Содержание 

Литература  и источники информации

 

http://www.cleandex.ru/articles/2008/07/07/biomimetic-1

http://www.computerra.ru/xterra/37302/

http://ru.wikipedia.org

Кибернетика и  бионика. Иллюстрированный справочник. М., 2005. 73 с..

От Гауди до… Сборник статей по дизайну. Спб: Искусство, 2006. 108 с.

Введение

 

Научно-технический  прогресс в XX и XXI веке развивается как  никогда стремительно. Однако сейчас, как и в древности, многие идеи и решения ученым и инженерам  подсказывает природа. 

Бионика - 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.  

Бионика - наука  об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом  процессе живого организма. Основу бионики  составляют исследования по моделированию  различных биологических организмов.  

Различают: 

1. биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
2. теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
3. техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

 

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными  науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.  

Появление кибернетики, рассматривающей общие  принципы управления и связи в  живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п. 

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 год, когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по биомиметике, который официально закрепил рождение новой науки.  

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  ученых 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  свернуты, а специалисты трудятся в зарубежных исследовательских центрах.  
 

Работы по бионике охватывают следующие проблемы: 

1. изучение  нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для  дальнейшего совершенствования  вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
2. исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
3. изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
4. исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

 

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. 

Каждый  понимает, что построить одноэтажный  дом проще, чем громадный небоскреб в сто этажей. Не вызывает сомнения и то, что один кирпич в здании устойчивее, крепче, чем все гигантское здание, собранное из множества кирпичей. 

Что касается живой природы, сам организм в  целом выше каждого своего «кирпичика»  в отдельности. Вот почему живое способно к выживанию. Чем это объяснить? Ученые пока до конца не знают. Но с разных сторон все чаще и все чувствительнее атакует бионика этот издавна неприступный бастион - единицу живого. 

При этом даже стремятся не к слепому подражанию, не к заимствованию всех характеристик биологических объектов, а к критическому, строгому отбору только полезных для техники свойств. Бионика, отталкиваясь от биологического прототипа, разрабатывает такие модели, которые имеют конкретное практическое применение. 

Моделировать  интересно и нужно, говорят специалисты, лишь те функции, которые повышают гибкость, надежность, экономичность системы  или процесса.

Основные  направления

Архитектурно-строительная бионика

 

Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

Яркий пример архитектурной бионики —  полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы?) 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 XX 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 1228 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 (12 x 80 = 960; 960!=300). 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 ещё несколько таких зданий-городов. 

Можно упомянуть и изобретение Густава  Эйфеля, который еще в 1889 году сконструировал модель Эйфелевой башни.  

Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования  бионики в инженерии. Конструкция  Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения в Париже башни профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта испещренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости.  

Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем. Другое, ныне всем известное, заимствование сделал швейцарский инженер Жорж де Местраль в 1955 году. Исследуя прилипающие к шерсти животных растения, де Местраль определил, что это возможно благодаря маленьким крючкам на плодах исследуемых растений. В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную "липучку" Velcro, которая сегодня широко используется в повседневной бытовой жизни человека. 

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.

Нейробионика.

 

Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. 

Самой сложной биологической системой, выполняющей разнообразные и, казалось бы, непохожие функции по управлению и переработке сигналов, издавна признана нервная система. На протяжении развития биологической науки нервную систему изучали и изучают буквально «со всех сторон». В результате выяснили, что многие ее особенности связаны со структурными особенностями нервных клеток - нейронов.      Нейрон живого организма обычно находится в двух состояниях: либо в спокойном (торможение), либо в возбужденном (возбуждение). Специалисты говорят, что в упрощенном представлении эти функции нейрона можно сравнить с радиоэлектронным двухпозиционным элементом, работающим по схеме «включено - выключено», которая определяется изменением длительности и порогом возбуждения. 

По нервным  клеткам передаются все сигналы, получаемые организмом. Можно сказать, что нервы - это сложнейшие и чуткие линии связи между организмом в целом, его внутренней и внешней средой. 

Живой нейрон, представляют собой пороговые  элементы: они включаются и срабатывают  тогда, когда получают из внешней  среды сигнал, превосходящий их порог - уровень. При этом происходит и временное, и пространственное суммирование - накопление сигналов. В нейроне число сигналов, которые он принимает, может быть очень разным. Оно изменяется от нескольких единичных сигналов до нескольких тысяч. 

исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

изучение  принципов ориентации, локации и навигации  у различных животных для использования  этих принципов в  технике;