Человек перенял у природы очень многое, если не сказать все. Умение разводить огонь, прятаться в норку от непогоды, хранить пищу про запас, маскироваться под окружаю среду и еще много других вещей, о которых мы знаем так давно, что уже и не задумываемся об их появлении в нашей жизни.
А ведь существует целая наука – бионика – цель которой сделать мир людей еще более удобным, при помощи техники, созданной подглядыванием за живой природой.
Отцом бионики считается Леонардо да Винчи. Именно он, впервые, решил смастерить летальный аппарат, вдохновившись полетом птиц. До него еще был Икар, описанный в древнегреческих мифах. Но это скорее мечта, а вот легендарный изобретатель решил претворить ее в жизнь. До наших дней дошли его чертежи со всевозможными схемами устройства махолета. Правда, его изобретение в воздух так и не поднялось, но первый шаг был сделан. А официальное зарождение бионики как науки произошло в 1960 году. Тогда состоялся первый симпозиум по данной теме.
С тех пор, благодаря бионике, в нашей жизни появилось множество замечательных вещей. Самые интересные из них:
В основе конструкции, символа Парижа, знаменитой Эйфелевой башни лежит принцип строения человеческих костей. Архитектор Эйфель позаимствовал свою идею из научных трудов профессора анатомии Хермана фон Мейера, изучавшего устройство скелета.
Застежка-липучка также подсмотрена у природы. Джордж де Местраль часто гулял со своей собакой. Питомца он любил, но очень раздражался, когда приходилось вычесывать из его шерсти колючки дурнушника. Решив изучить это растение подробнее и избавиться от своей проблемы, инженер придумал один из самых удобных способов застежки.
Современные многоэтажки, в которых проживает большинство из нас, в точности копируют строение стеблей злаков.
Бионика — одно из направлений биологии и кибернетики, изучающее особенности строения и жизнедеятельности организмов в целях создания более совершенных технических систем или устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем.
В этот день открылся первый международный симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике».
Но и до официального признания бионика как таковая была известна. Изобретатели уже давно обращали внимание на различные явления природы, закономерности ее развития и находили правильные решения технических задач.
В процессе последовательного, беспощадного естественного отбора природа тысячелетиями совершенствовала свои системы, оттачивала отдельные органы животных.
В жестокой борьбе за существование выживали и давали потомство только самые совершенные формы организмов. В итоге столь продолжительной эволюции природа создала на Земле гигантскую сокровищницу, в которой не счесть изумительных образцов «живых инженерных систем», функционирующих очень точно, надежно и экономично, отличающихся поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями. У природы для этого было много времени, а человек, создающий современные машины, должен решать технические задачи за короткий срок,за десятилетия, даже годы.
Многие «изобретения» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, арабские врачи уже много сотен лет назад, проводя глазные хирургические операции, получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз,изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения.
В области физики изучение многих основных принципов учения об электричестве было начато с исследования так называемого животного электричества. В частности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII в. Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в конечном итоге к созданию гальванических элементов —химических источников электрической энергии.
Еще в годы Первой мировой войны британский флот получилна вооружение гидрофоны — приборы для обнаружения германских подводных лодок по шуму их винтов в воде. Конструкция оказалась неудачной. Во время хода судна гидрофоны не воспринимали других звуков, так как все заглушалось шумом машины собственного корабля. На помощь пришли зоологи. Они напомнили,что тюлени прекрасно слышат в воде при любой скорости, и предложили придать гидрофонам форму ушной раковины тюленя. С тех пор англичане стали более успешно бороться с германскими под- водными лодками.
Стремление ученых понять,в чем природа совершеннее, умнее, экономнее современной техники, их попытки найти и систематизировать новые методы для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, строительных конструкций и технологических процессов и породили новое научное направление, получившее название бионика.
Формы живого в природе и их промышленные аналоги.
Одной из основных задач, решаемых бионикой, является исследование принципов, позволяющих достичь высокой надежности биологических систем, моделирование компенсаторных функций организмов и их способностей к адаптации.
Примером высокой надежности приспособительных механизмов у некоторых организмов являются особые оболочки для защиты от действия окружающей среды и возможного нападения.
Инженерам-теплотехникам хорошо известен диатомит — огнеупорный материал, из которого делают стенки стекловаренных печей. Диатомит получаютиз залежей гигантских скоплений оболочек диатомовых водорослей, осевших на дно водоемов. Клетки этих водорослей располагаются внутри защитного панциря. Панцирь диатомей состоит из двух половин, вставленных одна в другую. Благодаря особой шишковатой структуре, состоящей из параллелепипедов или решеток, придающих панцирю высокую прочность, диатомей способны выдерживать большие напряжения сжатия и изгиба.
Примером сложной системы адаптации к изменениям окружающих условий является характерная для животных система, регулирующая уровень содержания в крови сахара — важного источника энергии. Она представляет особый научный интерес. Нормальная жизнедеятельностьорганизма возможна лишь при определенном содержании в кровивиноградного сахара (глюкозы). Уникальная система регулирования не допускает губительных для организма колебаний содержания сахара в крови.
В организме есть депонирующий (запасающий) орган, в котором глюкоза, полимеризуясь, переходит в другой вид углерода —гликоген (называемый иногда животным крахмалом). Этот орган — печень. В ее клетках гликоген может откладываться в больших количествах, снижая таким образом содержание в крови глю- козы. Когда содержание глюкозы в крови падает ниже необходимого уровня, часть гликогена деполимеризуется и образующаяся вновь глюкоза поступает в кровь до тех пор, пока ее содержание снова не достигнет нормы. Организм не избавляется от избыткаценного энергетического продукта, а преобразует его в удобнуюдля хранения форму, создает запас на «черный день».
В комплекс задач, решаемых бионикой, входит также исследование биологических рецепторных и анализаторных систем (прежде всего изучение органов зрения, слуха и обоняния) в целях построения их технических моделей. Глаз кальмара приспособлен для видения предметов как при слабом, так и при сильном освещении.Это приспособление связано с наличием в клетках сетчатки бурого зернистого пигмента. На ярком свету пигмент распределен повсей клетке, защищая ее чувствительное основание от избыткасветовых лучей. Ночью, при слабом освещении, весь пигмент, наоборот, равномерно сосредоточивается в основании клетки, повышая ее чувствительность. Нечто похожее создано сейчас оптиками. Им удалось разработать стекла, мгновенно темнеющие припопадании на них яркого света. Когда яркость уменьшается, стекла вновь приобретают прежнюю прозрачность.
Очень интересным и перспективным оказалось исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик головоногих моллюсков, рыб, китообразных. Результаты этого исследования используют в авиа- и судостроении,конструировании и изготовлении гидрореактивных двигателей дляподводного транспорта. Великий русский ученый Н. Е.Жуковский,исследуя полет птиц, открыл «тайну крыла», разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Жуковский, лежат в основе современной аэродинамики.
Еще более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных в живойприроде, а тем более в современной авиационной технике. Хотяскорость их полета, казалось бы, невелика по сравнению с современными авиалайнерами, но если подсчитать скорость относительно длины тела летящего животного или насекомого, то оказывается, что быстрее всех летает шмель: за одну минуту он пролетает 10 000 расстояний, равных длине его тела; второе место занимают стрижи, третье — скворец, затем серая ворона и только на самом последнем месте оказывается наш скоростной реактивный пассажирский авиалайнер, который за минуту пролетает только 1500 расстояний, равных его длине, т.е. он летает в 6 —7 раз медленнее шмеля!
Выявив функцию жужжалец — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у мух, ученым удалось создать прибор «гиротрон», применяемый для определения углового отклонения стабильности полета в самолетах и ракетах.
Методом скоростной киносъемки установили, что крыло бабочки не только поднимается и опускается при ее полете, как видно глазом, но и совершает одновременно волнообразные движения по поперечной оси. По аналогии с движением крыла бабочки к крыльям ветряка приделали дополнительные лопасти в виде крылышек, и ветряк стал работать даже при самом тихом ветре.
Реактивное движение, используемое сейчас в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам — осьминогам, кальмарам, каракатицам. Водометный двигатель на судах — это точная копия реактивного «механизма», используя который каракатица быстро движется, выбрасывая из себя струю воды с большой силой. Кальмаров можно назвать «спринтерами моря». Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 м.
Кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ракеты, способной развивать под водой огромную скорость.
Глубокое и всестороннее исследование биологических процессов, природных конструкций и форм в целях их использования в 250 строительной технике и архитектуре за короткий срок принесло немало открытий. Ученые обнаружили, что изящная конструкция трехсотметровой металлической Эйфелевой башни в точности повторяет (совпадают даже углы несущих поверхностей) строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела, хотя при создании проекта башни инженер Ж. Эйфель не пользовался живыми моделями. Большая берцовая кость человека при своих небольших диаметре и массе выдерживает сжатие в 1650 кг, что в 20 — 25 раз больше обычной нагрузки.
При тщательном изучении обычного «выеденного яйца» установили, что его прочность объясняется тонкой и эластичной пленкой-мембраной, благодаря которой скорлупа оказывается конструкцией с предварительным натяжением. Этим открытием воспользовались строители при сооружении здания театра в Дакаре, внутри которого не должно было быть ни одной колонны, ни одной декоративной опоры — все здание должно было представлять собой огромную, пустую, тонкую железобетонную «скорлупу», покоящуюся на специальном фундаменте. Только мембрана, придающая прочность этой конструкции, была изготовлена не из «куриного» материала, а из армоцемента. Тонкие армоцементные скорлупы толщиной 15 —30 мм покрывают без опор пространства высотой более 120 м. При этом чем больше пролет, тем тоньше и легче (до определенных пределов) должна быть скорлупа.
Изучение удивительного устройства листьев, имеющих ребристую структуру и форму веера, подсказало архитекторам так называемые «складчатые конструкции». Например, лист обычной писчей бумаги, положенный противоположными краями на подставки, не выдерживает собственной массы и прогибается.
Тот же лист, но сложенный «гармошкой» и опять положенный на две опоры так, чтобы параллельные складки шли поперек пролета, ведет себя иначе, чем гладкий. Он устойчив и может легко, не деформируясь, выдерживать нагрузку, равную стократной массе его собственного тела. Новая форма листа придала ему новые механические качества. Используя принцип «складчатых конструкций», в США построили складчатые купола пролетом 100 — 200 м, во Франции произвели перекрытие павильона пролетом 218 м.
Широкое применение получили тонкостенные пространственные складчатые конструкции и в России. Строителям жилых домов оказался полезен тысячевековой опыт пчел в сооружении сот. Пчелиные соты обладают многими достоинствами. Единообразие элементов здесь доведено до предела: главным и единственным кон- структивным элементом всей пчелиной постройки служит шестигранная ячейка, сделанная из воска. Другое достоинство сот — их прочность. Прочность здесь (относительная конечно) выше, чем у кирпичной стены. Соты изотропны (их прочность одинакова во всех направлениях). Благодаря этим достоинствам конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления «сотовых панелей» для строительства жилых домов. У пчелиных сот имеется еще одно чрезвычайно важное достоинство. За миллионы лет эволюции пчелам удалось методом проб и ошибок найти самую экономичную и самую емкую форму сосуда для хранения меда. Весь секрет заключается в рационально выбранной форме, в геометрическом построении восковой ячейки. Все острые углы трех ромбов, образующих основание каждого шестигранника, равны 70° 32". Математики доказали, что при шестигранной форме именно такая величина углов обеспечивает наибольшую вместимость сотовой ячейки при минимальных затратах строительного материала на ее сооружение. Наши инженеры воспользовались опытом пчел и разработали новую конструкцию железобетонного элеватора для хранения зерна. До этого у нас в стране строились десятки обычных элеваторов с массивными монолитными железобетонными башнями. Совершенства в них было мало, а железобетона расходовалось много. На строительствосовременного совершенного элеватора сотовой конструкции бетона уходит на 30 % меньше, чем на его монолитного «предка». Но многовековой опыт пчел в сооружении сот оказался полезным не только строителям жилых домов и зернохранилищ. Его весьма успешно используют при строительстве плотин, шлюзов и многих других сложных и ответственных объектов.
Подражая природным структурам, ряд оригинальных сооружений создали и мостовики. Так, французские инженеры возвели мост, придав ему форму скелета морской звезды. Он имеет вид равностороннего треугольника, что значительно надежнее, чем арочные конструкции. Трансформация формы листьев, когда они, свертываясь в трубку и образуя причудливые желоба, закручиваются в спираль, обеспечивая себе наибольшую прочность, подсказала инженерам и конструкторам идею моста через реку в виде полусвернутого листа. Его легкость поразительна, прочность необычайна. Красотой, экономичностью и долговечностью этот мост полностью обязан природе. Еще одну конструкцию моста, подсказанную природой, разработал инженер Сэмюэль Броун. Выйдя в сад и рассматривая тысячи тонких нитей паутины, провисавших между деревьями, он увидел прообраз искомой им конструкции моста на гибких длинных нитях. Ветер раскачивал ее, но подвесные нити не рвались. Инженеру оставалось только рассчитать нагрузки и сечения. Так появились прочные и красивые подвесные мосты.
Чрезвычайно важной и интересной является решаемая бионикой задача исследования систем навигации, локации, стабилизации, ориентации некоторых представителей мира животных и создание принципиально новых технических устройств на основе результатов этих исследований. Навигационные способности мигрирующих животных поражают своей точностью, однако устрой-ство и принцип работы систем, обеспечивающих ориентацию, пока не разгаданы.
БИОНИКА (греч. bios жизнь + [электро]ника) - наука, изучающая возможности инженерно-технического применения информационно-управляющих и конструкционноэнергетических принципов, реализованных в живых организмах. Возникновению Б. во многом способствовало появление специальных требований, предъявляемых новыми областями техники (ракетно-космическая, авиационная, мед. приборостроение, электронное машиностроение, ЭВМ и др.) к миниатюрной аппаратуре и множеству деталей, которые должны обладать минимальными размерами (объемом), весом (массой) и энергопотреблением при максимуме надежности. Таким требованиям удовлетворяют многие принципы и конструкции как целостного организма, так и отдельных органов, тканей, клеток и, наконец, биомолекул, Б. занимает пограничное положение между медико-биологическими и техническими науками. Научной биол, базой Б. служат экспериментально-теоретические основания таких наук, как физиология, особенно физиология высшей нервной деятельности, нервно-мышечная физиология, физиология органов чувств; анатомия и гистология, особенно морфология центральной и периферической нервной системы, проводящих путей; биофизика, особенно биофизика возбуждения, биоэнергетика, биомеханика, а также биохимия, зоология, ботаника, общая биология и кибернетика. Физико-технической научной базой Б. служат техническая кибернетика, молекулярная физика и физика твердого тела, радиоэлектроника, микроэлектроника, механика, гидравлика, теория автоматического регулирования. Термин «бионика» был предложен Стиллом (D. Still) в 1958 г. Официальное появление Б. как науки относят к концу 1960 г., когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который прошел под лозунгом: «живые прототипы - ключ к новой технике».
Уже к началу 1964 г. только но одной из проблем, вошедших в круг задач новой науки,- моделированию процессов распознавания образов (см.) - было опубликовано более 500 работ.
Возникновение Б. неразрывно связано с появлением новых идей об общности процессов управления в машинах, живых организмах и обществе, возникших в науке об управлении в сороковых годах нашего столетия и оформившихся в результате работ Н. Винера в виде новой науки об управлений и связи - кибернетики (см.). Такой подход имел определенное значение как для техники, так и для мед. и биол, наук и привлек к себе не только инженеров и математиков, но и биологов. В результате возникло два новых научных направления: 1) биокибернетика, цель к-рой - изучить информационно-управляющие процессы в живых организмах, используя методы кибернетики, и 2) бионика, цель к-рой - изучить возможности применения информационно-энергетических свойств биол, объектов, в т. ч. конструкций и схем биоинформационных систем в технике, с целью усовершенствования существующих или создания новых, более совершенных технических систем.
В большинстве ведущих исследований биокибернетический и бионический подходы бывают обычно настолько тесно связаны, что рассмотрение каждого из них в отдельности теряет смысл, и они выступают как неразрывные части некоего единого процесса познания, в к-ром бионический подход возникает как результат определенных успехов биокибернетического подхода.
В свою очередь успех биокибернетического подхода, напр, метод «черного ящика», часто бывает обусловлен бионической, т. е. конструкционно-энергетической технически осмысленной постановкой задачи в части реализации общих гипотез кибернетики.
Основные направления бионики
Свойства биологических систем (см. Биологическая система) представляют интерес для техники. Во-первых, в плане заимствования информационно-управляющих способов живых организмов при реакциях на изменения окружающей среды, для выработки соответствующих поведенческих актов, являющихся ответом на эти изменения. Во-вторых, в плане заимствования структурных и механических свойств биол, систем. В-третьих, представляет интерес применение хим. и энергетических процессов, происходящих с высоким кпд в этих системах. Первый аспект интереса к биол, системам открывает новые возможности в изыскании и технической реализации новых принципов и устройств переработки информации, создании новых элементов систем автоматики и вычислительных устройств; второй - в разработке новых типов конструкций технических устройств, связанных конструкциями и с механическими передвижениями; третий - в освоении новых технологических процессов и аппаратов хим. производства и разработке новых методов превращения хим. энергии в электрическую.
Известно, что способность живых организмов весьма гибко реагировать на изменения окружающей среды связана с деятельностью анализаторов - зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, вкусового. Многие задачи, успешно решаемые анализаторами живых организмов, напр, чтение рукописных текстов и восприятие речи человеком, весьма тонкое распознавание сигналов, которыми различные виды живых организмов обмениваются между собой и т. д., до сих пор еще далеки от решения их с помощью технических устройств.
Одной из загадочных особенностей многих птиц, рыб и морских животных являются их весьма совершенные навигационные способности. При сезонных миграциях эти животные преодолевают огромные расстояния, с высокой, пока необъяснимой точностью отыскивая прежние места обитания. Принципы получения и переработки информации в их навигационных «устройствах», несомненно, представляют интерес для техники.
Весьма совершенными являются пассивные и активные анализаторы (локаторы), имеющиеся у дельфинов, китов, летучих мышей, некоторых видов птиц, бабочек и других животных. Для ориентировки в пространстве летучие мыши излучают короткие импульсы ультразвуковой частоты и производят оценку времени возвращения эха. Локаторы летучих мышей настолько совершенны, что они уверенно маневрируют в темноте между рядами натянутой проволоки и другими препятствиями. Многочисленные эксперименты, проведенные с летучими мышами, показывают, что в том случае, когда в процессе активного лоцирования масса летучих мышей одновременно издает «крики» (ультразвуковые сигналы), эти сигналы, по-видимому, не заглушают друг друга, а ультразвуковой шум значительной силы почти не влияет на их поведение. Эти свойства природных локаторов могут помочь в решении проблемы устранения шумовых сигналов (как естественных, так и искусственно создаваемых), при конструировании новых видов технических локаторов.
Некоторые породы рыб, живущие в условиях полного отсутствия видимости, обнаруживают добычу и ориентируются в пространстве при помощи электрической системы, к-рая представляет собой по существу локатор особого типа. Скат создает вокруг своего тела электрическое поле, к-рое изменяется при его перемещении в пространстве. По изменениям этого поля, воспринимаемым специальными рецепторами, рыба ориентируется и получает возможность находить и преследовать добычу. Исследование такого электрического локатора позволит разработать новые анализаторные устройства, напр, для защиты от подводных лодок, ориентирования их под водой.
Некоторые животные обладают способностью заранее чувствовать приближение опасных для них изменений окружающей среды. Так, медузы за несколько часов предчувствуют приближение шторма, отдельные виды рыб предчувствуют землетрясение. Изучение этих свойств животных поможет создать приборы, выполняющие аналогичные функции.
Биологические системы располагают большим количеством различных датчиков-анализаторов - преобразователей энергии внешних стимулов (тепловой, световой, механической) в энергию нервных импульсов. По миниатюрности. и чувствительности эти анализаторы пока далеко превосходят свои технические аналоги. Так, органы, расположенные на ножках некоторых насекомых, позволяют улавливать смещения в доли микрона. Тепловые рецепторы гремучей змеи регистрируют изменение температуры на 0,001°. В биол, системах имеются также датчики принципиально нового типа, такие как датчики вкусовых и обонятельных сигналов, способные улавливать единичные молекулы. Обонятельный аппарат угря, напр., способен уловить присутствие единичных молекул алкоголя, не определяемых высокочувствительными методами химического анализа.
Технические информационно-управляющие системы по чувствительности и часто по быстродействию превосходят биол, системы, но уступают последним по габаритам, потребляемой мощности и надежности. Один нейрон занимает объем 10 -8 -10 -7 см 3 , объем мозга человека составляет всего 1000 см 3 , мозг потребляет мощность ок. 20 вт и работает, не выходя из строя, в среднем ок. 585 тыс. час.
Мощность, потребляемая современными вычислительными машинами, составляет десятки киловатт, а срок безотказной работы самой высококачественной аппаратуры исчисляется только сотнями часов. Даже если ориентироваться на самые прогрессивные разработки, обеспечивающие объемную плотность 10 3 -10 4 элементов в 1 см 3 и потребление энергии 1 мвт/элемент, то и в этом случае объемная плотность и экономичность биол, систем окажутся на несколько порядков более высокими. Это позволяет надеяться на разработку новых принципов дальнейшей миниатюризации аппаратуры систем управления и вычислительных машин.
Перечисленные свойства живых организмов составляют предмет исследования информационно-анализаторного направления бионики.
Вторым аспектом Б. является изучение возможностей технического применения структуры и конструкций биол, систем, изучение механических, энергетических и хим. процессов, происходящих в них.
В строительных консольных конструкциях, освоенных человеком, отношение высоты к наибольшему диаметру не превосходит 20-30, в то же время в природе существуют конструкции, у которых это отношение значительно выше 30 (ствол эвкалипта, пальмы и др.).
Изучение конструкций туловища рыб и морских животных в плане гидродинамических механизмов их перемещения в воде может дать много полезного для кораблестроения. Рыбы и морские животные весьма экономно расходуют энергию и при этом способны развивать высокие скорости. Так, скорость дельфина достигает 12-16 м/сек, скорость летучих рыб - 18 м/сек (т. е. 65 км/час, что равно скорости курьерского поезда), а скорость тунца - более 30 м/сек.
Третьим важным аспектом Б. является изучение биохим, процессов, происходящих в живой природе, с точки зрения кпд, которые могут служить образцом для разработки новых технологических процессов. В этом аспекте еще только начинаются исследования особенностей процессов тепломассообмена и термодинамики живых организмов популяций и сообществ. В качестве примера можно привести осуществляемые растениями и микроорганизмами с высоким кпд процессы фотосинтеза, синтеза уксусной к-ты, производство полноценного белка, переработку древесины в жиры и белки, осуществляемую микроорганизмами в кишечнике термитов и т. п. Интересными проблемами являются также изучение механизмов работы биохимических источников электроэнергии; исследование биохим, и биоэнергетических процессов применительно к технике процессов и аппаратов в хим. машиностроении.
Все три рассмотренных аспекта Б. показывают, насколько широки возможности постановки бионических исследований.
Направление исследования информационно-анализирующих устройств биообъектов, к-рое в наст, время развивается наиболее интенсивно, подразделяется в свою очередь на ряд самостоятельных направлений, предмет которых составляют:
Общие закономерности способов и устройств переработки информации в нервной системе; сюда относятся моделирование процессов в нейроне, исследование методов кодирования информации на разных уровнях, исследование моделей нейронных сетей;
Информационные способы и устройства в биоанализаторах и процессы распознавания образов; сюда относятся исследования механизмов работы рецепторов, построение моделей различных анализаторных систем и разработка на их основе алгоритмов распознавания образов, исследование способов кодирования при обмене информацией между живыми организмами. Кроме того, для техники представляют интерес механизмы обучения и адаптации, памяти, обеспечения надежности, компенсаторные функции живых организмов, а также механизмы, управляющие регенерацией органов в плане создания самовосстанавливающихся технических устройств;
Системы регулирования, управляющие деятельностью отдельных автономных подсистем высших организмов, которые представляют собой отдельные гомеостатические контуры, напр. система кровообращения, система дыхания, глазодвигательная система, с учетом особенностей реализованного принципа иерархичности в биол, системах, дающих большие возможности для заимствования в технических разработках.
Следует отметить, что успех бионических исследований не может быть обеспечен при простом механическом перенесении в технику схем, выработанных природой.
В природе можно найти много примеров решений и свойств живых организмов, совершенно неудовлетворяющих технику. Достаточно упомянуть только, что нормальная жизнедеятельность биол, систем возможна в узких пределах температуры (0-70°) и давления (0,7- 3 кг/см 2), а быстродействие элементов нервной системы значительно ниже быстродействия технических элементов. Время, необходимое для перевода нейрона из невозбужденного состояния в возбужденное, составляет 10 -2 -10 -1 сек., тогда как для технических элементов оно достигает 10 -7 -10 -8 сек. В силу этого основное внимание обращается на изучение и освоение принципов работы элементов и систем живых организмов, что позволит за счет реализации этих принципов на элементах другой физической природы получить системы более совершенные, чем те, которые созданы в процессе эволюции в живых организмах.
Методы исследования бионики. В основе большинства бионических и биокибернетических исследований, особенно в основе информационного их направления, лежит метод моделирования. Термин «модель в бионике» нередко трактуется очень широко - от физ. устройства, воспроизводящего функции моделируемого объекта и математической модели (либо программы на ЭВМ), до суммы логических представлений, описывающих объект, т. е. согласованной системы фактов и гипотез о сущности изучаемой системы (см. Моделирование).
Моделирование механизмов работы тех или иных отделов биол, системы обычно разбивается на этапы: на первом этапе проводится изучение, систематизация и сопоставление существующих физиол, данных - результатов морфол., электрофизиол. и психофизиол, исследований и получение в случае необходимости новых данных об объекте. На втором этапе- разработка на основе проведенного анализа физиол, данных кибернетической гипотезы о работе исследуемой биол, системы, т. е. такой гипотезы, к-рая включает в себя широкий комплекс технических и математических сведений, используемых современной наукой об управлении; наконец, на последнем этапе осуществляется проверка разработанной гипотезы, к-рая может производиться в двух направлениях: во-первых, посредством расчетов на вычислительных машинах, физических или математических, во-вторых, проверка соответствия гипотезы объективной реальности посредством физиол. эксперимента.
Моделирование биол, систем в кибернетике и Б. может проводиться посредством различных методов. В обобщенных методах кибернетики, важных для Б., ставится задача получить алгоритм, описывающий работу моделируемого объекта, причем не требуется сходства структуры модели со структурой объекта. Этот метод представляет собой метод функционального моделирования, или метод «черного ящика». Метод функциональною моделирования основывается на психофизиологических и поведенческих данных об объекте. Применительно к задачам Б. метод «черного ящика» позволяет получить ряд важных данных, позволяющих выбрать тот или иной биол, принцип построения технической системы (дискретной, аналоговой). В другом, не менее важном для Б. дискретноструктурном методе моделируются принципы и сущность информационно-управляющих нейронных механизмов того или иного отдела мозга. В этом случае требуется выяснять как дискретную структуру моделируемого объекта, так и характер взаимосвязей между его элементами (множествами). В отличие от первого метода, этот метод использует комплекс физиол, данных, полученных психофизиологами, морфологами и электрофизиологами.
Основные результаты бионики
Одним из первых результатов Б., внедренных в технику в области заимствования принципов биоанализаторов, явилась разработка гиротрона - прибора, применяемого вместо гироскопа для стабилизации летательных аппаратов. Изучение некоторых насекомых (бабочек, жуков) показало, что они имеют булавовидные усики, которые во время полета колеблются в горизонтальной плоскости. При отклонении тела насекомого концы усиков продолжают колебаться в той же плоскости, что вызывает у основания усиков механические напряжения, воздействующие на находящиеся здесь нервные клетки. От них сигналы по нервным волокнам поступают в центральные отделы нервной системы, которые вырабатывают соответствующие ответные сигналы для управления органами тела насекомого, восстанавливающими правильное положение его в полете. Принцип работы этого биоаналнзатора применен в техническом устройстве - гиротроне, представляющем собой камертон, ножки к-рого приводятся в колебательное движение электромагнитом, питаемым переменным током. При повороте держателя, на к-ром укреплен камертон, у основания ножек возникает механический момент. Датчик, реагирующий на него, посылает сигнал, пропорциональный углу поворота держателя. Гиротроны применяются в летательных аппаратах, ведется дальнейшая работа по их совершенствованию: увеличению чувствительности, срока службы, уменьшению габаритов.
Другим примером является построение измерителя земной скорости для самолета, использующего принцип работы фасеточного глаза насекомых (пчелы). Прибор состоит из приемников, расположенных у основания двух трубок, разведенных на заданный угол в вертикальной плоскости. Для определения скорости самолета относительно земли производится фиксация определенной точки земной поверхности сначала в одном, потом в другом приемнике. Зная промежуток времени между появлением выбранной точки в первом и во втором приемниках и высоту самолета над поверхностью земли, легко определить скорость.
Наблюдения за поведением пчел позволили выдвинуть гипотезу об ориентировке некоторых видов птиц и насекомых по поляризованному излучению солнца, использующую тот факт, что световые лучи, поступающие от солнца, поляризованы по-разному при расположении солнца на различной высоте над горизонтом. Эти исследования привели к созданию солнечного компаса, дающего возможность ориентироваться но солнцу при наличии облачности. Ряд приборов, необходимых для устройств самонаведения и локации, предложен в результате изучения механизмов функционирования глаза лягушки. На основе исследования свойств некоторых морских организмов улавливать инфразвуки построены приборы для сигнализации о приближении шторма.
Применение в технике нашли также конструкционно-энергетические принципы, заимствованные у биообъектов. Так, использование форм обводов китообразных для строительства кораблей позволило получить выигрыш в мощности силовых установок до 40%. Другим примером является способ передвижения пингвинов по снегу, он использован для постройки нового вездехода для полярных районов.
Интересным результатом является попытка использования некоторых видов микроорганизмов для создания электрических источников тока.
Наиболее существенные результаты информационного направления Б. состоят, во-первых, в разработке моделей одиночных нервных клеток, моделей участков нейронных сетей и целых отделов нервной системы - анализаторов и, во-вторых, в разработке на базе этих моделей обучающихся машин и алгоритмов для распознавания образов. Разработано несколько сот моделей нейронов, различающихся по количеству и сложности воспроизводимых свойств нейрона. Некоторые разработки представляют собой по существу сложные адаптивные элементы нового типа, созданные на базе представлений о нейроне, и предназначены для создания распознающих обучающихся устройств. Успехи, достигнутые при разработке моделей анализаторных отделов мозга, связаны с формулировкой известного в физиологии принципа латерального тормозного взаимодействия между элементами проекционных отделов нервной системы и разработкой теории детекторов как основного механизма работы анализаторов. Согласно этой теории процесс восприятия того или иного раздражителя является результатом выделения некоторых простых признаков этого раздражителя посредством набора специально организованных ансамблей нейронов - детекторов. Напр., при анализе зрительного изображения обнаружены детекторы границы темного и светлого участков, детекторы кривизны, детекторы прямых линий определенного направления, детекторы перекреста прямых линий и т. п. В ходе эволюции у животных функции детекторов усложняются, появляются детекторы движения с определенной скоростью, детекторы движения в определенном направлении. На базе теории детекторов разработаны модельные представления о работе зрительного и слухового анализаторов, объясняющие ряд свойств слухового и зрительного восприятия.
Созданные на базе бионических исследований распознающие и обучающиеся устройства, конечно, еще весьма несовершенны, и создание их должно рассматриваться как первые шаги в этой области. Тем не менее уже созданы устройства для распознавания простейших рисунков, для распознавания ограниченного набора слов (ок. 300), разработаны адаптивные автопилоты и самонастраивающиеся фильтры для выделения на фоне шумов сигнала произвольной формы. Создание совершенных обучающихся распознающих устройств будет иметь большое значение не только для техники, но и для биологии и медицины и особенно для медицинской техники, биотелеметрии, биофизики.
Такие устройства найдут применение в цитологии, гистологии, микробиологии, рентгенологии и других областях биологии и медицины.
В середине 70-х годов в связи с развитием техники ОКГ (см. Оптический квантовый генератор) и развитием голографии (см.) наблюдается пересмотр роли кибернетики и Б. в развитии технических информационно-анализирующих систем.
Научно-исследовательские учреждения, в которых проводятся исследования по бионике: СССР - государственные университеты: Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский; институты биофизики (Москва), проблем управления (Москва), мозга (Москва), радиоэлектроники (Харьков), кибернетики (Киев), автоматики и электрометрии СО АН СССР; США - университеты: Станфордский, Гарвардский, Колумбийский, Иллинойсский, Калифорнийский; Массачусетский технологический институт; Англия - университеты: Бирмингемский, Кельтский, Кембриджский; ФРГ - Институт Макса Планка; ГДР - Высшая техническая школа (Ильменау), Институт кибернетики и информационных процессов; Польша - Институт прикладной кибернетики, Политехнический институт (Варшава); Болгария - Институт технической кибернетики; Чехословакия - Институт теории информации и автоматизации. Работы по Б. обсуждаются на регулярно созываемых конференциях. В СССР проводятся: всесоюзные конференции по бионике (Москва), всесоюзные конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону); в США: национальные симпозиумы по бионике; в ФРГ: конгрессы по кибернетике; международные конгрессы: по кибернетике (Намюр), но медицинской кибернетике (Амстердам), по биокибернетике (Лейпциг), по автоматическому регулированию (ИФАК).
Общепринятых учебных программ для подготовки специалистов в области Б. не существует, однако в ряде университетов и вузов организованы спецкурсы и проводятся студенческие научно-исследовательские работы. К их числу относятся Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский университеты; Московский физико-технический институт, 1-й Московский медицинский институт, Ленинградский политехнический институт.
Библиография: Бионика, под ред. А. И. Берга и др., М., 1965; Бионика, Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы 1958 - 1968 гг., сост. Т. Н. Анисимова, М., 1971; Бонгард М. М. Проблема узнавания, М., 1967; Винер Н. Кибернетика и общество, пер. с англ., М., 1958; Глезер В. Д. Механизмы опознавания зрительных образов, М.- Л., 1966, библиогр.; Дейч С. Модели нервной системы, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Жерарден Л. Бионика, пер. с франц., М., 1971; Мил-сум Д. Анализ биологических систем управления, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; П о з и н Н. В. Моделирование нейронных структур, М., 1970, библиогр.
И. А. Любинский.
Лозунг бионики: «Природа знает лучше». Что же это за наука такая? Уже само название и такой девиз дают нам понять, что бионика связана с природой. Многие из нас ежедневно сталкиваются с элементами и результатами деятельности науки бионики, даже не подозревая об этом.
Вы слышали о такой науке, как бионика?
Биология - популярное знание, с которым нас знакомят ещё в школе. Почему-то многие считают, что бионика - один из подразделов биологии. На самом деле это утверждение не совсем точное. Действительно, в узком смысле слова бионика - это наука, изучающая живые организмы. Но чаще всего мы привыкли ассоциировать с этим учением нечто другое. Прикладная бионика - наука, которая сочетает в себе биологию и технику.
Предмет и объект бионических исследований
Что изучает бионика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть структурное деление самого учения.
Биологическая бионика исследует природу такой, какая она есть, без попытки вмешательства. Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем.
Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.
Практическая (техническая) бионика - это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.
Откуда всё начиналось?
Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже.
Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антони Гауди-и-Курнет. Его имя прочно впечатано в историю этой науки. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей.
Следующим, кто поддержал идею симбиоза природы и технологий, стал Под его руководством началось широкое применение бионических принципов в проектировании зданий.
Утверждение бионики как самостоятельной науки произошло лишь в 1960 году на научном симпозиуме в Дайтоне.
Развитие компьютерной техники и математического моделирования позволяют современным архитекторам намного быстрее и с большей точностью воплощать в архитектуре и других отраслях подсказки природы.
Природные прототипы технических изобретений
Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.
В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.
Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, их используют для усовершенствования конструкций ножек различных кухонных приспособлений, чтобы избежать их скольжения во время работы. Также присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.
Можно найти множество таких примеров. Бионика - это как раз та наука, которая помогает человеку заимствовать у природы технические решения для своих изобретений.
Кто первый - природа или люди?
Иногда случается, что то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть и перенять.
Так произошло с обычной липучей застёжкой, которая используется человеком для застегивания одежды. Было доказано, что в для сцепления тонких бородочек между собой тоже применяются крючочки, подобно тем, которые есть на застёжке-липучке.
В строении фабричных труб наблюдается аналогия с полыми стеблями злаков. Продольная арматура, используемая в трубах, сходна со склеренхимными тяжами в стебле. Стальные кольца жёсткости - междоузлия. Тонкая кожица с внешней стороны стебля - это аналог спиральной арматуры в строении труб. Несмотря на колоссальное сходство структуры, учёные самостоятельно изобрели именно такой метод постройки фабричных труб, а уже позже увидели тождество такого строения с природными элементами.
Бионика и медицина
Применение бионики в медицине даёт возможность спасти жизнь многим пациентам. Не прекращаясь, ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека.
Первым посчастливилось испытать датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием.
Все исследования в данном направлении полностью основываются на копировании природных процессов и механизмов и их техническом исполнении. Это и есть медицинская бионика. Отзывы учёных гласят, что в скором времени их труды дадут возможность менять износившиеся живые органы человека и вместо них использовать механические прототипы. Это действительно станет величайшим прорывом в медицине.
Бионика в архитектуре
Архитектурно-строительная бионика - особая отрасль бионической науки, задачей которой становится органическое воссоединение архитектуры и природы. В последнее время всё чаще при проектировании современных конструкций обращаются к бионическим принципам, позаимствованным у живых организмов.
Сегодня архитектурная бионика стала отдельным архитектурным стилем. Рождалась она с простого копирования форм, а сейчас задачей этой науки стало перенять принципы, организационные особенности и технически их воплотить.
Иногда такой архитектурный стиль называют экостилем. Всё потому, что основные правила бионики - это:
- поиск оптимальных решений;
- принцип экономии материалов;
- принцип максимальной экологичности;
- принцип экономии энергии.
Как видите, бионика в архитектуре - это не только впечатляющие формы, но и прогрессивные технологии, позволяющие создавать сооружение, отвечающие современным требованиям.
Характеристики архитектурных бионических строений
Опираясь на былой опыт в архитектуре и строительстве, можно сказать, что все сооружения человека непрочны и недолговечны, если они не используют законы природы. Бионические здания, помимо удивительных форм и смелых архитектурных решений, обладают стойкостью, способностью выдерживать неблагоприятные природные явления и катаклизмы.
В экстерьере зданий, построенных в этом стиле, могут просматриваться элементы рельефов, форм, контуров, умело скопированные инженерами-проектировщиками с живых, природных объектов и виртуозно воплощенные архитекторами-строителями.
Если вдруг при созерцании архитектурного объекта покажется, что вы смотрите на произведение искусства, с большой вероятностью перед вами строение в стиле бионика. Примеры таких конструкций можно увидеть практически во всех столицах стран и больших технологически развитых городах мира.
Конструкция нового тысячелетия
Ещё в 90-х годах испанской командой архитекторов был создан проект здания, основывающийся на совершенно новой концепции. Это 300-этажное строение, высота которого будет превышать 1200 м. Задумано, что передвижение по этой башне будет происходить с помощью четырёх сотен вертикальных и горизонтальных лифтов, скорость которых - 15 м/с. Страной, согласившейся спонсировать данный проект, оказался Китай. Для строительства был выбран самый густонаселённый город - Шанхай. Воплощение проекта позволит решить демографическую проблему региона.
Башня будет иметь полностью бионическую структуру. Архитекторы считают, что только это сможет обеспечить прочность и долговечность конструкции. Прототипом строения является дерево кипарис. Архитектурная композиция будет иметь не только цилиндрическую форму, похожую на ствол дерева, но и «корни» — новый вид бионического фундамента.
Наружное покрытие здания - это пластичный и воздухопроницаемый материал, имитирующий кору дерева. Система кондиционирования этого вертикального города будет аналогом теплорегулирующей функции кожи.
По прогнозам учёных и архитекторов, такое здание не останется единственным в своём роде. После успешного воплощения количество бионических строений в архитектуре планеты будет только увеличиваться.
Бионические здания вокруг нас
В каких известных творениях была использована наука бионика? Примеры таких сооружений несложно отыскать. Взять хотя бы процесс создания Эйфелевой башни. Долгое время ходили слухи, что этот 300-метровый символ Франции построен по чертежам неизвестного арабского инженера. Позже была выявлена полная её аналогия со строением большой берцовой кости человека.
Кроме башни Эйфеля во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений:
- возводилась по аналогии с цветком лотоса.
- Пекинский национальный оперный театр - имитация водяной капли.
- Плавательный комплекс в Пекине. Внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.
- Небоскрёб "Аква" внешне похож на поток падающей воды. Находится в Чикаго.
- Дом основателя архитектурной бионики Антонио Гауди - это одно из первых бионических сооружений. До сегодняшнего дня он сохранил свою эстетическую ценность и остаётся одним из самых популярных туристических объектов в Барселоне.
Знания, необходимые каждому
Подводя итоги, можно смело заявить: всё, что изучает бионика, актуально и нужно для развития современного общества. Каждый должен ознакомиться с научными принципами бионики. Без этой науки невозможно представить технический прогресс во многих сферах деятельности человека. Бионика - это наше будущее в полной гармонии с природой.
Природа и люди строят по одним и тем же законам, соблюдая принцип экономии материала и подбирая для создаваемых систем оптимальные конструктивные решения (перераспределение нагрузки, устойчивость, экономию материала, энергии).
Науку, занимающуюся изучением строения и функционирования живых организмов, чтобы использовать это для решения инженерных задач, создания новых приборов и механизмов, называют бионикой (от греческого bios «жизнь»). Этот термин впервые прозвучал 13 сентября 1960 г. в Дайтоне на американском национальном симпозиуме «Живые прототипы - ключ к новой технике» и обозначил новое научное направление, возникшее на стыке биологии и инженерного искусства. Праотцом бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов основаны на строении крыла птицы.
Длительное время бионика развивалась скачкообразно. Сначала инженеры и конструкторы находили удачное решение какой-либо задачи, а через некоторое время обнаруживалось, что у живых организмов существуют аналогичные конструктивные решения и, как правило, оптимальные.
Сегодня бионика имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.
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 чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей - кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.
В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение ХХ века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.
Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».
Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами - перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов - разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты - аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, 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. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.
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.
Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:
1. Гибкое восприятие внешней информации независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).
2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.
3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м 3 , тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм 3 .
4. Экономичность потребления энергии - разница просто очевидна.
5. Высокая степень самоорганизации - быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.
Эйфелева башня и берцовая кость К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. |
Изучение механизмов памяти ведет к созданию «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.
Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные-«биосиноптики» от природы наделены уникальными сверхчувствительными «приборами». Задача бионики - не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.
Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.
В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).
Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана - на инфракрасный и т. д.
Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации - дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя - по запаху (химизм прибрежных вод).
Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов.
А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.
Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается «за кадром».
Быстрее, выше, сильнее! Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер - внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход - крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов. |