Просмотр кода страницы 4.1 Бионика и история изучения мышления

<span id="бионика-и-история-изучения-мышления"></span>

[[File:image136.jpeg|642x856px]]

13 сентября 1960 г. в Дейтоне (штат Огайо, США) открылся первый симпозиум по бионике — прикладной науке, сфера деятельности которой находится на границе между биологией и техникой. Цель бионики — применение биологических методов или систем, найденных в природе, для изучения и разработки инженерных систем и новых технологий<ref>Goujon P. (2001). From Biotechnology to Genomes: The Meaning of the Double Helix. World Scientific Publishing Company // https://books.google.ru/books?id=qRJsTiUAO_AC</ref>. Девиз бионики: «Живые прототипы — ключ к новой технике», а на эмблеме изображены скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла.

Одним из отцов бионики и автором самого термина считается американский военный нейроанатом Джек Стил<ref>Kline R. (2015). The Cybernetics Moment: Or Why We Call Our Age the Information Age. Johns Hopkins University Press // https://books.google.ru/books?id=WgPHCQAAQBAJ</ref>. Стил был мастером на все руки: медик по образованию, с обширной областью медицинских интересов от физиологии до психиатрии и нейроанатомии, он разбирался также в инженерном деле и электротехнике, увлекался архитектурой, умел управлять самолётом и был остроумным рассказчиком. В рамках своей армейской исследовательской деятельности Стил работал над инженерными приложениями биологических моделей. Под впечатлением от работы Стила писатель-фантаст Мартин Кейдин создал роман «Киборг», по которому в начале 1970-х был снят сериал «Человек на шесть миллионов долларов» (The Six Million Dollar Man)<ref>Mayer J. (2009). Jack Ellwood Steele // http://www.ilasting.com/jacksteele.php</ref>.

Пионерские работы Стила способствовали оформлению и утверждению новой междисциплинарной науки, название которой, составленное из частей слов «биология» и «электроника»<ref>Bionics / Online Ethymology Dictionary // https://www.etymonline.com/word/bionics</ref>, Стил предложил в августе 1958 г.<ref>Goujon P. (2001). From Biotechnology to Genomes: The Meaning of the Double Helix. World Scientific Publishing Company // https://books.google.ru/books?id=qRJsTiUAO_AC</ref> Впрочем, идея в некотором роде витала в воздухе, и Стил не был одинок в желании заимствовать принципы устройства биологических объектов для решения инженерных задач. В 1950-е гг. другой американский учёный, биофизик Отто Шмитт, предложил использовать термин «биомиметика» (biomimetics, от латинских слов ''bios'' — жизнь и ''mimesis'' — подражание). Поскольку в поп-культуре слово ''bionic'' обычно ассоциируется со сверхчеловеческими способностями, в англоязычной среде сегодня чаще используют вариант Шмитта, а иногда даже термин «биомимикрия» [biomimicry], который впервые появился в работах популяризатора науки Жанин Беньюс, посвятившей этому направлению целых шесть книг<ref>Meet the Board of Directors: Janine Benyus / Biomimicry Institute // https://biomimicry.org/board/</ref>.

Термин «биомиметика» впервые появляется в словаре Мерриам — Уэбстера в 1974 г., где определяется как «''изучение строения, функций и способов формирования структур и веществ биологического происхождения (таких как ферменты или шёлк), а также биологических процессов и механизмов (например, синтеза белков или фотосинтеза) — главным образом для создания схожих продуктов искусственными методами, подобными природным''»<ref>Jacobs S. (2014). Biomimetics: A simple foundation will lead to new insight about process. International Journal of Design &amp; Nature and Ecodynamics, Vol. 9, pp. 83—94 // https://doi.org/10.2495/DNE-V9-N2-83-94.</ref>.

Многократное «переизобретение» бионики, по всей видимости, было связано с тем, что это направление является для развития технологий весьма древней и органической частью — при отсутствии собственного эффективного решения технология часто пытается оттолкнуться от существующего в природе «рабочего прототипа». По мере роста могущества науки и техники мы замахиваемся на копирование принципов работы всё более и более сложных биологических объектов. Озаботившись идеей создания летательного аппарата, великий Леонардо да Винчи посвятил много времени изучению полёта птиц, о чём нам известно из его записей и чертежей, но, к сожалению, задача оказалась непосильной для технологий XV–XVI вв. Однако спустя четыре столетия французский изобретатель Клеман Адер, основываясь на данных Луи Пьера Мойяра о полёте птиц, а также на собственных исследованиях принципов полёта различных живых существ — от насекомых до летучих мышей, построил летательный аппарат «Эол» (Éole), ставший, по всей видимости, первым в истории самолётом, осуществившим взлёт за счёт тяги собственной силовой установки. Девятого октября 1890 г. оснащённый паровым двигателем «Эол», похожий на гигантскую летучую мышь, смог оторваться от земли и пролетел около 50 метров<ref>Hallion R. (2003). Taking Flight: Inventing the Aerial Age, from Antiquity Through the First World War. Oxford University Press, USA // https://books.google.ru/books?id=YRqV_PayIKIC</ref><sup>,</sup> <ref>Opdycke L. (1999). French Aeroplanes Before the Great War. Schiffer Pub // https://books.google.ru/books?id=qAAKAQAAMAAJ</ref><sup>,</sup> <ref>Crouch T. D. (2019). Ader Éole / Encyclopædia Britannica // https://www.britannica.com/topic/Ader-Eole</ref>.

К плодам бионики XX в. относят обычно и застёжку-липучку, принцип действия которой позаимствован у репейника<ref>Suddath C. (2010). A Brief History of: Velcro / Time, Tuesday, June 15, 2010 // http://content.time.com/time/nation/article/0,8599,1996883,00.html</ref>, и поверхности, копирующие структуру акульей кожи, позволяющие улучшить аэро- и гидродинамические характеристики изделий<ref>Brian D., Bharat B. (2010). Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review / Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 28 October 2010 // http://doi.org/10.1098/rsta.2010.0201</ref> и даже препятствующие размножению бактерий<ref>Mann E. E., Mettetal M. R., May R. M., Drinker M. C., Stevenson B. C., Baiamonte V. L., Marso J. M., Dannemiller E. A., Parker A. E., Reddy S. T., Sande M. K. (2014). Surface Micropattern Resists Bacterial Contamination Transferred by Healthcare Practitioners / Journal of Microbiology &amp; Experimentation, Vol. 1, Iss. 5 // https://www.sharklet.com/2015/01/19/surface-micropattern-resists-bacterial-contamination-transferred-by-healthcare-practitioners-2014/</ref>. Изучение крыльев бабочек помогло в разработке технологии RFID-чипов<ref>Elliott D. (2009). Designing packs as nature intended / PackagingNews, 30 September 2009 // https://www.packagingnews.co.uk/news/designing-packs-as-nature-intended-30-09-2009</ref>, изучение лап гекконов<ref>Mahdavi A., Ferreira L., Sundback C., Nichol J. W., Chan E. P., Carter D. J. D., Bettinger C. J., Patanavanich S., Chignozha L., Ben-Joseph E., Galakatos A., Pryor H., Pomerantseva I., Masiakos P. T., Faquin W., Zumbuehl A., Hong S., Borenstein J., Vacanti J., Langer R., Karp J. M. (2008). A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive / Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 105, Iss. 7, pp. 2307—2312 // https://doi.org/10.1073/pnas.0712117105</ref> и клея устриц<ref>Kastrup C. J., Nahrendorf M., Figueiredo J. L., Lee H., Kambhampati S., Lee T., Cho S.-W., Gorbatov R., Iwamoto Y., Dang T. T., Dutta P., Yeon J. H., Cheng H., Pritchard C. D., Vegas A. J., Siegel C. D., MacDougall S., Okonkwo M., Thai A., Stone J. R., Coury A. J., Weissleder R., Langer R., Anderson D. G. (2012). Painting blood vessels and atherosclerotic plaques with an adhesive drug depot / Proceedings of the National Academy of Sciences, Dec 26, 2012 // https://www.pnas.org/content/early/2012/12/10/1217972110</ref> — в создании медицинских адгезивов<ref><sup>*</sup> Адгезив — вещество, способное соединять материалы путём поверхностного сцепления.</ref>. Гидрофобные структуры<ref>Li Y., Huang X. J., Heo S. H., Li C. C., Choi Y. K., Cai W. P., Cho S. O. (2007). Superhydrophobic Bionic Surfaces with Hierarchical Microsphere/SWCNT Composite Arrays / Langmuir 2007, Vol. 23, Iss. 4, pp. 2169—2174, November 16, 2006 // https://doi.org/10.1021/la0620758</ref>, наносенсоры<ref>Potyrailo R. A., Bonam R. K., Hartley J. G., Starkey T. A., Vukusic P., Vasudev M., Bunning T., Naik R. R., Tang Z., Palacios M. A., Larsen M., Le Tarte L. A., Grande J. C., Zhong S., Deng T. (2015). Towards outperforming conventional sensor arrays with fabricated individual photonic vapour sensors inspired by Morpho butterflies / Nature Communications, Vol. 6, Article number: 7959 // https://www.nature.com/articles/ncomms8959</ref>, холестерические жидкие кристаллы<ref>Platé N. (1993). Liquid-Crystal Polymers. Springer US // https://books.google.ru/books?id=a3wjjzrmwf0C</ref> — перечислять заимствованные у природы идеи можно долго.

Конечно, наши самолёты не машут крыльями, и развитие технологий зачастую приводит к тому, что в промышленных образцах мы уже с трудом можем опознать их природные прототипы: особенности производственных процессов, а также эксплуатационные требования накладывают свои ограничения на выпускаемые продукты.

Часто бионика влияет на развитие техники не напрямую. Например, наличие в природе «рабочего прототипа» может быть свидетельством принципиальной возможности создания того или иного устройства: если птицы могут летать, значит, возможно создание летательного аппарата тяжелее воздуха; если растения способны синтезировать сахара и крахмал из углекислого газа и воды, значит, можно создать устройство, выполняющее ту же функцию.

Решения, существующие в природе, являются продуктом сложного оптимизационного процесса, известного под названием «эволюция». С одной стороны, масштабы и значительная продолжительность эволюции приводят к появлению биологических систем, хорошо приспособленных к тем условиям, в которых они действуют. С другой же — решения, найденные эволюцией, могут являться оптимальными лишь локально, то есть может возникнуть ситуация, когда дальнейшее «улучшение» системы возможно только за счёт временного её «ухудшения», что затруднено давлением естественного отбора. И наконец, эволюция оптимизирует устройство живых организмов в направлении их приспособленности к среде обитания, а вовсе не к задачам, которые человек пытается решать при помощи создаваемой техники. С точки зрения эволюции человеческий мозг должен потреблять мало энергии, должен быть устойчивым к физическим воздействиям (вряд ли вам понравится, если от падения яблока на голову вы будете полностью терять память), голова младенца должна беспрепятственно преодолевать родовые пути при рождении и так далее. Все эти ограничения будут только мешать, если мы стремимся создать устройство, единственная цель которого — достижение максимальной эффективности при решении интеллектуальных задач. Словом, у нас есть основания полагать, что мозг далёк от идеала думающей машины. В конце концов, его роль в организме заметно шире: мозг — это не только думающая, но и управляющая «машина», с важной задачей поддержания автоматических процессов в организме. Головной мозг вообще не является чем-то радикально обособленным от человеческого тела — например, около 500 млн связанных с ним нейронов входят в состав так называемой энтеральной нервной системы, состоящей из нервных сплетений в оболочках полых органов желудочно-кишечного тракта<ref>Spencer N. J., Hu H. (2020). Enteric nervous system: sensory transduction, neural circuits and gastrointestinal motility / Nature Reviews Gastroenterology &amp; Hepatology, Vol. 17, pp. 338—351 // https://doi.org/10.1038/s41575-020-0271-2</ref>, а ещё около 200 млн нейронов находится в спинном мозге<ref>Banhey J., von Bartheld C. S. (2017). The Cellular Composition and Glia-Neuron Ratio in the Spinal Cord of a Human and a Non-Human Primate: Comparison with other Species and Brain Regions / Anatomical record (Hoboken, N. J.), Vol. 301, Iss. 4, pp. 697—710 // https://doi.org/10.1002/ar.23728</ref>. Впрочем, задачи, которые мозгу приходится решать в связи с его управляющей функцией, можно, по всей видимости, отнести к разряду интеллектуальных, хотя их решение часто происходит без сознательного контроля.

Так или иначе, на сегодняшний день человеческий мозг — это лучшая известная нам «машина» для решения неопределённо широкого спектра интеллектуальных задач. Поэтому ещё с первой половины XX в. взоры учёных были обращены именно на этот «рабочий прототип», который позволяет нам оценить, какие именно задачи и какими средствами могут быть решены в принципе.

Вплоть до второй половины XIX в. наука немного знала о строении мозга. Учёные ограничивались самыми общими соображениями о природе мышления, выдвигая различные гипотезы о лежащих в его основе закономерностях и процессах. При этом внимание было сфокусировано в большей мере на принципах, составляющих основу умозаключений, а вопрос о физическом субстрате человеческого разума обходился стороной — в этой области царствовали либо наивные механистические гипотезы, либо откровенно магические по своей природе соображения о «тонкой материи», непознаваемой душе и так далее.

Логика Аристотеля, Мо-цзы, Акшапады Гаутамы, Нагарджуны и других интеллектуалов древности весьма преуспела в вопросах изучения структуры суждений, однако не все древние мыслители считали, что мышление является продуктом деятельности мозга. Тот же Аристотель приписывал эту роль сердцу. Появление в античной философии идеи о том, что именно мозг есть пристанище человеческого разума, традиционно приписывают Алкмеону Кротонскому, труды которого посвящены преимущественно медицинской тематике<ref>Huffman C. (2017). Alcmaeon / Stanford Encyclopedia of Philosophy // https://plato.stanford.edu/entries/alcmaeon/</ref>. То, что было не до конца ясным для логиков, было вполне понятно врачам. По крайней мере, точку зрения Алкмеона вполне разделяли и «отец медицины» Гиппократ, и «отец анатомии» Герофил, и даже их коллега и по совместительству внук Аристотеля Эрасистрат<ref>Elhadi A. M., Kalb S., Perez-Orribo L., Little A. S., Spetzler R. F., Preul M. C. (2012). The Journey of Discovering Skull Base Anatomy in Ancient Egypt and the Special Influence of Alexandria / Neurosurgical Focus, Vol. 33, Iss. 2:e2 // https://www.medscape.com/viewarticle/769263_6</ref>. Люди, чья работа заключалась в «ремонте» сложной машины под названием «человеческий организм», неизбежно лучше разбирались в особенностях его работы, чем философы. Аналогия между человеческим организмом и машиной стала особенно популярна в Новое время благодаря успехам в области механики. «Левиафан» Гоббса предваряет яркая метафора автора: «''…наблюдая, что жизнь есть лишь движение членов, начало которого находится в какой-нибудь основной внутренней части, разве не можем мы сказать, что все автоматы (механизмы, движущиеся при помощи пружин и колёс, как, например, часы) имеют искусственную жизнь? В самом деле, что такое сердце, как не пружина? Что такое нервы, как не такие же нити, а суставы — как не такие же колёса, сообщающие движение всему телу так, как этого хотел мастер?''» Столь же механически Гоббс определяет рассуждение [reason] как одну из способностей человеческого ума: «''рассуждение &lt;…&gt; есть не что иное, как подсчитывание (т. е. складывание и вычитание) связей общих имён с целью отметить и обозначить наши мысли''»<ref>Hobbes T. (1969). Leviathan, 1651. Scolar P // https://books.google.ru/books?id=8xyDAAAAMAAJ</ref>. Неслучайно в истории философии направление, к которому принято относить Гоббса, получило название «механической философии» или «механицизма». Позже Лейбниц в отзыве на работу Гоббса выражает её квинтэссенцию самым радикальным образом: «''Томас Гоббс, повсеместно глубоко исследующий основы, справедливо заметил, что всё, что делает наш ум, — это вычисление''». Философское наследие Лейбница включает в себя обширные исследования в области теории мышления, благодаря чему этого немецкого мыслителя нередко называют «дедушкой искусственного интеллекта»<ref>Kulstad M., Carlin L. (2013). Leibniz’s Philosophy of Mind / Stanford Encyclopedia of Philosophy // https://plato.stanford.edu/entries/leibniz-mind/</ref>.

Впрочем, как бы ни велики были успехи логики, математики, медицины и механики Нового времени, их возможностей было явно недостаточно, чтобы продвинуться в деле создания машин на основе принципов бионики для решения сложных интеллектуальных задач. Механические вычислительные устройства могли производить математические расчёты, оперировать с нехитрыми логическими суждениями, выполнять несложный статистический анализ, но сделать заметный шаг вперёд удалось только в эпоху электричества.
<references />
<comments />