60 лет назад ученый мир провозгласил о рождении новой науки – бионики, которая стала изучать особенности строения и функционирования живых организмов для создания новых технических устройств. За миллионы лет эволюции Природа создала великое множество удивительных по своему совершенству систем: органы чувств, мозг, системы пищеварения, кровообращения и другие, которое выдержали  миллионы лет практических испытаний. На протяжении всей истории развития человечества до настоящего времени живая природа была для людей первым учителем и источником подражания.

В древние времена люди старались подражать сильным и хитрым животным, заимствовали у них методы охоты и способы защиты от хищников. Во времена язычества при строительстве колонн и храмов люди копировали формы стеблей, стволов и крон деревьев, создавая купола и свода, заимствовали формы яйца и черепа.

В эпоху Возрождения (15-16 века) Л.Альберта и Л.да Винчи при создании подъемных механизмов, зубчатых передач, военных и горных машин заимствовали движения живых существ и способы их перемещений. Изучение строения глаза позволило в то время создать линзы. Л.Гальвани и А.Вольта, изучая биотоки в живых телах, открыли для человечества электричество и источники электрической энергии, что стало началом развития электротехники. Исследование суставов и скелетов животных и человека (биомеханики) позволило в те времена создать множество различных хитроумных автоматических механизмов – поющих и машущих крыльями птиц, шагающих зверей, танцующих человечков. Однако копирование лишь внешнего сходства с живыми существами не всегда приносило успех. Например, первые паровозы изобретатели снабдили «ногами», которые попеременно поднимались как у лошади. Такие неудачи в определенной мере дискредитировали живую природу как источник подражания.

Тем не менее, в 19 веке изобретатели продолжали черпать из кладовых живой природы новые изобретения. Ж.Пуазейль, исследуя ток крови в сосудах, открыл основополагающие законы гидравлики, Ю.Мейер, изучая энергетические процессы в живых организмах, установил закон сохранения и превращения энергии. П.Чебышев, изучивший биомеханику животных, построил шагающую машину. Н.Жуковский,  изучая полет птиц, заложил основы полета самолетов. Н.Умов, сравнивая структуру организмов животных и человека с устройством машин, разработал принципы построения организованных систем.

В 20 веке Н.Винер собрал группу ученых – физиков, математиков и медиков, которые выявили общие закономерности в процессах, происходящих в живых организмах и в системах управления машинами. Обобщение полученных знаний привело к возникновению в 1936 году кибернетики – новой науки об управлении сложными динамическими системами.

После второй мировой войны стало активно развиваться приборостроение, вычислительная техника и автоматика. Инженеры создали множество новых приборов и измерительных систем. Все эти изобретения человек создал, не обращаясь за помощью к живой природе. Однако затем выяснилось, что в природе все эти устройства давно реализованы, только компактнее, надежнее и совершеннее. Например, инерциальная система – «вестибулярный аппарат» самолета по объему занимает целый чемодан, а у человека – всего 1 куб.см.

На этом этапе развития техники пришло понимание, что творчество человека и творчество Природы имеют много общего. Нейроны мозга идентичны логическим модулям в цифровых вычислительных машинах. Развитие самолетостроения повторяет эволюцию насекомых. Эволюция навигационного оборудования самолетов соответствует этапам развития органов чувств летающих животных. Вследствие этого бионика перешла от заимствования отдельных идей – копирования устройства глаза лягушки или мышцы жука, к разработке специальных методов изучения живых организмов, позволяющих инженерам изучать и познавать «секреты» живой природы.

Диалектика познания. Парадоксально, но инженеры, создающие машины, вынуждены познавать свойства организма человека, что, казалось бы, не соответствует их профессии. Создавая новые виды техники, осваивая прогрессивные технологии, покоряя новые пространства, люди вынуждены на каждом новом этапе технического прогресса углублять свои знания о свойствах человека. Это приводит к появлению на стыке технических и медико-биологических наук новых научных направлений. Поскольку все, что человек создает, приносит людям не только пользу, но и вред, то на каждом этапе прогресса появляются несколько новых направлений исследований: одни из них изучают свойства человека, необходимые для создания новой техники, другие – обеспечивают защиту человека от негативного влияния этой новизны.

Первым таким этапом технического прогресса можно считать появление в 19 веке крупного машинного производства, которое потребовало рациональной организации взаимодействия человека с конвейерными линиями. Впервые началось целенаправленное изучение реакций человека на конкретные сигналы. К созданию технологических линий стали привлекать медиков – физиологов, психологов и антропологов (вспомните фильм Новые времена» с участием Чарли Чаплина). В результате в начале 20 века появились такие научные направления, как: инженерная психология и безопасность труда.

Следующим этапом стало развитие скоростной авиации (50-ые года прошлого столетия), которое потребовало нового подхода к созданию систем пилотирования: человек стал частью контура управления самолетом, а бортовое оборудование – учитывать и компенсировать ограниченные возможности человека. На этом этапе потребовалось изучение свойств органов зрения, вестибулярного и мышечного аппаратов и нервной системы человека, а также его способностей обнаруживать и распознавать объекты в условиях полета. Это привело к появлению авиационной медицины, медицинской кибернетики и эргономики.

Открытие эры космонавтики стало новым этапом технического прогресса (60..70-ые года прошлого столетия), который поставил много острых проблем, связанных с жизнедеятельностью человека в космическом корабле.  Существенное отличие условий космического полета от наземного существования открыли новые свойства внутренних органов организма: их способность адаптироваться, обучаться и самосовершенствоваться, а также заставили искать способы защиты человека от негативных факторов космического полета, таких как радиация, невесомость, перегрузка, гиподинамия, ограниченность замкнутого пространства. Для изучения специфики выживания человека в условиях космоса потребовалось создание космической биологии и космической медицины.

Следующим этапом технического прогресса стало развитие микроэлектроники и вычислительной техники (80-ые годы прошлого столетия),  который привел к появлению цифровых средств измерений и обработки информации. По плотности микроэлементов, функциональным возможностям и энергопотреблению вычислительные машины уже приблизились к своему биологическому аналогу – мозгу человека, а по быстродействию и емкости памяти – значительно превысили возможности человека. Появилась возможность создания «умных» машин, способных решать интеллектуальные задачи, что повлекло за собой новый виток в изучении человека – его разумной деятельности. Начались интенсивные инженерные исследования нервной системы, мозга, нейронов и нейронных сетей. Все существующие бионические направления изменили объект исследований: вместо конвейера, самолета или космического корабля появился компьютер. И опять возникло несколько новых научных направлений: биокибернетика, нейробионика, нейроинформатика, биоинформатика и компьютерная бионика.

В 90-е годы начался новый этап в развитии компьютерной техники – переход к широкополосной информации и распознаванию емких информационных образов. Для создания искусственного интеллекта инженеры с еще большим вниманием стали изучать интеллектуальные свойства человека, особенно функции распознавания образов и ассоциативной памяти.

Однако, появление первых интеллектуальных машин, показало, насколько творения человека далеки от совершенства. Современные роботы жестко запрограммированы и автономно могут действовать только в ограниченном пространстве. Это обусловлено тем, что в памяти роботов заложена априорная информация – сведения, необходимые для выполнения заданных операций. А для того, чтобы самостоятельно вырабатывать цели и ограничения, ставить задачи и их решать, необходимо обладать системой знаний. Каждое живое существо, от простейших до человека, в том числе и растения, обладает собственной системой знаний, которая образуется не основе генетической и накопленной информации. Наличие системы знаний позволяет индивидууму выделять себя и других живых существ из окружающей среды, воспринимать изменения, происходящие вокруг себя, и реагировать на эти изменения в соответствии с собственными интересами. Именно благодаря системе памяти живые существа в отличие от современных роботов способны обучаться, адаптироваться, совершенствовать свои реакции, принимать решения и целенаправленно действовать в различных условиях.

Как устроена система памяти живых существ – это загадка, упакованная в тайну. Для ее разрешения широким фронтом проводятся бионические исследования. Причем акцент этих исследований существенно изменился: начали изучать не только разум человека, но и целенаправленное поведение других живых существ, находящихся на разных уровнях эволюционного развития. Причем эти исследования проводятся в трех направлениях. Первое – действует «изнутри»: изучает структуру нервной системы организмов и функции ее отдельных ядер и нейронов. Второе направление действует «извне» – изучает умственную деятельность человека, а также сложные формы целенаправленного поведения животных. Третье направление занимается «совокупностями» – изучает программирование поведения в сообществах (биопрограммирование). И хотя в качестве сообществ в настоящее время рассматриваются пока еще простейшие, на первый взгляд, существа, этими «простейшими» стали заниматься Научно-Исследовательские Институты по всему миру. Например, в США и Китае исследуется «поведение» молекул ДНК (биоалгоритмика), в Британии – способы организации и информационный обмен в колониях бактерий (программирование самоорганизующихся структур), Голландии – генетические механизмы адаптации простейших одноклеточных организмов (инфузорное программирование), в Бельгии и Японии – стратегии поведения муравьиных сообществ (программирование интеллектуального роутинга). Результаты этих исследований используются в технике программирования, в системах коммуникации беспроводных компьютерных сетях и в задачах поиска оптимальных решений.

Благодаря интенсивным бионическим исследованиям компьютерная техника вышла на новый виток развития. Появились цветная и трехмерная графика, интерактивные системы человеко-машинного общения, видео- и аудио- компьютерные средства: сенсорные шлемы и перчатки, которые позволяют в реальном масштабе времени создавать эффект «виртуальной реальности». Компьютерная бионика также перешла на новую стадию развития: от чипов – к компьютерным имплантатам, которые будучи вживленными в тело человека или животного, поддерживают связь с внешними компьютерными структурами. Изучение целенаправленного поведения различных видов живых существ показало, что каждый уровень организации живой материи – от простейших до экосистемы Земли – решает интеллектуальные задачи целенаправленного управления с целью жизнеобеспечения и выживания в нестабильных условиях среды. Для решения этих задач на каждом уровне живой материи (биом, популяция, организм, отдельный орган, живая клетка) имеются свои система знаний, сенсоры, блоки памяти, каналы связи, центры и программы управления, а также средства реализации решений центра.

Такое открытие привело к появлению в начале 2000 годов нового крупного направления бионических исследований – нанобионики, которая в поисках новых идей создания искусственного интеллекта погрузилась в глубины живой материи. Она стала изучать процессы целенаправленного управления, протекающие внутри живых клеток. Цель этих исследований – создание интеллектуальных молекулярных роботов (наноботов), способных целенаправленно оперировать атомами и молекулами живых и неживых веществ. По указанию человека наноботы будут конструировать материалы с заданными характеристиками (молекулярное материаловедение), перестраивать молекулы ДНК и устранять в них неполадки (генная инженерия), собирать компьютеры, все функциональные элементы которых – процессоры, блоки памяти, устройства управления, система ввода-вывода и т.д. – состоят из молекул и ферментов (биомолекулярные компьютеры). Проникая внутрь организма, такие роботы смогут следить за его состоянием, выполнять микрохирургические операции, очищать сосуды и органы, убивать вредоносные бактерии, грибки и паразитов (молекулярная медицина).

Следует заметить, что в России активно развиваются все выше упомянутые бионические направления.

Заключение. Даже простое и не полное перечисление бионических направлений, возникших в последние десятилетия, показывает, что бионика охватила огромную сферу научных знаний. Ее достижения используются практически во всех областях инженерной деятельности человека.

Все бионические направления исследований возникали стихийно в силу необходимости решения проблем, которые возникали при создании и эксплуатации новой техники. Каждое из них имеет свою узкую специализацию, изучает определенную функцию одного органа у конкретного вида существ, поэтому не может познать общих закономерностей существования живой материи. Получается как в старой притче, когда семь слепцов захотели узнать, что это за животное такое – слон. Один из них ощупал ногу, второй – хвост, третий – хобот, четвертый – ухо, пятый – брюхо и т.п., поэтому каждый выработал свое понимание, на что похож слон.

Более того, многие науки, занимающиеся познанием всеобщих закономерностей Мироздания, отвергают живую природу как объект изучения. Например, наука физика рассматривает только объекты неживой природы. Однако живые существа также подчиняются законам физики, а все известные науке физические эффекты – инерциальные, локационные, резонансные, лазерные, голографические, волоконно-оптические и другие – успешно используются в живых организмах.

Другой пример, метрология, наука об измерениях, считает, что измерять могут быть только технические устройства, органы чувств не способны получать количественную информацию о физических величинах. Однако без измерений сил, расстояний, скоростей, ускорений и других физических величин живые существа не смогли бы существовать и, тем более, целенаправленно управлять своим поведением. Невозможно поддерживать температуру тела 36,6С, если ее не измерять. Чтобы сделать прыжок, необходимо измерить дальность до цели.

Очевидно, пришла пора объединить результаты, достигнутые разными бионическими направлениями, объединить и систематизировать их. Это позволит познать законы существования живого. Основной целью бионики, как науки, должно стать выявление системных знаний об организации жизни на Земле, законов ее существования и выживания и особенно о человеке, как интеллектуально доминирующем существе, ответственным за сохранение жизни на Земле.

Знания, выявленные бионикой, должны использоваться не только при создании искусственной среды, но и для обеспечения благоприятных условий жизни и работы человека, а также для сохранения флоры и фауны Земли. Изучая, как Природа решает проблемы выживания и гармоничного сосуществования различных видов живых существ, можно решить не одну проблему человечества. Например, утилизация мусора. Ничто живое не может существовать в собственных отходах. Природа обеспечила безотходность «производства»: все отходы одних существ являются пищей для других. Пройдет время, и, поучившись у Природы, возможно люди создадут упаковки и пакеты, которые с удовольствием и пользой будут поглощать наши домашние животные или комнатные растения.

В отличие от человека, Природа, создавая живую материю, действует системно, результативно и эффективно. Те, кто в своем творчестве целенаправленно учился у Природы, создали шедевры. Например, дома и храмы великого Гауди, заложившего основы архитектурной бионики или знаменитая высотная башня Эйфеля, копирующая структуру берцовой кости.

У Природы всегда есть чему поучиться! Несмотря на все достижения творческой мысли человека, она была, есть и будет главным учителем для созидающего человека.