достаточно двух-трех часов".
И наконец, еще один интересный аспект предполагаемого использования голубей. Сотрудник Стэнфордского университета доктор Сонтаимер задался целью обучить голубей ... грамоте! Стаи по 26 голубей обучаются грамоте по весьма своеобразной системе: каждый голубь должен запомнить только одну определенную букву алфавита. Такие стаи собираются разместить в отделах всех крупнейших американских банков. Получив чек и "прочитав" фамилию лица, его подписавшего, голуби должны отстучать поочередно все буквы этой фамилии на клавишах специального автомата, который затем переправит чек для оплаты в автоматизированную бухгалтерию.
Конечно, можно заставить сами автоматы различать подписи и совершать требуемые операции, но такие автоматы стоят чрезвычайно дорого. Голуби же почти ничего не стоят, а расходы по их содержанию не идут ни в какое сравнение с зарплатой специалистов-контролеров.
Таким образом, вопрос о том, что, как и чем видит какая-либо особь, в настоящее время, когда могущественная электронная и вычислительная техника позволяет анализировать и моделировать чрезвычайно сложные устройства и функции биологических систем, представляет скорее утилитарный, чем чисто познавательный интерес. Приведенные выше примеры, нам думается, убедительно подтверждают это.
В ряду задач, стоящих перед бионикой, исследование и моделирование процессов зрительного восприятия, конструктивных особенностей зрительного анализатора человека и животных занимают важнейшее место. Дело в том, что более 90% всей информации о внешнем мире поступает в бионическую систему через глаза. Недаром ученые называют глаза "мозгом, вынесенным на периферию".
Рис. 4. Схема строения глаза человека. 1 — ресничная мышца; 2 — радужная оболочка; 3 — водянистая влага; 4 — зрачок; 5 — роговица; 6 — связка, поддерживающая хрусталик; 7 — хрусталик; 8 — стекловидное тело; 9 — сетчатка; 10 — центральная ямка; 11 — слепое пятно; 12 — зрительный нерв. Оптическая ось показана пунктиром
Бионические исследования зрительных анализаторов, созданных природой, — это не просто одно из центральных направлений молодой науки, это одно из тех немногих ее направлений, в котором специалисты ожидают наиболее быстрого выхода результатов научных изысканий в практику. Именно в этой области, где техника испытывает особенно острую нужду в новых идеях конструирования и новых принципах работы систем, живая природа располагает чрезвычайно широкой "номенклатурой" существенно различающихся по сфере деятельности и конструкций устройств, техническое воспроизведение которых, по-видимому, надолго обеспечило бы наши потребности.
Возьмем наш зрительный анализатор (рис. 4). Сетчатка глаза воспринимает зрительную информацию примерно 130 миллионами одновременно работающих рецепторных клеток (125 миллионов палочек и 6,5 миллиона колбочек). В этих клетках под действием света возникает возбуждение, которое по нервным волокнам передается зрительному анализатору, расположенному в коре затылочной доли мозга. Общее число нервных волокон в зрительном нерве достигает 1 миллиона, так что в среднем 1 волокно проводит возбуждения от 130 фоторецепторов. Диапазон чувствительности сетчатки тянется от энергии, равной нескольким квантам света[23], до энергии световых потоков, поступающих в глаз от Солнца. Если учесть, что минимально возможное количество световой энергии равно 1 кванту, а человеческий глаз способен зарегистрировать колебания световой энергии в 5 — 10 квантов, то можно сказать, что чувствительность сетчатки доведена почти до предела. Современная радиоэлектронная аппаратура тоже может регистрировать самые ничтожные колебания интенсивности света. Однако существенная разница заключается здесь в том, что технические системы дают возможность регистрировать такие слабые сигналы при температурах жидкого гелия, т. е. в условиях, когда "тепловой шум" окружающей среды практически равен нулю. Человеческий же глаз имеет такую феноменальную чувствительность при температурах порядка 20 ° Ц, Кроме того, восприятие неподвижных предметов обеспечивается мелкими подергиваниями глаза, которые происходят непрерывно даже в те моменты, когда наблюдатель стремится фиксировать взгляд на какой-либо неподвижной точке. Частоты этих подергиваний лежат в пределах от 1 до 150 гц. Наконец, при рассматривании крупных объектов оба глаза строго синхронно совершают с большой угловой скоростью (до 400 ° в секунду) скачки от одной точки изображения к другой. При этом время рассматривания объекта распределяется следующим образом. На скачки затрачивается около 3% всего времени, а остальные 97% времени взгляд оказывается фиксированным на тех или иных наиболее ярких и важных элементах изображения. При рассматривании движущихся объектов глаза передвигаются с угловой скоростью, равной угловой скорости движения объекта относительно наблюдателя. Такое непрерывное слежение за объектом перемежается периодическими скачкообразными движениями глаза, имеющими своей целью корректировку ошибок. Благодаря бинокулярному зрению мы видим предметы объемно, телесно, можем определять расстояния между ними и их отдаленность. Наконец, наши глаза способны различать оттенки цветов — они воспринимают голубизну морской волны и зарево заката, золото осеннего листа и палитру Левитана.
Мы перечислили далеко не все особенности нашего зрительного анализатора. Но и они при глубоком исследовании могут дать ключ к решению ряда важнейших технических задач.
По аналогии с глазом можно было бы создать системы автоматического управления количеством света, падающим на фоточувствительный прибор, что обеспечило бы равномерную чувствительность системы в широком диапазоне. Представляет интерес также разработка методов кодирования данных о скорости перемещения сканирующего луча в устройствах, воспринимающих изображения. Можно создать и автоматический определитель глубины пространства (скажем, для анализа аэрофотоснимков).
Рис. 5. Муха диопсида с глазами, расположенными на концах длинных 'рогов'
На многовековом пути развития живых существ их органы зрения непрерывно изменялись, совершенствовались. Ястреб и орел, например, способны с большой высоты различать движение даже мелких животных, некоторые другие хищники видят в сумерках. Хорошо развитые глаза имеют многие морские черви. Кальмар и осьминог обладают глазами камерного типа с линзами (хрусталиками), способными устанавливаться на дальнее и ближнее зрение и создавать довольно точные изображения всех окружающих объектов. Несколько лет назад вблизи Орегонского побережья из океанских глубин извлекли неизвестную ранее рыбу. Биологи обратили внимание на ее своеобразные выпученные глаза. Присмотревшись внимательнее, они пришли к удивительному выводу: обитатель глубин, получивший название батилихнопуса, обладал двумя парами глаз. Верхняя пара глаз, как полагают ученые, может обозревать то, что находится над рыбой и за ней, а нижняя пара глаз, обладающих высокой чувствительностью, направлена вниз. Эта дополнительная пара помогает их хищному обладателю охотиться во мраке больших глубин. Вторая пара у батилихнопуса, по-видимому, представляет собой уникальное исключение у позвоночных животных и тесно связана с развитием стереоскопического зрения. Зато в царстве насекомых многоглазие не редкость. У некоторых из них дополнительные глаза представляют собой просто пигментированные пятнышки, у других, например у некоторых пилильщиков, дополнительные глаза покрыты прозрачными линзообразными утолщениями кожи. У третьих поверхность глаз обладает различной кривизной, так что одна пара видит лучше в горизонтальной плоскости, а другая — в вертикальной. Прекрасно развиты глаза у бабочек. Так, ночные бабочки бражники способны различать тонкие оттенки цвета в сумерках при таком слабом освещении, когда человек не может разглядеть даже основные тона. Очень оригинальны глаза у мух диопсид. Эти насекомые с длинными рогами на голове живут у нас в Сибири и на Кавказе. Их глаза расположены на концах "рогов" на вытянутых в стороны длинных стеблях. Глаза диопсид (рис. 5) работают так же, как... артиллерийский дальномер (расположение глаз на стебельках обеспечивает чрезвычайно широкоугольное пространственное зрение и тем самым облегчает ориентировку насекомого в воздухе).
Рис. 6. Фасеточный глаз в разрезе
Говоря о тех или иных достоинствах устройства глаз, механизма зрения различных животных, нельзя не отметить, что природа особенно много выдумки и изобретательности проявила при создании органов зрения насекомых. И не случайно в бионике уделяется повышенное внимание изучению зрительного анализатора членистоногих. Насекомые обладают так называемыми фасеточными глазами, т. е. сложными глазами (рис. 6), состоящими в среднем из 5 — 10 тысяч зрительных единиц — омматидиев — изолированных друг от друга секторов, каждый из которых воспринимает лучи, идущие только параллельно его оси. Лучи же, падающие под углом к этой оси, поглощаются боковыми стенками. Такой глаз не дает единого изображения, а создает мозаику, в которую каждый элемент глаза вносит отдельное изображение. Результат можно представить себе как нечто довольно похожее на фотографию, отпечатанную на газетной бумаге. Таким образом, насекомые распознают не столько детали объектов, сколько их движение. Поскольку любое движение добычи или врага немедленно улавливается одним из элементов глаза, такого рода орган удивительно соответствует образу жизни членистоногих. Мозаичное зрение облегчает насекомым передвижение по прямой, так как для этого им достаточно сохранять изображение Солнца в одном из омматидиев. Низкую пространственную разрешающую силу фасеточного глаза, обусловленную малым числом рецепторов, в известной мере компенсируют его исключительно высокая разрешающая способность во времени. Так, при прерывистом освещении подвижные, быстро летающие насекомые (стрекозы, мухи, насекомые семейства пчелиных) различают отдельные вспышки при их частоте до 200 — 300 вспышек в секунду, что свидетельствует о малой инерционности фасеточного глаза. Зрительный анализатор насекомых обладает чрезвычайно большой чувствительностью к контрастам. Так, глаз насекомого сигнализирует зрительным центрам о таких малых различиях во внешней обстановке, которые вызывают изменение освещенности зрительных клеток на 1% и даже на 0,5%. Фасеточный глаз, особенно у ночных насекомых, способен к очень сильной адаптации: он изменяет свою чувствительность на 4 — 5 порядков и, следовательно, мож