«ЗАПАТЕНТОВАНО» В ПАЛЕОЗОЕ...

Общее количество патентов на изобретения, выдан­ных во всем мире, составляет около 13 миллионов. Пред­положим, что одно описание можно прочитать за 5 ми­нут. Тогда на ознакомление с мировым патентным фон­дом потребуется около 125 лет.

Есть, однако, еще один «патентный фонд», в котором изобретений так много, что ознакомиться с ними челове­честву не удалось за все время существования. Это патентный фонд природы.

Человек издавна пользовался идеями, «запатентован­ными» природой. Количество изобретений, имеющих пря­мые прообразы в природе, вероятно, измеряется десят­ками тысяч. И все же пока освоена ничтожная часть «изобретений» природы, лишь те, которые лежали на виду.

Еще недавно господствовало мнение, будто одни и те же задачи в технике и в природе решаются разными пу­тями. Действительно, технические решения чаще всего не похожи на решения природные. То, что в природе до­стигается тихо и как-то незаметно, в технике нередко свя­зано с использованием огромных температур и давлений, с колоссальным расходом энергии, словом, с «большими потенциалами». Эти «большие потенциалы» выглядят ку­да более внушительными, чем едва заметные приспособ­ления каких-то букашек.

Считалось азбучной истиной, что копирование приро­ды лежит в стороне от главной линии развития техники. Поэтому изобретатели, решая новые технические задачи, обычно даже не делали попыток использовать ответы, уже полученные природой.

Какой же путь предпочтительнее — традиционно-тех­нический или тот, по которому развивались «живые машины»?

Сравним, например, крыло самолета и крыло птицы. Крыло современного самолета — одно из наивысших достижений техники. Но ни один самолет не может сопер­ничать с птицами по количеству поднимаемого груза на единицу затрачиваемой мощности. Если бы крылья совре­менных самолетов были машущими, они поднимали бы 120—130 кг груза на 1 л. с., развиваемую двигателями. А пока крылья наиболее совершенных машин способны поднять лишь вдесятеро меньший удельный груз.

Особенно велико превосходство природы в конструи­ровании «контрольно-измерительных приборов». Кузне­чик располагает слуховой аппаратурой, улавливающей колебания, амплитуда которых равна половине диаметра атома водорода! Не удивительно, что именно приборо­строители первыми пришли к выводу о необходимости планомерно изучать и переносить в свою практику прин­ципы, используемые природой. Так возникла бионика-наука, решающая инженерные проблемы приемами, заимствованными у природы.

Вначале бионика занималась лишь моделирова­нием органов чувств. Сейчас круг решаемых ею проблем значительно расширился: бионика берется за задачи, относящиеся к самым различным отраслям тех­ники. Общим является лишь метод решения—использо­вание прообразов природы.

В сущности, восьмой шаг оперативной стадии АРИЗ можно было бы сформулировать так: надо подойти к ре­шению изобретательской задачи с позиций бионики. Тео­ретически здесь все просто—изобретатель заимствует готовое решение. Практически же, прежде чем позаимствовать, надо найти подходящий природный прообраз. И тут оказывается, что при всей теоретической бесспор­ности этого приема практически он может быть исполь­зован лишь в редчайших случаях.

На семинарах по методике изобретательства были ре­шены сотни учебных и производственных задач, по ни разу в качестве подсказки не использовались природные прообразы! Правда, после решения задачи нередко удавалось «подобрать» для найденной идеи природный аналог. Это укрепляло уверенность в том, что решение правильное, но не больше.

В чем же дело?

Казалось бы, появление бионики должно было сразу дать каскад ошеломляющих изобретений во всех отрас­лях техники. Но отдача бионики пока заметна лишь в кибернетике. Здесь бионика стала надежным компасом исследователя. В других отраслях техники живые прото­типы используются не чаще, чем в те времена, когда вме­сто нового слова «бионика» употреблялось выражение «копирование природных прообразов».

Достаточно прочесть несколько книг и статей по бионике, чтобы обнаружить один и тот же весьма скромный набор примеров: ультразвуковая локация у летучих мы­шей; жужжальца-гироскопы у мух; китообразная форма судов; кожа дельфина, снижающая сопротивление воды при движении; искусственное «ухо медузы», предупреж­дающее о приближении шторма...

И вот что характерно: сначала, как правило, делается изобретение, а потом отыскивается его живой прототип. Так, например, принцип метод;) снижения сопротивления был предложен Крамером еще в 1938 году, а лишь в 1955 году тот же Крамер обнаружил, что дельфины «применили его идею»... |

Представьте себе патентную библиотеку, в которой миллиарды самых различных патентов расставлены по полкам в неизвестном для вас порядке. Именно такой видит «патентную библиотеку» природы изобретатель, работающий над решением новой технической задачи.

Надежной методики выбора живых прототипов пока нет. Поэтому в большинстве случаев изобретателю ока­зывается проще самому найти решение, чем отыскать подходящий патент природы.

И все-таки оперативная стадия АРИЗ включает био­нический шаг. Есть два подхода, облегчающие ориенти­ровку в гигантском патентном фонде природы:

1. Нужно искать прототипы среди древних животных:

старые патенты природы проще и в то же время доста­точно эффективны.

2. Нужно рассматривать общие тенденции в разви­тии патентов природы. Найти готовое решение очень трудно, но почти всегда можно выявить тенденции раз­вития природных аналогов.

Поговорим об этом подробнее.

В Древней Греции было создано великолепное по тем временам изобретение: тараны, которыми разбивали во­рота осажденной крепости, стали делать с торцами в виде бараньих лбов. Такие торцы, как свидетельствуют исто­рики, отлично воспринимали ударную нагрузку...

Неведомые древнегреческие бионики, создавая таран с бараньим лбом, вероятно, рассуждали так: «Нужно, чтобы бревно не расщеплялось и не сплющивалось при ударе. Где нам приходилось видеть что-нибудь подоб­ное? На пастбищах! Бараны сталкиваются лбами— и ничего! Отличный прототип, лучше не придумаешь...»

По этому методу до сих пор осуществляется выбор живых прототипов; стараются отыскать возможно более совершенный «оригинал». Допустим, биолог укажет инже­неру достаточно совершенный живой прототип. Хорошо? Нет. Ибо такие прототипы, как правило, сложны. Де­тально разобраться в их устройстве очень трудно, а по­строить копию порой просто невозможно.

Именно так обстоит дело с попытками скопировать кожу дельфина. В этом патенте природы и сегодня мно­гое остается загадочным. Постепенно выясняется, что дельфин обладает тонкой и сложной системой кожного демпфирования. Нервные окончания в каждой точке кожного покрова улавливают изменение давления и пере-дают соответствующие сигналы в центральную нервную систему, которая регулирует демпфирующую работу кожи. Практически невозможно и невыгодно копировать столь сложный прототип.

Выбирая наиболее совершенные природные прото­типы, мы пользуемся последними томами патентной биб­лиотеки природы. Не приходится удивляться, что многое оказывается непонятно: ведь мы читаем с конца!

Между тем для решения подавляющего большинства задач совсем не обязательно использовать совершенные, но слишком сложные прообразы. Гораздо перспективнее брать в качестве прообразов сравнительно менее совер­шенные, но зато более простые «патенты» — древних жи­вотных, изучаемых палеонтологией.

Палеобионический метод прежде всего намного рас­ширяет «патентный фонд» природы. Среди ныне сущест­вующих животных нет, например, таких больших, какими были бронтозавры и индрикотерии. Но главное преиму­щество палеобионики в том, что она предлагает изобре­тателю значительно более простые (и потому легче вос­производимые) прототипы.

Можно привести такой пример. Изобретатель А. М. Игнатьев, отдыхая на даче, однажды забавлялся с котен­ком. Котенок царапнул Игнатьева. Изобретатель заду­мался: а почему, собственно, когти кошки, клюв дятла, зубы белки и зайца постоянно остры? Игнатьев пришел к выводу, что самозатачивание происходит благодаря многослойной конструкции зубов. Твердые стержневые слои окружены более мягкими слоями. Во время работы твердые слои испытывают большую нагрузку, мягкие слои — меньшую, и первоначальный угол заострения не меняется. Этот принцип Игнатьев воплотил в самозата­чивающихся резцах.

Изобретатель (и это очень типично!) искал наиболее совершенные прототипы. Поэтому использованный им «патент» природы оказался сложным и самозатачиваю­щиеся режущие инструменты нашли ограниченное приме­нение.

Прообразы, использованные Игнатьевым, совершенно никудышные грызуны по сравнению с некоторыми дино­заврами. Крупные динозавры весили десятки тонн и жили до 150—200 лет; нетрудно представить, какое количество пищи перемалывали они в течение жизни...

Особенно интересны зубы зауролофов—своего рода «копытных» динозавров. У зауролофа каждый зубной ряд состоял из трех зубов, сидевших друг над другом. Тройных буровых коронок пока нет, но уже проводятся испытания двойных коронок (их называют коронками с опережающим лезвием). Скорость бурения с помощью таких коронок повышается в полтора-два раза.

Другая особенность принадлежащего зауролофам «па­тента» в том, что режущие органы непрерывно растут, сменяя друг друга. Принцип этот чрезвычайно интересен. До сих пор усилия изобретателей, совершенствующих буровой инструмент, шли по привычному технике пути:

«Зубья долота иступились, давайте поскорее вытащим долото и сменим его». Существуют сотни изобретений на тему «поскорее вытащить долото». С точки зрения био­ники надо идти другим путем: делать зубья более изно­соустойчивыми, самозатачивающимися. Зауролоф под­сказывает еще более интересное решение. Пусть зубья будут расположены в несколько рядов. Каждый ряд опи­рается на мягкую основу. Когда зубья первого ряда изно­сятся, вращение долота за несколько оборотов разру­шит мягкую основу. Долото осядет, в соприкосновение с грунтом вступит второй ряд зубьев («вырастут, новые зубы»).

Недавно советским изобретателям Ю. Буштедту, А. Атякину, Л. Лачияну, И. Литвинову выдано авторское свидетельство № 161008 на двухъярусную буровую ко­ронку. Формула этого изобретения очень точно повторяет древний «патент» ящеров: «Двухъярусная буровая ко­ронка, состоящая из корпуса и двух ярусов резцов, от­личающаяся тем, что, с целью предохранения резцов верхнего яруса от разрушения при вводе их в работу, под временную опору резцов нижнего яруса подослана амортизирующая подушка из мягкого материала».

Современные животные по размерам значительно уступают динозаврам. Они не так прожорливы и обхо­дятся одним комплектом зубов (иногда растущих в тече­ние всей жизни). И только исполины-слоны имеют смен­ные зубы «запатентованные» когда-то зауролофами...

Мечехвоста сейчас можно встретить лишь на восточ­ном побережье Северной Америки и Азии. Это животное было современником не только динозавров, но и бли­жайших своих «родственников»—трилобитов, вымерших еще в палеозойскую эру. Несмотря на постоянно меняв­шиеся условия жизни, мечехвост за 200 миллионов лет почти не претерпел изменении и дожил до наших дней.

Особый интерес представляют глаза мечехвоста. У него два больших сложных глаза, расположенных по бокам панциря, и два маленьких глаза спереди. Каждый глаз состоит как бы из множества отдельных линз. Глаза мечехвоста очень чувствительны, и это обстоятельство долгое время было загадкой для ученых, поскольку жи­вотное ведет ночной образ жизни и большую часть вре­мени проводит зарывшись в песок.

Длительное изучение глаза мечехвоста привело аме­риканского ученого Хартлайна к интересному открытию. Оказалось, что клетки зрительных нервов животного соединены перекрестие. Когда одна клетка стимули­руется, другая тормозится. Таким образом, на сетчатке глаза получается четкое, контрастное изображение. Это открытие привело к созданию телевизионной системы с чрезвычайно контрастным изображением, что имеет огромное значение, например, при передаче фотографий с других планет на Землю.

Дальнейшее изучение дало возможность установить, что глаз животного улавливает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, невидимые для человека. Кроме того, американский ученый Уотерман обнаружил, что мечехвост воспринимает поляризованный свет, благодаря чему животное может ориентироваться, когда не видно солнца и звезд. Поиски продолжаются, и не исключено, что глаз мечехвоста послужит прототипом для несколь­ких сложных электронных приборов.

Древние животные, как правило, уступают современ­ным в развитии головного мозга и нервной системы. В остальном они достаточно совершенны и могут служить прообразами для техники. Более того, в ряде случаев вымершие животные «по всем показателям» превосходят своих выродившихся потомков. Исчезли такие животные не потому, что были хуже устроены,— они вымерли из-за изменений климата и рельефа, а в некоторых случаях были истреблены человеком.

Надо сказать, что сами понятия «совершенный» и «несовершенный» весьма условны. То, что несовер­шенно с точки зрения природы, зачастую оказывается совершенным с точки зрения техники. Крылья летающих ящеров-птерозавров были несовершенны по сравнению с крылом птицы, ибо малейшее повреждение кожной пере­понки препятствовало полету. Но у современной техники иной ассортимент материалов. С этими материалами це­лесообразнее копировать не птичьи крылья, работа кото­рых в деталях до сих пор не поддается разгадке, а глад­кие крылья таких отличных летунов, как вымерший рам­форинх или живущая и ныне, обладающая древней родо­словной стрекоза.

Многие из вымерших животных хорошо изучены. Зубы динозавров, например, есть почти в каждом естественноисторическом музее. Изобретатели, решающие задачи, связанные с переработкой вещества (дробление, резание и т. п.), могли бы обнаружить много интересных идей, «запатентованных» природой десятки миллионов лет назад.

Вот авторское свидетельство № 189353: «Ковш экска­ватора..., отличающийся тем, что с целью улучше­ния внедрения ковша в грунт в средней части полукруг­лой режущей кромки смонтированы прилегающие друг к другу зубья, центральная пара которых выдвинута по отношению к остальным». Нетрудно заметить тут знакомую нам идею опережающего лезвия в сочетании со ста­рым-престарым природным «патентом» на выдвинутую пару зубов (резцы, клыки, бивни).

Палеобионический метод отнюдь не возбраняет ис­пользовать в качестве прототипов и современных живот­ных. Надо лишь выбирать наиболее древние прототипы.

Бионика давала ощутимые результаты именно тогда, когда в качестве прообразов бессознательно использова­лись реликтовые или, во всяком случае, очень древние животные. Так, одна из давших практические результаты работ—прибор, воспроизводящий «инфраухо» медузы. А медузы—древнейшие животные, они плавали еще в кембрийских морях.

Судостроители, копировавшие кита, в сущности, обя­заны своим успехом невольному применению палеобионики: задолго до появления китов такую же форму тела имели ихтиозавры—стеноптеригий и эвринозавр. Ретинотрон (прибор, способный «замечать» только движу­щиеся предметы) считается имитацией глаза лягушки. Однако приоритет на это изобретение принадлежит тираннозавру.

Еще один пример, когда древние животные решают сложную задачу простыми способами,—антифляттерные приспособления стрекозы. Приспособления эти очень просты: на концах передней кромки крыльев имеется хитиновое утолщение—птеростигма, гасящая вредные колебания крыла. Инженеры самостоятельно пришли к той же идее. Достаточно было запаять в крыло (в том месте, где у стрекозы находится птеростигма) свинцовую гирю, как опасность фляттера исчезла.

И вот что интересно: самые молодые и быстрокрылые «модели» стрекоз не имеют птеростигмы. Если бы мы выбрали наиболее совершенные прототипы, «патент» на птеростигму так и остался бы незамеченным, ведь пте­ростигма есть только у таких «устаревших конструкций», как сетчатокрылые и верблюдки.

Вообще, рассматривая живые прототипы в их исто­рическом развитии, можно обнаружить, что один «па­тент» природы часто заменяется другим.

Древние жуки-плавунцы имели каплевидную обтекае­мую форму. Но их потомки отказались от этой (традици­онной для техники) формы. Туловища современных пла­вунцов, узкие в передней части, сзади расширяются.

Вероятно, это очень эффективная форма. Опытами уста­новлено, что удаление двух крохотных выступов в расши­ренной части туловища плавунца повышает сопротивле­ние движению на 122%. Парадокс: площадь поперечного сечения «фюзеляжа» уменьшается, а сопротивление воз­растает!

Особенно полезен палеобионический подход в тех случаях, когда приходится решать изобретательские за­дачи, связанные с малоизученными процессами. Здесь природные прототипы могут стать главными ориенти­рами. Это подтверждает, например, история изобрете­ния антикавитационных покрытий гидротехнических со­оружений.

Кавитационное разрушение бетона плотин — явле­ние, еще недостаточно исследованное. Многочисленные способы защиты, предлагавшиеся различными изобрета­телями, оказывались либо слишком дорогими, либо слиш­ком ненадежными. Удачное решение задачи нашел Вита­лий Ильич Сахаров. Вот, как об этом рассказано в очерке, посвященном его изобретению:

«Однажды на берегу Черного моря Виталий Ильич заметил, что камни и валуны, покрытые водорослями или мхами, от ударов волн практически не разрушаются. Голые камни, лежащие совсем рядом, были испещрены бороздами и ямками. Нежный мох уберегал камень от разрушения. Отсюда был один шаг до технического воплощения идеи, уже осуществленной в природе».

Авторское свидетельство № 279443, полученное В. И. Сахаровым, действительно точно воспроизводит древний «патент» природы: «Кавитационностойкое пок­рытие поверхностен, например, бетонных и железобетон­ных гидротехнических сооружений, включающее защит­ный слой, отличающееся тем, что, с целью предот­вращения непосредственного контакта кавитационных ударов с телом сооружения и образования прослойки не­подвижной воды, защитный слой выполнен со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями, волокнами или пластинками».

От подсказки природы до технического осуществле­ния идеи — один шаг... Почему же этот шаг был сделан с таким опозданием? Неужели нужно было вплотную столкнуться с готовым решением, чтобы увидеть его? Бе­тон — искусственный камень. Значит, достаточно задать вопрос: «Как защищаются от кавитации естественные камни?»—чтобы прийти к правильному ответу. Старые камни, заросшие мхом, потому и «доживают» до старости, что мох защищает их от разрушения. К этому выводу можно было прийти и вдали от Черного моря...

Рис. 32. Эволюция конструкций в природе и в технике: а—так развивалось надкрылье жука; б—так совер­шенствовалась конструкция перекрытий зданий.

Восьмой шаг оперативной стадии АРИЗ рекомендует изобретателю не только отыскать древний прототип, но и определить направление развития природных конструк­ций. Нужно определить, зачем и как перестраивала при­рода тот или иной прототип. Палеонтолог А. Г. Пономаренко привел в письме ко мне интересный пример такого анализа (рис. 32, а).

«При создании надкрылья жука,— пишет А. Г. Пономаренко,—перед природой стояла задача разработать легкое, прочное и негибкое покрытие. Вот этапы этой разработки: 1) тонкая пластинка, армированная непра­вильно расположенными продольными трубками; 2) труб­ки вытягиваются вдоль надкрылья; 3) число трубок уменьшается, а сами они превращаются в ребра жест­кости; 4) ребра жесткости делаются шире в верхней ча­сти; 5) верхние части ребер сливаются, получается рам­ная конструкция с вертикальными полыми колонками. Конструкция легкая и весьма прочная».

На рис. 32, б показано развитие перекрытий здания. Нетрудно заметить, как много общего в развитии двух конструкций—природной и инженерной. Совпадение, ко­нечно, не случайное: цели одинаковые (легкость, проч­ность), поэтому и решения сходны.

В АРИЗ-71 бионическому методу отведена относи­тельно скромная роль. Но бионика быстро развивается. Увеличивается количество опубликованных работ, посте­пенно расшифровываются «патенты» природы, нащупы­ваются общие принципы, лежащие в основе решения при­родой ее изобретательских задач.

В ближайшие годы появится возможность значи­тельно усовершенствовать и развить эту часть алгоритма. Тогда алгоритм пополнится весьма эффективной табли­цей, показывающей, как то или иное противоречие устра­няется по «патентам» природы.