Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич. Страница 8

Рис. 7. Сложение излучаемых импульсов, модулированных по частоте, и отраженных сигналов и получение сигналов, пропорциональных расстоянию до объекта.

Предполагалось, что на расстояниях, больших 1,2 м, точность обнаружения объектов мышью должна была бы убывать. Однако поведение мышей не подтверждает этого, точность остается неизменной.

Для объяснения этого явления выдвигается следующая гипотеза. Мышь может излучать колебания, которые не обнаруживаются имеющейся аппаратурой. Или для измерения направления на объект используется метод частотной модуляции. Объекты справа и слева создают в разных ушах различные частоты биений. Разность частот биений пропорциональна углу и не зависит от расстояния.

Другой вид летучих мышей — подковоносы — используют для ориентации чистые тона частотой порядка 80 кгц в виде импульсов постоянной амплитуды длительностью в среднем около 60 миллисекунд. С помощью высокоскоростного записывающего аппарата на магнитной ленте удалось получить характеристики сигналов, излучаемых мышами-подковоносами. Как видно из рис. 8, в конце импульса заметно изменение частоты.

Рис. 8. Запись на магнитной ленте сигналов, излучаемых мышами-подковоносами.

Она убывает по линейному закону со скоростью 10–20 кгц/сек в течение 2 миллисекунд. Это изменение частоты напоминает сигналы обыкновенных насекомоядных мышей.

Внешне поведение в полете мышей этих двух видов различно. У обыкновенных — прямые неподвижные уши, у подковоносов — непрерывные движения головой и вибрирование ушами. Характерно, что вывод из строя одного уха не мешает подковоносу ориентироваться. Зато повреждение мускулов, управляющих движением ушей, лишает его способности летать.

Предполагается, что с помощью движения ушей мышь модулирует принимаемые отраженные сигналы и сравнивает их с излучаемыми. Образуются биения, синхронные с движением ушей даже в состоянии покоя и в случае неподвижных объектов. В полете же, возможно, мышь определяет расстояния до объектов с помощью эффекта Допплера. Этот эффект состоит в изменении частоты, например звука, в зависимости от движения (сближения или удаления) источника по отношению к наблюдателю.

Вместе с тем высказывается предположение, что в процессах работы «локаторов» мышей обоих видов есть большое сходство. На этот вывод наталкивает наличие участка с переменной частотой в конце импульса, излучаемого мышами-подковоносами.

Мы не для того приводим подробности устройства и процесса действия «локаторов» этих живых существ, чтобы стать на одну какую-то точку зрения и поставить все точки над «и». Пример еще раз говорит о полезности изучения эхолокационных устройств живого мира. Это важно не только для разработки новых принципов радиолокации, совершенствования конструкций радиолокаторов, но и обеспечения их работы в условиях помех.

В Массачусетском технологическом институте (США) исследуются методы «истолкования данных», используемые летучими мышами. Специалистов интересует, как эти животные, покрытые мехом, выделяют среди писков и пронзительных выкриков других летучих мышей свои отраженные сигналы. Для исследований сделана специальная сложная аппаратура — ультразвуковые частотомеры, микрофоны и т. д. Считают, что подобное изучение может оказаться полезным при разработке защиты радиолокационных систем от помех.

Для гидролокации оказываются очень ценными исследования гидролокационного аппарата бурых дельфинов (рис. 9).

Рис. 9. Схематическое изображение процесса изучения гидролокационного аппарата дельфина.

Ученые установили, что дельфины излучают звуки двух родов. Для связи между собой дельфины издают серию щелкающих звуков в диапазоне частот от 10 до 400 гц. Звуки, излучаемые дельфинами с целью обнаружения различных объектов в морокой воде, лежат в диапазоне от 750 до 300 000 гц и издаются различными частями тела дельфинов.

Установлено, что дельфины реагируют на звуки до 80 000 гц. Отмечается также, что гидролокационный аппарат дельфинов превосходит существующие гидролокаторы не только по точности, но и по дальности действия. И здесь, как и во многих других случаях, нам предстоит еще «догонять» природу.

Уже первые исследования показали, что гидролокационный аппарат позволяет дельфину не только обнаруживать рыб, служащих ему пищей, но и различать их породу на дальности 3 км. При этом степень правильного обнаружения составляет 98—100 процентов. Во время экспериментов дельфин ни разу не пытался ловить рыб, отделенных от него стеклянным барьером, и в 98 случаях из 100 проплывал через открытое отверстие в сетке, а не через отверстие, закрытое прозрачной пластиной.

Кроме дельфинов гидролокационный аппарат имеют морские свинки. Пользуясь этим аппаратом, они отыскивают себе добычу. Даже в мутной воде морские свинки обнаруживают кусочки пищи размером 2,5 мм на дальности 15 м. Гидролокатор морской свинки работает на частоте 196 кгц.

В одном из университетов США тщательно обследуется способность самонаведения акул на жертву. Она основана на восприятии звуков и вибраций. Механизм самонаведения акул предполагается приспособить для создания управляемого оружия.

Ученые предполагают, что тропические рыбы способны вырабатывать электромагнитные волны, излучать их и использовать для обнаружения любых предметов. Такой рыбой, в частности, является мормирус-нильский длиннорыл, или водяной слон. У него имеется расположенный в хвосте своеобразный «генератор» низкочастотных электромагнитных колебаний. Излучаемая длинно- рылом электромагнитная энергия, распространяясь в пространстве, отражается от препятствий. Отраженные сигналы улавливаются особыми органами рыбы, расположенными в основании спинного плавника. Эта рыба обнаруживает наличие сети, «видит» опускаемую в воду дробинку, «чувствует» приближение магнита. Изучение этого «локатора», возможно, натолкнет ученых на новые факты, связанные с улавливанием и использованием электромагнитных излучений, свойственных в той или иной степени всем животным, и обогатит науку и технику новыми принципами конструирования аппаратуры, в частности для локации в воде.

Самонастраивающиеся системы в биологии и автоматике

Во введении к книге мы говорили о свойстве живых организмов сохранять определенное состояние при значительном изменении внешних условий. Речь шла о регулировании температуры тела, давления крови и т. п. Свойство сохранять определенные характеристики при изменении внешних условий называют гомеостазисом, а системы регуляции в организме — гомеостатическими.

Гомеостатические системы при большом разнообразии внешних возмущений способны поддерживать неизменное значение регулируемой величины. При приспособлении к изменяющимся условиям происходят местные изменения, не нарушающие целостности всей системы. В подавляющем большинстве своем в организме имеется настоящий ансамбль взаимосвязанных систем: так много величин они одновременно поддерживают в определенных пределах.

От гомеостатических систем в живом организме наука сейчас делает шаг к самонастраивающимся системам управления в технике. Прежде чем их рассматривать подробно, еще раз вернемся к более простым системам автоматического управления.

Весьма распространены в технике системы автоматического управления с обратной связью. Как это уже отмечалось выше, на выходе объекта автоматического управления происходит вычитание из выходной регулируемой величины заданного ее значения. По величине отклонения регулятор вырабатывает управляющий сигнал, сводящий отклонение к нулю.