Verjemite v oči!

Verjemite v oči!

N.V. Selezneva,
Doktorica tehniških ved
"Kemija in življenje" številka 7, 2009

Eden od virov novih tehničnih idej je znanost o bioniki, ki uporablja znanje o bioloških procesih in pojavih pri reševanju inženirskih problemov. Zaradi dolge in neusmiljene naravne selekcije so ti posamezniki preživeli tiste, ki so najbolje prilagojene življenjskim razmeram in so racionalno reševale naloge življenjske podpore. Na milijone let je bila ogromna zakladnica, kjer je vsaka vrsta živih organizmov model Nature's inženirske ustvarjalnosti. Inženirji katerekoli specialnosti lahko uporabljajo te bogastvo: gradbeniki, telekomunikacijski operaterji, tehniki tehnike, strokovnjaki za informacijsko tehnologijo. Tam najdemo tudi veliko uporabnih stvari – razvijalci navigacijskih sistemov.

Navigacija v naravi

Navigacijski sistem je potreben za vse premikajoče se predmete, tako tehnične kot biološke: za namensko premikanje v vesolju morate določiti svoj položaj glede na Zemljo in okoliške predmete. Bistvo navigacijskega procesa, enako za tehnične naprave in za živa bitja, je toda s pomočjo primarnih informacijskih senzorjev (senzoričnih organov) merimo različne fizikalne parametre, odvisno od položaja in gibanja predmeta glede na mejnike ali fizična polja. Na podlagi sprejetih signalov računalniške naprave (ali živčni sistem) določajo parametre, ki opisujejo lokacijo in naravo gibanja tehničnega predmeta (živali) glede na začetno referenčno točko. Izmerjene podatke primerjamo s programom gibanja, shranjenim v pomnilniku, in popravljamo odstopanja od določene poti. Le z reševanjem teh težav lahko premikate po želeni poti.

Vsa mobilna živa bitja, od zelo preprostih (črvi, insekti, polži) ljudem, so popolnoma usmerjena v njihov življenjski prostor. Vsak od njih se mora svobodno gibati, ujeti plen, najti zatočišče, pobegniti od sovražnikov in najti partnerje. Drobni mravlji se nedvomno vrnejo v svoje gnezdo, mimo sto metrov v gosto travi. Nomofilski metulji, rojeni spomladi v severni Afriki, so po nekaj dneh poslani na izjemno dolge razdalje skozi puščavo Saharo na britanske otoke.Tam ležijo moda, od katerih se do konca poletja pojavi potomec. Jeseni se vrnejo v domovino svojih staršev. Monarški metulji letijo iz Kanade in severnih držav Združenih držav v Južno Kalifornije, Florida in Mehiko. Velike morske želve plujejo več kot 5.500 km vzdolž iste poti, da položijo svoja jajca in z zavidljivo natančnostjo tudi za izkušenega navigatorja najdejo pot domov. Ketače so na istih poteh, ki potujejo od morja do morja, potekati po celem svetu. Deer v severni Kanadi poleti padejo na tundro, v jeseni pa tisoč kilometrov južno do gozda tundre.

Toda najbolj spretni navigatorji v živalskem svetu so seveda pernati. Številni poskusi so bili izvedeni z različnimi pasmami ptic – biser, gutljaji, štorklje, rdeče barve in drugi. Iz gnezd so bili odstranjeni, označeni in izvoženi za več sto ali celo tisoč kilometrov. Nekaj ​​dni kasneje so se ptice vrnile v svoje gnezdo. Vrhunske sposobnosti ptičje plovbe so njihovi sezonski leti, katerih pogoji in obseg so preprosto neverjetni. Ptice letijo več tisoč kilometrov čez oceane in puščave, nad visokimi gorami (čez Alpe in celo nad Everestom!).Znaten del poti potekajo ponoči, skoraj v popolni temi, med dnevnimi oblaki in debelimi megli pogosto pokrivajo tla. Nevihte, veter in nevihta prenašajo ptice daleč od predvidene poti, vendar pa postavijo novo pot in dosežejo cilj.

Najbolj neverjetne polete je narejena iz arktičnega krmarja (dolžina telesa okoli 35 cm). Konec jeseni potuje od Arktike proti jugu vzdolž evropskih in afriških obal na drugi konec Zemlje, proti Antarktika, kjer zima in se vrača proti severu spomladi do Arktike. Vsako leto ta ptica leti do 60.000 km, traja samo tri smeri pa tri mesece. Občuduje obvladovanje narave, ki je tem pticam uspelo podariti s tako miniaturnimi, zanesljivimi in presenetljivo prefinjenimi navigacijskimi sredstvi.

Meritve in delo s podatki

V tehnologiji so vse morske in rečne plovbe, zrakoplovi, rakete in vesoljska plovila ter zdaj avtomobili opremljeni s posebnimi navigacijskimi sistemi, ki temeljijo na dveh med seboj povezanih sistemih. Eno od njih, inercialno, neprekinjeno meri angularne in linearne hitrosti ter pospeške predmeta samega in določa osnovni referenčni okvir, v zvezi s katerim se izvaja navigacija.Druga je primerjalna raziskava, prejema podobo okoliškega terena, prepozna orientacijske točke in določa parametre njihovega gibanja ali lokacije glede na tehnična sredstva. Oba sistema medsebojno delujejo: podoba območja se pretvori v osnovni referenčni sistem, sam objekt se projicira na sliko območja, razne orientacijske točke in cilje ter se reproducirajo vsi njihovi premiki.

Podobno je organizirana tudi navigacija živali. Na primer, oseba ima dva glavna organa orientacije: vestibularni, ki meri gibanje glave in določa smer navpične in vidne, zaznavajo sliko vidnega prostora. Medsebojno sodelujejo tudi, zato oseba, ne glede na gibe oči in glave, vidi stene njegovega stanovanja navpično, tla vodoravno in pohištvo še vedno stoji na tleh.

V tehniki najzahtevnejših organiziranih pregledov in primerjalnih sistemov. Vključujejo panoramske usmerjevalne naprave – naprave, ki pobirajo elektromagnetno sevanje (svetloba, toplota, radio itd.e.) iz predmetov na terenu, blokov vodenja in prepoznavanja slike, pomnilnika velikih zmogljivosti ter sredstev za obdelavo velikih količin informacij. Samodejni pregled in primerjalni sistemi obstajajo, vendar so zelo zapleteni in niso povsem zanesljivi, zato se na sodobno upravljanih objektih uporabljajo avtomatizirani orientacijski sistemi, v katerih so ljudje vključeni v iskanje in prepoznavanje orientacijskih znakov. Takšne sisteme je mogoče izboljšati, če je mogoče izboljšati natančnost, zanesljivost in hitrost meritev ter izboljšati avtonomnost orodij za obdelavo in prenos podatkov. To nam bo pomagalo preučiti biološki pregled in primerjalne sisteme.

Živa bitja uporabljajo različne signale iz zunanjega sveta za ogled prostora: lahka, akustična, kemična, termična, električna in druga, vsaka od njih pa ima ločen smiselni organ. Toda vloga in pomen teh organov pri reševanju problemov plovbe sta drugačna in sta odvisna od okolja in habitatnih razmer. Le ena od njih je glavna, sposobna izvajati pregled in primerjalne meritve.Ostali, pomožni, opravljajo pozicijske meritve – to pomeni, da določajo posamezne parametre (obseg in obseg tečaja) predmetov. To je razloženo z dejstvom, da je gradnja slike o terenu, obdelava, preoblikovanje in prepoznavanje slik zelo težka in zapletena zadeva. Biološko ni smiselno imeti več primerjalnih sistemov, ki jih je treba pregledati, saj je treba vsebovati enega, najbolj primernega za posebne pogoje. Ta čutni organ bo prevladujoč: to je njegova žival, ki jo uporablja za iskanje, odkrivanje, prepoznavanje in plenjenje plena. Tak organ se odlikuje po svoji strukturi: njegovi sprejemniki so sorazmerno večji in deli možganov, ki obdelujejo njene podatke, so veliko večji od tistih drugih čutil. Če blokirate te sprejemnike, žival popolnoma izgubi svojo prostorsko usmerjenost in postane nemočen. Na primer, krtica z zaprtimi očmi lepo prehaja v temo in ujame žuželke, če pa je pokrita z voskom, se v paniki spravi v panika in udari v predmete.

Vonj in pogled

Za meritve primerjalnih meritev pri prostoživečih živalih se uporabljajo signali, ki se razširijo na velike razdalje, hitro, enostavno in z minimalnimi izgubami.Na primer, kemične emisije (neprijeten vonj) niso primerne za to: dišeče delce se počasi razširijo v zraku ali vodi, jih razpršijo molekule zraka (ali vode), kar ne omogoča jasne podobe predmeta, ki oddaja vonj, in gibanja okolja (vetra, tokovi) močno izkrivljajo smer kemičnih signalov. Zato živali uporabljajo občutek za vonj le v položaju: pri premikanju po progi ali v smeri povečanja koncentracije vonjne snovi. V tisku si lahko preberete, da moški metulji najdejo ženske več kilometrov proč z uporabo kemičnih signalov, katerih koncentracija v zraku doseže le nekaj molekul na kubični meter! Vendar ta metoda reševanja problemov položaja navigacije ni zanesljiva: ta količina snovi je premajhna, da bi ugotovila, kje je vse bolj in manj, in tako najti smer vira vonja. Obstajajo dokazi, da letečimi žuželkami uporabljajo elektromagnetna sevanja, ki ustvarjajo svoje fluttering krila za iskanje svojih partnerjev. Zato je ženski metulj, prekrit s steklenim kozarcem,moški odkriva na veliko razdaljo, vendar če je zaščiten s kovinsko rešetko, ne bo "videl" žensko, tudi če je zelo blizu njej. (Ta opaţa je opisana v knjigi "Letenje žuželk", ki ga je pripravil J. Pringle, M .: Založba tujih književnosti, 1963.)

V živi naravi je priporočljiva pasivna metoda merjenja primerjalnih meritev, pri kateri slika terena temelji na signalih, ki izhajajo iz naravnih virov sevanja. Če takih signalov ni ali so prešibki, živali uporabljajo aktivno metodo merjenja: sami proizvajajo sevanje, to pomeni, da "osvetljujejo" prostor in zaznajo signale, ki se odražajo iz okoliških predmetov. Aktivne meritve so drago: z vami morate imeti posebno telo – generator sevanja, porabiti veliko energije pri »razsvetljavi« prostora in sprejeti posebne ukrepe za zaščito, kajti z vklopom pregleda-primerjalnega sistema usmeritve se žival 2 takoj odkrije!

V naravi je na stotine tisoč različnih vrst mobilnih živali, ki se razlikujejo po velikosti, strukturi in načinu življenja. Med njimi so majhna bitja, ki so vidna le pod mikroskopom in velikanskimi kitovi ter dosegajo 30 metrov dolžine.Nekateri so prilagojeni za gibanje po kopnem, drugi v vodi in še drugi v zraku. In vsi imajo navigacijske organe. "Ohranjanje" teh organov zahteva veliko porabo energije, poleg tega pa je vsaka živa hrana za nekatere živali. Zato je razvoj organov plovbe povzročil, da so se zmanjšali in postali bolj avtonomni, meritve pa so čim bolj tajne. Visoka učinkovitost teh organov je bila dosežena s skrbno obdelavo informacij, z uporabo genialnih metod njegove proizvodnje in shranjevanja.

Večina živih bitij je usmerjena v vesolje s pomočjo sončne svetlobe. To omogoča, ne da bi si naložil, da določi lokacijo predmetov kjer koli, v katerem koli času leta in večino dneva. Svetloba potuje z veliko hitrostjo na praktično neomejenih razdaljah. Široka paleta svetlobnih valovnih dolžin omogoča izdelavo sprejemnikov signalov različnih velikosti – to so oči, ki so primerne tako za majhne žuželke kot velike sesalce ter z njihovo pomočjo odkrivajo predmete z milimetrov do več kilometrov.Vse zelo manevrirne živali, od žuželk do sesalcev, ki vodijo v dnevni življenjski slog v zraku ali vodnem okolju, kjer prodirajo svetlobni tokovi, uporabite oči kot prevladujočega smiselnega organa.

Oko kot naprava

Vidni organi v različnih vrstah kopenskih vretenčarjev so v bistvu enaki (slika 1). Oči pretežno zaznavajo vidni del elektromagnetnega spektra, vendar mnoge živali zajemajo nekaj ultravijoličnega ali infrardečega območja. Vsako oko vsebuje vodilne, regulacijske in merilne komponente.

Sl. 1. Shema vizualnega analizatorja visoko razvitih vretenčarjev.
1 – očesno jabolko, 2 – iris, 3 – leča, 4 – "točke vzmetenja" očesa (pogojno), 5 – mrežnica, 6 – enota primarne obdelave podatkov v mrežnici, 7 – enota za obdelavo informacij v povprečnih možganih, 8 – enota za obdelavo informacij v vizualni coni možganske skorje. Slika: "Kemija in življenje"

Vodilni elementi dvignejo svetlobno sevanje in mu omogočajo paralelni tok do merilnega dela očesa. Ti vključujejo: iris 2ki igra vlogo diafragme z luknjo, skozi katero svetloba vstopa v oko; elastična leča – bikonveksna leča 3osredotočenje slike; elastična votlina (steklasto telo), ki daje oko okrogle oblike in ima svoje elemente na svojih mestih. Leča in stekleno telo imajo lastnosti svetlobnih vodnikov, zato prenesite strukturo vidne slike z minimalnim izkrivljanjem.

Regulatorji kontrolirajo nehotene gibe oči in prilagodijo svoje funkcionalne elemente specifičnim perceptualnim pogojem. Spreminjajo pretok membrane, goriščno razdaljo leče, tlak znotraj elastične votline in druge značilnosti. Te procese nadzirajo sredi možganov. 7 s pomočjo različnih senzorskih in aktivnih elementov, razporejenih po celotnem očesu.

Merjenje svetlobnih signalov se pojavi v notranjem sloju mrežnice, ki je sestavljen iz niza fotoreceptorjev, ki pretvarjajo svetlobno sevanje v živčne impulze. Fotoreceptorji v mrežnici so neenakomerno razporejeni, tako da se oblikujejo tri regije percepcije.

Prvi – vidno polje – se nahaja v osrednjem delu mrežnice. Gostota fotoreceptorjev v njej je najvišja, zato zagotavlja jasno zaznavanje barve zadevne slike. Vsi fotoreceptorji na tem področju so v svoji zasnovi v osnovi isti, razlikujejo pa se le po njihovi selektivni občutljivosti na valovne dolžine svetlobnega sevanja. Nekateri od njih so najbolj občutljivi na sevanje v sredini območja zaznavanja, drugi – v zgornjem delu, tretji – v spodnjem delu. Zlasti ima oseba tri vrste fotoreceptorjev, ki reagirajo na modre, zelene in rdeče barve. Tukaj so v mrežnici izhodni signali teh fotoreceptorjev skupaj obdelani (v diagramu, bloku 6), zaradi česar je kontrast slike okrepljen, poudarjeni so obrisi predmetov in določena njihova barva. Kako ta obdelava video signala poteka, še ni bila razumljena, vendar so njegovi rezultati neverjetni: inventivna narava se je naučila identificirati več sto barv in odtenkov z uporabo samo treh indikatorjev!

Volumetrična slika se reproducira v možganski skorji. 8kjer se pošljejo video signali iz desne in leve oči.Pri ljudeh vidno polje zajema stožec s samo 5 ° in le znotraj nje lahko opravlja meritve primerjalne ankete: usmerijo v vesolje, prepoznajo predmete, sledijo jim, določajo njihov relativni položaj in smer gibanja.

Drugo področje percepcije opravlja funkcijo zajemanja ciljev. Nahaja se okoli vidnega polja in ne daje jasne slike o vidni sliki. Njena naloga – hitro odkrivanje kontrastnih ciljev in sprememb v zunanjem okolju. Zato je na tem področju mrežnice gostota navadnih fotoreceptorjev nizka (skoraj 100-krat manj kot v vidnem polju), vendar je veliko (150-krat več) drugih, prilagodljivih fotoreceptorjev, ki se odzivajo samo na spremembe signala. Svetloba stalne intenzitete ne povzroča nobene reakcije. Skupna obdelava signalov od teh in drugih fotoreceptorjev zagotavlja visoko hitrost vizualne percepcije na tem področju. Kako se ta naloga reši je še ena skrivnost narave, vendar je rezultat takšne obdelave signalov očiten: hitrost območja zajemanja je skoraj desetkrat večja kot pri opazovanju.Zato oseba tako hitro ujame najmanjšo gibanje s stranskim vidom.

Funkcije zajemanja nadzira srednji del trebuha. 7. Tu se zaznani predmet ne pregleda in ne prepozna, vendar se določi njegova relativna lokacija, hitrost in smer gibanja in ustvari ukaz za očesne mišice – hitro vrti optične osi oči, tako da izbrani predmet pade v vidno polje za natančno obravnavo.

Tretje območje sestavljajo mejna področja mrežnice, na katerih se slika vidne slike ne zmanjša. Ima najmanjšo gostoto fotoreceptorja – 4000 krat manj kot v vidnem polju. Njegova naloga je izmeriti povprečno svetlost svetlobe, ki jo gleda kot referenčna točka za določanje intenzitete svetlobnih tokov, ki vstopajo v oko. Zato se z različnimi razsvetljavo spreminja vizualna percepcija.

Slaba optika – dobra slika.

Zanimiva značilnost strukture mrežnice je, da so vsi fotoreceptorji v njem spremenjeni "nazaj v posel" (slika 2), to pomeni, da ustrezajo svetlobnemu toku 1ki prihajajo iz objektiva, veliko reflektivnih jeder 2 tako da noben žarek ne bi mogel priti neposredno v svetlobo občutljive dlake 3. Zato fotoreceptorji zaznavajo samo tiste žarke (4), ki je skozi celotno debelino mrežnice dosegla prilagodljivo površino 5 in, odraža od njega, udari desno na konca fotosenzitivnih dlačic 3. Ta metoda merjenja svetlobne emisije opazimo pri vseh vretenčarjih, ki živijo v zraku, kjer se osvetljenost prostora zelo razlikuje (od 106 do 10+4 nit) in svetli tokovi svetlobe lahko spali občutljive svetlobo občutljive strukture očesa. Narava ni ustvarila zapletenih adaptivnih fotoreceptorjev (navsezadnje jih je na stotine milijonov v očeh!), Vendar je šel na drug, enostavnejši način – zagotovil je sam reflektor, ki varuje vse fotoreceptorje hkrati.

Sl. 2 Fragment merilne strukture očesa. 1 – pretok svetlobnih žarkov 2 – svetlobno reflektorsko jedro 3 – laserske dlake, 4 – žarki, ki gredo skozi mrežnico, 5 – adaptivni reflektor (reflektivna plast). Slika: "Kemija in življenje"

Reflektor 5 se imenuje prilagodljiv, saj lahko odraža ali absorbira svetlobno sevanje, odvisno od svetlosti svetlobe, ki vstopa v oko.Pri visoki svetlosti usmerja fotoreceptorje samo del svetlobnega toka, varen in zadosten za vidno zaznavo, in absorbira preostanek sevanja. Pri šibki svetlobi se celoten svetlobni tok odraža in vstopi v fotoreceptorje.

Za najboljšo percepcijo svetlobe je potrebno strogo vzdrževati optimalno razdaljo med prilagodljivim reflektorjem in konci občutljivih fotoreceptorskih dlak – mora biti približno 2 mikrona. Za to je v vsakem očesu poseben nadzorni sistem (slika 3). Velikost vrzeli se meri s kontaktnimi receptorji – mikrofibrilami 1ki se porazdelijo v površinsko plast reflektorja 2. Od njih se pojavljajo občutljive dlake 3 imajo velikost 2 mikrona. Glede na signale teh receptorjev nadzorni sistem vzdržuje tlak v notranjosti elastične votline (steklastega telesa) 4v kateri se mrežnica enakomerno dotika občutljivih dlak mikrofibril. Viskozna tekočina, ki napolni vrzel, ščiti mrežnico, da se ne drži na površini reflektorja.

Sl. 3 Nadzor velikosti reže med koncema fotoreceptorjev in prilagoditveno površino v očesu. 1 – mikrofibril, 2 – reflektor 3 – občutljive dlake, 4 – stekleno telo, 5 – mrežnica. Slika: "Kemija in življenje"

Če velikost reže zaradi nekega razloga odstopa od optimalne vrednosti, se moti vizualna percepcija, to je slepota. To se lahko pojavi na primer z močnim povečanjem očesnega tlaka ali z zmanjšanjem viskoznosti tekočine v reži, zaradi česar se mrežnica prilepi na odbojno površino ali pa zaradi mehanskih udarcev in vibracij. Nato se lahko vrzel dramatično poveča, kar pomeni, da pride do otekanja mrežnice.

V vizualnem analizatorju vretenčarjev so številne neznane skrite, a izjemno uporabne za inženirje izume narave. Popolnoma je nerazložljivo, na primer, kako se ustvari volumetrična barvna podoba prostora, ki ga oseba "vidi" pred njegovimi očmi in kje se reproducira. Dejstvo, da je takšna slika ustvarjena, je nesporno dejstvo. Vendar pa nas struktura oči in možgani prepričata, da oči načeloma ne morejo ustvariti takšne podobe! Dejansko ima vsak funkcijski element očesa specifične pomanjkljivosti in omejitve, ki izkrivljajo in motijo ​​vidno sliko.Objektivi obračajo slike. V mrežnici vsakega očesa obstaja velika "tehnološka" odprtina – tako imenovana slepa točka. Preko nje se odstranijo vse "ožičenje" iz očesnih očes – krvnih žil in živčnih vlaken. Mrežica zaznava sliko le v majhnem stožcu 5 ° in več kot 70% nevronov vizualne skorje se ukvarja z obdelavo video signala samo tega majhnega dela mrežnice. Vizualni korteks in mrežnica imajo različne elemente porazdelitve gostote "zaslonov". Posledica tega je, da bo slika, ki jo zazna mrežnica s eksponentno porazdelitvijo fotoreceptorjev, ko se prenaša v vizualno skorjo z enakomerno porazdelitvijo nevronov, bistveno spremenila njegovo strukturo, zlasti na perifernih območjih. Naše oči naredijo veliko neprostovoljnih gibov: visokofrekvenčnih nihanj (tresenje), majhnih in velikih skokov. Poleg tega zavestno prevajamo pogled, zavijemo ali pokrivamo glavo in torzo. Kot posledica vseh teh gibanj v vsakem trenutku v času, žarki iz različnih delov opazovanega področja padejo na iste točke mrežnice in fotoreceptorji so togo povezani z nekaterimi stebri nevronov v vizualni skorji.To pomeni, da podoba, ki jo prenašajo oči v možganski skorji, nenehno skoči, niha in obrne. Volumen prostora v vizualnem analizatorju se določi z uporabo ti binokularnega vida, tj. Kota informacij optičnih osi oči. Najenostavnejši izračuni kažejo, da ta metoda deluje le na zelo blizu razdalji. Če je več kot deset metrov, napaka pri ocenjevanju razdalje do objekta presega 100%!

Kljub vsem zgoraj omenjenim izkrivljanjem in kršitvam slike, ki jo zaznavajo oči, do obzorja jasno vidimo pred nami ustrezno usmerjeno panoramo skoraj 160 ° široko, popolnoma primerno za okoliško realnost, in se ne zavedamo obstoja vidnega območja ali slepe točke. In ne glede na to, kako obračamo glave, Zemljo in vse, kar je trdno pritrjeno na njej, v tej panorami vidimo fiksno in strogo usmerjeno: nebo je na vrhu, zemlja je na dnu. Kako je nadomestilo teh vizualnih pomanjkljivosti? Katere druge čute so vključene v ustvarjanje "vidne" panorame? V katerem delu naše glave je ustvarjena "vidna" panorama in kakšni fizični procesi in pojavi se uporabljajo hkrati? Vsa ta vprašanja še ni treba skrbno preučiti.preden je mogoče pridobiti izkušnje v naravi, ki so koristne za tehnologijo.


Like this post? Please share to your friends:
Dodaj odgovor

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: