18 декабря, 10:20

Бионические аспекты использования возможности дельфинов при обнаружении донных морских объектов

Бионические аспекты использования возможности дельфинов при обнаружении донных морских объектов

Кривченко Александр Иванович,
доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, профессор

Зайцева Кира Александровна,
кандидат биологических наук

Королёв Валентин Иванович,
кандидат биологических наук, доцент

Ахи Андрей Валентинович,

Ротин Владлен Васильевич,
кандидат технических наук, профессор,
Институт эволюционной физиологии и биохимии
им. И.М. Сеченова РАН
Zaitseva@iephb.ru

 

Аннотация

   Современная штатная гидроакустическая техника обнаружения взрывоопасных морских объектов, находящихся на поверхности дна или скрытых морскими осадками, не эффективна. Сонар дельфина с высокой вероятностью способен обнаруживать различные объекты в этих условиях. Механизм, лежащий в основе этой способности, неизвестен и требует дальнейших исследований, которые могут содействовать усовершенствованию технического локатора.

Annotation

   Modern sonar is not effective in detection of explosive sea subjects located at the ground and hidden by fall-out. Dolphins sonar is able to detect a variety of objects in these conditions with high probability. The mechanism underlying this ability requires further research and might contribute to the improvement of technical locator.

Введение

   В процессе биологической эволюции живые организмы, приспосабливаясь к окружающей среде, смогли оптимально в техническом смысле разрешить трудности аналогичные стоящим перед современной техникой. Интерес специалистов, занимающихся решением технических проблем, к тому каким образом решены стоящие перед ними проблемы в живой природе, не ослабевает.

   Одним из совершенных приспособлений в живой природе является эхолокация. Наиболее развитыми механизмами эхолокации обладают дельфины. При помощи эхолокатора эти животные решают комплекс жизненно важных задач. Эффективное функционирование эхолокационной системы в водной среде обеспечивается существенными морфо-функциональными перестройками в системе приёма и излучения акустических сигналов. Наиболее качественные исследования последних лет существенно расширили сведения об основных характеристиках работы эхолокатора и показали, что эхолокационная система дельфина может служить полезным живым прототипом технических сонарных систем, которые потребуются человеку при широком освоении Мирового океана.

 Однако целая группа важных вопросов экспериментального изучения и моделирования эхолокатора дельфина осталась вне поля зрения исследователей как в отечественной науке, так и за рубежом. В настоящее время имеются довольно ограниченные сведения по адаптивным характеристикам эхолокатора дельфина.

  Адаптация - способность организма приспосабливаться к окружающим условиям. Для морских эхолоцирующих животных применительны два типа адаптаций - долговременная, эволюционная, проявляющаяся в изменении формы тела, самом факте возникновения эхолокационного феномена, в появлении приёмных и излучающих структур, акустической согласованности с окружающей средой. Кратковременная адаптация проявляется в изменении различных акустических характеристик локатора, позволяющим животным лучше приспосабливаться к окружающим в данный момент условиям. Дельфин может при решении различных задач менять параметры локационных сигналов: интенсивность [1], длительность [2], спектр и частоту следования [3,4]. Наблюдается также способность к адаптивному изменению поведения животного, проявляющаяся в выборе рациональной траектории движения к объекту [6,7,8], изменению пространственных характеристик слуха [9] и подстройке структуры сигнала [10]. Кратковременная адаптация проявляется в постепенном улучшении эффективности при решении эхолокационных задач в ходе продолжительной работы.

  Этот процесс связан не с изменением параметров локационных сигналов, а с функциональной перестройкой работы нервных слуховых центров.

   Проблема адаптационных возможностей эхолокатора дельфина важна не только с точки зрения выявления тех механизмов, которые в ходе эволюции показывают высокую степень совершенства функционирования новой системы, обеспечивающей получение информации об окружающей среде в условиях, где участие зрения значительно ограничено. Она важна и с практической точки зрения, т.к. тесно примыкает к проблеме исследования морского дна, обнаружения заиленных предметов, поисковых нефтегазовых работ, а также к проблеме разработки систем контроля за степенью загрязненности донных осадков. Исследование свойств морских объектов по характеристикам акустических сигналов экономично, т.к. при этом можно судить о свойствах морского дна и заиленных предметов без непосредственного технического измерения.?

   В настоящей работе рассмотрена многомерность поиска подводных объектов дельфинами в зависимости от сложности поставленных задач. Была разработана структурная схема моделей сложности решаемых задач, которая требовала экспериментального подтверждения на животных:


Обозначения структуры:

 

 

 

Рис. 1 - Вертикальное обнаружение мишени «М» в объёме гидросреды.
ХН - характеристика направленности излучения дельфина. С - стартовая позиция дельфина.


Ресурс помехоустойчивости дельфина

Кинематическое трёхмерное обнаружение мишеней - идентификации донной и заиленной морскими осадками представлено на рис. 2.

 

 Рис. 2 - Идентификация донной (Мд) и заиленной (Мз) мишеней.

 Донный объект обнаруживается дельфином на дистанции меньшей благоприятного расстояния. Для идентификации объекта «М» дельфин сближается, чтобы не потерять контакт.

 

  Опыты проводили на двух дельфинах-афалинах в свайно-сетевом вольере размером 10x10x6 м, расположенном в морской бухте. Применялась методика двигательно-пищевых условных рефлексов. Положительным условным раздражителем служил полый латунный цилиндр высотой 120 мм, в диаметре 100 мм, с толщиной стенки 5 мм. Отрицательным раздражителем был стальной цилиндр тех же размеров. Для исключения зрительного различения мишени окрашивали цветом морской волны.

Рис 3. Схема эксперимента

М+ положительная мишень из латуни;
М- отрицательная мишень из стали;
П поплавок-манипулятор.

   Процедура эксперимента. До начала опытов дельфин находился в одном из двух отсеков. По сигналу 5 кГц открывалась калитка и дельфин перемещался в экспериментальный отсек (рис. 3). Предварительно животного обучали обнаруживать, а затем дифференцировать по материалу мишени на глубине 1,5 м, в 10 см от поверхности воды (рис. За) и на дне (рис. Зб). При правильном обнаружении и последующим различении дельфин касался рострумом манипулятора «П» и получал рыбу.

   Затем задача усложнялась: мишени погружали на дно и в толщу дна на глубину 10 см (рис. Зв). Морские осадки представляли собой смесь песка и ракушечника. Установка мишеней производилась водолазом в случайном порядке. Дельфин не мог наблюдать за манипуляциями водолаза, т.к. в этот момент находился в соседнем вольере.

 

Рис. 4 - Сравнительные вероятностные оценки обнаружения мишеней.
Сплошная линия - дельфином; штрих-пунктирная линия - при теоретической оценке; пунктирная линия - техническим

   На рис. 4 представлены вероятностные характеристики обнаружения объектов: в опытах на дельфинах, теоретически расчитанные и техническим локатором. Результаты свидетельствуют о том, что эффективность обнаружения и различения объектов по материалу дельфином совпадают с теоретической оценкой полной условной вероятности. У технического локатора высокие результаты получены только при обнаружении объектов у поверхности и в толще воды (рис. 4).

Рис. 5 - Современный морской тральщик проект 226МЭ.

   Современная штатная гидроакустическая техника обнаружения взрывоопасных морских объектов, находящихся на поверхности дна или скрытых морскими осадками не эффективна. Опыт минных войн (Египетско-Израильская война 1973 года в Суэцком канале, Средиземном и Красном морях; в 1985 году между Ираном и Ираком; Сомалийское пиратство с минными поставками в районе Аденского залива и Африканского рога в 2012-2013 годах) показал необходимость её усовершенствования.

   Перспективный современный морской тральщик (проект 226МЭ) с помощью самоходного телеуправляемого подводного аппарата наблюдения может обнаруживать мины, лежащие на поверхности грунта, с вероятностью 0,08-0,1, при этом не способен обнаруживать объект, скрытый морскими осадками (Рис. 5). Эффективность обнаружения снижается, поскольку заилевание объекта происходит со скоростью 0,5 см в год и через несколько лет объект оказывается полностью скрыт морскими осадками, что недоступно для его обнаружения. Полученные на дельфинах результаты свидетельствуют о том, что способность к обнаружению донных объектов у биологических и технических локационных систем оказалась разной. Технический локатор при изменении обстановки не способен адаптивно менять параметры своей системы, тогда как живой сонар оперативно решает подобные задачи. Целью дальнейших исследований является поиск принципа и механизма работы живого сонара по обнаружению и распознаванию объектов, скрытых морскими осадками. В результате бионический патент природы можно будет рекомендовать для проектируемых ГАС кораблей.

Литература

1. Дубровский Н.А., Титов А.А. Эхолокационное различение дельфином афалиной шаровых мишеней, отличающихся одновременно материалом и размерами // Акустич. ж. 1975. С. 469-471.
2. Романенко Е.В. Некоторые результаты исследования акустики дельфинов. М. 1978.
3. Dziedsic A., Alouri I. Variations in the characteristics of pulse emission of a Tursiops truncatus during the approach process and the acoustic identification of different polygonal shapes // Aniaml Soar Syatem. New Yourk: Plenum Press, 1980. P. 881-891.
4. Au W. W. L., Pawloski D.A. Detection of noise with rippled spectra by the Atlantic bottlenose dolphin // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. P. 591-596.
5. Акустика океана. Изд. «Наука». М. 1971.
6. Голубков А.Г. Гидролокатор дельфина. Л., 1977.
7. Титов А.А. Исследование звуковой интенсивности и феноме-нологические характеристики эхолокационного анализатора черноморских дельфинов: Автореф. канд. дис. Карадаг, 1972.75-77.
9. Зайцева К.А., Королев В.И. Ротин В.В. Адаптивные изменения пространственных характеристик слуха дельфина. Журн. эвол. биохимии и физиологии. 2002. Т. 38. № 4. с. 370-378.
10. Jenser E.H. and oth. Biosonar adjustments to target range of echolocating bottlenose dolphins (Tursiops) in the wild. J. Exp. Biol. 2009. T. 15. P. 1078-1086.