Живые организмы — ключ к новой технике

Волшебный луч — измеритель

Едва появившись в лабораториях ученых-экспериментаторов, темно-красный мощный луч света сразу занял достойное место в науке и технике. Сконцентрированная  энергия  лазерного луча позволяет сверлить отверстия диаметром менее 10 мк в твердых и тугоплавких металлах, даже в благородных камнях, сваривать микродетали, производить тончайшие хирургические операции и т. п. Не обошел он своим вниманием и измерительную технику. Так, советским ученым удалось измерить расстояние от Земли до Луны с точностью, пока не достижимой другими средствами, послав на спутник нашей планеты тончайший луч лазера и приняв обратно его отражение.

Этот луч обладает одним ценным свойством, которое очень важно для оптических приборов, — узкой полосой длин волн. Поясним это на примере интерферометра — одного из наиболее точных измерительных приборов. В подобных приборах многое зависит от источника света. Как известно, свет представляет собой электромагнитные колебания определенного диапазона длин волн. Обычные источники, применяемые в интерферометрах, — газоразрядные лампы, не говоря уже о лампах накаливания, излучают световые волны не постоянной длины, а колеблющейся в широких пределах. Причина здесь в тепловом движении возбужденных атомов. В газоразрядных лампах не удается избежать этого движения и приходится мириться с широкой полосой длин волн. А чем шире эта полоса, тем хуже интерференция и, следовательно, меньше диапазон и ниже точность измерений.

В луче лазера движение атомов перпендикулярно лучу отсутствует, поэтому он очень тонкий, а ширина полосы длин волн в 1000 раз меньше, чем у известных до сих пор источников излучения. В сочетании с большой интенсивностью луча это позволяет увеличить диапазон измерений до 50 м, а точность повысить в десятки раз по сравнению с обычными оптическими методами. В недалеком будущем лазерные интерферометры полностью освоят контроль ходовых винтов, станин, валов турбин и дизелей, коленчатых валов и других ответственных деталей машин. Многие измерения, которые обычными методами выполняются сейчас в течение нескольких дней, на таких приборах можно будет производить за несколько минут с повышенной точностью.

Образец — живая природа

«Живые организмы — ключ к новой технике» — этот девиз одной из самых молодых и перспективных отраслей знания бионики представляет немалый интерес и для специалистов в области измерений. Эта наука обещает улучшить основные качественные показатели измерительных приборов: точность, пределы измерения, быстродействие, надежность. И для этого у нее есть веские основания.

При самом слабом звуке, который хорошо воспринимает человек с нормальным слухом, элементы улитки внутреннего уха перемещаются на невероятно малую величину — одну десятимиллионную часть микрона. Что и говорить, такой чувствительности позавидовал был любой измерительный прибор! Диапазон человеческого слуха исключительно широк. Так, в области наибольшей чувствительности уха (1000—4000 гц) энергия самого сильного звука, еще не вызывающего болевого ощущения, примерно в триллион раз превышает энергию едва слышимого звука.

То же самое можно сказать и относительно зрения. Глаз человека способен чувствовать очень небольшую световую энергию (5—10 квантов) и в то же время он выдерживает огромные потоки энергии при взгляде на электрическую дугу или на Солнце. Вот где нужно искать ключ к решению очень трудной для измерительной техники задачи — точной регистрации величин, изменяющихся в широком диапазоне!

Скорость действия некоторых биологических систем также остается недоступной многим измерительным приборам. Достаточно вспомнить, что такие животные, как летучие мыши, киты воспринимают звуковые колебания, происходящие со скоростью до ста тысяч периодов в секунду. Наиболее же «быстрые» пневматические приборы, принцип работы которых сходен со способом действия некоторых элементов слухового аппарата, становятся беспомощными уже при скоростях изменения размера несколько сот периодов в секунду.

Современные автоматические приборы — это сложные устройства, состоящие из множества отдельных элементов.

Но чем больше элементов в приборе, тем труднее заставить его работать надежно — приходится резко повышать качество каждого элемента, что очень сложно, а иногда и просто невозможно. Выход из этого положения ученые видят в создании таких методов и схем, которые бы позволили решить задачу на основе сравнительно грубых элементов. Не поможет ли раскрыть этот секрет живая природа? Известно, что нормальная жизнедеятельность живого организма часто не нарушается даже при одновременном повреждении нескольких его органов. А огромная выносливость слуха и зрения — не свидетельство ли это большой надежности биологических систем? Ведь ни один измерительный прибор не сможет дальше работать, если подвергнется перегрузке, которую свободно переносят слуховой и зрительный аппараты.

Все говорит о том, что, зная механизм процессов, регулирующих жизнедеятельность организмов, можно будет создавать автоматические приборы, в сотни раз более чувствительные, экономичные и надежные, чем имеющиеся сейчас.