Одним из источников новых технических идей служит наука бионика, применяющая знания о биологических процессах и явлениях в решении инженерных задач. В результате длительного и беспощадного естественного отбора выжили те особи, которые лучше всего приспособились к условиям существования и наиболее рационально решали задачи жизнеобеспечения. За миллионы лет сложилась гигантская сокровищница, где каждый вид живых организмов — образец инженерного творчества Природы. Использовать эти богатства могут инженеры любых специальностей: строители, связисты, прибористы, специалисты по информационным технологиям. Много полезного там находим и мы — разработчики систем навигации.

Навигация в природе

Система навигации необходима любому движущемуся объекту, как техническому, так и биологическому: чтобы целенаправленно двигаться в пространстве, нужно определять свое положение относительно Земли и окружающих предметов. Суть навигационного процесса, одинаковая как для технических устройств, так и для живых существ, заключается в том, что с помощью датчиков первичной информации (органов чувств) измеряются различные физические параметры, зависящие от положения и движения объекта относительно ориентиров или физических полей. На основе полученных сигналов вычислительные устройства (или нервная система) определяют параметры, описывающие местоположение и характер движения технического объекта (животного) относительно исходной точки отсчета. Измеренные данные сравниваются с хранящейся в памяти программой движения, и всякие отклонения от заданного пути корректируются. Только решив эти задачи, можно двигаться по желаемой траектории.

Все подвижные живые существа, от очень простых (червей, насекомых, улиток) до человека, прекрасно ориентируются в своей среде обитания. Каждому из них необходимо свободно перемещаться, ловить добычу, находить убежище, спасаться от врагов и отыскивать партнеров. Крохотные муравьи безошибочно возвращаются в свой муравейник, проходя в густой траве сотни метров. Бабочки номофиллы, появившись на свет весной в Северной Африке, уже через несколько дней направляются в грандиозное по дальности путешествие — через пустыню Сахару к Британским островам. Там они откладывают яички, из которых к концу лета появляется потомство. Осенью оно отправляется в обратный путь, на родину своих родителей. Бабочки монархи каждый год летают из Канады и северных штатов США в Южную Калифорнию, Флориду, Мексику. Гигантские морские черепахи проплывают по одному и тому же маршруту более 5500 км, чтобы отложить яйца, и с завидной даже для опытного штурмана точностью находят обратную дорогу домой. Китообразные совершают кругосветные плавания по одним и тем же маршрутам, путешествуя из моря в море. Олени в Северной Канаде все лето пасутся в тундре, а осенью уходят за тысячу километров на юг в лесотундру.

Но самые искусные навигаторы в мире животных — это, конечно, пернатые. Проводилось множество экспериментов с различными породами птиц — буревестниками, ласточками, аистами, горихвостками и другими. Их снимали с гнезд, метили и вывозили за несколько сот и даже тысяч километров. Через несколько дней птицы возвращались к своему гнезду. Вершина навигационных способностей пернатых — их сезонные перелеты, условия и дальность которых просто поражают. Птицы летят несколько тысяч километров над океанами и пустынями, над высокими горами (над Альпами и даже над Эверестом!). Значительную часть пути они проделывают ночью, почти в полной темноте, а днем облака и густые туманы нередко закрывают землю. Бури, ветер и шторм уносят птиц далеко от намеченной траектории, но они прокладывают новый маршрут и выходят к цели.

Самые удивительные перелеты совершает полярная крачка (длина тела — около 35 см). Поздней осенью она из Арктики отправляется на юг вдоль берегов Европы и Африки на другой конец Земли, в Антарктиду, где и зимует, а весной возвращается обратно на север, в Арктику. Ежегодно эта птичка пролетает до 60 000 км, и на путь только в одну сторону у нее уходит три месяца. Восхищает мастерство природы, сумевшей наделить этих пернатых столь миниатюрными, надежными и удивительно тонко действующими средствами навигации.

Измерения и работа с данными

В технике все морские и речные суда, самолеты, ракеты и космические корабли, а сейчас уже и автомобили оборудованы специальными навигационными комплексами, основой которых служат две взаимосвязанные системы. Одна из них, инерциальная, непрерывно измеряет угловые и линейные скорости и ускорения самого объекта и определяет базовую систему отсчета, относительно которой осуществляется навигация. Вторая — обзорно-сравнительная, получает изображение окружающей местности, распознает ориентиры и определяет параметры их движения или расположения относительно технического средства. Обе системы взаимодействуют: изображение местности преобразуется в базовую систему отсчета, на картину местности проецируются сам объект, различные ориентиры и цели, а также воспроизводятся все их перемещения.

Средства навигации у животных организованы подобным же образом. Например, у человека есть два основных органа ориентации: вестибулярный, который измеряет движения головы и определяет направление вертикали, и зрительный, воспринимающий картину видимого пространства. Они также взаимодействуют друг с другом, и в результате человек независимо от движений глаз и головы видит стены своей квартиры вертикальными, пол — горизонтальным, а мебель — неподвижно стоящей на местах.

В технике наиболее сложно организованы обзорно-сравнительные системы. Они включают в себя панорамные пеленгаторы — устройства, которые улавливают электромагнитные излучения (световые, тепловые, радиоизлучения и т. д.) от объектов на местности, блоки наведения и распознавания изображений, память большой емкости, а также средства обработки больших массивов информации. Автоматические обзорно-сравнительные системы существуют, но они очень сложны и не вполне надежны, поэтому на современных управляемых объектах используются автоматизированные системы ориентации, в которых поиском и распознаванием ориентиров занимается человек. Усовершенствовать такие системы можно будет, если удастся повысить точность, надежность и быстроту измерений, а также сделать более автономными средства обработки и передачи информации. В этом нам поможет изучение биологических обзорно-сравнительных систем.

Живые существа для обзора пространства используют разные сигналы из окружающего мира: световые, акустические, химические, тепловые, электрические и другие, причем для каждого из них предназначен отдельный орган чувств. Но роль и значимость этих органов при решении задач навигации различны и зависят от среды и условий обитания. Только один из них главный, способный выполнять обзорно-сравнительные измерения. Остальные, вспомогательные, проводят позиционные измерения — то есть определяют отдельные параметры (дальность и курсовой угол) объектов. Объясняется это тем, что построение картины местности, обработка, преобразование и распознавание изображений — это весьма трудоемкое и сложное дело. Биологически нецелесообразно иметь несколько обзорно-сравнительных систем — приходится довольствоваться одной, наиболее подходящей для конкретных условий. Этот орган чувств будет доминирующим: именно его животное использует для поиска, обнаружения, распознавания и преследования добычи. Отличается такой орган и своей структурой: его приемники относительно крупнее, а отделы мозга, обрабатывающие его информацию, значительно больше, чем у других органов чувств. Если заблокировать эти приемники, то животное полностью теряет пространственную ориентацию и становится беспомощным. Например, летучая мышь с заклеенными глазами прекрасно летает в темноте и ловит насекомых, но, если ей залепить уши воском, она мечется в панике, натыкаясь на предметы.

Обоняние и зрение

Для обзорно-сравнительных измерений в живой природе используются сигналы, которые распространяются на большие расстояния, быстро, прямолинейно и с минимальными потерями. Например, химические излучения (запахи) для этого не годятся: пахучие частицы распространяются в воздушной или водной среде медленно, молекулы воздуха (или воды) их рассеивают, что не позволяет получить четкое изображение объекта, излучающего запах, а движение среды (ветер, течения) может сильно исказить направление химических сигналов. Поэтому животные используют обоняние только в позиционных измерениях: при движении по следу или в направлении повышения концентрации пахучего вещества. В печати можно прочитать, что бабочки-самцы находят самок за несколько километров, используя для этого химические сигналы, концентрация которых в воздухе достигает всего несколько молекул на кубический метр! Однако подобный метод решения задач позиционной навигации не кажется надежным: такого количества вещества слишком мало, чтобы обнаружить, где его больше, а где меньше и таким образом найти направление на источник запаха. Есть данные, что для поиска своих партнеров летающие насекомые используют электромагнитные излучения, которые генерируют их трепещущие крылья. Именно поэтому бабочку-самку, накрытую стеклянной банкой, самец обнаруживает на большом расстоянии, но если экранировать ее металлической сеткой, то он не «увидит» самку, даже находясь совсем рядом с ней. (Это наблюдение описано в книге Дж. Прингла «Полет насекомых». М.: Изд-во иностр. лит., 1963.)

В живой природе предпочтителен пассивный метод обзорно-сравнительных измерений, при котором изображение местности строится по сигналам, исходящим от естественных источников излучений. Если же таких сигналов нет или они слишком слабы, животные применяют активный метод измерений: сами генерируют излучение, то есть «подсвечивают» пространство, и воспринимают отраженные от окружающих объектов сигналы. Активные измерения обходятся дорого: необходимо иметь при себе особый орган — генератор излучения, тратить много энергии на «освещение» пространства, а также принимать специальные меры по защите, ведь, включив свою обзорно-сравнительную систему ориентации, животное 2 сразу обнаруживает себя!

В природе существуют сотни тысяч различных видов подвижных животных, которые отличаются своими размерами, строением и образом жизни. Среди них есть крохотные существа, различимые только под микроскопом, и великаны-киты, достигающие 30 метров в длину. Одни из них приспособлены к движению по суше, другие — в воде, третьи — в воздухе. И все они обладают органами навигации. На «содержание» этих органов требуются большие затраты энергии, кроме того, каждое живое существо — это пища для каких-то животных. Поэтому эволюция органов навигации приводила к тому, что они уменьшались и становились более автономными, а измерения как можно более скрытными. Высокая эффективность работы этих органов достигалась за счет тщательной обработки информации, применения хитроумных способов ее получения и хранения.

Большинство живых существ ориентируются в пространстве с помощью солнечного света. Это позволяет, не выдавая себя, определять расположение предметов где угодно, в любое время года и большую часть суток. Свет распространяется с огромной скоростью на практически не ограниченные расстояния. Широкий диапазон длин волн света дает возможность построить различные по величине приемники сигналов — то есть глаза, подходящие и мелким насекомым, и огромным млекопитающим, и обнаруживать с их помощью объекты от долей миллиметра до нескольких километров. Все высокоманевренные животные, от насекомых до млекопитающих, ведущие дневной образ жизни в воздушной или водной среде, куда проникают потоки света, используют глаза как доминирующий орган чувств.

Глаз как прибор

Органы зрения у разных видов сухопутных позвоночных устроены в принципе одинаково (рис. 1). Глаза в основном воспринимают видимую часть спектра электромагнитного излучения, однако многие животные улавливают часть ультрафиолетового или инфракрасного диапазона. Каждый глаз включает направляющую, регулирующую и измерительную составляющие.

Рис. 1. Схема зрительного анализатора высокоразвитых позвоночных животных. 1 — глазное яблоко, 2 —радужная оболочка, 3 — хрусталик, 4 — «точки подвеса» глаза (условно), 5 — сетчатка, 6 — блок первичной обработки информации в сетчатке, 7 — блок обработки информации в среднем мозгу, 8 — блок обработки информации в зрительной зоне коры больших полушарий. Изображение: «Химия и жизнь»

Направляющие элементы улавливают световое излучение и обеспечивают ему прохождение параллельным потоком к измерительной части глаза. К ним относятся: радужная оболочка 2, играющая роль диафрагмы с отверстием, через которое свет поступает в глаз; эластичный хрусталик — двояковыпуклая линза 3, фокусирующая изображение; эластичная полость (стекловидное тело), которая придает глазу сферическую форму и удерживает на своих местах его элементы. Хрусталик и стекловидное тело обладают свойствами световодов, поэтому передают структуру видимого изображения с минимальными искажениями.

Регулирующие органы управляют непроизвольными движениями глаза и приспосабливают его функциональные элементы к конкретным условиям восприятия. Они изменяют пропускную способность диафрагмы, фокусное расстояние линзы, давление внутри эластичной полости и другие характеристики. Управляют этими процессами центры в среднем мозгу 7 с помощью множества чувствительных и исполнительных элементов, распределенных по всему глазному яблоку.

Измерение световых сигналов происходит во внутреннем слое сетчатки, состоящем из множества фоторецепторов, которые преобразуют световое излучение в нервные импульсы. Фоторецепторы в сетчатке распределены неравномерно, так что образуются три области восприятия.

Первая — область обзора — находится в центральной части сетчатки. Плотность фоторецепторов в ней наивысшая, поэтому она обеспечивает четкое цветное восприятие рассматриваемой картины. Все фоторецепторы в этой области по своему устройству в принципе одинаковы, отличаются они только избирательной чувствительностью к длинам волн светового излучения. Одни из них наиболее чувствительны к излучениям в средней части диапазона восприятия, вторые — в верхней части, третьи — в нижней. В частности, у человека есть три вида фоторецепторов, реагирующих на синие, зеленые и красные цвета. Здесь же, в сетчатке, выходные сигналы этих фоторецепторов совместно обрабатываются (на схеме — блок 6), в результате чего усиливается контраст изображения, выделяются контуры объектов и определяется их цвет. Каким образом происходит такая обработка видеосигналов, понять еще не удалось, но ее результаты поражают: изобретательная природа научилась с помощью только трех индикаторов определять несколько сотен цветов и оттенков!

Объемное изображение воспроизводится в коре головного мозга 8, куда направляются видеосигналы от правого и левого глаза. У человека область обзора охватывает конус всего в 5°, и только в ее пределах он может осуществлять обзорно-сравнительные измерения: ориентироваться в пространстве, распознавать объекты, следить за ними, определять их относительное расположение и направление движения.

Вторая область восприятия выполняет функцию захвата целей. Она располагается вокруг области обзора и не дает четкого изображения видимой картины. Ее задача — быстрое обнаружение контрастных целей и изменений, происходящих во внешней обстановке. Поэтому в этой области сетчатки плотность обычных фоторецепторов невысока (почти в 100 раз меньше, чем в области обзора), зато имеется множество (в 150 раз больше) других, адаптивных фоторецепторов, реагирующих только на изменение сигнала. Свет постоянной интенсивности не вызывает у них никакой реакции. Совместная обработка сигналов тех и других фоторецепторов обеспечивает высокое быстродействие зрительного восприятия в этой области. Как решается эта задача — еще одна загадка природы, но результат такой обработки сигналов налицо: быстродействие области захвата почти в десять раз выше, чем у области обзора. Именно поэтому человек так быстро улавливает малейшие движения боковым зрением.

Функциями захвата управляют отделы среднего мозга 7. Здесь обнаруженный объект не рассматривается и не распознается, зато определяются его относительное расположение, скорость и направление движения и вырабатывается команда глазодвигательным мышцам — быстро повернуть оптические оси глаз так, чтобы выделенный объект попал в зону обзора для детального рассмотрения.

Третью область образуют краевые участки сетчатки, на которые не попадает изображение видимой картины. В ней плотность фоторецепторов самая маленькая — в 4000 раз меньше, чем в области обзора. Ее задача — измерение усредненной яркости света, которая используется зрением как точка отсчета для определения интенсивности попадающих в глаз потоков света. Именно поэтому при различном освещении зрительное восприятие меняется.

Плохая оптика — хорошая картинка

Интересная особенность строения сетчатки состоит в том, что все фоторецепторы в ней повернуты «задом к делу» (рис. 2), то есть встречают световой поток 1, идущий от хрусталика, крупными светоотражающими ядрами 2 так, чтобы ни один луч не смог напрямую попасть в светочувствительные волоски 3. Поэтому фоторецепторы воспринимают только те лучи (4), которые, пройдя сквозь всю толщу сетчатки, дошли до адаптивной поверхности5 и, отразившись от нее, попали прямо на торцы светочувствительных волосков 3. Такой способ измерения светового излучения наблюдается у всех позвоночных животных, живущих в воздушной среде, где освещенность пространства меняется в широких пределах (от 10⁶ до 10⁺⁴ нит) и яркие потоки света могли бы сжечь нежные светочувствительные структуры глаза. Природа не стала создавать сложные адаптивные фоторецепторы (ведь их в глазу сотни миллионов!), а пошла по другому, более простому пути — предусмотрела один-единственный отражатель, который защищает все фоторецепторы сразу.

Рис. 2. Фрагмент измерительной структуры глаза. 1 — поток световых лучей, 2 — светоотражаюище ядра, 3 — светочувствительные волоски, 4 — лучи, прошедшие через сетчатку, 5 — адаптивный отражатель (светоотражающий слой). Изображение: «Химия и жизнь»

Отражатель 5 называется адаптивным, поскольку он способен отражать или поглощать световое излучение в зависимости от яркости поступающего в глаз света. При высокой яркости он направляет на фоторецепторы только часть потока света, безопасную и достаточную для зрительного восприятия, а остальное излучение поглощает. При слабом освещении весь световой поток отражается и попадает в фоторецепторы.

Для наилучшего восприятия света необходимо строго выдерживать оптимальный зазор между адаптивным отражателем и торцами чувствительных волосков фоторецепторов — он должен составлять около 2 мкм. Для этого в каждом глазу существует специальная система управления (рис. 3). Величину зазора измеряют контактные рецепторы — микрофибриллы 1, которые распределены в поверхностном слое отражателя 2. Выступающие из них чувствительные волоски 3 имеют размер 2 мкм. По сигналам этих рецепторов система управления поддерживает такое давление жидкости внутри эластичной полости (стекловидного тела) 4, при котором сетчатка равномерно касается чувствительных волосков микрофибрилл. От прилипания сетчатки к поверхности отражателя предохраняет вязкая жидкость, заполняющая зазор.

Рис. 3. Управление величиной зазора между торцами фоторецепторов и адаптивной поверхностью в глазу. 1 — микрофибриллы, 2 — отражатель, 3 — чувствительные волоски, 4 — стекловидное тело, 5 — сетчатка. Изображение: «Химия и жизнь»

Если величина зазора по каким-то причинам отклоняется от оптимального значения, зрительное восприятие нарушается, то есть наступает слепота. Это может произойти, например, при резком повышении внутриглазного давления или уменьшении вязкости жидкости в зазоре, вследствие чего сетчатка прилипает к отражающей поверхности, или от механических ударов и вибрации. Тогда зазор может резко увеличиться, то есть происходит отслоение сетчатки.

В зрительном анализаторе позвоночных скрыто много непознанных, но чрезвычайно полезных для инженеров изобретений природы. Совершенно необъяснимо, например, как создается и где воспроизводится объемное цветное изображение пространства, которое человек «видит» перед своими глазами. То, что такое изображение создается, — неоспоримый факт. Однако строение глаз и мозга убеждает нас, что глаза в принципе не способны создать такое изображение! Действительно, каждый функциональный элемент глаза имеет специфические недостатки и ограничения, которые искажают и нарушают видимую картину. Хрусталики переворачивают изображения. В сетчатке каждого глаза есть большое «технологическое» отверстие — так называемое слепое пятно. Через него из глазных яблок выводится вся «проводка» — кровеносные сосуды и нервные волокна. Сетчатка воспринимает изображение только в пределах малого конуса 5°, и более 70% нейронов зрительной коры головного мозга заняты обработкой видеосигналов только этой маленькой части сетчатки. Зрительная кора и сетчатки глаз имеют разные плотности распределения элементов «экранов». Вследствие этого изображение, воспринятое сетчатками с экспоненциальным распределением фоторецепторов, при переносе в зрительную кору с равномерным распределением нейронов существенно изменит свою структуру, особенно на периферических участках. Наши глаза совершают множество непроизвольных движений: высокочастотные колебания (тремор), малые и большие скачки. Кроме того, мы осознанно переводим взгляд, поворачиваем или наклоняем голову и туловище. В результате всех этих движений в каждый момент времени на одни и те же точки сетчатки попадают лучи из различных участков наблюдаемой местности, а фоторецепторы жестко связаны с определенными столбиками нейронов в зрительной коре. Это означает, что передаваемое глазами изображение в коре мозга непрерывно скачет, колеблется и переворачивается. Объемность пространства в зрительном анализаторе определяется с помощью так называемого бинокулярного зрения, то есть по углу сведения оптических осей глаз. Простейшие расчеты показывают, что этот способ измерения работает только на очень близком расстоянии. Если оно более десяти метров, ошибка в оценке дальности до объекта превышает 100%!

Однако, несмотря на все перечисленные искажения и нарушения воспринимаемого глазами изображения, мы до самого горизонта четко видим перед собой правильно ориентированную панораму шириной почти в 160°, полностью адекватную окружающей действительности, и не подозреваем о существовании зоны обзора или слепого пятна. И как бы мы ни вертели головой, Землю и все, что на ней жестко закреплено, в этой панораме мы видим неподвижным и строго ориентированным: небо — вверху, землю — внизу. Как происходит компенсация перечисленных недостатков зрения? Какие еще органы чувств участвуют в создании «видимой» панорамы? В какой части нашей головы создается «видимая» панорама и какие физические процессы и явления при этом используются? Все эти вопросы еще предстоит тщательно изучить, прежде чем удастся извлечь полезный для техники опыт природы.