Становление агробиофотоники как закономерное развитие научных направлений Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ВКВО-2019 Агробиофотоника

СТАНОВЛЕНИЕ АГРОБИОФОТОНИКИ КАК ЗАКОНОМЕРНОЕ РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

Соснин Э.А.1'3*, Кульчин Ю.Н.2, Астафурова Т.П.3

1 Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск 2 Институт автоматики и процессов управления ДО РАН, г. Владивосток 3 Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск

* E-mail: badik@loi.hcei.tsc.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16031

По мере овладения человеком различными явлениями природы сначала используются преимущественно механические и акустические поля, и далее другие виды энергии. В теории решения изобретательских задач каждое из полей обозначают своей литерой, а последовательность их использования изображают так, как показано на рис. 1. Такую запись иногда называют «линейкой

Механическая Акустическое Тепловое Химическая Электрическое Магнитное Рис. 1. Классическая линейка использования полей МАТХЭМ [1, с. 69]

М —А —* Т —- X —*-Э —"М

* г

Ч У

МАТХЭМ», подразумевая под этим наиболее вероятный сценарий использования полей в ходе совершенствования изобретений. Линейка прогнозирует появление новых научно-технических решений в любой области целенаправленной деятельности человека. Например, если в данном объекте техники (ОТ) уже используется акустическое поле для выполнения его главной полезной функции, то переход к тепловому или электрическому полям всегда повышает производительность ОТ и/или качество продукта и/или расширяет диапазон использования ОТ. Т.е. объекты техники совершенствуются, чему отвечает «движение» слева направо вдоль линейки.

Со временем, по мере овладения перечисленными видами энергии, появились предпосылки для использования парных комбинаций, как это показано на рис. 2. Практика показала, что в сравнении с одинарными полями, пары ещё более эффективны. Но среди этих пар также существует определенная

иерархия: научно-технические решения, основанные на использовании электромагнитных полей (ЭМ) по целому ряду показателей сильнее, чем решения, основанные на парах-предшественницах.

Линейка МАТХЭМ

хорошо описывает изменения, произошедшие с объектами техники за последние три столетия, но не учитывает целого ряда фундаментальных открытий, оказывающих существенное влияние на ход НИОКР. Например, рассмотрим открытие вынужденного излучения, на основе чего были созданы первые лазеры (термин предложен Г. Гулдом, 1959) и далее появилась фотоника. Это «наука о способах генерации, обнаружения и практического использования света и других форм излучений, единицей измерения которых является фотон» [2, с. 304]. По существу, фотоника была названа по аналогии с электроникой, т.к. в этой области используют не электроны, а кванты электромагнитного поля. Термин «фотоника» впервые предложил академик А.Н. Теренин (1967), обозначив её как «совокупность взаимосвязанных фотофизических и фотохимических процессов» [3]. Однако термин «фотоника» получил публичную и мировую репрезентацию, а также наиболее широкое толкование только на 9-м Международном конгрессе по скоростной фотографии в Денвере, США (1970).

Электромагнитное излучение может использоваться как самостоятельно, так и обеспечивать несколько классов эффектов, в которых задействованы все прочие виды энергии (рис. 3). Они могут применяться как дополнительные, так и быть результатом конверсии электромагнитного излучения.

тм —>-тх—* эх-

Термомеханические Термо- Электро-

и термоакустические химические химические эффекты эффекты эффекты

Рис. 2. Развитие линейки МАТХЭМ

ЭМ

Электромагнитное поле

70

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВО-2019 Агробиофотоника

л

I-

0) i£

-8-8-

о

о

0) у

s * £

If

ai

gg

g-9-

If

л

I-

ifi <u -8 -8-

о

Фотоны (ЭМ*) * ►

M—* A —«-T —- X —► Э — M*

Рис. J. Переход к комплексному использованию полей в рамках

фотоники

Применение электромагнитного излучения позволило существенно увеличить качество и скорость выполнения различных операций, расширить диапазон задач по управлению свойствами веществ и процессов [4].

В частности, появились совершенно новые возможности для работы с биологическими

объектами, что привело к оформлению такого

направления как биофотоника: «Биофотоника изучает

явления испускания,

обнаружения, поглощения, селекции, модификации и генерации излучений живыми организмами и органическими материалами (что находит широкое применение в медицине, генетике, биологии, агротехнике и экологии)». Также биофотоника - это наука и технологии, имеющие дело со взаимодействием органического вещества со светом и другими формами излучений, в которых квантовой единицей служит фотон [2, с. 27].

В последние годы в рамках биофотоники было отдельно выделена специализированная подотрасль знаний, получившая название «агрофотоника» или «агробиофотоника». Агробиофотоника изучает указанные явления, но не для всех живых организмов и органических материалов, а только тех, которые имеют отношение к получению продуктов питания в сельском хозяйстве и животноводстве. Такая трактовка была одобрена участниками пленарного заседания VIII Конгресса технологической платформы «Фотоника», проходившего 5 марта 2019 г. в рамках международной специализированной выставки «Фотоника. Мир лазеров и оптики 2019».

Актуальность выделения обусловлена тем, что население мира растёт, и по прогнозу ООН к 2050 г. оно составит 10 миллиардов человек. Это потребует существенно увеличить производство продовольствия. В агротехнике все простые виды энергий и их парные комбинации практически использованы, а потенциал полученных на их основе научно-технических решений почти исчерпан. Выход из положения состоит в переходе на комплексное использование полей, т.е. в переходе к использованию плазменной и фотонной технологий.

В настоящее время в рамках агробиофотоники уже активно изучаются и внедряются фотонные системы стимулирования эффективного роста сельскохозяйственных культур, фотонные датчики для мониторинга состояния растений, продуктов питания, почвы, воздуха в хранилищах и на фермах и прогнозирования сроков хранения продукции [5].

Итак, в рассмотренном сюжете мы видим, как изменяется линейка МАТХЭМ. Отдельная отрасль целенаправленной деятельности человека вначале проходит линейку слева направо. Затем качество и диапазон применимости научно-технических решений повышаются за счёт использования парных полей. После этого, когда возможности использования парных комбинаций исчерпываются, происходит переход к комплексным способам воздействия. Примером действия этой закономерности являются фотоника и её суботрасль - агробиофотоника.

В статье использованы результаты, полученные в ходе выполнения проекта, в рамках Программы повышения конкурентоспособности ТГУ (тема № 8.1.29.2018).

Литература

2. 3.

Злотин Б. Л., Зусман А. В. Законы развития и прогнозирования технических систем: методические

рекомендации. Кишинев: Картя Молдавянескэ, МНТЦ «Прогресс», 1989. 114 с.

Ковалевская Т.Е., и др. Фотоника : Словарь терминов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 342 с.

Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений. Л. Наука, 1967. 616 с.

Соснин ЭА. Теория решения изобретательских задач в фотонике. Томск: Издательский Дом Томского

государственного университета, 2019. 336 с.

Yeong T.J, et al, Molecules. 27, E2025 (2019)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

71