Биомехатроника стремительно прогрессирует по всем направлениям. Например, существующее на данный момент титановое сердце Abiocor, к сожалению, может быть имплантировано только примерно 50% мужчин и работает всего два года. Следующая модель, которая планируется к 2008 году, окажется втрое компактнее, подойдет большинству мужчин и половине женщин и будет работать пять лет. Корпорация Advanced Bionics разрабатывает кохлеарные имплантаты Bionic Ear, которые будут возвращать к жизни поврежденные органы внутреннего уха: крохотная помпа будет подавать к нервным окончаниям стимулирующие препараты, а электроды — возбуждать нервные клетки.

Разработчики из Университета Питтсбурга работают над первым в истории имплантируемым легким из газопроницаемого микроволнистого материала (небольшой насос забирает углекислоту и поставляет кислород, насыщающий ткани «легкого» и переносимый оттуда в кровь).

Таким образом, сегодня мы далеко ушли от первых деревянных пальцев-протезов времен первых фараонов. (Но, к сожалению, современные модели «интеллектуальных» протезов доступны пока далеко не всем.) Впереди — не менее длинный путь к умению продублировать и заменить практически любой орган человеческого тела.

Другой путь

В работах, из которых «вырастут» протезы будущего, есть и другие направления, отличные от биомехатроники. В науке, как и в высоких технологиях, не всегда просто провести границу между областями исследования. Однако в отношении «протезирования» их можно достаточно условно разделить на биопротезы и исследования регенерации тканей. Первое изучает возможность «выращивания» протезов из естественных тканей или клонированных человеческих, или же других высших млекопитающих. Здесь до реальных успехов пока далеко: скажем, знаменитые кемеровские биопротезы сосудов и сердечных клапанов, заслуженно получающие высокие оценки профессионалов, изготавливаются только из сердечных клапанов свежезабитой свиньи. Вряд ли это можно считать перспективным подходом. Что касается регенерации тканей, то тут вообще пока можно говорить о теоретических результатах, ученые лишь подступили к пониманию того, как происходит регенерация на клеточном, тканевом и молекулярном уровнях у низших позвоночных. Так что в ближайшее время можно точно не рассчитывать на то, что ампутированную руку удастся отрастить снова.

Егор Быковский

Музыка, которую мы слушаем дома, в метро, машине или на лекциях, записана на разнообразные носители и проигрывается, соответственно, с самым разным качеством. Между тем человеческое ухо способно чрезвычайно тонко различать малейшие нюансы качества записи. Так что звук, который нас сопровождает теперь повсюду, иногда в буквальном смысле слова отравляет нам жизнь.

До 1982 года, когда на заводе в Лангенхагене, под Ганновером, началось массовое производство компакт-дисков (CD), мир потреблял «музыкальные консервы» только с аналоговых носителей: виниловых грампластинок и магнитных лент. Хорошие виниловые пластинки, проигрываемые на хорошей аппаратуре, давали превосходное качество звука, однако, увы, с каждым прослушиванием немного портились как от механического износа при движении иглы по звуковой бороздке, так и от всепроникающей пыли. То есть «винил», как бы это странно ни звучало, был… одноразовым. Конечно, производители аппаратуры пытались бороться с такими недостатками: создавали бесконтактные считыватели информации с бороздок, помещали пластинки в жидкую среду и так далее, но все эти агрегаты являлись очень дорогостоящими и редкими. Приемлемого решения для массовых изделий так и не нашли. Что касается магнитофонов, то им для безупречного воспроизведения требовались прецизионные считывающие головки и относительно большая скорость протяжки ленты. Кроме того, со временем лента размагничивалась, магнитный слой осыпался. Но главный недостаток магнитной записи, как, впрочем, и любого аналогового тиражирования, — неизбежные потери качества при копировании.

В 1979 году, за три года до начала массового производства компакт-дисков, компании Sony и Philips предложили стандарт Red Book («Красная Книга») на цифровую запись звука. Аналоговый звук по новому стандарту оцифровывается и записывается в виде спиральной дорожки из чередующихся нулей и единиц (микронных лунок-питов и гладкой поверхности) на 12-сантиметровый, чуть толще миллиметра, диск из поликарбоната, покрытый поначалу тончайшим слоем золота, позже — алюминия. Лазер проигрывающего устройства освещает такой диск и детектирует двоичные «нули» и «единички», которые после соответствующей обработки превращаются обратно в звук. Понятно, что если в случае аналоговой записи и воспроизведения ошибиться на малую долю вольта довольно просто, то в случае цифровой — перепутать нуль с единицей, при должном отношении сигнал—шум, практически невозможно. Более того, возможные проблемы, связанные с ошибками при считывании и царапинами на поверхности диска, в большинстве случаев компенсировались специально разработанным цифровым методом коррекции ошибок. В результате уменьшились не только физические размеры диска-носителя по сравнению с виниловой пластинкой, но и заметно увеличилась музыкальная емкость: до 74 (позже — 80) минут. Интересно, что цифра 74 возникла из-за музыкальных предпочтений тогдашнего владельца фирмы Sony: он пожелал, чтобы на один диск уместилась целиком его любимая Девятая симфония Бетховена.

Едва компакт-диски стали завоевывать мир, разгорелись долго не стихавшие споры-войны между консервативными любителями «винила» и «CD-прогрессистами». Первые обвиняли цифровые записи в «пластмассовости» и «деревянности» звука, наличии специфических шумов и цифровых искажений. Однако число преимуществ цифровых музыкальных дисков, понятных массовому потребителю, оказалось так велико, что их победа была неминуема, но и в словах консерваторов было немало правды. И если так называемый «джиттер» (паразитные искажения формы сигнала) успешно преодолевался по мере совершенствования аппаратуры, с «деревянностью» никто ничего поделать не мог. Она даже стала эдаким общим местом в разговорах интеллектуалов, что весьма едко высмеял Вуди Аллен в реплике героя фильма «Всякое бывает»: «Но компакт-диск слушать нельзя: он же стерилизует звук!»

Чтобы понять причину этой «стерилизации», надо коснуться собственно принципа оцифровки звука: мгновенного измерения амплитуды звуковой волны и записи результатов через очень короткие промежутки времени. Принцип основан на теореме Котельникова, которая гласит, что если фиксировать значения некоего переменного сигнала, имеющего ограниченный спектр с частотой сэмплирования, вдвое превышающей присутствующие в нем частоты, то первоначальный сигнал из такой цифровой записи может быть восстановлен полностью и без искажений. То есть, сэмплируя аудиосигнал с частотой 44,1 кГц (44 100 колебаний в секунду), а именно эта частота принята в CD-стандарте, мы должны восстановить при воспроизведении неискаженный звук в диапазоне до 22,05 кГц. Поскольку человеческое ухо, даже самое чуткое и молодое (с возрастом чувствительность слуха к высоким частотам заметно падает), не способно услышать звук выше 20 кГц (что доказали исследования), то частоты сэмплирования (нарезки, если угодно) 44,1 кГц должно с избытком хватить любому, самому придирчивому уху.

Однако в этих грубых выкладках не учитываются некоторые тонкости. Например, что оцифровываемый сигнал не должен иметь внутри себя составляющих с частотой выше половины частоты сэмплирования (в конкретном случае с CD — выше 22,05 кГц), а таких составляющих в музыке сколько угодно, и их не так просто полностью удалить перед оцифровкой. При этом они попадают в фонограмму в качестве специфического вполне слышимого шума. К тому же на CD точность квантования (измерения амплитуды) определяется 16-битным двоичным словом, то есть имеется всего 216 = 65 536 градаций громкости. И если, к примеру, взять «Болеро» Равеля, то звукорежиссеру придется уложить в эти 65 с небольшим тысяч делений всю силу звука от почти нулевой в начале до «тутти оркестра» в конце. Так называемый динамический диапазон CD-дисков обычно оценивают величиной, близкой к 100 дБ, а наше ухо в состоянии переварить 120 дБ. Поэтому в принципе человек вполне может услышать возможные огрехи цифровой аудиозаписи. Виниловые пластинки редко позволяют воспроизвести сигнал с динамическим диапазоном более 80 дБ, однако присущие им шумы и искажения имеют другую природу и многими воспринимаются как более естественные.