Бионика

План

  • 18.1. Основные понятия бионики
  • 18.2. Некоторые результаты бионики
  • 18.3. Перспективы бионики.

Основные понятия бионики

Бионика (от греч. Ыоп — ячейка жизни) — комплексное научное направление, занимающееся исследованием и применением принципов организации и функционирования биологических объектов (процессов) и их элементов для совершенствования существующих и разработки новых технических систем и технологий.

Теоретическую и инженерно-техническую базу бионики составляют биология, математика, физика, теория автоматического регулирования, биокибернетика, радиоэлектроника, микроэлектроника, механика, гидравлика.

В исследованиях по бионике выделяют три этапа:

  • 1) поиск, обнаружение и исследование биологического объекта (феномена, явления, процесса) — прообраза будущей технической системы;
  • 2) построение математической или физической модели биологической системы (процесса), отражающей основные принципы ее структурной (в том числе химической) организации и функционирования;
  • 3) инженерное проектирование. Базируется на точном (математическом) описании информационно-управляющих, конструкционных и энергетических принципов биологического объекта. Это не означает простое копирование в бионической модели структуры и свойств биологического прототипа. Более того, в ряде случаев инженер, опираясь на технические достижения, вносит в конструкцию физической модели качественно новые элементы (узлы, решения, например вращающиеся детали), существенно улучшая определенные ее характеристики. Поэтому создаваемые технические устройства следует рассматривать как изоморфные конструкции, а не точные копии биологических объектов.

Основными направлениями бионики являются следующие:

  • • сенсорные системы;
  • • нейроны и нейронные сети (нейробионика);
  • • ориентация: навигация, локация,связь;
  • • распознавание образов;
  • • биомеханика;
  • • архитектурно-строительная бионика;
  • • робототехника;
  • • искусственные органы (протезирование).

Некоторые результаты бионики

Гиротрон — прибор, применяемый на скоростных самолетах и ракетах для регистрации углового отклонения летательного аппарата. Имитирует принцип функционирования специального органа, имеющегося у некоторых насекомых (мух и др.). Данное устройство представлено жужжальцами — недоразвитыми задними крыльями в виде булавовидных образований, колеблющихся в го- р изон тал ы I о й 11 л ос кости.

Измеритель земной скорости для самолетов основан на принципе функционирования сложного (фасеточного) глаза насекомых. Прибор состоит из двух цилиндров (с вмонтированными в них приемниками), разведенных в вертикальной плоскости на определенный угол. Для измерения скорости производится фиксация определенной точки поверхности земли сначала в одном, а затем в другом приемнике. Скорость самолета относительно земли рассчитывается на основании таких параметров, как промежуток времени между появлением данной точки в первом и втором приемниках и высота полета.

Дополнительные элементы на концах крыльев самолетов, служащие для предотвращения вибрации, «позаимствованы» у быстролетающих насекомых, которые на кончиках крыльев имеют особые хитиновые утолщения.

Солнечный компас, позволяющий ориентироваться по солнцу в ненастную погоду, сконструирован на основе наблюдений за некоторыми птицами и насекомыми. Эти животные способны оценивать свое местоположение в пространстве но поляризованному излучению солнца путем регистрации изменений его поляризации в зависимости от расположения над горизонтом.

Приборы для сигнализации о приближении шторма созданы в результате исследования некоторых морских организмов, обладающих способностью воспринимать инфразвуки.

Технические устройства для элсктролова и отпугивания рыб от разводимых в водоемах растений и моллюсков основаны на физических принципах функционирования электрических органов рыб. Эти органы способны генерировать электрические импульсы (или сильные разряды) и таким образом создавать вокруг себя электрическое поле. Любые изменения конфигурации этого поля под действием живых и неживых объектов регистрируются электрорецепторами рыбы, что позволяет ей эффективно избегать встречи с врагами и успешно охотиться, а также ориентироваться в мутной воде.

Корабли с грушевидной как у кита (а нс традиционной ножсоб- разной) носовой частью являются более экономичными (при той же скорости хода позволяют уменьшить мощность двигателей на 25%).

Дырчатые конструкции в архитектурных и технических сооружениях имеют прототипом костные структуры. Высокая прочность обусловлена закономерной взаимной топографией обрамленных отверстий.

Сотовые панели как конструкционный элемент используются при строительстве жилых домов и гидротехнических систем (достоинства — максимальная емкость при минимальной затрате материала).

Популярные застежки типа «липучек» и «молний» для одежды и обуви изобретены на основе исследования строения пера птиц. Для надежного сцепления его элементов последние снабжены микроскопическими крючками. Согласно другим источникам, на изобретение этих застежек натолкнули наблюдения за поведением животных (собак и др.) в природных условиях, когда к их шерсти прилипали плоды сорняка дурнишника. Оказалось, что последние покрыты мелкими крючками.

Изготовлен материал (из пропилена толщиной 0,1 мм), структура поверхности которого позаимствована у ныне исчезнувшего дерева-фонтана. Поверхность сто листьев покрыта воскоподобным веществом и снабжена микроскопическими волосками, благодаря чему растение способно удерживать и собирать воду путем ее конденсации из воздуха. Испытания вблизи гор в чилийской пустыне Атакама показали, что 75 установок, в конструкцию которых входило полотно площадью 48 м2 из модифицированного пропилена, могут обеспечить водой жителей двух деревень из расчета 40 л на человека в сутки.

Снегоходная машина, имитирующая принцип передвижения пингвинов но рыхлому снегу, имеет широкое плоское основание (днище). Перемещается с помощью специальных рычагов, отталкиваясь от твердого субстрата, подобно лыжникам.

Сконструирована дробилка с самозатачивающимися клинками, имитирующая структуру и механизм функционирования зубной системы (точнее, верхних и нижних резцов) крысы. Подобно тому, как у последних внутренняя поверхность резцов покрыта более твердым материалом, а наружная — менее прочным, у клинков дробилки задняя поверхность покрыта сплавом карбида вольфрама и кобальта, а передняя — несколькими слоями керамики. В процессе эксплуатации дробилки клинки затачиваются и более эффективно выполняют свою функцию. При этом потребление энергии снижается.

Заслуживает внимания высокоэффективная система охлаждения процессора в современных компьютерах, сходная по структуре с микрососудистым руслом некоторых органов (почки). По одной капиллярной сети охлаждающая жидкость подается к процессору, по другой — отводится.

Создан робототехиический протез руки, который управляется естественным образом с помощью собственных электрических импульсов и обладает 8 степенями свободы движений (рис. 18.1). При этом при помощи данного протеза пациент может не только выполнять достаточно тонкие движения (например, вставить ключ в замочную скважину и повернуть его), но и переносить грузы умеренной массы. Для выполнения тонких манипуляций каждый палец снабжен собственным миниэлсктромотором, координированную работу которых обеспечивают микропроцессоры. Последние в случае необходимости (например, если взятый в руку предмет начинает выскальзывать) подстраивают усилие захвата. Планируется довести число степеней свободы до 25 и снабдить устройство датчиками для передачи пациенту ощущений перемещений протеза в пространстве и контакта с предметами. Большое внимание разработчики уделили также внешнему виду протеза. Его «кожное» покрытие состоит из многослойного силикона (19 оттенков) с нанесенными папиллярными узорами и микропигментациями. Кроме того, прилагается несколько вариантов ногтей. Параллельно ведутся исследования по созданию искусственных мышц для протезов и робототехнических устройств. Обнадеживающие результаты получены при изучении электроактивных полимеров, в частности диэлектрических эластомеров. Эти материалы выгодно отличаются от других «кандидатов» на скелетную мышечную

Протез руки (слева — покрытый искусственной кожей)

Рис. 18.1. Протез руки (слева — покрытый искусственной кожей)

Сходство в структуре губчатого вещества кости и конструкции Эйфелевой башни

Рис. 18.2. Сходство в структуре губчатого вещества кости и конструкции Эйфелевой башни

ткань существенно большим растяжением (около 200%) при приложении относительно слабого электрического поля (менее 40 вольт на микрометр), высокой эффективностью преобразования энергии электрического поля в механическую энергию (более 90%), большим числом рабочих циклов.

Разработан компьютеризированный хирургический комплекс, позволяющий производить операции на работающем сердце. Основным достоинством данного устройства является способность компенсировать движения стенки сердца (путем постоянного подстраивания фокусного расстояния объектива), благодаря чему участок органа, с которым работает врач, выглядит неподвижным.

Примечательно, что некоторые созданные человеком (задолго до возникновения бионики) конструкции имеют совершенно определенные аналоги в органическом мире, что свидетельствует об общности законов организации природных и искусственных систем. Так, распределение силовых линий в Эйфелевой башне (Париж) и костях птиц и млекопитающих имеет сходный характер (рис. 18.2).

Другим примером может служить сходство в строении стебля злака и современных высотных фабричных труб. Продольно ориентированные тяжи механической ткани стебля играют роль арматуры, а междоузлия — колец жесткости. Вдоль стенок располагаются овальные вертикальные полости. Трубы имеют аналогичное конструктивное решение. В теле глубоководных губок рода Euplectellas обнаружены скелетные структуры, обладающие свойствами высококачественных оптоволокон. Показано, что по способности пропускать цифровой сигнал эти элементы не уступают современным коммуникационным кабелям, а по прочности превосходят искусственные оптические волокна благодаря наличию органической оболочки. Несомненным достоинством природных оптоволокон является возможность их формирования при низких температурах (около 0°С). В этом плане также определенный интерес представляет сходство в структуре и физических принципах функционирования оптических механизмов крыльев некоторых африканских бабочек и сверхъярких светодиодов. Давно подмечено, что крылья этих бабочек не просто отражают свет, а ярко светятся, эффективно излучая в определенном направлении. Установлено, что покрывающие их чешуйки имеют форму гироида — структуры, бесконечно повторяющейся и соединяющейся в трех измерениях и обладающей минимально возможной поверхностью. С физической точки зрения они представляют собой сложную оптическую конструкцию, в которой выделяют три слоя. Поверхностный слой образован флуоресцирующим пигментом, переизлучающим свет в синей области спектра, второй представлен отражающим веществом, третий — пористым материалом, пронизанным регулярными цилиндрическими каналами и обладающим свойствами фотонного кристалла, настроенного на длину волны излучения, испускаемого пигментом. Данный компонент оптической системы играет роль микроскопического волновода, благодаря чему эффективность излучения света с поверхности чешуйки значительно повышается. Существенно, что принципиальные схемы этой природной конструкции и упомянутых выше сверхъярких светодиодов практически не отличаются.

Архитектурное сооружение в форме моллюска (пример позитивного элемента видеоэкологии)

Рис. 18.3. Архитектурное сооружение в форме моллюска (пример позитивного элемента видеоэкологии)

В ряду достижений современной бионики следует особо выделить бионическую архитектуру — особый стиль, базирующийся на синтезе природы и инновационных технологий и полагающий, что архитектурные сооружения должны быть естественным продолжением природы и заимствовать у нее наиболее благоприятные для человеческого жилища черты — формы, контуры, рельефы, внутреннюю структуру. Данное направление бионики тесно связано с новым разделом экологии — видеоэкологией, ключевым положением которой является утверждение, что визуальная среда является важным экологическим фактором, в значительной степени определяющим качество жизни человека. Поэтому архитектура бионических сооружений отличается разнообразием форм и цветов, их контуры гармонично дополняют природный ландшафт и таким образом создают ощущение визуального комфорта (рис. 18.3).

Бионическая архитектура также большое внимание уделяет и внутреннему пространству жилых зданий, стремясь сделать его функциональным и эстетичным. В качестве иллюстрации можно привести небоскреб в Шанхае, имитирующий структуру кроны кипариса. Башня-город рассчитана на 100 000 человек. В ней разместилось 12 кварталов по 80 этажей. Роль несущих конструкций для каждого уровня-квартала выполняют соединяющие их перекрытия-стяжки. Внутри кварталов располагаются дома различной высоты с вертикальными садами. Элементы башни имеют такую форму и ориентированы но отношению к розе ветров таким образом, что ветровые воздействия на высотные сооружения башни сведены к минимуму. Особого внимания заслуживает новое направление архитектуры, основанное на имитации преимущественно функциональных свойств биологических объектов, в частности их способности поддерживать постоянство температуры внутренней среды в условиях значительных колебаний данного параметра во внешнем окружении. Наглядной иллюстрацией такого подхода может служить недавно открытое в Китае здание Центра экологически рациональных энергетических технологий (рис. 18.4). Ориентация здания на местности, его форма, рельеф наружных конструкционных элементов, внутренняя структура, а также наличие соответствующих технических устройств (солнечные батареи, ветряки, аккумуляторные батареи и др.) обеспечивают высокоэффективный режим теплообмена и полную независимость сооружения от традиционных внешних источников энергии (электричество, уголь, нефть и т.д.).

Однако наивысшим достижением (на сегодняшний день) бионической архитектуры, по всей видимости, является возведение в пустыне эталонного «экограда» Масдара (ОАЭ). Его проект (уже частично реализованный) предусматривает полное отсутствие промышленных предприятий и неэкологичного транспорта, высокотехнологичные механизмы энергообеспечения, почти полную ути-

Здание Центра экологически рациональных энергетических технологий (Китай)

Рис. 18.4. Здание Центра экологически рациональных энергетических технологий (Китай)

Одна из улиц «экограда» Масдара

Рис. 18.5. Одна из улиц «экограда» Масдара (ОАЭ) лизацию отходов, эффективную систему опреснения и повторного использования воды. Широко применяются различные приемы, направленные на создание в городе комфортного микроклимата, - небольшая ширина улиц, узорчатые пологи и козырьки на зданиях, изменение угла наклона их стен для увеличения площади тени, фонтаны, мини-водопады, бассейны, зеленые насаждения и др. При этом особое внимание уделяется созданию положительной видеоэкологической среды (рис. 18.5).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >