ЖИВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА—БИОНИКА

 бионике впервые заговорили в I960 г. Это молодая, быстро развивающаяся наука. Она занимается исследованием биологиче­ских процессов в живых организмах, а также изучением их строе­ния для выявления совершенно новых возможностей в решении различных технических проблем. Это также наука о создании тех; нических устройств, имеющих особенности живых систем.
Если предположить, что возраст Земли составляет около пяти миллиардов лет, то жизнь на планете началась уже полтора-два миллиарда лет тому назад. За столь длительное время природа сумела разработать несчетное количество отличных биологических решений, являющихся примером для техники Среди трех главных направлений развития бионики нас интере­сует только техническая бионика, а при этом—только вопросы, связанные с электроникой.
15.1. БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
В 1957 г. в СССР впервые был построен протез — искусствен­ная рука, управляемая биоэлектрическими импульсами мышц че­ловека. Родилась электронная физиология.
На рис. 15.1 дана схема манипуляционной системы с биоэлек­трическим управлением. Обозначения: 1 — команды, передавае­мые от мозга к мышцам через нервную систему; 2 — электроды на предплечье (небольшой ремешок с несколькими электродами, при­жатыми к точкам, где находятся мышцы, вызывающие сгибание и разгибание пальцев (рис. 15.2, б); 3 — широкополосные линей­ные усилители биотоков; 4 — преобразователи, превращающие биотоки в импульсы, управляющие работой малогабаритных элек­тродвигателей или гидравлического привода (они приводят в дви­жение пальцы искусственной руки). Каждый палец имеет собствен­ный исполнительный механизм, а их суставы закреплены в мини­атюрных подшипниках качения.
Если оператором искусственной руки является инвалид, то используются биоэлектрические сигналы, снимаемые с мышц куль­ти предплечья (рис. 15.1, б).
Почему посылка управляющих сигналов из центров мозга, на­пример команда сжать пальцы несуществующей руки, вызывает именно такие действия искусственной руки? Нервная система пе­редает информацию от рецепторов (нервных клеток, чувствитель­ных к определенным внешним возбудителям: механическим, све­товым, звуковым и т. п.) к мозговым центрам. Когда рецептор получил возбуждение, он посылает сигнал. Но не сразу. Здесь дей­ствует правило: «Все или ничего». Сигнал будет послан лишь в том случае, если его интенсивность превзойдет порог возбуждения. Тогда вдоль нервного волокна пойдут в направлении мозга импуль­сы, несущие информацию: «горячо», «холодно», «тихо», «громко», «светло» и т. п.
Если импульсы, идущие от центров мозга, управляют, напри­мер, движениями ладони, то частота импульсов будет тем выше, чем сильнее сжимается ладонь. Частота этих импульсов меняется от десятков герц до 300 ... 500 Гц, однако амплитуда их остается постоянной (около 0,1 В). Амплитуда импульсов не зависит от уров­ня возбуждения, а только определяется свойствами данного нерва. Известно, что скорость распространения импульсов не превышает 100 м/с.
Управляющие нервные импульсы вызывают возбуждение элемен­тарного мышечного волокна, изменяя его биоэлектрический потен­циал. Это волокно может находиться в двух состояниях: сокращения или расслабления. Нужно лишь снять эти электрические сигналы
соответствующих мышц, находящихся под кожей и на поверхности тела (рис. 15.2, б), и после усиления использовать для управле­ния различными техническими устройствами. Поскольку сокраще­ние мышц пропорционально изменению их биоэлектрических потен­циалов, легко выделить из непрерывно меняющегося сигнала его определенный параметр — мощность. И этот сигнал после усиле­ния (рис. 15.2, ё) снова преобразовать в импульсы с частотой, пропорциональной мощности биотоков, и использовать для приве­дения в движение исполнительного механизма искусственной руки.
Для управления манипулятором используют биосигналы двух групп мышц (сгибающих и разгибающих). Было применено два параллельных канала усиления и преобразования данных, чтобы исполнительный механизм, реагирующий на разность сигналов, управлялся биотоками двух «противоположных» мышц.
Накладываемые па мышцы электроды (рис. 15.2, а) представ­ляют собой пластины с круглой впадиной /, наполненной пастой, содержащей поваренную соль для уменьшения переходного сопро­тивления поверхность кожи — металл электрода. Электроды при­жимаются к телу кожаными или резиновыми ремешками Таксе подробнее списание «искусственной руки» поможет нам при конструировании интересных биоэлектрических устройств, в частности, для управления игрушечными электрическими поезда­ми (рис. 15.3, см. об этом также гл. 13).
Кроме того, биоэлектрический манипулятор — искусственная рука ^_ эТо в действительности система управления, в которой программа передается живым организмом, а осуществляет ее внеш­нее техническое устройство. Однако реальны и другие системы био­электрического управления. Например, можно создать в техниче­ском устройстве программу, записанную на пленке в виде электри­ческих импульсов, и живой организм будет ее выполнять. На таком принципе работает, например, электронный усыпитель — электро-сон (см. рис. 20.2). Электрические импульсы от генератора, воздей­ствуя на отдельные участки коры головного мозга, снижают их электрическую активность и вызывают сон.
Сегодня биоэлектрические протезы могут выполнять многие функции руки человека, за исключением игры на фортепиано и под­нятия больших тяжестей. П;ротезы могут даже чувствовать. Тензо-метрические чувствительные элементы на концах пальцев изме­няют частоту колебаний зуммера, закрепленного на руке рядом с нервом, ведущим к мозгу. При сжатии пальцев с силой до 3 даН (3 кГ) искусственная рука чувствует изменения порядка 0,1 даН. Имеются протезы, в которых тензометрические чувствительные эле­менты управляют сервомеханизмами, сжимающими пальцы. Приме­няют также логические и программные устройства, которым до­статочно одного сигнала, чтобы протез выполнил целый ряд дейст­вий. Все говорит за то, что наибольшее распространение получат протезы с обратной связью (с сигнализацией в, виде колебаний или электрических импульсов, передаваемых коже). Биоэлектрические протезы будущего научатся реагировать на температуру и состоя­ние поверхности пред­мета.
 Можно также ожидать,что инвалиды будут пользоваться несколькими до­бавочными руками, под­ключенными параллельно живым.
Уже построен «мощный» робот высотой 5 м, управ­ляемый биосигналами си­дящего в нем человека. Достаточно легкого движения руки человека — и робот вырывает дерево вместе с кор­нями.
Создано также и другое устройство — усилитель мускульной силы человека. Это легкий стальной «скелет» с сервомеханизмами, управляемыми биоэлектрическими импульса ш. Человек при ис­пользовании такой конструкции развивает силу, в шесть раз боль­шую, чем обычно.
Имеются уже биоэлектрические «рукавицы», благодаря кото­рым космонавт или подводник может свободно одной рукой выпол­нять работу, требующую приложения силы около 40 даН. Добав­лением служат усилители силы пальцев. Энергия для усиления че­ловеческих мускулов берется от электрических или гидравлических систем.
Искусственные руки становятся все длиннее. Это значит, что вместо проводов, соединяющих их с человеком, применяются радио­волны. Такие руки, управляемые на расстоянии с помощью био­электрических импульсов, работают при больших температурах, в атомных устройствах и т. п.
Рост скоростей в технике привел к тому, что нормальные реак­ции водителя или пилота стали недостаточными. Ученые начали интересоваться системами «человек—машина». Скажем, в системе «человек—автомобиль» время реакции водителя с момента приня­тия решения до включения ножного тормоза 0,4 ... 0,5 с. Само вре­мя передачи нервных импульсов от мозга до мышц ног (при скорости распространения нервных импульсов порядка 100 м/с) — около 0,15 с. За время 0,5 с автомобиль со скоростью 100 км/ч пройдет путь около .12,5 м.
Конструкторы попытались сократить путь нервных импульсов и время реакции. Водитель во время опыта получал очки со сталь­ными спиральными пружинками, снабженными серебряными -элек­тродами, которые прижимаются к надбровным дугам. Электроды соединены с транзисторным усилителем, на выходе которого нахо­дится реле, управляющее сильным электромагнитом, связанным с автомобильным тормозом. В случае опасности достаточно водите­лю нахмурить брови, чтобы автомобиль начал тормозить уже че­рез 0,15 с. При скорости 100 км/ч путь, пройденный автомобилем до момента торможения, будет составлять только 3,75 м вместо 12,5 м. Кроме автоматического тормоза, который срабатывает через 0,15 с, автомобиль имеет и обычный ножной тормоз.
Сейчас пытаются использовать изменения выражения лица пи­лота для управления сверхзвуковыми самолетами. Миниатюрные электроды заменят известные сегодня виды управления (ручное и ножьюе).
Пилоты космических станций получат возможность управлять с помощью движения глаз. Речь идет о том, что поворот гЛаза на 1е вызывает изменение биоэлектрических потенциалов глазных мышц в пределах 10 ... 40 мкВ. При этом сохраняется линейная за­висимость между утлом поворота глаз до 30° и амплитудой биотоков. Эту линейную зависимость можно использовать для управле­ния с помощью усилителей и сервомеханизмов.
Пытаются также использовать нетипичные реакции мышц, возникающие в момент перегрузок, для управления движущимися объектами.
Интересные результаты дают эксперименты, связанные с не­посредственной передачей мыслей на расстояние. В будущем такой метод управления позволит усовершенствовать различные произ­водственные процессы и транспортирование.
В чем заключается идея экспериментов видно из рис. 15.4. Когда мозг отдыхает, его так называемый альфа-ритм имеет частоту
7 ... 13 Гц (длина волны 23 ... 43 ООО км) и амплитуду 5 ... 50 мкВ.
8 момент концентрации внимания (мысли) или появления внешних сигналов, предположим световых (или только мысли о них), амплитуда альфа-ритма уменьшается и наступает так называемая реакция задержки (рис. 15.4, в). Именно эти колебания исполь­зуются для передачи управляющих сигналов на расстоянии о вклю­чении и выключении лампочки.
Балансный усилитель управляется разностью биопотенциалов, возникающих между двумя точками черепной коробки, но не реа­гирует на одновременное изменение напряжения в этих точках.
Напряжение снимается между нейтральным электро­дом, обычно расположенным в верхней точке черепной ко­робки, и двумя другими, ко­торые могут быть размеще­ны по-разному (рис. 15.5), Нейтральный электрод соеди­нен с корпусом усилителя, который должен быть хорошо за­землен.
Следует помнить, что из-за поворота головы или глаз, неправиль­ного расположения проводов, соединенных с электродами, а также под влиянием работы сердца могут возникать так называемые НЧ помехи, а вследствие электрической активности мышц — ВЧ помехи. Входной блок усилителя должен иметь фильтр нижних частот с постоянными времени 0,1; 0,3 и 0,7 с для ослабления НЧ помех. Усилитель нужно тщательно экранировать и обеспечить хороший электрический контакт его с землей.
Колебания с частотой альфа-ритма модулируют несущую часто­ту передатчика, работающего на волне 60 км. Такая длина волны позволяла избежать помех от радиостанций и электрических по­лей. На выходе приемника имеется реле и гнезда для подключения миниатюрной лампы.
Серебряные электроды прижимаются резиновыми лентами вме­сте с прокладкой из марли, пропитанной водным раствором пова­ренной соли, к голове экспериментатора. Волосы можно не уби­рать. Хорошие результаты дает легкое втирание в кожу головы про­водящей пасты с раствором поваренной соли. Надежный контакт и правильный выбор места для электродов определяют результаты эксперимента. Если нет в наличии цилиндра Фарадея, то неплохо экранировать экспериментатора от посторонних полей с частотой 50 Гц, а также от помех, связанных с работой радиостанций, с влия­нием атмосферного электричества. Особенно досаждают помехи с частотой электросети, так как они похожи на сигналы, посылае­мые мозгом.
Описанные явления позволили открыть наличие психологиче­ской обратной связи между человеком и исполнительным механиз­мом. Создаются система мозг — усилитель —модулятор—передат­чик — приемник (с сигнальной лампой) — глаз — мозг. Включение или выключение лампы зависит от мысленного приказа индуктора, от его волевого усилия. Например, таким способом можно останав­ливать и запускать игрушку или зажигать лампы. Наконец, уже сейчас поговаривают о самолетах, управляемых непосредственно
полей и мыслью пилота, и о передаче этих биоэлектрических сигна­лов с Земли по радио- или телевизионным каналам.
Применение биоэлектрических импульсов позволяет «синхро­низировать» различные электрические медицинские устройства с ра­ботой Организма человека. На этом принципе основана работа раз­личных стимуляторов (возбудителей) сердца, парализованных рук и ног, стимуляторов родов и т. п. Иногда биотоки здоровой части тела управляют работой больных органов. Более того, можно за­писать работу здорового органа и сохранить эту запись на всякий случай. В перспективе это позволит сконструировать искусственное электрическое сердце. Для его питания можно попробовать исполь­зовать биопотенциалы специально возбужденных мышц человека или разность температуры между поверхностью тела и окружающей средой.
Много усилий затрачивается на поиск источников электроэнер­гии у животных. В качестве биоэлектростанции можно приме­нить, например, электрического угря. Во время опыта в течение 8 ч мышь без вреда для здоровья питала своей энергией радиопе­редатчик. Может быть в будущем крупные животные будут в тече­ние всей своей жизни поставлять нам дешевую энергию, получае­мую от биотоков.
Биологический элемент, состоящий из двух электродов (из пла--ины и нержавеющей стали), имеет э. д. с. 0,1 ,,, 0,65 В и мощность 114,,. 155 мкВт. Один электрод приживляется на животе крысы, собаки или кролика, а другой — под кожей на груди. Электроды можно также разместить в" любом месте системы кровообращения. Тем самым мы как бы получаем разновидность «жидкого топлива».
Установлено, что даже растения имеют электрические потенциа­лы, хотя и менее интенсивные, чем у людей или животных. Речь может идти о биоэлектрической стимуляции развития растений. Если это удастся, то урожаи будут более частыми и обильными.
В США в последние годы построены чувствительные при­боры, регистрирующие токи нервных волокон растений и деревьев. Благодаря этому можно получить, например, «электрический пей­заж». Случайно открыто, что длинные волосы и борода могут до­полнительно влиять на музыкальное восприятие, так как являются особого рода рецепторами.