1. Бион – ячейка жизни.
Самая удивительная лаборатория — это живая природа. В этой лаборатории на протяжении сотен
миллионов лет идет кропотливая работа: благодаря наследственности и
изменчивости организмов в результате естественного отбора совершенствуются те
качества и свойства животных и растений, которые лучше
всего соответствуют условиям окружающей среды. Так постепенно достигается
поразительная приспособленность к окружающим условиям. Человек давно не только
удивляется этому совершенству природы и восхищается им, но и учится у природы,
подражает ей [2].
Великий ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи долго наблюдал
за полетом птиц. Он хотел построить летательный аппарат, чтобы человек мог на
нем, подобно птицам, парить над землей. Его чертежи и схемы летательных
аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам
Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.
Основоположник современной аэромеханики Н. Е. Жуковский потратил
много сил для того, чтобы понять, каким образом пернатым удается парить в воздухе. Он посвятил
этому вопросу специальную книгу. Птицы научили
человека летать — так появилась авиация. Дальнейшее изучение полета птиц
способствовало ее совершенствованию.
Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери
из-за германских подводных лодок. Нужно было во-чтобы то ни стало научиться их
обнаруживать. Для этой цели создали специальные приборы — гидрофоны. Они должны
были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Гидрофоны
установили на кораблях. Однако вскоре выяснилось, что во время хода корабля
движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, заглушавший шум
подводной лодки. Долго не могли устранить этот недостаток. Наконец, известный
физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться… у тюленей, которые хорошо слышат при движении в
воде. Приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и
гидрофоны стали «слышать» даже на полном ходу корабля. К тому же они позволяли
определять направление на источник звука и расстояние до него.
Ученые обратили внимание на
то, что медуза за несколько дней до шторма в океане начинает постепенно
опускаться на дно. Стали выяснять причины. Оказалось, что у нее есть особое
устройство, которое предупреждает о подобных изменениях в водной стихии.
Советские ученые сконструировали по его подобию прибор «ухо медузы»,
заблаговременно информирующий моряков о приближении бури.
Или сложное явление в авиации
— флаттер — ритмичное, не поддающееся регулированию колебание крыльев самолета,
часто приводящее к их разрушению, особенно при повышенных скоростях. В процессе
бионических исследований живой природы обнаружилось, что стрекоза давно
«решила» этот технический вопрос: в ее крыльях имеются специальные подвески,
предотвращающие флаттер[6].
Можно привести множество таких примеров.
Мир живой природы развивался и
совершенствовался в течение многих миллиардов лет, выработав в себе целый ряд
средств, которым аналогичны наши технические средства: радиолокационные
приборы, летающие аппараты, оптические инструменты, навигационные
приспособления.
И сейчас, в век электроники и атомной энергии, человек может очень
многое позаимствовать у животных. Несколько лет
назад академик А. И. Берг писал: «Мы часто гордимся достижениями современной
науки и техники и имеем для этого серьезные основания. Но сопоставление наших
предельных результатов с тем, что достигнуто живыми организмами в процессе
длительного приспособления и отбора, заставляет нас быть более скромными» [3].
В наше время оформилось самостоятельное направление в науке и
технике, цель которого — использовать биологические знания для решения
инженерных задач и развития техники. Оно было названо бионикой (от
греческого слова «бион» — ячейка жизни).
Можно считать, что бионика находится еще в
школьном возрасте. Ведь первая конференция специалистов-биоников, положившая
начало ее официальному признанию, состоялась в 1960 г. Сейчас бионикой
занимаются, тесно общаясь друг с другом, представители самых разных
специальностей — биологи, врачи, физики, инженеры, математики. Круг вопросов,
которые исследует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться. Учёные –
бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла,
а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Различают:
·
биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических
системах;
·
теоретическую бионику, которая строит математические модели этих
процессов;
·
техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для
решения инженерных задач.
Задачи, стоящие перед бионикой обширны:
1. Изучение
нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток и нейронных
сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки
новых элементов и устройств автоматики и телемеханики;
2. Исследование
органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью
разработки датчиков и систем обнаружения;
3. Изучение
принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для
использования этих принципов в технике;
4. Исследование
биологических, морфологических, физиологических, биохимических особенностей
живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
2. Основные направления бионики.
2.1 Архитектурно-строительная
бионика.
Архитектурно-строительная
бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей,
занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии
материала, энергии и обеспечения надежности. Яркий пример
архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и
современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать
большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер
пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём
же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных
фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Идентичность
строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что
большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой.
Стремление к комфорту, к
добротному, уютному и красивому жилью присуще человечеству с давних пор. Каждый
из нас хочет, чтобы окружающее пространство входило в резонанс с его внутренним
миром. Сейчас у каждого из нас есть шанс построить свой идеальный дом. Может
это будет садовый дом с мансардой, как у героев Чехова. А возможно, коттедж с террасой
в американском стиле. Важно то, что он может сочетать в себе все элементы
удивительного архитектурного стиля - "бионическая архитектура".
Появлению необычных архитектурных стилей
мы обязаны гениям от зодчества. Талант вечно в поиске. Доказательства этому
встречаются на каждом шагу в виде памятников архитектуры, разбросанных по всему
миру. На протяжении многих лет стили сменяют друг друга, каждый из них
неповторим. Современность предлагает новый подход к архитектуре.
Известная всем конструкция
Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии
Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда
профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где
она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не
ломается под тяжестью тела.
Фон Мейер обнаружил, что
головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым
нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела
строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.
В 1866 году швейцарский
инженер Карл Кульман подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а
спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было
использовано Эйфелем.
Сейчас многие столицы мира
украшены зданиями в бионическом стиле. То там, то здесь возникают новые
"живущие" сооружения. Голландия и Австралия, Китай и Япония, Канада и
даже Россия могут похвалиться бионическими шедеврами.
В архитектурно-строительной
бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Так в
области разработок эффективных и безотходных строительных технологий
перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея
заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко
распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких
пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким
слоем и трещина не идет дальше [5].
Благодаря
тому, что природа более совершенна и безопасна, по сравнению с теми
технологиями, которые изобрело человечество, бионика позволяет создавать не
только органичные, экологичные и надежные сооружения, но и значительно
экономить энергию и материалы.
Это лишь
малая часть того, что можно рассказать о стиле, созданном для человека,
стремящегося раскрыть свой внутренний мир, душевный и духовный потенциал.
Теперь и архитектура берёт на себя эту непростую задачу.
2.2 Разработка новых
материалов.
Современная бионика во
многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых
материалов, копирующих природные аналоги. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы
пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века
бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволили копировать
миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько
лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный
аналог шелковидной паутины - кевлар.
Исследователи
из «Бел лаб» недавно обнаружили в теле глубоководных губок высококачественное
оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон,
используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам
природное оптоволокно оказалось лучше искусственного.
Другое
знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955
году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно
прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер
решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав
феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на
плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал
важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку»,
которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и
гражданской одежды [5].
2.3
Бионика и медицина.
Телеканалом PBS был
снят репортаж о новых проектах в области бионики, которые призваны помочь людям
с ограниченными возможностями. Репортеры рассказали об аппаратах
роботизированных ног, управляемых от батареи на спине, сверхсовременном протезе
рук и специальных очках, обеспечивающих “бионическое
зрение”.
В автоматизированных ножных
протезах используется искусственный интеллект для
распознавания жестов человеческих рук, имитируя тем самым естественную
человеческую походку.
Бионические протезы рук
способны воссоздать даже мелкую моторику кистей, что дает возможность
пользоваться такими миниатюрными вещами, как шариковая ручка, ложка, вилка и
тому подобными предметами [4].
2.4 Бионика и техника.
Самые
преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием
роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в
будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они
будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им
придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в
«человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями
специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать
человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота
обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для
города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?
В
направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись
ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с
миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения
системы передвижения таракана.
Первый
гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро
— со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно
преодолевает препятствия [7].
Основными
направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и
животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает
возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.
3. Заключение.
Предмет
бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно
используется термин «биомиметика», но иногда говорят о биогенезе.
Но суть науки от этого не меняется. Перспективное научно-технологического
направление заимствует у природы ценные идеи и реализует их в виде оригинальных
конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных
технологий.
В
последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию.
Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень
и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее
точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых
материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными
органами.
Бионика
– наука будущего!
Список
литературы:
1. Лилли
Дж., Разум дельфина, ж. «Природа», 1999, № 6, стр. 60.
2. Литнецкий
И. Б., Беседы о бионике. М., Наука, 2008.
3. Глазер
Р., Биология в новом свете.
М., Мир,
1978
4. http://projectbionica.narod.ru/
5. http://ru.wikipedia.org/wiki/
6. http://bionika.ru/
7. http://bio-nica.narod.ru/
Приложение.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.