Вір очам своїм!

Одним з джерел нових технічних ідей служить наука біоніка, що застосовує знання про біологічні процеси і явища у вирішенні інженерних завдань. В результаті тривалого і нещадного природного відбору вижили ті особини, які найкраще пристосувалися до умов існування і найбільш раціонально вирішували завдання життєзабезпечення. За мільйони років склалася гігантська скарбниця, де кожен вид живих організмів — зразок інженерної творчості Природи. Використовувати ці багатства можуть інженери будь-яких спеціальностей: будівельники, зв’язківці, приладісти, фахівці з інформаційних технологій. Багато корисного там знаходимо і ми — розробники систем навігації.

Навігація в природі

Система навігації необхідна будь-якому рухомому об’єкту, як технічному, так і біологічному: щоб цілеспрямовано рухатися в просторі, потрібно визначати своє положення щодо Землі та навколишніх предметів. Суть навігаційного процесу, однакова як для технічних пристроїв, так і для живих істот, полягає в тому, що за допомогою датчиків первинної інформації (органів почуттів) вимірюються різні фізичні параметри, що залежать від положення і руху об’єкта щодо орієнтирів або фізичних полів. На основі отриманих сигналів обчислювальні пристрої (або нервова система) визначають параметри, що описують місце розташування і характер руху технічного об’єкта (тварини) відносно вихідної точки відліку. Вимірювані дані порівнюються з збереженою в пам’яті програмою руху, і всякі відхилення від заданого шляху коригуються. Тільки вирішивши ці завдання, можна рухатися за бажаною траєкторією.

Всі рухливі живі істоти, від дуже простих (хробаків, комах, равликів) до людини, прекрасно орієнтуються у своєму середовищі проживання. Кожному з них необхідно вільно переміщатися, ловити здобич, знаходити притулок, рятуватися від ворогів і відшукувати партнерів. Крихітні мурахи безпомилково повертаються в свій мурашник, проходячи в густій траві сотні метрів. Метелики номофілли, з’явившись на світ навесні в Північній Африці, вже через кілька днів прямують у грандіозну по дальності подорож — через пустелю Сахару до Британських островів. Там вони відкладають яєчки, з яких до кінця літа з’являється потомство. Восени воно вирушає у зворотний шлях, на батьківщину своїх батьків. Метелики монархи щороку літають з Канади та північних штатів США до Південної Каліфорнії, Флориди, Мексики. Гігантські морські черепахи пропливають по одному і тому ж маршруту понад 5500 км, щоб відкласти яйця, і із завидною навіть для досвідченого штурмана точністю знаходять зворотну дорогу додому. Китоподібні здійснюють навколосвітні плавання за одними і тими ж маршрутами, подорожуючи з моря в море. Олені в Північній Канаді все літо пасуться в тундрі, а восени йдуть за тисячу кілометрів на південь в лісотундру.

Але найбільш майстерні навігатори в світі тварин — це, звичайно, пернаті. Проводилося багато експериментів з різними породами птахів — буревісниками, ластівками, лелеками, горіхвостками та іншими. Їх знімали з гнізд, мітили і вивозили за кілька сот і навіть тисяч кілометрів. Через кілька днів птахи поверталися до свого гнізда. Вершина навігаційних здібностей пернатих — їх сезонні перельоти, умови і дальність яких просто вражають. Птахи летять кілька тисяч кілометрів над океанами і пустелями, над високими горами (над Альпами і навіть над Еверестом!). Значну частину шляху вони проробляють вночі, майже в повній темряві, а вдень хмари і густі тумани нерідко закривають землю. Бурі, вітер і шторм забирають птахів далеко від наміченої траєкторії, але вони прокладають новий маршрут і виходять до мети.

Найдивовижніші перельоти здійснює полярна крачка (довжина тіла — близько 35 см). Пізньої осені вона з Арктики вирушає на південь уздовж берегів Європи і Африки на інший кінець Землі, в Антарктиду, де і зимує, а навесні повертається назад на північ, в Арктику. Щорічно ця пташка пролітає до 60 000 км, і на шлях тільки в один бік у неї йде три місяці. Захоплює майстерність природи, яка зуміла наділити цих пернатих настільки мініатюрними, надійними і дивно тонко діючими засобами навігації.

Вимірювання та робота з даними

У техніці всі морські і річкові судна, літаки, ракети і космічні кораблі, а зараз вже і автомобілі обладнані спеціальними навігаційними комплексами, основою яких служать дві взаємопов’язані системи. Одна з них, інерційна, безперервно вимірює кутові та лінійні швидкості та прискорення самого об’єкта і визначає базову систему відліку, щодо якої здійснюється навігація. Друга — оглядово-порівняльна, отримує зображення навколишньої місцевості, розпізнає орієнтири і визначає параметри їх руху або розташування відносно технічного засобу. Обидві системи взаємодіють: зображення місцевості перетворюється на базову систему відліку, на картину місцевості проектуються сам об’єкт, різні орієнтири і цілі, а також відтворюються всі їх переміщення.

Засоби навігації у тварин організовані подібним же чином. Наприклад, у людини є два основних органи орієнтації: вестибулярний, який вимірює рухи голови і визначає напрямок вертикалі, і зоровий, що сприймає картину видимого простору. Вони також взаємодіють один з одним, і в результаті людина незалежно від рухів очей і голови бачить стіни своєї квартири вертикальними, підлога — горизонтальним, а меблі — нерухомо стоять на місцях.

У техніці найбільш складно організовані оглядово-порівняльні системи. Вони включають в себе панорамні пеленгатори — пристрої, які вловлюють електромагнітні випромінювання (світлові, теплові, радіовипромінювання тощо) від об’єктів на місцевості, блоки наведення і розпізнавання зображень, пам’ять великої ємності, а також засоби обробки великих масивів інформації. Автоматичні оглядово-порівняльні системи існують, але вони дуже складні і не цілком надійні, тому на сучасних керованих об’єктах використовуються автоматизовані системи орієнтації, в яких пошуком і розпізнаванням орієнтирів займається людина. Вдосконалити такі системи можна буде, якщо вдасться підвищити точність, надійність і швидкість вимірювань, а також зробити більш автономними засоби обробки і передачі інформації. У цьому нам допоможе вивчення біологічних оглядово-порівняльних систем.

Живі істоти для огляду простору використовують різні сигнали з навколишнього світу: світлові, акустичні, хімічні, теплові, електричні та інші, причому для кожного з них призначений окремий орган почуттів. Але роль і значимість цих органів при вирішенні завдань навігації різні і залежать від середовища і умов проживання. Тільки один з них головний, здатний виконувати оглядово-порівняльні вимірювання. Інші, допоміжні, проводять позиційні вимірювання — тобто визначають окремі параметри (дальність і курсовий кут) об’єктів. Пояснюється це тим, що побудова картини місцевості, обробка, перетворення і розпізнавання зображень — це досить трудомістка і складна справа. Біологічно недоцільно мати кілька оглядово-порівняльних систем — доводиться задовольнятися однією, найбільш підходящою для конкретних умов. Цей орган почуттів буде домінуючим: саме його тварина використовує для пошуку, виявлення, розпізнавання і переслідування видобутку. Відрізняється такий орган і своєю структурою: його приймачі відносно великі, а відділи мозку, що обробляють його інформацію, значно більші, ніж у інших органів почуттів. Якщо заблокувати ці приймачі, то тварина повністю втрачає просторову орієнтацію і стає безпорадною. Наприклад, кажан із заклеєними очима чудово літає в темряві і ловить комах, але, якщо їй заліпити вуха воском, вона мечеться в паніці, натикаючись на предмети.

Нюх і зір

Для оглядово-порівняльних вимірювань у живій природі використовуються сигнали, які поширюються на великі відстані, швидко, прямолінійно і з мінімальними втратами. Наприклад, хімічні випромінювання (запахи) для цього не годяться: пахучі частинки поширюються в повітряному або водному середовищі повільно, молекули повітря (або води) їх розсіюють, що не дозволяє отримати чітке зображення об’єкта, що випромінює запах, а рух середовища (вітер, течії) може сильно спотворити напрямок хімічних сигналів. Тому тварини використовують нюх тільки в позиційних вимірах: при русі слідом або в напрямку підвищення концентрації пахучої речовини. У друку можна прочитати, що метелики-самці знаходять самок за кілька кілометрів, використовуючи для цього хімічні сигнали, концентрація яких в повітрі досягає всього кілька молекул на кубічний метр! Однак подібний метод вирішення завдань позиційної навігації не здається надійним: такої кількості речовини занадто мало, щоб виявити, де її більше, а де менше і таким чином знайти напрямок на джерело запаху. Є дані, що для пошуку своїх партнерів літаючі комахи використовують електромагнітні випромінювання, які генерують їх трепетні крила. Саме тому метелик-самицю, накриту скляною банкою, самець виявляє на великій відстані, але якщо екранувати її металевою сіткою, то він не «побачить» самку, навіть перебуваючи зовсім поруч з нею. (Це спостереження описано в книзі Дж. Прінгла «Політ комах». М.: Вид-во-р. літ., 1963.)

У живій природі кращий пасивний метод оглядово-порівняльних вимірювань, при якому зображення місцевості будується за сигналами, що виходять від природних джерел випромінювань. Якщо ж таких сигналів немає або вони занадто слабкі, тварини застосовують активний метод вимірювань: самі генерують випромінювання, тобто «підсвічують» простір, і сприймають відображені від навколишніх об’єктів сигнали. Активні вимірювання обходяться дорого: необхідно мати при собі особливий орган — генератор випромінювання, витрачати багато енергії на «освітлення» простору, а також вживати спеціальних заходів щодо захисту, адже, включивши свою оглядово-порівняльну систему орієнтації, тварина 2 відразу виявляє себе!

У природі існують сотні тисяч різних видів рухомих тварин, які відрізняються своїми розмірами, будовою і способом життя. Серед них є крихітні істоти, що різняться тільки під мікроскопом, і велетні-кити, що досягають 30 метрів у довжину. Одні з них пристосовані до руху сушею, інші — у воді, треті — в повітрі. І всі вони володіють органами навігації. На «утримання» цих органів потрібні великі витрати енергії, крім того, кожна жива істота — це їжа для якихось тварин. Тому еволюція органів навігації призводила до того, що вони зменшувалися і ставали більш автономними, а вимірювання якомога більш потайними. Висока ефективність роботи цих органів досягалася за рахунок ретельної обробки інформації, застосування хитромудрих способів її отримання та зберігання.

Більшість живих істот орієнтуються в просторі за допомогою сонячного світла. Це дозволяє, не видаючи себе, визначати розташування предметів де завгодно, в будь-яку пору року і більшу частину доби. Світло поширюється з величезною швидкістю на практично не обмежені відстані. Широкий діапазон довжин хвиль світла дає можливість побудувати різні за величиною приймачі сигналів — тобто очі, що підходять і дрібним комахам, і величезним ссавцям, і виявляти з їх допомогою об’єкти від часток міліметра до декількох кілометрів. Всі високоманеврені тварини, від комах до ссавців, що ведуть денний спосіб життя в повітряному або водному середовищі, куди проникають потоки світла, використовують очі як домінуючий орган почуттів.

Око як прилад

Органи зору у різних видів сухопутних хребетних влаштовані в принципі однаково (рис. 1). Очі переважно сприймають видиму частину спектру електромагнітного випромінювання, проте багато тварин вловлюють частину ультрафіолетового або інфрачервоного діапазону. Кожне око включає напрямну, регулюючу та вимірювальну складові.

Ріс. 1. Схема зорового аналізатора високорозвинених хребетних тварин

— очне яблуко, 2 — райдужна оболонка, 3 — кришталик, 4 — «точки підвісу» ока (умовно), 5 — сітківка, 6 — блок первинної обробки інформації в сітківці, 7 — блок обробки інформації в середньому мозку, 8 — блок обробки інформації в зоровій зоні кори великих півкуль. Зображення: «Хімія і життя»

Напрямні елементи вловлюють світлове випромінювання і забезпечують йому проходження паралельним потоком до вимірювальної частини ока. До них належать: райдужна оболонка 2, що грає роль діафрагми з отвором, через яке світло надходить в око; еластичний кришталик — двояковипукла лінза 3, фокусуюча зображення; еластична порожнина (склоподібне тіло), яка надає оку сферичну форму і утримує на своїх місцях його елементи. Кришталик і склоподібне тіло мають властивості світловодів, тому передають структуру видимого зображення з мінімальними спотвореннями.

Регулюючі органи керують мимовільними рухами ока і пристосовують його функціональні елементи до конкретних умов сприйняття. Вони змінюють пропускну здатність діафрагми, фокусну відстань лінзи, тиск всередині еластичної порожнини та інші характеристики. Керують цими процесами центри в середньому мозку 7 за допомогою безлічі чутливих і виконавчих елементів, розподілених по всьому очному яблуку.

Вимірювання світлових сигналів відбувається у внутрішньому шарі сітківки, що складається з безлічі фоторецепторів, які перетворюють світлове випромінювання на нервові імпульси. Фоторецептори в сітківці розподілені нерівномірно, так що утворюються три області сприйняття.

Перша — область огляду — знаходиться в центральній частині сітківки. Щільність фоторецепторів у ній найвища, тому вона забезпечує чітке кольорове сприйняття розглянутої картини. Всі фоторецептори в цій області за своїм пристроєм в принципі однакові, відрізняються вони тільки виборчою чутливістю до довжин хвиль світлового випромінювання. Одні з них найбільш чутливі до випромінювань в середній частині діапазону сприйняття, другі — у верхній частині, треті — в нижній. Зокрема, у людини є три види фоторецепторів, що реагують на сині, зелені та червоні кольори. Тут же, у сітківці, вихідні сигнали цих фоторецепторів спільно обробляються (на схемі — блок 6), в результаті чого посилюється контраст зображення, виділяються контури об’єктів і визначається їх колір. Яким чином відбувається така обробка відеосигналів, зрозуміти ще не вдалося, але її результати вражають: винахідлива природа навчилася за допомогою тільки трьох індикаторів визначати кілька сотень кольорів і відтінків!

Об’ємне зображення відтворюється в корі головного мозку 8, куди направляються відеосигнали від правого і лівого ока. У людини область огляду охоплює конус всього в 5 °, і тільки в її межах він може здійснювати оглядово-порівняльні вимірювання: орієнтуватися в просторі, розпізнавати об’єкти, стежити за ними, визначати їх відносне розташування і напрямок руху.

Друга область сприйняття виконує функцію захоплення цілей. Вона розташовується навколо області огляду і не дає чіткого зображення видимої картини. Її завдання — швидке виявлення контрастних цілей і змін, що відбуваються в зовнішній обстановці. Тому в цій області сітківки щільність звичайних фоторецепторів невисока (майже в 100 разів менше, ніж в області огляду), зате є безліч (в 150 разів більше) інших, адаптивних фоторецепторів, що реагують тільки на зміну сигналу. Світло постійної інтенсивності не викликає у них ніякої реакції. Спільна обробка сигналів тих та інших фоторецепторів забезпечує високу швидкодію зорового сприйняття в цій галузі. Як вирішується це завдання — ще одна загадка природи, але результат такої обробки сигналів очевидний: швидкодія області захоплення майже в десять разів вище, ніж у області огляду. Саме тому людина так швидко вловлює найменші рухи бічним зором.

Функціями захоплення керують відділи середнього мозку 7. Тут виявлений об’єкт не розглядається і не розпізнається, зате визначаються його відносне розташування, швидкість і напрямок руху і виробляється команда очисним м’язам — швидко повернути оптичні осі очей так, щоб виділений об’єкт потрапив в зону огляду для детального розгляду.

Третю область утворюють крайові ділянки сітківки, на які не потрапляє зображення видимої картини. У ній щільність фоторецепторів найменша — у 4000 разів менше, ніж в області огляду. Її завдання — вимірювання усередненої яскравості світла, яка використовується зором як точка відліку для визначення інтенсивності потоків світла, що потрапляють в око. Саме тому при різному висвітленні зорове сприйняття змінюється.

Погана оптика — гарна картинка

Цікава особливість будови сітківки полягає в тому, що всі фоторецептори в ній повернуті «задом до справи» (рис. 2), тобто зустрічають світловий потік 1, що йде від кришталика, великими світловідбиваючими ядрами 2 так, щоб жоден промінь не зміг безпосередньо потрапити в світлочутливе волосся 3. Тому фоторецептори сприймають тільки ті промені (4), які, пройшовши крізь всю товщу сітківки, дійшли до адаптивної поверхні 5 і, відбившись від неї, потрапили прямо на торці світлочутливого волосся 3. Такий спосіб вимірювання світлового випромінювання спостерігається у всіх хребетних тварин, що живуть у повітряному середовищі, де освітленість простору змінюється в широких межах (від 10⁶ до 10 + 4 ніт) і яскраві потоки світла могли б спалити ніжні світлочутливі структури ока. Природа не стала створювати складні адаптивні фоторецептори (адже їх в оці сотні мільйонів!), а пішла іншим, простішим шляхом — передбачила один-єдиний відбивач, який захищає всі фоторецептори відразу.

Ріс. 2. Фрагмент вимірювальної структури ока. 1 — потік світлових променів, 2 — світловідбивання ядра, 3 — світлочутливе волосся, 4 — промені, що пройшли через сітківку, 5 — адаптивний відбивач (світловідбивний шар). Зображення: «Хімія і життя»

Віддзеркалювач 5 називається адаптивним, оскільки він здатний відбивати або поглинати світлове випромінювання залежно від яскравості світла, що надходить в око. При високій яскравості він направляє на фоторецептори тільки частину потоку світла, безпечну і достатню для зорового сприйняття, а решту випромінювання поглинає. При слабкому освітленні весь світловий потік відбивається і потрапляє у фоторецептори.

Для найкращого сприйняття світла необхідно суворо витримувати оптимальний зазор між адаптивним відображенням і торцями чутливих волосин фоторецепторів — він повинен становити близько 2 мкм. Для цього в кожному оці існує спеціальна система управління (рис. 3). Величину зазору вимірюють контактні рецептори — мікрофібрили 1, які розподілені в поверхневому шарі відбивача 2. Виступаючі з них чутливі волоски 3 мають розмір 2 мкм. За сигналами цих рецепторів система управління підтримує такий тиск рідини всередині еластичної порожнини (склоподібного тіла) 4, при якому сітківка рівномірно стосується чутливих волосин мікрофібрил. Від прилипання сітківки до поверхні віддзеркалює в’язка рідина, що заповнює зазор.

Ріс. 3. Керування величиною зазору між торцями фоторецепторів і адаптивною поверхнею в оці. 1 — мікрофібрили, 2 — відбивач, 3 — чутливі волоски, 4 — склоподібне тіло, 5 — сітківка. Зображення: «Хімія і життя»

Якщо величина зазору з якихось причин відхиляється від оптимального значення, зорове сприйняття порушується, тобто настає сліпота. Це може статися, наприклад, при різкому підвищенні внутрішньоочного тиску або зменшенні в’язкості рідини в зазорі, внаслідок чого сітківка прилипає до відбиваючої поверхні, або від механічних ударів і вібрації. Тоді зазор може різко збільшитися, тобто відбувається відшарування сітківки.

У зоровому аналізаторі хребетних приховано багато непізнаних, але надзвичайно корисних для інженерів винаходів природи. Абсолютно незрозуміло, наприклад, як створюється і де відтворюється об’ємне кольорове зображення простору, яке людина «бачить» перед своїми очима. Те, що таке зображення створюється, — незаперечний факт. Однак будова очей і мозку переконує нас, що очі в принципі не здатні створити таке зображення! Дійсно, кожен функціональний елемент ока має специфічні недоліки і обмеження, які спотворюють і порушують видиму картину. Кришталики перевертають зображення. У сітківці кожного ока є великий «технологічний» отвір — так звана сліпа пляма. Через нього з очних яблук виводиться вся «проводка» — кровоносні судини і нервові волокна. Сітківка сприймає зображення тільки в межах малого конуса 5 °, і понад 70% нейронів зорової кори головного мозку зайняті обробкою відеосигналів тільки цієї маленької частини сітківки. Зорова кора і сітківки очей мають різні щільності розподілу елементів «екранів». Внаслідок цього зображення, сприйняте сітківками з експоненціальним розподілом фоторецепторів, при перенесенні в зорову кору з рівномірним розподілом нейронів істотно змінить свою структуру, особливо на периферичних ділянках. Наші очі роблять безліч мимовільних рухів: високочастотні коливання (тремор), малі та великі стрибки. Крім того, ми свідомо перекладаємо погляд, повертаємо або нахиляємо голову і тулуб. В результаті всіх цих рухів в кожен момент часу на одні і ті ж точки сітківки потрапляють промені з різних ділянок спостережуваної місцевості, а фоторецептори жорстко пов’язані з певними стовпчиками нейронів в зоровій корі. Це означає, що зображення в корі мозку, яке передають очима, безперервно скаче, коливається і перевертається. Об’ємність простору в зоровому аналізаторі визначається за допомогою так званого бінокулярного зору, тобто по куту зведення оптичних осей очей. Найпростіші розрахунки показують, що цей спосіб вимірювання працює тільки на дуже близькій відстані. Якщо воно більше десяти метрів, помилка в оцінці дальності до об’єкта перевищує 100%!

Однак, незважаючи на всі перелічені спотворення і порушення сприймається очима зображення, ми до самого горизонту чітко бачимо перед собою правильно орієнтовану панораму шириною майже в 160 °, повністю адекватну навколишній дійсності, і не підозрюємо про існування зони огляду або сліпої плями. І як би ми не вертіли головою, Землю і все, що на ній жорстко закріплено, в цій панорамі ми бачимо нерухомим і строго орієнтованим: небо — вгорі, землю — внизу. Як відбувається компенсація перерахованих недоліків зору? Які ще органи почуттів беруть участь у створенні «видимої» панорами? В якій частині нашої голови створюється «видима» панорама і які фізичні процеси і явища при цьому використовуються? Всі ці питання ще належить ретельно вивчити, перш ніж вдасться отримати корисний для техніки досвід природи.