Электрические рыбы - биологический прототип новой техники

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 79, № 1, с. 57-72

Традиционно основой создания новой техники считались точные науки - физика, математика и хи­мия. Они предлагали решения проблем, связанных с достижением предельных характеристик - мак­симальной дальности, скорости, прочности, точности и т. п., что особенно важно в военной сфере. Однако в последние годы при разработке новой техники инженеры всё чаще обращаются к биоло­гическим наукам. В публикуемой ниже статье речь идёт о применении бионического подхода к со­зданию технических средств ближней подводной локации, ориентации и связи. Такие разработки более 30 лет проводятся в Институте проблем экологии и эволюции им. РАН.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП

НОВОЙ ТЕХНИКИ

, ,

Бионическое моделирование требует прежде всего создания взаимосогласованной системы на­учных представлений и тесного взаимодействия широкого круга специалистов из разных научных областей, в нашем случае - электроэкологии, нейрофизиологии, электродинамики проводящих сред, электроники, океанологии, электрохимии. Конечная цель бионики - техника, и поэтому в за­дачи бионического моделирования входит адап­тация результатов биологических исследований для инженеров. Но прежде чем предлагать инже­нерам модели, их нужно подвергнуть физико-ма­тематическому анализу. Необходимая для этого система физических представлений должна быть тоже проанализирована применительно к классу решаемых задач с учетом имеющихся биологиче­ских представлений. В отличие от радиосвязи, электрокоммуникация рыб - неволновая, и мно­гие привычные подходы, распространённые и эф­фективные в случае волновой связи, здесь следу­ет применять с большой осторожностью, а от

некоторых отказаться. Это же касается и инже­нерных рекомендаций, например по оптимизации антенн.

Дальность электрокоммуникации у рыб со­ставляет единицы-десятки сантиметров. При­вычные дальности технических средств связи - километры. Только детальный физико-матема­тический анализ позволяет предсказать, во сколь­ко раз и при каких условиях можно увеличить масштаб модели так, чтобы она ещё не утратила работоспособность, но уже приобрела практиче­скую значимость.

Одна из самых больших проблем, которую приходится решать в процессе бионического мо­делирования, - преодоление языковых барьеров, поскольку биологи, физики и инженеры исполь­зуют разные термины и опираются на разные ба­зовые понятия. Более того, одни и те же терми­ны, например "волна" или "фаза", в разных науч­ных дисциплинах и в инженерной практике могут

57

58

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

употребляться с разной степенью строгости и обобщения, что приводит к недоразумениям, по­рой весьма серьёзным. Бионика берёт за основу биологические модели, поэтому она не ограничи­вается чисто физическим анализом, а пытается вписать рассматриваемую модель в реальный мир, в его экологию и эволюцию.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СЛАБОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЫБЫ

Электрическими называют рыб, имеющих специальные органы для генерации электриче­ских разрядов. У некоторых из них электриче­ские органы занимают большую часть тела и спо­собны генерировать очень мощные разряды, поз­воляющие добывать пищу и обороняться от врагов. Такие рыбы называются сильноэлектри­ческими. Существуют и слабоэлектрические ры­бы, например клюворылообразные (Mormyri-formes) или гимнотообразные (Gymnotiformes), которые также имеют чётко оформленные элек­трические органы, но их слабые разряды недоста­точны для парализации жертв. Вопрос о функцио­нальном назначении электрических органов та­ких рыб был поставлен в середине XIX столетия Ч. Дарвиным как серьёзная проблема эволюци­онной теории, однако до середины XX в., до работ Г. Лиссманна [1,2], этот вопрос оставался без ка­ких-либо вариантов ответа. Лиссманн предполо­жил, что электрические органы являются частью более общей системы, включающей специаль­ные электрорецепторы для восприятия слабых электрических токов. Функциональная модель такой общей системы, предложенная Лиссман-ном, выглядит следующим образом.

Рыба создаёт вокруг себя электрическое поле, напоминающее поле диполя (рис. 1). Её кожу, имеющую высокое сопротивление, пронизывают тысячи каналов с низким сопротивлением, через которые проходят линии тока. В конце каналов находятся сенсорные клетки электрорецепторов, посылающие информацию в мозг. Внешние объ­екты искажают картину поля, и рыба чувствует искажения, что позволяет ей обнаруживать и раз­личать объекты, то есть осуществлять локацион­ную функцию. Рыба может ориентироваться в пространстве как по рельефу электропроводно­сти (активная электроориентация), так и по осо­бенностям картины фонового электрического поля (пассивная электроориентация). Кроме то­го, рыба чувствует электрические разряды дру­гой рыбы и может ответить на них изменением ритма своих разрядов, осуществляя таким обра­зом электрокоммуникацию.

В добавление к очень убедительной биологи­ческой аргументации Г. Лиссманн совместно с К. Мэйчиным провёл эксперименты по условно рефлекторной методике [3]. На их основе был выполнен подробный физический анализ модели, получены количественные оценки электрочув­ствительности рыб и определены возможности электролокации такого типа, предложены алго­ритмы повышения отношения сигнал/шум, бла­годаря которым можно приблизиться к физиче­ским пределам восприятия слабых электрических токов. Тройное описание слабоэлектрической рыбы - как биологического объекта, физической модели и инженерной модели - даёт хорошую ос­нову для бионического моделирования.

Привлекая физиков и инженеров к совмест­ным разработкам и объясняя им, как устроены рыбы, биологи должны, помимо разработки об­щей функциональной модели, ответить на мно­жество конкретных вопросов:

•  как устроены электрорецепторы и электро­генераторные ткани;

•  каковы пороги чувствительности и формы генерируемых разрядов;

•  каковы механизмы обработки электросен­сорной информации в мозге и особенности пове­дения слабоэлектрических рыб;

•  в чём сходство и в чём различие электроси­стем у рыб, принадлежащих к разным видам, и как это связано со степенью родства, с условиями обитания и образом жизни.

Несколько обстоятельств существенно облег­чают адаптацию результатов фундаментальных биологических исследований к их использованию в инженерной практике. Во-первых, биоников ин­тересуют в основном функциональные модели и физиологические механизмы электрогенерации, электрорецепции, обработки сенсорной инфор­мации и функционирования систем в целом. Язык

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 59

физиологии ближе к физико-техническому, чем язык других биологических направлений. Более того, всякий раз, когда есть возможность проде­монстрировать или хотя бы предположить нали­чие морфофункционального соответствия, пред­ложить механизм, поясняющий особенности по­ведения, или сравнить одинаковые феномены у представителей разных групп электрических рыб, физиологи охотно приводят и комментиру­ют соответствующие морфологические, анато­мические, этологические или таксономические сведения, то есть они берут на себя большую часть работы по адаптации биологических зна­ний к физико-техническому восприятию.

Во-вторых, описание электрической рыбы как бионического прототипа сопряжено с гораздо бо­лее мягкими требованиями к достоверности мо­делей, чем в биологической науке. Биолог обязан тщательно проверить, относятся ли все исходные данные для построения модели к рыбам одной группы или даже одного вида. Модель, построен­ная биологом, не должна противоречить ни одно­му известному факту, полученному для данного вида, либо оспаривать достоверность установле­ния этого факта. Биолог должен помнить об эво­люционных ограничениях - любой орган, любая функция имели свою эволюционную историю, и модель биолога не должна противоречить ей. Ин­женера больше интересуют сами идеи, предлагав­шиеся по ходу исследований, чем доказательства их достоверности применительно к рыбам. Рыба, которую хочет создать бионик, не имеет видово­го названия. Биологические идеи - это кубики, из которых бионик будет складывать свои компози­ции, и он вовсе не обязан включать все эти кубики в конечное решение. В любой момент времени инженер вправе заменить любой узел на другой, взятый из другой отрасли, изготовленный по дру­гой технологии и имеющий другую функцию. Хи­меры и конвергентная эволюция в технике вполне допустимы. Даже отвергнутые биологами гипоте­зы могут оказаться технически плодотворными, а достоверность и эффективность их применения будут определяться другими критериями.

Не секрет, что далеко не все специалисты счи­тают бионику плодотворным подходом к созда­нию новой техники. Многие учёные высоко ценят верность своей специализации и скептически от­носятся к призывам преодолеть разделение науч­ных дисциплин ради успеха прикладных разрабо­ток. Тем не менее совместная деятельность био­логов и физиков может быть чрезвычайно эффективной для науки и техники. Свидетель­ство тому - роль электрических рыб в истории формирование базовых идей и понятий общей теории электричества. Напомним основные эта­пы этой истории.

В гг. Дж. Уолш и Г. Кавендиш вы­полнили серию экспериментов с морскими нарко-выми скатами (Narkidae) и пресноводными элек­трическими угрями (Electrophorus electricus). К то­му времени биологи, испытавшие на себе сходство ощущений от воздействия лейденской банки и этих рыб, полагали, что природа разря­дов электрическая. Но физики возражали, по их мнению, проводящая среда полностью экраниру­ет электрические источники, а значит, электри­ческих рыб быть не может, как и иных электри­ческих явлений в воде. Чтобы разрешить проти­воречие между доводами биологов и физиков, Кавендишу фактически пришлось открыть элек­тростатическую аналогию, согласно которой то­ки в проводящей среде являются источниками электрического поля в той же мере, что и заряды в диэлектрической. Кавендиш изготовил физиче­скую модель электрической рыбы, с помощью которой показал, что в водной среде происходит ослабление токов и напряжений, однако не до полного нуля [4]. По мнению историков науки, эти исследования Уолша и Кавендиша имели су­щественное значение для становления общей тео­рии электричества и породили электродинамику проводящих сред [5, 6].

Другой пример - спор Л. Гальвани и А. Воль­ты. Один из главных пунктов разногласий - прин­ципиальны ли различия между электрическими органами электрических рыб и обычными нерв­но-мышечными комплексами? Гальвани утвер­ждал, что различия не принципиальны. Его экс­перименты показали, что электричество свой­ственно не только электрическим рыбам, но и всему живому. Любая мышца, любой нерв чув­ствительны к электрическим стимулам и способ­ны генерировать электрические импульсы. Вольта, повторивший опыты Гальвани, стоял на противопо­ложной точке зрения: электрические органы прин­ципиально отличны от обычных мышц и нервов. Созданная им модель электрической рыбы -вольтов столб - стала одним из величайших тех­нических изобретений человечества и фактиче­ским началом электротехники, а опыты Гальвани привели к возникновению электрофизиологии.

Бионический характер своих исследований Вольта не скрывал, напротив, он всячески под­чёркивал связь собственного изобретения с его биологическим прототипом: "Этот прибор, более сходный, по существу, с естественным электрическим органом электрическо­го ската или электрического угря и т. п., чем с лей­денской банкой и известными электрическими ба­тареями, я назову искусственным элек­трическим органом" [7, с. 74]. Следует отметить, что физические представления того времени не позволяли объяснить принцип дей­ствия вольтова столба и аналогия с биологиче-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

60

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

ским прототипом, по сути, была единственным основанием для изобретения Вольты.

В XIX столетии электрическая теория всё бо­лее резко отходит от своего медико-биологиче­ского прошлого. После того как М. Фарадей, ко­торый ещё интересовался животным электриче­ством и ставил эксперименты с электрическими угрями [8], фактически завершил феноменоло­гию макроэлектродинамики, Дж. Максвелл при­дал ей стройное математическое описание. Ссыл­ки на биологию стали казаться излишними, но в первых экспериментах по радиосвязи в качестве приёмника ещё выступала лягушачья лапка.

СПЕЦИФИКА ПОДВОДНОЙ СВЯЗИ НА ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ТОКАХ

После публикаций Лиссманна появились сооб­щения о попытках связи на гальванических токах в открытом море. Для приёма и передачи элек­трических сигналов было достаточно простых ди-польных антенн из двух металлических электро­дов и усилителей от бытовой полупроводниковой аудиотехники. Сообщалось о достижении дально­сти связи в сотни метров и даже километров при потребляемых мощностях порядка единиц-долей ватта [9-11]. В конце 1960-х годов эксперимен­тальные исследования возможностей подводной коммуникации на гальванических токах начались в Институте эволюционной морфологии и эколо­гии животных АН СССР (ныне Институт про­блем экологии и эволюции РАН - ИПЭЭ РАН). Под руководством был создан действующий макет системы подводной речевой связи (рис. 2), получивший название "Гимнарх" в честь открытий Лиссманна, первоначально сде­ланных на нильской щуке Gymnarchus niloticus.

Принятые речевые сигналы были различимы при удалении приёмника от передатчика на сотни метров - единицы километров. Следует отме­тить, что такие дальности возможны только на мелководье до глубин нескольких метров. С ро­стом глубины места, а также глубины погруже­ния передатчика и приёмника предельная даль­ность снижается и на произвольно больших глу­бинах составляет десятки метров. Но даже с этой оговоркой практическая значимость подобных устройств подводной связи была очевидной и нуждалась в теоретическом обосновании, по­скольку было широко распространено мнение, что беспроводная электромагнитная связь в мор­ской воде невозможна вообще.

Специфика подводной связи на гальваниче­ских токах состоит в первую очередь в том, что эта связь неволновая. Водная (проводящая) среда отличается от воздушной (диэлектрической) тем, что в воде не могут распространяться радиовол­ны. Это определяется характерным временем экранирования свободных зарядов. Время экра­нирования для воздуха около 300 с. Соответствен­но уже на частотах выше единиц герца экраниро­вание зарядов за один период несущественно, то есть эта среда - диэлектрическая. Время экрани­рования для пресной воды - доли микросекунд, а для морской - доли наносекунд. Если на оптиче­ских частотах водная среда может рассматривать­ся как диэлектрическая, то на частотах звукового диапазона или радиочастотах она является прово­дящей, то есть успевающей полностью экраниро­вать свободные заряды.

Проводящие и диэлектрические среды имеют разные характерные масштабы для распростра­няющихся электромагнитных волн. В диэлектри­ческих средах характерный пространственный

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1

2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 61

масштаб - это длина волны. Элемент среды, раз­мер которого равен длине волны, в равной степе­ни проявляет как индуктивные, так и ёмкостные свойства, то есть является резонатором на данной частоте. Резистивные свойства диэлектрической среды на расстоянии одной длины волны прояв­ляются слабо. На расстояниях от источника поля, заметно превышающих длину волны, в так назы­ваемой волновой зоне, поперечные компоненты напряжённости электрического и магнитного по­лей убывают обратно пропорционально первой степени расстояния, а не третьей степени, как вблизи источника. Продольная компонента зату­хает обратно пропорционально квадрату расстоя­ния и в волновой зоне становится пренебрежимо малой по сравнению с поперечными. Малое зату­хание поперечных компонент электромагнитно­го поля в волновой зоне определило вектор раз­вития радиотехнической методологии, возник­шей для анализа и практического использования поперечных электромагнитных волн.

В проводящей среде её ёмкостные свойства практически не заметны на фоне резистивных. Характерным размером становится толщина скин-слоя - расстояние, на котором индуктивные и резистивные свойства среды проявляются соиз­меримым образом. Элемент среды размером в один скин-слой представляет собой однозвенный низкочастотный фильтр. С ростом расстояния число звеньев этого фильтра увеличивается, и он всё сильнее (экспоненциально) гасит верхние ча­стоты. Статическое затухание, обратно пропор­циональное кубу расстояния, становится не худ­шим случаем, как в диэлектриках, а лучшим. Экс­поненциальное затухание в проводящих средах на расстояниях, заметно превышающих толщину скин-слоя, фатально. Его нельзя компенсировать увеличением ни мощности, ни размера антенн. Скажем, для частоты 4 кГц в морской воде тол­щина скин-слоя равна 4 м. Это означает, что на расстоянии 100 м ослабление составит десятки миллиардов раз. Для частоты 400 кГц такое зату­хание должно иметь место на расстоянии в 10 м.

Из-за невозможности волнового распростра­нения в воде радиофизики предпочитают анали­зировать не задачи прямой подводной связи, та­кие как электрокоммуникация у рыб, а ситуации, когда большая часть трассы связи приходится на воздушную среду. В этом случае возможно фор­мирование и распространение радиоволн [12-16]. Речь идёт, например, о системах глобальной связи с погруженными подводными лодками или о си­стемах управления торпедами, плывущими на от­носительно малых глубинах. Анализ таких задач позволяет применять стандартный радиофизиче­ский подход и рассматривать создание волн в воз­духе, распространение их вдоль водной границы и проникновение под воду. Даже если антенны пол­ностью зарыты в землю или погружены в воду,

они остаются радиофизическими - предназначен­ными для генерации и приёма радиоволн.

При анализе прямой подводной связи следует с большой осторожностью пользоваться некото­рыми привычными понятиями волновой физики, такими как поток вектора Пойнтинга, точечный электрод и резонанс. В противном случае стерео­типы радиофизической методологии приводят к неверной оценке возможностей гальванической связи (см., например, [17]). Так, широко распро­странённая физическая модель - диполь Герца, состоящая из двух маленьких шариков, разнесе­ние которых значительно превышает их радиусы, - неадекватная модель для анализа возможностей связи на гальванических токах. И размеры элек­тродов, и промежуток между ними должны быть соизмеримы с длиной антенны. Именно такие дипо­ли применялись уже в первых моделях ­сова, созданных с учётом знаний о строении элек­трических органов рыб [18, 19]. В дальнейшем со­трудники ИПЭЭ РАН выполнили подробный физический анализ гальванической связи, пред­ложили методики конкретных расчётов, провели многочисленные эксперименты в море, разрабо­тали и опробовали макеты связных устройств [20, 21]. В статье мы остановимся только на двух изученных проблемах - диаграмме направленно­сти и оценке эффективности и оптимизации ан­тенн для гальванической связи.

В отличие от поперечных радиоволн, при свя­зи на гальванических токах продольная и попе­речная компоненты поля соизмеримы, причём имеют разную зависимость амплитуды и фазы от частоты. Особенно заметно это проявляется на расстояниях, соизмеримых с толщиной скин-слоя, которые наиболее интересны, если мы хотим до­биться максимальной дальности и информативно­сти связи. В результате поле от линейного диполь-ного источника в большинстве случаев (кроме оси диполя и плоскости симметрии диполя) является эл­липтически поляризованным, при этом размер, ориентация и форма каждого эллипса определяют­ся расстоянием от источника и углом между направ­лением на него и осью диполя (рис. 3).

Зная структуру поля, можно предсказать, как будет меняться сигнал при изменении ориентации приёмной и передающей антенн - максимальный сигнал совпадёт с ориентацией приёмной антен­ны вдоль большой оси эллипса поляризации. На рисунке 3, в частности, видно, почему далеко не всегда справедливо утверждение одного из разработчиков устройств гальванической связи Н. МакЛеода: "Если приёмная антенна располо­жена под прямым углом к передающей, то наблю­дается узкий ноль сигнала... чтобы достичь мак­симума дальности связи следует добиваться па­раллельности диполей" [10, с. 21]. Это так только для двух частных случаев: когда угол между осью

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

62

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

передающего диполя и направлением на точку приёма равен 0 или 90°. Если же этот угол состав­ляет 50-60°, а расстояние между приёмником и передатчиком сравнительно невелико, то ситуа­ция обратная: параллельность антенн даёт мини­мум сигнала, а перпендикулярность - максимум. В случае же произвольных углов и расстояний в связи с эллиптической поляризацией электромаг­нитного поля всё обстоит гораздо сложнее, в част­ности ноль сигнала может отсутствовать вообще.

В выбранном диапазоне частот всё, что мы мо­жем сделать для повышения дальности связи, - это добиться максимума дипольного момента Il, где I - ток в диполе, а l - эффективная длина ди­поля. Коэффициент, связывающий мощность (Р) в антенне с дипольным моментом, можно исполь­зовать в качестве критерия эффективности ан­тенны: Il = √αeP. При этом речь идёт не о волно­вой мощности, а об используемом в электротех­нике произведении квадрата силы тока на модуль импеданса (Р = I2Z). Отсюда αе = l2/Ze, то есть эф­фективность электрических антенн характеризу­ется отношением квадрата эффективной длины диполя к модулю импеданса. Чем больше разне­сение электродов и чем ниже их сопротивление, тем эффективнее антенна, то есть тем больше ве­личина сигнала, создаваемого антенной на удале­нии от источника при фиксированной мощности в источнике. Чтобы уменьшить импеданс, размеры электродов надо увеличивать. Однако если уве­личение размера электродов производится за счёт уменьшения промежутка между ними, то это приводит к падению эффективной длины диполя. Оптимум, как правило, достигается, когда про­дольный размер электрода примерно равен вели­чине промежутка между электродами. На низких частотах могут существенно сказываться сопро­тивление и ёмкость двойного слоя "проводник-вода". Для уменьшения их вклада в полный импе-

данс выбирают "правильный" материал электро­дов, например нержавеющую сталь или угольные ткани, а также полируют или увеличивают пло­щадь поверхности электрода.

В начале 1980-х годов в Дальневосточном фи­лиале НПО "Промрыболовство" была разрабо­тана система локальной связи между акваланги­стами (руководитель группы разработчиков ёв) при консультативном участии со­трудников ИПЭЭ РАН [21, 22]. Было изготовле­но пять комплектов, которые после успешных ис­пытаний были переданы в опытную эксплуата­цию. На акватории Тихого океана, на Чёрном и Карском морях аквалангисты использовали эту систему локальной связи при проведении иссле­довательских и судоремонтных работ, подводных киносъёмок в археологической экспедиции, а также в хозяйствах марикультуры. Дальность связи на глубинах до 10—15 м составляла 100-150 м. При увеличении длины антенны надводной стан­ции до 300 м дальность односторонней связи "бе­рег-вода" достигала 2 км. Связь осуществлялась на частотах речевого диапазона Гц. К преимуществам речевой связи на токах прово­димости перед акустической связью относятся: лучшая разборчивость речи, отсутствие ревербе­рации, сохранение связи при наличии между аква­лангистами водорослей, подводных скал, аэриро­ванных слоев воды. Малая зависимость (при даль­ности до 30 м) речевой связи от взаимной ориентации отмечалась во всех экспериментах и ис­пытаниях. Уже в ближайшее время можно ожидать появления более эффективных устройств подвод­ной токовой связи как для аквалангистов, так и для автономных подводных устройств, построен­ных с учётом возможностей современной элек­троники и новых материалов.

КОНТРОЛЬ ПЕРЕКОСОВ ТРАЛА

Дальность современных технических средств связи заметно превышает расстояния, на которых люди могут разговаривать без помощи техники. Поэтому вопрос о достижении больших дально­стей представлялся главным для оценки практи­ческой значимости этого вида связи. При выра­ботке инженерных рекомендаций мы исходили из необходимости излучать как можно более силь­ные и принимать как можно более слабые элек­трические сигналы. Соответственно, разрабатывая устройства связи, мы в гораздо большей степени опирались на физическую, а не бионическую мето­дологию.

Вообще говоря, выполненный нами физиче­ский анализ, как и опыт регистрации слабых электрических и магнитных сигналов в морской и пресной воде, оказался полезен и для электроэко­логических исследований. Так, с помощью аппа­ратуры, созданной в ходе выполнения приклад-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 63

ных работ, были впервые зарегистрированы электрические разряды слабоэлектрических со­мов непосредственно в месте их обитания - в озе­ре Чамо (Эфиопия) [23]. Однако сама задача обеспечения максимальной дальности и инфор­мативности связи и такие её аспекты, как струк­тура поля на расстояниях, превышающих толщи­ну скин-слоя, или возможность использования по­верхностной волны и длинных береговых антенн, большого интереса для исследований электро­коммуникации рыб не представляла. Скажем, мы выполнили множество экспериментов по реги­страции электрических разрядов при парных вза­имодействиях сомов Clarias macrocephalus, изме­ряя амплитуды электрических разрядов непосред­ственно на теле рыбы и на некотором расстоянии от неё [24]. Сопоставив эти результаты с данными об электрочувствительности сомов, можно было бы прийти к заключению о дальностях коммуни­кации больше 1 м. Однако реальные поведенче­ские ситуации, в которых наблюдался обмен раз­рядами, соответствуют только случаям, когда рыбы находятся почти вплотную друг к другу, преиму­щественно на расстоянии 1—4 см.

Современные модели электрических рыб стро­ятся на основе детальных представлений о физио­логических характеристиках и морфологических особенностях электрорецепторов, электрических органов и центральных структур, участвующих в обработке электросенсорной информации и управлении электрическими органами. Электро-ориентационные системы рыб представляют со­бой сложный многоуровневый комплекс, вклю­чающий множество электрических клеток, десят­ки тысяч рецепторов, сотни тысяч нейронов. Казалось бы, бионики должны стремиться к бо­лее полному использованию всех имеющихся све­дений об электрических рыбах, например сразу начинать с оснащения подводных аппаратов мно­гоэлектродными системами Р - и Т-рецепторов [25]. Но если уж рассматривать бионику как био­логическую метафору, то надо честно следовать эволюционному подходу: начать с совсем простой модели и постепенно шаг за шагом наращивать её сложность. При этом надо всякий раз иметь перед глазами какую-нибудь конкретную цель. По­скольку самой близкой нам практической обла­стью в конце 1980-х годов было рыбное хозяйство и промышленное рыболовство, то мы обратились к специалистам рыбной отрасли с просьбой назвать проблемы, наиболее актуальные и наименее удо­влетворительно решённые. Первой была названа задача контроля перекосов трала.

Отечественные промысловые тралы имеют длину до 200 м, ширину до 77 м. Буксировка трала за рыболовным судном осуществляется с помо­щью ваеров - длинных (до 2 км) стальных тросов, каждый из которых закреплён на отдельном ба­рабане траловой лебёдки, так что в процессе тра-

ления можно регулировать взаимную длину вы­травленной части ваеров. Достоверно известно, что небольшие изменения взаимной длины (пере­травки), вызывающие перекос орудий лова, мо­гут резко снижать эффективность лова.

Мы решили, что с позиций бионики трал мож­но рассматривать как размещённую в безгранич­ной проводящей среде большую прозрачную для тока оболочку с собственной координатной сет­кой, в узлах которой можно расположить источни­ки и приёмники электрического поля. В качестве основы для решения задачи контроля перекосов трала была взята простейшая четырёхэлектродная функциональная модель, предложенная в осново­полагающей статье Лиссманна "О функции и эво­люции электрических органов рыб" [2] для иллю­страции принципа электролокации (рис. 4).

Согласно Лиссманну, основное назначение че-тырёхэлектродной модели - измерять нарушения симметрии. Эти нарушения могут возникать вследствие либо наличия каких-нибудь объектов вблизи электродов, либо смещений самих элек­тродов относительно друг друга. Соответственно, для регистрации перекосов достаточно закрепить в точках, расположенных вдоль продольной оси трала, электроды, связанные с измерителем по­тенциала, а поперёк оси трала - электроды, со­единённые с генератором тока. Пока регистриру­ющие электроды симметричны относительно из­лучающих, регистрируемое напряжение равно

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

64

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

нулю, при перекосе регистрирующий электрод будет удаляться от одного из излучающих элек­тродов и приближаться к другому. Соответствен­но, потенциал регистрирующего электрода будет определяться степенью перекоса, а фаза - знаком перекоса (вправо, влево).

Расчёты показывают, что если характерный размер электродов порядка 5 см, расстояния меж­ду соседними электродами 2 м, а разность потен­циалов на выходе генератора тока 1 В, то измене­ние угла на 0.01° вызывает изменение регистри­руемой разности потенциалов на 3 мкВ. Такая (и даже гораздо меньшая) разность потенциалов вполне может быть измерена без использования больших мощностей, громоздких антенных кон­струкций или сверхмалошумящих усилителей. При обработке сигналов целесообразно приме­нять синхронное детектирование, теоретически обоснованное для слабоэлектрических рыб [2] и позже подтверждённое экспериментально для клюворылообразных [26].

Во многих случаях электроды следует разме­щать не вдоль и поперёк оси трала, а вдоль нитей, из которых связано сетное полотно. Это позволя­ет измерить усреднённый угол ромбов ячеи. При перекосах трала, например, влево левые ромбы ячеи сжимаются, а правые - вытягиваются. Соот­ветственно, целесообразно разместить на трале два контролирующих устройства - слева и справа от продольной оси - и сопоставлять измеренные ими углы ромбов. При размещении трёх электро­дов на одной линии и жёстком закреплением рас­стояния между двумя из них можно контролиро­вать растяжения фалов и нитей.

Созданные нами макеты системы контроля перекосов орудий лова (рис. 5) были испытаны в октябре 1985 г. на большом морозильном трауле­ре "Мыс Бабушкина" при пелагических и донных тралениях в Татарском проливе и на сейнере "Ор-жев" Дальневосточной базы флота в октябре 1989 г. Испытания подтвердили высокую чув­ствительность этой системы к перекосам, нагляд­ность отображаемой информации и её пригод­ность для управления тралом.

Общение с представителями рыбной отрасли как в России, так и за рубежом показывает, что заинтересованность в таких системах не только сохранилась, но даже возросла. Особенно акту­альными эти средства контроля должны стать в связи с введением Европейским союзом ряда за­претов на некоторые типы ячеи сетного полотна тралов. Тем не менее перспективы массового вы­пуска таких приборов в нашей стране остаются более чем туманными. Проблема упирается в традиционные трудности внедрения академиче­ских разработок в промышленность.

Новая система отношений между бюджетны­ми и коммерческими структурами сегодня ориен­тирована на права собственности. Между тем ав­торские права и права собственности, возникаю­щие на стадии оформления патентов и при получении начального финансирования на общие исследования, не учитывают интересов разработ­чиков действующих макетов и опытных образ­цов, которые только и могут довести идею "до ума". В результате при существующей ныне в Российской академии наук системе начисления баллов для оценки результативности научной де­ятельности сотрудников выгоднее бросить разра­ботку сразу после получения патента и публикации общих идей, чем доводить её до товарного вида. Ре­форма академии, предполагающая повышение зар­платы только научным сотрудникам, делает ситу­ацию с инженерами и технологами ещё сложнее. Пока эти общие проблемы не решены, трудно ждать, что Академия наук будет эффективно вы­полнять функции инкубатора новой наукоёмкой продукции.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 65

Если продолжить бионическую аналогию и со­поставить судьбу технических инноваций с про­блемой возникновения новых биологических структур, таких как электрические органы и электрорецепторы, то при внедрении электро-ориентационных устройств мы сталкиваемся с той же проблемой, которая в литературе по сла­боэлектрическим рыбам известна как загадка Дарвина, или проблема переходных форм. Как возникли электрические рыбы? Как на протяже­нии многих поколений складывалась эта сложная взаимоувязанная система рецепторов, электроци-тов и структур мозга, пока она не обрела конеч­ную эффективность? Как переходная форма смогла преодолеть барьер выживания, оказаться конкурентоспособной по отношению к зрелым формам, вписаться в экосистему? К сожалению, в физико-технических вузах будущих инженеров не знакомят даже с общими идеями эволюционной теории и экологии. В результате от руководите­лей, которые формируют инновационную поли­тику в стране, можно услышать, что всякая науч­но-исследовательская разработка должна закан­чиваться опытно-конструкторской, а последняя - серийным устройством. Такой подход полностью противоположен идее естественного отбора. Нельзя гарантировать каждому сперматозоиду право стать человеком - земли не хватит. Вместе с тем низкая выживаемость молоди может быть следствием не только естественных процессов, но и проявлением неблагоприятной экологии, тре­бующей корректировки среды. В переводе на технический язык это означает, что мы должны уметь анализировать, почему разработки, казав­шиеся перспективными, остались не востребова­ны и почему бионика, популярная в конце 1960-х го­дов к 1980-м полностью сдала свои позиции в на­шей стране. Одна из возможных причин - отсутствие стимулов и оценок для деятельности, заполняющей промежуток между уже известны­ми научными идеями и работающими промыш­ленными образцами.

ЗАДАЧА ПОСТРОЕНИЯ

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО

ИНКЛИНОМЕТРИЧЕСКОГО СЕНСОРА

Инклинометрические сенсоры предназначены для измерения углового положения объектов от­носительно вектора силы тяжести. Они нужны в океанологии и океанографии, медицине, геофи­зике, топографии, компьютерных системах, стро­ительстве, спорте, сельском хозяйстве, военной технике. Только в США с 1969 г. на различные ва­рианты инклинометрических сенсоров выдано около 400 патентов. В России до 1993 г. ежегодно выдавалось от пяти до 15 авторских свидетельств, а после изменения патентного законодательства один-три. В мире выпускаются сотни модифика-

ции инклинометрических сенсоров и готовых ин­клинометров на их основе. Число компаний-про­изводителей инклинометрических сенсоров ис­числяется десятками, а общие тиражи изделий -миллионами.

Помогает ли инженерам при создании таких сенсоров знание результатов исследования элек­трических рыб? Прежде чем ответить на вопрос, рассмотрим современные модели слабоэлектри­ческих рыб.

Две группы электрических рыб в наибольшей степени используют электрические поля в ин­формационных целях: это южноамериканские гимнотообразные, например Apteronotus albifrons, генерирующие разряды волнового типа (рис. 6, а), и африканские клюворылообразные, например Gnathonemus petersil, генерирующий разряды пульсирующего типа (рис. 6, б). Хотя функцио­нальная модель Лиссманна справедлива для всех представителей названных отрядов, разработаны и более детальные модели, учитывающие видо­вую принадлежность и тип разрядов рыбы, в частности, модели В. Хейлигенберга для волно­вых гимнотообразных [27, 28] и К. Белла для пульсирующих клюворылообразных [26, 29].

У этих моделей много общего, поскольку мно­го общего в строении, физиологии и функциони­ровании электросистем у гимнотообразных и клюворылообразных. Каждая особь, относящая­ся к этим двум отрядам, имеет электрорецепторы двух морфологических типов - ампулярные и бу­горковые. Они заметно различаются по своим

5 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

66 ОЛЬШАНСКИЙ и др.

функциональным характеристикам. Более чув­ствительные ампулярные предназначены для вос­приятия низкочастотных стимулов длительно­стью порядка десятков миллисекунд и более. К таким стимулам относятся, в частности, неспе­циализированные проявления электрической ак­тивности водных организмов, например элек-тропневмограммы - электрические токи, сопро­вождающие дыхание рыб. Бугорковые рецепторы предназначены для восприятия специализирован­ных электрических разрядов - своих собственных для целей локации и чужих для целей коммуника­ции. Бугорковые рецепторы делятся на несколь­ко функциональных типов, причём у каждой ры­бы есть кодировщики амплитуды и кодировщики времени. Число электрорецепторов у одной осо­би исчисляется десятками тысяч.

Одним из основных различий между моделью Хейлигенберга, построенной для гимнотообраз-ных, и моделью Белла, построенной для клюво­рыл ообразных, является отсутствие в первом слу­чае и наличие во втором специальной связи меж­ду командным ядром, управляющим запуском электрического разряда, и электросенсорной зоной, осуществляющей первичную обработку нервных импульсов, которые поступают от элек­трорецепторов. У клюворылообразных между командным центром и электросенсорной долей существует прямая связь, по которой поступают импульсы, блокирующие или, напротив, усилива­ющие ответы рецепторов разных типов во время собственных разрядов. Таким образом, задачи ло­кации и коммуникации разносятся во времени. У гимнотообразных нет прямой центральной свя­зи между командным ядром и электросенсорной долей боковой линии. При этом происходит трансформация исходного сигнала в образы на амплитудно-фазовой плоскости, которые строят­ся на соматотопических структурах электросен­сорной зоны мозга.

Современные модели электрогенерации у рыб также заметно отличаются от простых диполь-ных источников поля. В первых моделях Лиссманна электрические органы описывались как диполи, причём особое внимание обращалось на механизмы, обеспечивающие синхронность воз­буждения электроцитов. Но позже было показа­но, что по крайней мере у некоторых электриче­ских рыб, в первую очередь гимнотообразных, электрогенераторные структуры возбуждаются поблочно, или посегментно. За счёт посегментно-го срабатывания форма разряда разная в разных точках поверхности рыбы, и вектор напряжённо­сти поля за время генерации одного разряда мо­жет заметно изменить направление. Это приво­дит к возникновению фазовых сдвигов, что осо­бенно важно для модели Хейлигенберга, согласно которой воспринимаемый электрический стимул

трансформируется в образ на амплитудно-фазо­вой плоскости.

Итак, современные модели электрических рыб полифункциональны, приёмные системы включают тысячи разнесённых приёмников, ис­точники имеют сложную структуру, в мозге осу­ществляется параллельная обработка образов. И хотя по частотным характеристикам электро­рецепция ближе к акустике, её чаще называют "электровидение", а систему электрорецепторов со времен Лиссманна именуют "электрической сетчаткой". При этом электрические образы строятся с учётом информации от всех сенсорных систем, включая зрение и проприорецепцию [26].

Вернёмся к практической задаче разработки инклинометрического сенсора. Он содержит нечто, что смещается при изменении углового положе­ния сенсора относительно вектора силы тяжести, например маятник, пружинку или пузырёк возду­ха в жидкости, а также некое устройство, преоб­разующее это смещение в электрический сигнал. Наиболее распространены электролитические инклинометры, имеющие полость, заполненную проводящей жидкостью с пузырьком или маятни­ком и систему электродов. Внутри полости воз­буждают электрическое поле и по величине со­противления между электродами или по величи­не потенциала на регистрирующем электроде определяют угол отклонения пузырька либо ма­ятника.

Если сравнивать существующие и заявленные в патентах конструкции инклинометрических сенсоров, то конкретные недостатки одних реше­ний устранены в других, однако два главных недо­статка всё ещё не преодолены. Первый - нели­нейная зависимость выходного сигнала от угла наклона и заметное ухудшение точности при рас­ширении диапазона измеряемых углов. Этот не­достаток сказывается не только в применениях, требующих полного диапазона углов - от нуля до 360°, но и при создании любых векторных сенсо­ров, если в их состав входят два или три одномер­ных сенсора, оси чувствительности которых вза­имно ортогональны. Производитель должен в этом случае обеспечить при изготовлении высо­кую точность ортогональности, что для чувстви­тельности порядка 0.01° сделать довольно труд­но. Нелинейность зависимости электрического сигнала от угла обусловлена неоднородностью электрического поля, создаваемого в полости сенсора (рис. 7). Для преодоления этого недостат­ка нелинейность либо компенсируют, либо вво­дят дополнительные электронные узлы с коррек­тирующей характеристикой или математические поправки, учитываемые процессором при пере­воде потенциала в угол.

Второй недостаток состоит в том, что в суще­ствующих сенсорах угол наклона преобразуется в

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 67

величину, зависящую не только от этого угла. Определяем ли мы, как изменяются сопротивле­ние в случае проводящих жидкостей или ёмкость в случае диэлектрических жидкостей, либо измеряем амплитуду потенциала на регистрирую­щем электроде - всегда измеряемая величина за­висит от геометрии жидкости внутри полости и изменений её физических свойств, которые в свою очередь зависят от температуры и давления в сенсоре. Разумеется, все эти зависимости можно в какой-то степени учесть и компенсировать, но в идеальном варианте хотелось бы, чтобы их не было изначально.

Для построения инклинометрического сенсо­ра, лишённого названных недостатков, возьмём в качестве базовой модель Хейлигенберга для рыб с волновым типом разряда. Согласно этой моде­ли, воспринимаемые электрические поля транс­формируются в образы на амплитудно-фазовой плоскости. При этом электрические рыбы демон­стрируют удивительно высокое разрешение по фазе: они чувствуют микросекундные задержки ритма генерации при среднем периоде собствен­ных разрядов в десятки миллисекунд [30]. С точки зрения современной техники микросекундное (и даже пикосекундное) разрешение интервала времени не кажется фантастическим, но у рыбы все нервные процессы происходят с характерны­ми временами около единиц миллисекунд, поэто­му чувствительность к микросекундным измене­ниям впечатляет.

Напомним, что в волновой физике временные задержки, или набеги фазы, определяются скоро­стью распространения прямого и отражённого сигналов от источника до цели, а затем от цели к приёмнику. При статической локации в проводя­щей среде этими задержками распространения можно пренебречь. В инклинометрах фаза сигна­ла на приёмном электроде либо совпадает с фа­зой сигнала на токовом электроде, либо отлича­ется на 180°. Откуда берётся набег фазы у элек­трических рыб?

Два ответа на этот вопрос были предложены в гг. Первый - полный импеданс как са­мой рыбы, так и лоцируемых ею биологических объектов имеет соизмеримую резистивную и ём­костную компоненты. При изменении положения объекта относительно источника действительная и мнимая части импеданса меняются по-разному и, соответственно, меняется фаза сигнала в точ­ках регистрации. Таким образом, в простой четы-рёхэлектродной модели мы имеем дело не с ак­тивным четырёхплечим мостом и четырьмя со­противлениями, а с мостом переменного тока и комплексными импедансными нагрузками. Вто­рой ответ на вопрос о причинах набега фазы - су­перпозиция собственных полей рыбы с близкими по частоте разрядами других рыб. Именно бие-

ния, возникающие при суперпозиции электриче­ских разрядов от двух близко расположенных волновых электрических рыб, позволили Хейли-генбергу создать и экспериментально исследо­вать модель, описывающую реакции избегания помех, и установить роль различных структур мозга в обработке электросенсорной информа­ции. Но если речь идёт о локации пассивных объ­ектов, не создающих собственных электрических полей, то говорить о фазовых набегах за счёт су­перпозиции не приходится.

В последние годы активно обсуждается третья причина фазовых набегов - сложное устройство электрического органа рыб, который состоит из множества электрических клеток - электроцитов. Каждый электроцит имеет отдельную иннер­вацию, и в зависимости от того, насколько одно­временно поступают нервные импульсы, электроциты генерируют разряд либо синхронно, либо с задержками относительно друг друга [31, 32]. В публикациях 70-х годов прошлого века обсуж­дались механизмы, обеспечивающие одновремен­ность срабатывания электроцитов, но отмечались "несовершенства" устройства электрических орга­нов. В 90-х годах этим "несовершенствам" было да­но функциональное объяснение: разные фазы разряда формируются разными сегментами элек­трического органа [33, 34], размеры электриче­ского органа соизмеримы с размером рыбы и рас­стоянием до мишени. В процессе разряда различ­ные сегменты срабатывают последовательно, и рыба как бы сканирует окружающее её про­странство. Поскольку лоцируемый объект нахо­дится на разном удалении от разных сегментов электрического органа, объект в зависимости от своего местоположения по-разному искажает разные фазы сигнала. Следовательно, информа­ция о фазе искажения становится не менее важ­ной, чем информация об амплитудных изменени­ях. При этом фазовая информация в гораздо

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

5*

68

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

меньшей степени подвержена влияниям парамет­ров внешней среды, например изменениям элек­тропроводности воды.

Все эти идеи могут быть привлечены для со­здания новой концепции построения электроли­тических инклинометрических сенсоров, которая предусматривает следующие шаги:

• обеспечение максимальной симметрии;

•  создание распределённого источника тока, который обеспечивает пространственное скани­рование области возможного нахождения объек­та (пузырька газа или металлического маятника в электролите, заполняющем полость сенсора) и вызывает соответствующие изменения не только амплитуды, но и фазы регистрируемого сигнала;

•  трансформирование искажения поля в образ на амплитудно-фазовой плоскости и разделение фазы и амплитуды, при этом точностные харак­теристики должны улучшаться за счёт простран­ственной и временной интеграции регистрируе­мых сигналов.

Наиболее очевидный путь обеспечения сим­метрии - выполнение полости в виде цилиндра и симметричное расположение электродов относи­тельно его оси. Этот принцип широко использу­ется в инклинометрах. Для построения сегменти­рованного источника нужно взять несколько электродов и последовательно подключать их к источнику тока. Чем больше электродов, тем бо­лее плавно меняется фаза. Очевидно, что, в отли­чие от электрических рыб, мы можем использо­вать полный диапазон фаз в 360° и равномерно распределить фазы между всеми токовыми элек­тродами. В этом случае в полости сенсора поле будет вращаться относительно оси симметрии. Если бы внутри полости не было неоднородностей (пузырька или маятника), то вследствие сим­метрии в центре полости мы бы всегда имели ну­левой потенциал. Наличие неоднородности при­водит к тому, что симметрия нарушается и потенциал регистрирующего электрода стано­вится отличным от нуля, причём фаза потенциала

соответствует угловому положению неоднород­ности.

Развиваемый подход позволяет сформулиро­вать понятие идеального инклинометрического сенсора. У такого сенсора, если его вращать во­круг оси симметрии, на регистрирующем элек­троде меняется только фаза, но не амплитуда по­тенциала. Наклоны идеального инклинометриче­ского сенсора в плоскости, проходящей через его ось симметрии, могут приводить к изменению ам­плитуды, но не фазы напряжения на регистриру­ющем электроде. Чем больше число электродов, тем ближе к идеалу зависимость амплитуды и фа­зы от угла (рис. 8).

Однако значительное увеличение числа элек­тродов означает качественное усложнение элек­тронной части макетов. В макетах с двумя или че­тырьмя токовыми электродами мы использовали встроенные цифроаналоговые преобразователи дешёвых микроконтроллеров. Их быстродей­ствия, как и разрядности, вполне достаточно для традиционных технических решений. Если же мы применяем 32 электрода и, соответственно, гене­рируем 32 управляющих сигнала, например 32 си­нусоиды, то мы должны иметь 32-канальный цифроаналоговый преобразователь. Увеличение числа электродов сопряжено с уменьшением раз­меров каждого из них. Чем меньше электрод, тем сильнее влияние электрохимических процессов на границе "электрод-электролит" на результа­ты измерения, в том числе на стабильность фазы сигнала. Чтобы ослабить это влияние, надо при­менять достаточно высокие рабочие частоты - в десятки килогерц. Пусть, например, мы хотим обеспечить рабочую частоту около 30 кГц (пери­од около 32 мкс). Если каждый период синусоиды мы формируем по 32 точкам, то каждую точку мы должны выставить за 1 мкс. Если у нас 32 то­ковых электрода и если мы выставляем напряже­ния на них последовательно, то на обслуживание одного токового электрода у нас остается только 30 не, причём за это время нужно также провести

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 69

измерение сигнала и его предварительную обра­ботку на регистрирующем электроде. В такой ситу­ации целесообразно перейти от последовательных устройств к параллельным, например к программи­руемым логическим интегральным схемам, выпус­каемым с использованием нанотехнологий. В на­ших макетах мы применяли базовые матричные

микросхемы Spartan-З фирмы "Xilinx", изготов­ленные по технологии 90 нм.

Какова конечная цель, оправдывающая эти сложности? Она очевидна - борьба за динамиче­ский диапазон в 7, а в перспективе в 9 десятичных порядков. Современные инклинометры имеют

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

70

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

ную систему последовательно возбуждаемых электродов разместить в открытой водной среде, то можно создать вращающееся локальное поле гальванических токов, например, в месте прове­дения аварийно-спасательных или подводных ар­хеологических работ (рис. 11), чтобы обеспечить точную ориентацию подводных пловцов и марки­ровку позиций найденных объектов. При этом каждый элемент такой системы может быть про­стым и дешёвым.

Подавая на излучающие электроды ориента-ционной системы единицы вольт и регистрируя на приёмных электродах единицы нановольт (тепловые шумы составляют доли нановольта) мы можем расширить динамический диапазон до 9 десятичных порядков по амплитуде. Используя частоты в десятки герц и измеряя фазу с точно­стью до долей наносекунды, мы также имеем око­ло 9 порядков. Таким образом, можно рассчиты­вать на высокую точность определения положе­ния в системах токовой электроориентации.

точность около 0.01°, то есть динамический диа­пазон в 4-5 десятичных порядков. Мы хотим вый­ти на точности не хуже долей угловой секунды в полном диапазоне углов - от нуля до 360°. Это означает, что мы должны обеспечить соответ­ствующие точности измерения фазы.

Механическая часть сенсора также должна из­готавливаться с применением нанотехнологии. В наших макетах использовались маятники, за­креплённые на оси на подшипниках (рис. 9). Ке­рамические шарики этих подшипников имеют шероховатость порядка 3.0-3.6 нм, шерохова­тость обойм подшипника в 10 раз больше. Для на­ружной обоймы, имеющей радиус около 8 мм, от­клонение на один градус соответствует 70 мкм, а на одну угловую секунду - 20 нм, то есть меньше, чем шероховатость обоймы. Из-за этого в экспе­риментах, в которых мы задавали малые угловые отклонения (единицы-десятки угловых секунд), мы наблюдали отчётливый гистерезис и наруше­ние соответствия "угол наклона = угол фазы" (рис. 10). Иными словами, после того, как мы на­учились измерять положение маятника относи­тельно электродной системы с точностью единиц угловых секунд, на первый план вышла проблема механического несоответствия положения маят­ника направлению вектора силы тяжести. За эти­ми техническими подробностями стоит вопрос о том, какие физические ограничения определяют порог разрешения при электростатической лока­ции и ориентации.

Инклинометрический сенсор мы рассматрива­ли в качестве частного случая ориентационной системы для проводящих сред. Если распределён-

* * *

В истории науки и техники было немало случа­ев, когда эксперименты биологов требовали кар­динальных изменений существовавших физиче­ских представлений, некоторые из них приведены в начале статьи. Но и тогда, когда обсуждаемые в биологии модели апеллируют к сложившимся представлениям, в бионический анализ вовлека­ются вопросы, которые обычно остаются в стороне при чисто физическом рассмотрении, например, во­просы цели, целостности, эволюции и экологии.

При физическом анализе цель возможного применения рассматриваемой модели вносится извне или может вообще не обсуждаться. Для электроэкологов назначение электрического ор­гана или ампулярных рецепторов - объект иссле­дования. При этом биологическая структура мог­ла первоначально иметь одну функцию, а потом заменить её на другую. Скажем, ампулярный ор­ган мог на ранних стадиях эволюции возникнуть как механорецептор, а потом "переквалифициро­ваться" в электрорецептор. У физической модели может не быть предыстории или будущего разви­тия. В биологии объединённая электрорецепторно-электрогенераторная система рассматривает­ся в эволюционном аспекте. Физическая модель может представлять собой одно элементарное це­лое, любая биологическая система состоит из вза­имоувязанных частей и сама является частью бо­лее общей системы. Физическая модель может быть представлена в воображаемом пустом про­странстве или очень упрощённой среде, биологи­ческая всегда относится к конкретной группе жи­вотных, обитающих в реальном мире в конкретной экологической нише, имеющей свою специфику. Все эти вопросы близки инженерам, которых ин-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЫБЫ - БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОТОТИП НОВОЙ ТЕХНИКИ 71

тересуют и возможная смена функционального назначения, и принципы стыковки частей в целое, и рекомендации по совершенствованию на основе предыстории разработок, и привязка разработки к условиям её будущей эксплуатации.

Настаивая на перспективности бионической методологии, мы исходим из того, что в физиоло­гических моделях заложен огромный запас идей и возможностей по сравнению с теми технически­ми макетами, которые мы реально сегодня мо­жем сделать. Приведённые в статье примеры тех­нических разработок, очевидно, проще электро-ориентационных систем слабоэлектрических рыб, но, тем не менее, даже в таком виде наши разра­ботки имеют явную практическую значимость. Большое количество рецепторов, электроцитов и нейронов, участвующих в обработке электро­сенсорной информации, обеспечивают биологи­ческим системам качественные преимущества по сравнению с их малоэлектродными аналогами. Даже на простой модели инклинометрического сенсора отчётливо видно, как много дают увели­чение числа электродов и параллельная обработ­ка информации. Между тем 32 электрода инкли­нометра - это не десятки тысяч рецепторов "электрического глаза" рыбы. Технические мо­дели по крайней мере на три порядка уступают своим биологическим прототипам и по чувстви­тельности - электрорецепторы воспринимают токи порядка долей наноампера, а в наших моде­лях пока надёжно используются только микроам­перы. С первых экспериментальных исследований электрорецепции стало ясно, что возможность до­стижения физических пределов электровосприя­тия сопряжена с особенностями организации сен­соров на молекулярном уровне - с тем, что рыба умеет "считать" электроны и ионы поштучно.

Соответственно, перспективы создания мно­гоэлектродных комплексов, гораздо более при­ближённых к натуральным системам электрови­дения рыб, чем описанные выше, связаны в первую очередь с прогрессом в области электро­ники и нанотехнологий. Живые аналоги могут служить путеводной звездой, в какой-то степени позволяя "подсмотреть ответ" или воспользо­ваться рыбой как готовым "наноизделием", по­добно тому как во времена Гальвани лягушки вы­ступали в роли гальванометра, заменяя не суще­ствовавшие тогда микроамперметры и приближая время их создания.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ и программы "Ведущие научные школы".

ЛИТЕРАТУРА

1. Lissmann H. W. Continuous electric signals from the tail offish, Gymnarchus niloticus // Nature. 1951. V. 167. P. 201.

2.  Lissmann H. W. On the function and evolution of electric organs in fish // Journ. Exp. Biol. 1958. V. 35. P. 156-191.

3.  Lissmann H. W., Machin K. E. The mechanism of object location in Gymnarchus niloticus and similar fish // Journ. Exp. Biol. 1958. V. 35. P. 451-486.

4.  Cavendish H. An account of some attempts to imitate the effects of the Torpedo by electricity // Philos. Trans. Roy. Soc. 1776. V. 66. P. 196-225.

5.  Piccolino M., Bresadola. Drawing a spark from dark­ness: John Walsh and electric fish // Trends in Neuro-sciences. 2002. V. 25. P. 51-57.

6.  Piccolino M. The bicentennial of the Voltaic battery (): the artificial electric organ // Trends in Neurosciences. 2000. V. 23. P. 147-151.

7.  Об электричестве, возбуждаемом про­стым соприкосновением различных проводящих ве­ществ. Письмо к сэру И. Банксу от 01.01.01 г. // ММ. Радовский. Гальвани и Вольта. М.-Л.: ГЭИ, 1941.

8.  Заключение о характере направления электрической силы у электрического угря // Экс­периментальные исследования по электричеству. Т. 2. М.-Л.: ОГИЗ, 1951. С. 28.

9.  Conover E. A. Experimental conduction current signal system // IEEE Int. mun. Digest. Minneapo­lis: Minn, 1967.

10.  MacLeod N. Electric diver communication: Non acoustic system can operate in noisi environments // Sea Technol. 1977. May. P. 21,48.

11.  Bogie I. S. Conduction and magnetic signalling in the sea. A background rev. // Radio and Electron. Eng. 1972. V. 42. P. 447-^152.

12.  KraichmanM. B. Handbook of electromagnetic propaga­tion in conducting media // Wash. (D. C.): US Gov. print, off., 1970.

13.  Rowe H. E. Extremely low frequency (ELF) communica­tion to submarines //IEEE mun. 1974. V. 22. P. 371-385.

14.  Burrows ML. ELF communication antennas. Peregri-nus, 1978. P. 80.

15.  Bannister P. R. New simplified formulas for ELF subsur-face-tosubsurface propagation // IEEE Journ. Ocean. Eng. 1984. V. 9. P. 154-163.

16.  Антенны в материальных средах. В 2 т. М.: Мир, 1984.

17.  Остроумов ГЛ. На каком расстоянии морские животные могли бы общаться с помощью элек­тромагнитных волн // Дифракция и распростране­ние радиоволн. 1968. Вып. 8. С. 3-24.

18.  , , Бионическое моделирование электрических ком­муникационных и локационных систем рыб // Вестник АН СССР. 1981. № 1.

19.  , Бондарчук AM., Введение в электроэкологию. М.: Наука, 1982.

20.  Бионическое моделирование электросистем слабоэлектрических рыб. М.: Наука, 1990.

21.  , П. Разработка систем локальной подводной связи на гальванических то­ках // Нелинейный мир. 2007. № 12.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009

72

ОЛЬШАНСКИЙ и др.

22.  Переговорное устройство для легководолазов // Спортсмен-подводник. 1982. Вып. 68. С. 30-33.

23.  , С, и др. Наблюдения электрической активности силуриевых сомов (Siluriformes) в оз. Чамо (Эфиопия) // Вопросы ихтиологии. 2001. Т. 41. С. 542-549.

24.  , С, Насека A.M., Нгуен Тхи Нга. Электрические разряды кларие-вых сомов, культивируемых в Южном Вьетнаме // Вопросы ихтиологии. 2002. Т. 42. С. 549-557.

25.  Nelson M. E. Target Detection, Image Analysis and Modeling // Electroreception / Eds. Bullock Т. Н., Hop­kins CD., Popper A. N., Fay R. R. N. Y.: Springer, 2005.

26.  Интеграция периферических и цен­тральных путей в электросенсорных долях мозга мормиридовых рыб // Сенсорные системы. 1994. Е. 8. С. 233-244.

27.  Heiligenberg W. Jamming avoidance responses model systems for neuroethology // Electroreception / Eds. Bul­lock Т. Н., Heiligenberg W. N. Y.: Wiley, 1986.

28.  Heiligenberg, W. Neural Nets in Electric Fish. Cam­bridge, MA: MIT Press., 1991.

29.  Bell C. C. Electroreception in mormyrid fish: central physiology // Electroreception / Eds. Bullock Т. Н., Heiligenberg W. N. Y.: Wiley, 1986.

30.  Rose G. J., Heiligenberg W. Temporal hyperacuity in the electric sense of fish//Nature. 1985b. V. 318. P. 178-180.

31.  Электрогенераторные системы рыб: эволюция и механизмы адаптации. М.: Наука, 1982.

32.  Барон В Д. Возможная роль электрорецепции в поведении морских слабоэлектрических скатов Raja clavata (Rajidae) // Сенсорные системы. 1994. Т. 8. С. 147-161.

33.  Schuster S. Changes in electric organ discharge after pausing the electromotor system of Gymnotus carapo // Journ. Exp Biol. 2000. V. 203. P. .

34.  Schuster S., Otto N. Sensitivity to novel feedback at dif­ferent phases of a gymnotid electric organ discharge // Joum. Exp. Biol. 2002. V. 205. P. .

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 79 № 1 2009