Локация и навигация в природе и технике

Что такое бионика

Большой интерес бионика проявляет к тому, как в природе живые организмы ориентируются в своем движении, определяют препятствия, безошибочно находят нужное направление в весьма длительных путешествиях. Немалую пользу конструкторам навигационных устройств принесло, например, детальное изучение некоторых органов ориентации насекомых в полете.

...Внимание естествоиспытателей издавна привлекали два придатка сзади крыльев у двукрылых насекомых, имеющие форму палицы, соединенной с телом тонким черешком. Это жужжальца, которые в полете непрерывно вибрируют. Наружный конец каждого из них движется по дуговой траектории. Тенденция к такому движению сохраняется и при перемене направления полета. Это создает натяжение черешка, по которому мозг насекомого определяет изменение направления и дает команды мускулам, управляющим движением крыльев.

Принцип этого устройства был использован конструкторами при создании гироскопа нового типа. Известно, что гироскоп - незаменимый чувствительный элемент всех систем управления движущимися объектами, в том числе кораблями, самолетами, ракетами. По примеру жужжальца в его конструкции предусмотрели вибрирующие тонкие пластинки. Оказалось, что такой гироскоп имеет гораздо большую чувствительность, чем обычный. Но основное его достоинство - меньшая подверженность влиянию больших ускорений. Став "душой", например, такого прибора, как указатель виражей, он нашел применение на современных скоростных самолетах.

Вот еще пример успешного применения данных бионики. Именно ее данные позволили создать "небесный компас поляризованного света", то есть устройство, способное по расположению плоскости поляризации света определять местонахождение источника света. Сделан компас по образу и подобию глаз мухи или пчелы. Известно, что независимые элементы шаровидных глаз этих насекомых (омматидии) разделяются на восемь частей, расположенных звездочкой. Степень пропускания ими поляризованного света находится в зависимости от направления, с которого он приходит. Не случайно для глаз, например, пчелы разные участки неба будут иметь неодинаковую яркость. По этому признаку она определяет свое местоположение по отношению к солнцу даже тогда, когда оно скрыто облаками. Точно так же небесный компас поляризованного света может использоваться в кораблевождении для ориентации по положению светила независимо от погоды.

На основе действия омматидии создан за рубежом и еще один прибор. Известно, что омматидии дают несколько изображений предмета. Это помогает наблюдать за движущимся объектом, ибо он последовательно входит в поле зрения каждой омматидии. По этому свойству насекомое может определять скорость движения предмета.

Устройство глаза насекомого послужило прообразом нового прибора для мгновенного измерения скорости самолета. Прибор получился недорогим, небольшого размера. Он извещает наблюдателя о скорости самолета или любого другого тела, пересекающего его поле зрения.

Приведенные примеры показывают возможности бионики для совершенствования навигационной техники, но не дают никакого основания утверждать, что уже все процессы в природе познаны и осталось лишь собирать плоды. На самом деле у бионики очень много нерешенных проблем, в частности в изучении способов и устройств, позволяющих животным ориентироваться в различных условиях и особенно в период миграции.

Различные представители животного мира - журавли, летучие мыши, угри - преодолевают расстояния во много тысяч километров и всегда точно приходят к месту своего размножения. Даже такое малоподвижное существо, как черепаха, способно преодолевать большие расстояния, строго выдерживая нужное направление. Каждые три года морские черепахи, преодолев путь в пять с лишним тысяч километров, собираются в определенном месте для кладки яиц.

Специалисты высказали предположение, что миграция объясняется поисками теплых краев. Но оказалось, буревестник, например, совершает путь из Антарктики на северный полюс. Так что одного этого объяснения недостаточно.

При более внимательном изучении процесса миграции заметили, что на полет птиц влияет, так сказать, "астрономическая обстановка". Это удалось установить в планетарии, где воспроизводилось движение звезд и велись наблюдения за ночным полетом малиновок. То, что в полете некоторые птицы ориентируются по звездам, может быть объясняет и тот факт, что ночью они летают над облаками, на высоте многих тысяч метров.

Как осуществляется эта ориентировка птиц - сказать пока точно нельзя. Однако некоторые косвенные намеки на характер процессов уже есть. Установлено, что радиоволны, излучаемые передатчиками локаторов и связных станций, мешают "приборам" ориентировки птиц в полете выполнять свои функции. Значит, и система навигации птиц основана на использовании электромагнитных колебаний.

Известно, какое значение ныне приобретают астронавигационные системы в управлении ракетами, в самолето- и кораблевождении. Как было бы важно методами бионики объяснить эту способность животных, изучить и технически воспроизвести столь удивительный орган.

Знатоков современной техники радиолокации не может не заинтересовать такой факт. Два американских ученых решили исследовать вопрос о том, каким образом самец бабочки "Малый ночной павлиний глаз" отыскивают самку на расстоянии 10 километров. Решено было заключить самку под стекло. Бабочки-самцы по-прежнему летели к самке. Ничего не дало и помещение самки за металлическую сетку. Только экран, не пропускающий инфракрасные лучи, как бы полностью изолировал бабочек разного пола друг от друга. Американские ученые смело заключили, что самцы имеют как бы "локатор инфракрасных лучей". Может быть, дальнейшие исследования уточнят этот первоначальный вывод. Однако несомненно, что столь малогабаритные устройства обнаружения объектов на расстояниях в десятки километров заслуживают самого пристального внимания.

Управление научных исследований военно-морского флота США проводит исследования "биологической навигационной системы" голубей. Ученые стремятся раскрыть секрет того, как голуби ориентируются над незнакомой местностью и находят дорогу к дому. Для наблюдения за этими птицами на всем протяжении их полета применяется совершенно новая система. Она основана на приеме сигналов миниатюрного радиопередатчика, укрепляемого на спине голубя.

Радиопередатчик работает в метровом диапазоне волн (частота 140 мегагерц). Собран он исключительно на полупроводниках и весит 66,8 граммов. Источниками тока служат ртутные батареи, обеспечивающие 20 часов непрерывной работы. Антенна - выпускная, длиной 101,6 сантиметров. Чтобы она не запутывалась в хвостовых перьях, значительная часть ее одета в стекловолокно.

Вдоль предполагаемого маршрута полета голубя располагаются приемные станции для записи направления его движения. Приемники могут принимать сигналы от "радиофицированного" голубя с любого направления на расстояниях свыше 33 километров. Осуществляется пеленгация голубя в строго определенное время, и точки его нахождения наносятся на карту. Во время одного полета голубя в районе Филадельфии наблюдение велось на протяжении 33 километров.

Кроме направления полета решено следить за изменениями внешней среды и ответными реакциями организма голубя на них. Интересуют ученых и кровяное давление, и дыхание голубя. В итоге они надеются раскрыть тайну биологической навигации и на этой основе создать малогабаритные системы навигации и обнаружения.

Исследования не ограничиваются голубями, намечается изучить "опыт" таких птиц, как альбатросы. Предполагается организовать также исследования передвижений бурых дельфинов, китов, акул, морских черепах, то есть таких животных, которые почти все время находятся вблизи водной поверхности, что облегчает слежение за ними.

Известно, что при объяснении принципа радиолокации обычно ссылаются на летучих мышей, которые легко различают препятствия в полете, излучая звуковые волны и принимая отраженные сигналы. Но оказалось, что не только принцип действия локационного аппарата мышей представляет интерес, но и его устройство и характеристики. Ученые установили сейчас, что этот аппарат обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Оказалось, что летучие мыши одного из видов легко обнаруживают проволоку диаметром менее 13 миллиметров, несмотря на то, что она дает, безусловно, чрезвычайно слабый отраженный сигнал.

Характерно и то, что точность обнаружения препятствия достигается даже при наличии шума, интенсивность которого во много раз превосходит интенсивность принимаемого сигнала. Так, по данным английского ученого Кея, эхолокационный аппарат летучих мышей успешно действует даже при отношении интенсивности сигнала к интенсивности шумового фона, равном 35 (в логарифмических единицах измерения - децибелах).

Любопытным оказывается и то, что у разных видов летучих мышей эхолокационные аппараты устроены по-разному и для ориентации используются различные сигналы. Обыкновенные насекомоядные мыши издают ультразвуки с частотной модуляцией. Их частота меняется в пределах от 90 до 40 килогерц за время порядка нескольких миллисекунд (от 10 до 0,5 миллисекунды).

Как же действует "локатор" насекомоядной мыши? Она летает с открытой пастью, в результате поле излучаемых сигналов перекрывает угол 90 градусов. Представление о направлении, по мнению специалистов, мышь получает за счет сравнения сигналов, принимаемых ушами, которые подняты во время полета, как приемные антенны. Подтверждением этого мнения служит то, что стоит вывести из строя одно ухо летучей мыши, как она совершенно теряет ориентировку.

В литературе отмечается, что ушная раковина летучей мыши устроена примерно так же, как и у человека, но диапазон принимаемых частот шире - от 30 герц до 100 килогерц.

Сам процесс обнаружения объектов насекомоядной летучей мышью еще полностью не выяснен и изучается. Что касается объектов на удалениях до 1-1,2 метра, то предполагается, что мышь может различать сигналы от нескольких из них. Сложение излучаемых импульсов, модулированных по частоте, и отраженных сигналов дает сигналы разностной частоты, которая будет пропорциональна расстоянию до объекта. Длительность сигналов разностной частоты также есть функция расстояния.

Предполагалось, что на расстояниях, больших 1,2 метра, 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 частоты биений пропорциональна углу и не зависит от расстояния.

Другой вид летучих мышей - подковоносы - используют для ориентации чистые тона частотой порядка 80 килогерц 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. В конце импульса заметно изменение частоты. Она убывает по линейному закону со скоростью 10-20 килогерц в секунду 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 Доплера. 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 так далее. Считают, что подобное изучение может оказаться полезным при разработке защиты радиолокационных систем от помех.

Для гидролокации оказываются очень ценными исследования гидролокационного аппарата бурых дельфинов. Ученые установили, что дельфины излучают звуки двух родов. Для связи между собой дельфины издают серию щелкающих звуков в диапазоне частот от 10 до 400 герц. Звуки, излучаемые дельфинами с целью обнаружения различных объектов в морокой воде, лежат в диапазоне от 750 до 300 тысяч герц и создаются различными частями тела дельфина.

Установлено, что дельфины реагируют на звуки с частотой до 80 тысяч герц. 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 километра. 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 миллиметра на дальности 15 метров. Гидролокатор морской свинки работает на частоте 196 килогерц.

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 длиннорылом 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.

П.Т.Асташенков, 1965 год