22.07.18 GELIOS-PLUS.RU — Когда мы будем жить в «умных» башнях-городах, похожих на кипарис? Как помогают гекконы медицинской отрасли? Что общего между дельфином и сонаром или пингвином и полярным вездеходом? Что есть в роботов от насекомых и млекопитающих? С тех пор человек вышел вперед в эволюционной цепи и возглавила его, она уже не переставала - и не перестает - искать ответы и вдохновения в природе: там столько неразгаданных еще секретов и решений уже для современного техномира, в котором мы живем. И все эти тайны не дают спокойно спать бионики.

Репейник, собака и космос

Очевидно, люди захотели в небо, глядя на птиц. Добраться глубин океана, следуя рыб ... Знание о живой природе для решения инженерных задач использовал еще Леонардо да Винчи: вспомним его орнитоптер - летательный аппарат с крыльями, как у птиц. Хотя и до знаменитого итальянца были мечтатели со своими "птицами» и другими изобретениями, вдохновленными природой, но термин «бионика» появился лишь 60 лет назад (есть две интерпретации: от древнегреческого βίος, есть жизнь, или от сочетания biology + electronics ). Официально старт новой науке дал симпозиум в США в 1960-м - лозунгом «Живые прототипы - ключ к новой технике». Популяризации бионических идей в тот период способствовали американские научно-фантастические фильмы The Six Million Dollar Man и The Bionic Woman.

Что такое бионика, хорошо иллюстрирует история Жоржа де Мистраля. Если бы швейцарский инженер не пошел гулять с своим псом, а тот не набрал на шерсть репейника, кто знает, была бы сейчас у нас клейкая или телефона лента (запатентованная 1955 г.). Та самая, которая часто на нашем одежде, сумках, обуви (в частности кроссовках), которую используют в медицине (на бандажах, тонометрах), которую полюбят аквалангисты, горнолыжники и космонавты (ее применяют на космических скафандрах и на летательных аппаратах, для фиксации на стене предметов в условиях невесомости). Лента работает по принципу сцепления цветов репейника, которые имеют колючки: на одной части ленты - микрогачки, на другой - микропетли. Источник: сайт Когдата.


Так же, как где Мистраль присматривался к строению репейника, бионика (или биомиметика или биомимикрия ) изучает процессы, закономерности, явления живой природы с целью применения их принципов в инженерных системах и технологиях.Полезные, действенные свойства биологических объектов ученые пытаются перенести в технике и технологии, для совершенствования уже существующих искусственных механизмов, приборов, материалов или создание новых. Так, они думают, например, что за супернавигацийна система позволяет аисту белом преодолеть огромное расстояние, улететь на зиму в Африку, а потом вернуться назад, к прежнему месту гнездования? Благодаря чему орлам и ястребам удается с высоты 3 км подробно проскановуваты большую площадь и замечать даже мелкую добычу? Или что это за куча детекторов - затмение, контрастности и другие - в глазах лягушки, благодаря которым и умудряется видеть пространство вокруг почти на 360 ͦ, поэтому замечать малейшие изменения и легко идентифицировать потенциальную ужин или врага? Как? Как им это удается? И как это можно использовать нам, людям?

Возникновение и становление бионики связано в частности с кибернетикой, изучающая общие принципы управления и связи в сложных системах различного рода (в машинах, живых организмах, обществе), законы получения, хранения, передачи и преобразования информации в таких системах. Бионика развивается прежде всего в странах, которые являются технологическими лидерами. В Украине есть определенные наработки, начиная еще с советского периода. Например, в направлении гидробионики, по маневренности плавательных технических средств, новаций в области судостроения и т.д. (Институт гидромеханики НАНУ) или же в области биоэнергетики растений (Институт физиологии растений и генетики НАНУ), в частности в исследовании механизмов фотосинтеза, структурно-функциональных свойств растительных клеток, обеспечивающие устойчивость к радиационному воздействию.

Учиться у деревьев и птиц

Природа для биоников - учитель, а любое живое существо - как дерево или птица - стоящее часто подражания, ведь это оптимизированная с точки зрения выживания, функционирования и приспособления система. Биоников интересуют как организмы целостно, так и разные уровни их организации (популяции, системы, органы, ткани, вплоть до клеток, биомолекул). Так же есть различные предметы научного интереса: особенности строения и функционирования отдельных органов или систем, биоэнергетические процессы и тому подобное. Ученые стремятся установить связь, параллели между процессами в природе и физико-химическим и информационными процессами в системах, которые создала и продолжает создавать человек.

Всего в бионике выделяют несколько направлений. Первый - информационно-анализаторные - развивается активно, связанный с исследованием деятельности анализаторов (зрительного, слухового, осязательного и т.д.), закономерностей сбора, обработки и использования информации, а также способности организма оперативно реагировать на изменения внешне. Знание о рецепторы, анализаторы, нейроны и их сети, нервную систему животных позволяют разрабатывать и моделировать системы распознавания, адаптации, реагирования и тому подобное. Так, данные о способности летучих мышей ориентироваться в пространстве, охотиться благодаря локаторам и ультразвуковым сигналам могут быть использованы при конструировании новых видов технических локаторов, а свойство некоторых морских обитателей, как скат, создавать вокруг себя электрическое поле - в разработке анализаторных средств для ориентирования под водой,

Второе направление бионики сосредоточивает внимание на возможности технического применения особенностей структуры и строения биосистем, механических, химических, энергетических процессов в них. Например, изучение конструкции туловища китообразных с точки зрения гидродинамических особенностей применяют в кораблестроении, а способ передвижения пингвинов - в конструкции полярного вездехода. Еще один керунок - изучение биохимических и биофизических процессов в живой природе с точки зрения КПД, анализ процессов теплообмена и термодинамики, принципов преобразования (синтез, разложение) веществ в организмах. Здесь результаты интересны для области химических технологий, энергетики, машиностроения.

От кенгуру до BionicKangaroo

Бионику можно назвать мостиком - между мирами живого и искусственного, между естественными науками (физиология, анатомия, гистология, биофизика, биохимия, зоология, ботаника, общая биология) и техническими дисциплинами (техническое кибернетика, молекулярная физика, радио- и микроэлектроника, механика, теория автоматического регулирования и т.д.). На уровне исследований в бионике выделяют несколько этапов: изучение, анализ данных, разработка гипотезы, ее проверка путем моделирования, здесь едва ли не основным методом. Так, функциональный подход предполагает сначала математическое или программное моделирование, заключающееся в изучении структурной схемы процесса, функций объекта, числовых характеристик этих функций и в зависимости от результата - возможность технического воплощения модели. Физико-химическая моделирования позволяет изучать биохимические и биофизические процессы с целью исследование принципов преобразования веществ в живом организме. И еще непосредственное использование биологических систем и механизмов в технических системах.

Конечно, речь не идет о банальном копирования в природном мире есть немало ограничений (например, способность большинства живых организмов функционировать в достаточно узких температурных пределах), и исследователей интересуют скорее заложены в живых организмах алгоритмы и закономерности, которые можно принять за основу и усовершенствовать, имплементируя в технических средствах. Однако если по чувствительности и скорости действия технические информационно-управленческие системы имеют преимущество перед биологическими, то по габаритам, уровнем энергозатратности и надежности, гибкости и высокой адаптивности, умением ориентироваться в пространстве часто уступают им. Биоников интересуют именно эти, сильные стороны представителей флоры и фауны. Например, способность дельфинов благодаря гидролокаторов и передаче акустических сигналов ориентироваться под водой: эхо несет им информацию о еде, расстояния, препятствия, опасности. Так, на принципах эхолокации работают гидроакустические подводные устройства (как сонар), которые используют для поисковых и исследовательских работ.

Результаты бионических исследований имеют широкий спектр применения: радиоэлектроника, авиация, ракетно-космическая отрасль, медицина, химия, материаловедение, строительство и архитектура, машиностроение, нанотехнологии, энергетика и т. Они могут пригодиться даже в бизнесе: в Стратегирование, проектировании и тому подобное. Однако бионика - это не только радары, сонары, гипотроны и т. Д., Но и многое обычного. Это, скажем, грязе- и водоотталкивающие покрытия - такое решение подсказали листья индийского лотоса, благодаря своей структуре почти не смачиваются водой. Или «умный одежда», реагирующий на изменение температуры и корректирует форму: создан по образцу сосновых шишек, открывает щели (как шишка), когда жарко, и закрывает, когда холодно.А вот идея медицинских клеев - сочетание клейковины и нановолосинок - от гекконов, которые без проблем передвигаются вертикальными поверхностями. Различные животные и насекомые являются образцами в области информатики и робототехники (разработка искусственных нейронов, нейронных сетей и т.д.). Так, далеко не только извне BionicKangaroo очень похож на свой биологический прототип, а Robofly - на маленькую летучую насекомое.

image
Архитектура, дышит, работает, адаптируется
Одной из сфер, где бионика активно развивается, является архитектура и строительство. Учитывая рост населения планеты, уменьшение ресурсов, потребность рационального взаимодействия с окружающей средой некоторые считают архитектурную бионику наукой будущего. И все началось не вчера и не сегодня. К природе смотрел еще Витрувий в Древнем Риме, затем да Винчи и другие пытливые умы. В биотеци или архитектурной бионике (элементы которой появились уже в 1920-х) выразительность конструкций достигается заимствованием природных форм. Посмотрим на биоморфного криволинейные формы, спроектированные Сантьяго Калатрава или Норманом Фостером. Однако суть не только во внешнем подражании растений, а в использовании их закономерностей для решения задач формообразования, конструирования, безопасности, практичности.

Растения много учат. Продольная арматура в основе высотных зданий - как структура стеблей - обеспечивает устойчивость от ветров. Или посмотрим на южноамериканское водяное кувшинки: толстые прожилки, поперечные диафрагмы обеспечивают надежность и прочность - это решение в основе многих АРХПРОЕКТ. И пиком здесь сейчас считают Bionic Tower. Это вертикальный город-башню, задуманный испанскими архитекторами, взялся реализовывать Китай, в Шанхае. Башня высотой более километра, на 300 этажей, на 100 тыс. Человек, по замыслу авторов, имитирует природные структуры, что позволит противостоять стихиям как наводнение или ураган. Объект должен быть расположен на искусственном плоском острове, а тот - на искусственном озере - для амортизации подземных толчков. Пропорциональное развитие основ города, механизм набора высоты, специальный воздухопроницаемый слой наружных поверхностей,

Мы идем в будущее, где наши дома как энергетически самодостаточны системы самые генерируют и рационально используют энергию. Вероятно, они будут не только «умными» - включат подогрев, когда на улице схолодние ли, а смогут при необходимости ремонтировать себя, меняться. Это в частности свидетельствует вычислительная или параметрическая архитектура, которую изучают и воплощают уже и в Украине. Она динамична адаптивная, способна к самоорганизации: роботизированные модули с соответствующими детекторами и анализаторами движутся и могут трансформировать пространство в соответствии с вашими потребностями, скажем, сформировать перегородку или навес от солнца, если припекает. Это - результат сочетания архитектурных решений и современных технологий и искусственного интеллекта, но также определенных бионических наработок.


Изменяя, так часто негативно, природный мир, человечество параллельно продолжает быть учеником этого удивительного и мудрого учителя: результаты бывают разные, однако с нами и дальше остается захвата и азарт подняться выше, нырнуть глубже, лететь дольше. Возможно, воплотить эти стремления поможет философия бионики.

Админ спрашивает: эта страница Техномир и бионика дала ответ на ваш вопрос? Дата 22.07.18
Да, спасибо Нет, не то! Дополнить
Продолжение на этих трёх страницах, откроются в новой вкладке: