Бионику часто называют молодой наукой. Это неверно. Ведь еще господь бог занимался бионикой, создавая людей по образу и подобию своему. Академик Капица.
Справка
Бионика(от
греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий), наука,
пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные
задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности
организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой,
химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой,
навигацией, связью, морским делом и др.
БСЭ. 1978 г.
Бионика - наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе
живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах.
Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое осуществляется в других науках.
Как правило, модели бионики - несравненно более сложные динамические структуры.
Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме,
но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые
знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ
к новой технике».
Прародителем бионики считается Леонардо да
Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были
основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам
Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.
Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов
он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.
Подобные опыты проводились и в СССР, в Российской Федерации в связи с общим упадком науки - многие программы свёрнуты, а специалисты трудятся в зарубежных исследовательских центрах.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Создание модели в бионике - это половина дела.
Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка
наличия интересующих практику свойств модели,
но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик
устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых
в задаче показателей.
И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают
свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная
программа - бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные
параметры и устранить конструктивные недостатки.
Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели;
что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными,
но их целевая нагрузка другая. Главное в них - изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего
можно воссоздать необходимые свойства модели.
Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение.
Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение
для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т.п.
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 внутри 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 м3, тогда как наш мозг
занимает объем 1,5 дм3.
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. Это ещё один показательный
пример бионики в действии.
БИОНИКА - ТЕХНИКА ЖИВЫХ
ОРГАНИЗМОВ
Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка биологических средств
обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и
структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме
"человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение
основных задач обработки информации, - общая цель всех четырёх названных направлений. Именно проблемы, связанные с
созданием разнообразной информационной техники, привлекают главное внимание бионики.
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 0,0010 C; 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 0,10 С. 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. И бионика здесь занимает особое положение.
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".
Бионика наступает. 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.
Особенно следует подчеркнуть значение рождённого в практике бионических исследований специального подхода
к организации и ведению научного исследования - бионического подхода. Он возможен в любом техническом исследовании. Бионический подход - это искусство применения биологии для небиологических целей. Бионический подход в научном исследовании
в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры.
Дружная работа различных специалистов, преодоление профессиональных "перегородок", выработка понимания друг друга с полуслова,
создание единых методов работы - всё это, как правило, помогает решать трудные задачи. Постоянные поиски сравнений интересующего
объекта, явления, процесса, свойства, характеристики и т.д. с чем-то подобным в живой природе, скрупулёзный анализ найденных аналогий
и связей, границ их применимости - в этом существо бионического подхода. Работа на стыке наук и особенно в непосредственной связи с биологией
- столбовая дорога развития всех разделов современной науки, техники и практического производства.