Природоподобные технологии

А. В. КУЛЕВ, Гранд-доктор педагогики, доктор философии, академик  Европейской академии естественных наук, профессор Российской академии естествознания

Е. В. ШАЛОБАЕВ,  доктор технических наук, профессор, академик Международной академии фундаментального образования

 К ВОПРОСУ О ПРИРОДОПОДОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ, ИЛИ БИОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОДОБИЕ В ТЕХНОСФЕРЕ

      В статье даётся определение природоподобных технологий, рассматриваются различные аспекты их применения в жизни современного общества,  обсуждаются перспективы их дальнейшего совершенствования и развития.

     The article defines nature-like technologies, examines various aspects of their application in the life of modern society, discusses the prospects for their further improvement and development.

     Ключевые слова:  природа, технология,   природоподобные технологии, бионика, биомимикрия, биомиметика, нанотехнология, искусственный интеллект, биотехнология, аддитивные технологии, томография, биомедицинская технология

     Keywords: nature, technology, nature-like technologies, bionics, biomimicry, biomimetics, nanotechnology, artificial intelligence, biotechnology, additive technologies, tomography, biomedical technology

     Важным направлением развития современного общества  является разработка  новых и совершенствование уже имеющихся  природоподобных технологий, а также   поиск оптимальных способов  их применения  в различных областях человеческой жизни.   Для понимания сущности указанных явлений необходимо чёткое представление об  их терминологической  составляющей.  Начнём с основополагающих терминов и понятий и их возможного взаимодействия.

    Природа — материальный мир Вселенной,  по своему существу — основной объект изучения естественных наук [20]. Она традиционно делится на неживую, объектами которой являются, например, вода, камень, воздух, и живую, к которой относятся доклеточные формы жизни  (вирусы), а также – разнообразные клеточные организмы. Среди последних выделяются доядерные   (прокариотические) живые существа (например, бактерии) и ядерные (эукариотические) организмы, к которым традиционно относятся  растения, грибы, животные и, естественно, человек. Совокупность тел организмов, ныне существующих  на нашей планете,  объединяется в живое вещество  биосферы. Напомним, что биосфера — это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности.

     Технология  (в узком смысле этого термина)  означает определённый способ решения конкретной задачи с контролируемым и чётко прогнозируемым результатом. В противовес кустарному производству, где каждое изделие зачастую уникально, а результат сильно зависит от человеческого фактора, технологическое промышленное производство предполагает воспроизводимость действий и применяемых методов  [23].
      Подобие - образ чего-нибудь, нечто похожее, сходное [16].

     Что же такое «природоподобные технологии»? Попытаемся дать собственное определение.  Вероятно,  это  - совокупность воплощённых в технических решениях способов (методов)  воспроизведения элементов строения, комплексов структур  и  совокупности процессов, характерных для природных объектов или биологических систем.  Иначе говоря, это синтез изобретений природы и человеческой технической мысли в адекватном воспроизведении человеком природных структур, природных процессов и искусственно созданной среды для жизни  организмов.  Истоки концепции природоподобия, вероятно, следует искать ещё в наших первоначальных представлениях о бионике.

      Бионика  – это наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов.  Романтическая идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит ещё Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

     На современном  этапе существования  общества  уже различают:

     а) биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
     б) теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
    в) техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

     Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и различными инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, протезированием (конечностей и органов человека и др. живых существ), морским делом [4].

     Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

     а) изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нервных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
     б) исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
     в) изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
     г) исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

     На этом пути развития человеческой мысли  было много замечательных удач и достижений, которые вошли в нашу жизнь, принципиально улучшили её  и многократно описывались в соответствующей литературе.  Вероятно, нет смысла подробно останавливаться на данном аспекте.

     Эволюция  взаимоотношений природы и человека привела  к  появлению  новых терминов:  биомимикрия и биомиметика.   Ими обозначается наука об имитации моделей, систем и элементов природы, а также - о  применении вдохновленных природой проектов в  инженерии и изобретательстве,  для решения человеческих проблем.

  В специальной литературе бионика и биомиметика обычно рассматриваются как синонимы, поскольку имеют схожее значение. Однако ключевое различие между ними -  это их происхождение. Термин бионика впервые был введен в 1960 году; за этим последовал термин биомиметика, который был введен в 1969 году. Эти два термина широко используются в современных научных исследованиях для создания совершенных систем, которые могут быть сопоставлены с естественными системами. Названные  термины  очень популярны, особенно в области материаловедения и нанотехнологий [22]. 

     С нашей точки зрения, природоподобные технологии,  о которых был начат  разговор  в  первой части данной статьи, по существу, являются механизмами, алгоритмами и практическими способами реализации человеческих идей, относящихся к  области знаний и сфере деятельности под названием «бионика».  Разнообразие этих технологий постоянно и стремительно растёт, как и уровень их сложности. Многие из них приближаются к высокой степени красоты и совершенства, являясь удивительными примерами проявления человеческой мысли.   Познакомимся с некоторыми из них более детально, хотя бы на уровне названий, общих определений и отдельных  конкретных идей.

    В Российской Федерации  подготовили стратегию развития технологий, повторяющих природные механизмы и принципы. К ним относятся нанотехнологии, искусственный интеллект (для робототехники и мехатроники), биотехнологии и другие современные направления, например, аддитивные технологии (самая известная из которых - технология 3D-печати), томография и некоторые другие [1, 10, 14, 28].

      Нанотехнология — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами [14].

       Искусственный интеллект  — свойство или способность искусственных интеллектуальных систем выполнять творческие функции, которые традиционно считаются присущими только  человеку; наука и технология создания интеллектуальных машин, в особенности -  интеллектуальных компьютерных программ . [10].

       Биотехнология – это производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты – рибосомы, митохондрии, хлоропласты, а также биологические макромолекулы – ДНК, РНК, белки - ферменты, вирусные ДНК и РНК)  для переноса чужеродных генов в клетки,  для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.  Битехнология строится на применении так называемых биотехнических систем  (БТС). Это  сложные системы, включающие биологические и технические подсистемы, которые функционируют совместно для достижения общей цели [24].
   
     Аддитивные технологии -  (англ. Additive Manufacturing) — технологии послойного наращивания и синтеза объектов. Широкое применение получили для так называемой фаббер-технологии (англ. fabber technology, также распространено наименование «3D-печать») — группы технологических методов производства изделий и прототипов, основанных на поэтапном формировании изделия путём добавления материала на основу, т.е. на платформу или заготовку [1, 5, 15, 19, 28].

      Томография  — получение послойного изображения внутренней структуры объекта [8, 9].

     Биологи и медики хорошо знают анатомическую томографию, которая основана  на физическом выполнении срезов исследуемого организма с их последующей фиксацией с помощью химических веществ. Классическими примерами анатомической томографии являются Пироговские срезы и изображения гистологических препаратов.  Напомним, что гистология – это наука о тканях.

   В настоящее время большой интерес у учёных вызывают  биологические обратные связи (англ. Biofeedback) — технология, включающая в себя комплекс исследовательских, немедицинских, физиологических, профилактических и лечебных процедур, в ходе которых человеку посредством внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной или компьютерной техники, предъявляется информация о состоянии и изменении тех или иных собственных физиологических процессов [3, 18,  21, 27].

     Всё в большей степени в природоподобных технологиях нуждается  биомедицина – теоретическая медицина, являющаяся разделом медицины, изучающим с теоретических позиций организм человека, его строение и функцию в норме и патологии, патологические состояния, методы их диагностики, коррекции и лечения. Переходя от развития теоретических идей к их экспериментальной проверке, а также - к их практической реализации, биомедицина строит свою работу с использованием  биомедицинской техники; научных знаний о совокупности средств, способов и методов диагностики заболеваний  [7]. Объекты профессиональной деятельности сотрудников, работающих в области биомедицины – это приборы и основные медицинские технологии, а также  -  современные методы исследований, лечебных воздействий, обработки информации в практическом здравоохранении и различных областях медицинских исследований.  Биомедицинская технология — комплексная процедура, направленная на создание новых биологических объектов и их продуктов, способных вызывать определенный диагностический эффект. Пример современной биомедицинской технологии - лазерная терапия [2, 6, 12, 13, 26].

      Значение природоподобных технологий для стремительно развивающегося современного общества очень велико и заключается, в частности,  в следующем:

1. Природоподобные технологии лежат в основе методологии современной науки и являются важной стратегической (дидактической) и тактической (методической)  проблемой фундаментального  образования.

2. Природоподобные технологии предоставляют человечеству шанс избежать ресурсного коллапса,  прогнозируя в дальнейшем богатые возможности для сохранения природных объектив и систем; эффективные способы искусственного получения биоматериалов; получения и аккумуляции энергии.

3. Природоподобные технологии являются адекватным научно-практическим ответом на глобальные вызовы современности (загрязнение окружающей среды,  исчерпание природных ресурсов, неизлечимые на данный момент болезни и т.д.)

     Однако  необходимо  понимать, что природоподобные технологии — это не только новые возможности, но  и новые угрозы.  Вот некоторые из них:

1. В отличие от живого организма, продукты обмена которого являются естественными для экосистем и легко ими утилизируются, не все природоподобные технологии оказываются безотходными, и в этом таится определённая опасность обострения экологической проблемы на нашей планете.

2. Возможность создания организмов с изменённой генетической структурой вызывает страх за возможные последствия движения общества по этому, как считают многие,  непрогнозируемому и небезопасному пути.

3. Процесс конструирования и совершенствования новых живых существ  методами клеточной или генетической инженерии нередко вызывает протест со стороны представителей церкви, т.к. человек в этом случае, с точки зрения религиозных деятелей,  берёт на себя функции Творца. Это может привести к обострению межличностных противоречий в обществе.

     В связи со сказанным выше  целесообразно поставить вопрос  о необходимости  активного обсуждения данной проблематики  не только в научной литературе, а также -  о  создании системы международного общественного и правового контроля  за развитием  природоподобных технологий,  для предотвращения  возможных негативных последствий,  связанных с активным применением этих технологий.
 
                ЛИТЕРАТУРА

1. Аддитивные_технологии  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Аддитивные технологии, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
2. Беликов, А.В. Лазерные биомедицинские технологии (часть 1) / А.В. Беликов, А.В. Скрипник. – СПб.: СПбГУ ИТМО. – 2008. – 97 с.
3. Биологическая обратная связь  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биологическая обратная связь, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
4. Бионика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика, свободный.  Дата обращения:  30.06. 2021.
5. Гринин Е.П., Трубашевский Д.Е. Использование аддитивных технологий в современной медицине // Умное производство. – 2018. – № 3. – С. 17–77.
6. Дунаев, А.В. Лазерные терапевтические устройства: учеб. пособие / А.В. Дунаев, А.Р. Евстигнеев, Е.В. Шалобаев / под ред. К.В. Подмастерьева. – Орел-Калуга-СПб.: ОрелГТУ. – 2005. – 173 с.
7. Загускин, С.Л. Новое поколение программно-аппаратных лечебно-диагностических устройств / С.Л. Загускин // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2010. – № 8. – C. 69-75.
8. Иванов В.А., Шалобаев Е.В., Тюлюкин А.В., Сытник В.М. Магниторезонансная томография от диагностики к активному воздействию // Материалы Семинара с международным участием «Томография» (РАН - РОНКТД), 22 марта 2005г., С.25.
9. Иванов В.А., Шалобаев Е.В., Сытник В.М., Монахов Ю.С. Применение оптической когерентной томографии для реализации обратных связей в приборах лазеротерапии // Материалы Междунар. конф. Приборостроение. Винница-Ялта, 2005. С. 45–48.
10. Искусственный  интеллект [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Искусственный интеллект, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
11. Исследование влияния степени оксигенации крови на сигнал обратного рассеяния излучения при помощи численного моделирования / О.Д. Козырева, А.Е. Пушкарева, Е.В. Шалобаев, И. Биро // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, Том 15, № 1. С.163-165.
12. Лазерные терапевтические устройства: учеб. пособие / А.В. Дунаев, А.Р. Евстигнеев, Е.В. Шалобаев / под ред. К.В. Подмастерьева. – Орел-Калуга-СПб.: ОрелГТУ. – 2005. – 173 с.
13. Модель динамического управления лазерным лучом и кровотоком на основе биологической обратной связи / В.Н. Баранов, П.В. Пикинеров, М.С. Бочков, А.С. Качалин // Инженерный вестник Дона. – 2014. – №1. – [Электронный ресурс] Режим доступа: Дата обращения 15.03.2014.
14. Нанотехнология [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Нанотехнология, свободный.  Дата обращения:  30.06. 2021.
15. Опыт разработки материалов и изделий медицинского и технического назначения с использованием аддитивных технологий /Дубровский В.В., Шалобаев Е.В., Шилько С.В., Песецкий С.С.,  Старжинский В.Е., Ковалёв Е.В., Волнянко Е.Н. Демидов Г.А., Карандашев А.Н., Перепелица Ф.А., Раков С.В. // Полимерные материалы и технологии. 2020, Т.6. №2. С.78-85.
16. Подобие [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Подобие, свободный.  Дата обращения:  30.06. 2021.
17. Подураев Ю.В., Шалобаев Е.В. Робототехника // Большая Российская Энциклопедия -2013. - т. 28. - с. 568.
18. Применение биологических обратных связей и средств томографии в лазерных сканирующих физиотерапевтических установках / Е.В. Шалобаев, Н.В. Леонтьева, Ю.С. Монахов, А.В. Ефименко, К.В. Подмастерьев, А.В. Дунаев // Технологии живых систем. – 2009. – № 4. – С. 66-72 (изд-во «Биосфера»).
19. Применение полимерных связующих при изготовлении керамических изделий методами аддитивных технологий / Демидов Г.А., Карандашев А.Н., Шалобаев Е.В., Перепелица Ф.А., Шилько С.В., Старжинский В.Е., Дубровский В.В. // Полимерные материалы и технологии. 2019. Т. 5. № 3. С. 85-90.
20. Природа [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Природа, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
21. Проблемы создания биологических обратных связей и их применение в сканирующих лазерных медицинских установках / Е.В. Шалобаев, Г.Н. Юркова, Ю.С. Монахов, В.Т. Ефименко, А.В. Ефименко, С.Ф. Корндорф, А.В. Дунаев // Известия ОрелГТУ. Сер. «Машиностроение. Приборостроение». – 2003. – № 4. – С.94- 97.
22. Разница между бионикой и биомиметикой [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.strephonsays.com/bionics-and-vs-biomimetics-4568, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
23. Технология [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Технология, свободный. Дата обращения:  30.06. 2021.
24. Управление в биотехнической системе / Е.В. Шалобаев, Г.Н. Юркова, В.Т. Ефименко и [др.] // Матер. III междунар. конф.: Управление в технических системах 13-14 ноября 2000 г. – Ковров: КГТА.– 2000.–С. 89-91.
25. Шалобаев Е.В. Об интеллектуальтном управлении мехатронными системами // Датчики и системы. 2002, №2. - С.8-12.
26. Шалобаев, Е.В. Проблемы лазерной терапии: сканирующая лазеротерапия и сканирующие лазерные стимуляторы / Е.В. Шалобаев, А.В. Дунаев, О.Д. Козырева // Сб. тр. II Всерос. конгресса молодых ученых. – СПб. : НИУ ИТМО. – 2013. – С. 66-67.
27. Шалобаев Е.В., Дунаев А.В., Козырева О.Д. Сканирующая лазеротерапия с применением биологических обратных связей и мехатронные аспекты проектирования медицинских установок // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. № 1 (303). С.101-108.
28. Шилько С. В., Рябченко Т. В., Панин С. В., Шалобаев Е. В. 3D-печать как «природоподобный» способ производства оптимизированных эндоскопов // Доклады IV Всероссийского научного семинара с международным участием «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий», 29–31 октября 2018, Томск. Томск: НТИУ, 2019. С. 94–99. (Аддитивные технологии, 2021, №2)