20. ЕН.В.1.2 Бионика

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Мурманский государственный педагогический университет»
(МГПУ)
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
ЕН.В.1.2 «Бионика»
Основная образовательная программа подготовки специалиста по специальности
(специальностям)
______________________________________________________________
050501 «Профессиональное обучение (дизайн)»
Утверждено на заседании кафедры
Технологии и дизайна
(протокол № 1от 01.09.2008 г.)
Зав. кафедрой
____________Е.Р.Стаценко
РАЗДЕЛ 1. Программа учебной дисциплины.
1.1 Автор программы: Спиренкова М.В.ст. преподаватель, Сидорович Е.А. ст.
преподаватель кафедры ТиД.
1.2 Рецензенты:
Доцент, кандидат физико-математических наук Локоть Наталья Васильевна.
Директор МОУДОД «Художественная школа» Шагалина Е.А.
1.3 Пояснительная записка:
Целью курса является успешное овладение техническими знаниями и практическими
навыками.
Задачей курса «Бионика» является подготовка квалифицированных специалистов,
имеющих глубокие теоретические знания и твердые практические навыки.
Бионика относится к области человеческой деятельности, направленной на создание
материальной среды жизни и деятельности человека, технического умения и художественного
мастерства. Основной практической задачей Бионики является нахождение связи между живой
природой и деятельностью человека—нахождение принципов формообразования, технолонии
функционирования живой природы. Принципы живой природы рациональны и гармоничны,
подчинение им требований производственных, социальных и бытовых процессов, эстетических
свойств предметов—помогает разработке принципиально новых конструкций по
технологическим и внешним признакам.
требования к уровню освоения содержания дисциплины (должны знать, должны
уметь);
В результате изучения курса «Бионика» студенты должны знать историю науки, между
предметные связи, способы реализации знаний о живой природе в проектной деятельности.
В результате изучения «Бионика» студенты должны уметь применять полученные
знания на практике. Уметь моделировать внутреннее пространство, предметную среду жизни и
деятельности человека пользуясь законами живой природы.
«Бионики» -- новое явление в науке и практике. Возможность поиска новых,
функционально оправданных форм, отличающихся красотой и гармонией при помощи живой
природы –важна. Поэтому решение современных проблем дизайна возможно только при
полном овладении дизайнером всего комплекса технических и художественных знаний.
Место курса в общей системе подготовки специалиста: место курса в общей системе
подготовки специалиста: Умение понимать языке природы, перерабатывать, синтезировать
полученные сведения и применять на практике обязательны для любого квалифицированного
специалиста, связанного с разработкой дизайнерских проектов. Правильное и глубокое
понимание сведений, взятых у природы, является непременным условием создания
дизайнерского проекта.
1.5 Объем дисциплины и виды занятий (в часах). Примерное распределение рабочего
времени.
№
п/п
1
Шифр и наименование Курс Семестр
Виды учебной работы в часах Вид итогового
специальности
контроля
Трудоем Всего ЛК ПР ЛБ Сам.
кость аудит.
Работа
050501 Профессиональное
обучение (дизайн)
1
1
35
8
4 4
27 зачёт
1.6 Содержание дисциплины
1.6.1. Разделы дисциплины и виды занятий (в часах). Примерное распределение учебного
времени:
№ п/п Наименование
Количество часов
раздела, темы
Вариант 1
Вариант 2
Всего
лк
ПР/ ЛБ Сам.
Всего
ЛК ПР/С ЛБ Сам.
ауд.
СМ
раб.
ауд.
М
раб.
1
Введение
3
1
2
9
2
Бионика в
архитектуре
Бионика в искусстве
3
2
1
9
2
1
1
9
ИТОГО:
8
4
4
Примечание:
Вариант 2 для специальности 030500.04 Профессиональное обучение (дизайн)
27
3
1.6.2 Содержание разделов дисциплины.
Раздел 1. Введение
1 экологические принципы. Постулат существования. Принципы экспансии.
2 «Бионика» как наука. Связь с науками (биология, кибернетика, химия, физика,
судостроение, физиология, зоопсихология, приборостроение и т.д.)
3 история «Бионики». Копирование живой природы с древнейших времен.
4 копирование форм и конструкций. Опирание на добытые знания,
преобразование, подражание.
Раздел 2. Бионика в архитектуре
1 Развитие теоретических взглядов. 3 хронологических этапа подражания живой
природе.
2 Формирование теории органической архитектуры. Развитие теоретических
взглядов.
3 Биоархитектура. Связь архитектуры и живой природы—принципы
формообразования, технологии функционирования живой природы.
4 Строительное мастерство. Применение принципов живой природы в
строительстве.
5 Биоматериаловедение. Изучение свойств биоматериалов и их «производных»- тканей животных и растительных организмов.
6 Архитектурно-бионическая цитология охватывает специальные исследования
и эксперименты для выявления всевозможных клеточных структур в живой природе.
7 Бионическая урбанистика выделяется как самостоятельная область
архитектурной бионики , поскольку оперирует проблемами использования
закономерностей живой природы в сфере градостроительства и более широких областях
территориально-пространственного и инженерно-технического освоения мира.
8 Бионическая инфраструктура – область организации функциональных путей и
систем связи в архитектуре настоящего и будущего по образцам живых организмов.
9 Архитектурно-бионическая экология ориентированна на широкий круг
проблем связанных с установлением экологического равновесия архитектуры и природы
на основе единства принципов жизни и развития живой природы.
10 Архитектурный трансплантизм – новый подход к «ценностной квалификации
архитектуры», который позволит более свободно , творчески исрользовать то, что ценно
и отстранить от организма здания негодные, атрофированные органы, «неживую» его
часть.
11 Биотектоника является широкой областью изучения и освоения
закономерностей, форм и строения живой материи и их применения в область
конструирования.
Раздел 3. Бионика в искусстве
1 Подражание природным формам. Орнамент, стили, одежда.
2 Пропорции, форма, конструкция. Анализ Пропорции, формы, конструкции в
живой природе.
1.6.3 Темы для самостоятельного изучения.
№ Наименование
п/п
раздела
дисциплины.
1
Бионика
Тема.
Форма
самостоятельной
работы
Биомеханика
- рефераты,
Бионика
Бионика
хореографии
2
3
Бионика
искусстве
в
4
Бионика
искусстве
в
5
Бионика в
искусстве
Одежда
5
- защита
рефератов,
Практическая
работа
5
Проверка
графических
работ
Составление
краткого
конспекта лекции
Составление
краткого
конспекта лекции
5
Защита
конспекта лекции
7
Защита
конспекта лекции
в - рефераты,
Подражание
природным
формам. Орнамент
Стили
КолФорма
во
контроля
часов выполнения
самостоятельной
работы
5
- защита
рефератов,
1.7 Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
1.7.1 Тематика и планы аудиторной работы студентов по изученному материалу.
Практическая работа 1—8 часов
Тема: Подражание природным формам
План: 1. вопросы для обсуждения
2. задание для практической работы.
3. выполнение практической работы
4. оценка выполненных работ
Вопросы для коллективного обсуждения:
1 Что такое гармоничный ряд?
2 Правила «золотого сечения»
3 Привести примеры бионики в архитектуре, искусстве.
Задание №1 –4 часа: создание абстрактной формы на основе форм живой природы
(ассоциация). Формат А4
Задание №2 –4 часа: создание стилизованной формы на основе форм живой природы.
Формат А4
Литература: Гизе М.Э. «Очерки истории художественного конструирования в России
18-19 в.»
Вальков Н,П. «Введение в теорию модернизма»
Валькова К. «Дизайн» М-1983
Практическая работа 2—8 часов
Тема: Пропорции, форма, конструкция.
План: 1. вопросы для обсуждения
2. задание для практической работы.
3. выполнение практической работы
4. оценка выполненных работ
Вопросы для коллективного обсуждения:
1 Что такое гармоничный ряд?
2 Правила «золотого сечения»
3 Привести примеры использования правил «золотого сечения» в архитектуре,
искусстве.
Задание №1 –4 часа: Подчинить правилу «Золотого сечения» стилизованные формы.
Формат А4
Задание №2 –4 часа: создание стилизованной формы с выявлением конструкции и
тектоники на основе форм живой природы, Формат А4
Литература: Гизе М.Э. «Очерки истории художественного конструирования в России
18-19 в.»
Вальков Н,П. «Введение в теорию модернизма»
Валькова К. «Дизайн» М-1983
1.8 Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
1.8.1 Рекомендуемая литература:

основная:
Г. Вейль «Биомоделирование» М-1980
Г. Вейль «Симметрия» М-1960
Густав Колонетти «Тонкостенные конструкции» Стройиздат-1971
Литинецкий И.Б, «Изобретатель—природа» М-1986
Д.Пидоу «Геометрия и искусство» М-1979

дополнительная:
Ольшанский В.М. «Бионическое моделирование электросистем» М-1990
В.В. Парин «Применение кибернетики в биологии и медицине» Стройиздат-1986
Мейзон Рой «Биологическая архитектура – партнерство между природой и человеком»
М-1977
1.9 Материально-техническое обеспечение дисциплины.
1.9.1. Перечень используемых технических средств.
- проектор
1.10 Примерные зачетные тестовые задания.
Вариант 1
1.В конструкции здания Хрустальный дворец в Лондоне (1837г) использован принцип
а. листа растения
б. ствола дерева
в. ракушки
2.Какая форма максимально способна противодействовать растяжению и сжатию?
а. цилиндрическая
б. призматическая
в коническая
3.Форма – это результат …
а. вращения
б. движения
в. положения в пространстве
4 Примером поворотной симметрии в живой природе может служить
а. жук
б. ветка дерева
в. цветок ириса
5.В конструкции здания Останкинской телебашни использован принцип
а. ствола пшеницы
б. ствола дерева
в. ракушки
6.В ордере древнего Египта и Греции канелюры – это стилизация
а. струящейся воды
б. связки стволов деревьев или тростника
7.В Древнем Египте ножки мебели выполнялись в виде
а. пирамиды
б. ног животных
в. различных геометрических тел
8.Объектом изучения биоматериаловедения является-а. эксперименты для выявления всевозможных клеточных структур в живой природе
б. закономерности формы и строения живой материи
в. свойства биоматериалов и их производных
9. Объектом изучения бионической урбанистики авляется-а. эксперименты для выявления всевозможных клеточных структур в живой природе
б. закономерности формы и строения живой материи
в. градостроительство , территориально-пространственное освоение мира.
10. Вставить необходимое :
….является областью архитектурного творчества , в которой бионический материал находит
всестороннее воплощение.
а. Бионическая архитектура
б. Архитектурно-бионическая цитология
в. Бионическая урбанистика
11. Вставить необходимое :
….является областью организации функциональных путей и систем связи в архитектуре
настоящего и будущего.
а. Бионическая архитектура
б. Бионическая инфраструктура
в. Бионическая урбанистика
12. Вставить необходимое :
….новый подход к «ценностной квалификации архитектуры» , который позволит более
свободно , полно и творчески использовать то, что ценно и отстранить от организма здания
негодные , атрофированные органы.
а. Бионическая архитектура
б. Архитектурный трансплантизм
в. Бионическая урбанистика
13. Вставить необходимое :
….имеет своим объектом общие закономерности, условия, принципы, способы и формы всех
широкоохватывающих областей новой архитектурно-бионической теоретической и
практической работы.
а. Бионическая архитектура
б. Бионическая урбанистика
в. Общая теория и методология архитектурной бионики.
14. Числом Золотого сечения является число
а. 2,618
б. 1,618
в. 3,14
15.Проявление свойства материала, его внутреннее строение-а. текстура
б. фактура
в. структура
16.Определенный порядок, математическая закономерность, с которой располагаются
повторяющиеся предметы относительно друг друга на плоскости или в пространстве.
а. симметрия
б. орнамент
в. инсталяция
17.Соразмерность целого и частей -а. соразмерность
б. пропорциональность
в. масштабность
18. Вантовым системам архитектурных конструкций, в природе по принципу работы
соответствует
а. паутина
б. ствол дерева
в. лист растения
19. Ребрам жесткости в архитектурных конструкциях, по принципу работы в живой природе
соответствует
а. паутина
б. ствол дерева
в. лист растения
20. Органическая архитектурная форма развивается
а. «изнутри наружу»
б. исходя из внешних форм здания
в. исходя из окружающего пространства
21. Одним из изобретателей железобетона был
а. Ф.О. Шехтель
б. Ж.Монье
в. Ле Корбюзье
22. Разработчиком идеи трансформирующихся перегородок в планировке квартир на основе
каркаса был
а. Ф.О. Шехтель
б. Ж.Монье
в. Ле Корбюзье
23. Способ постепенного сложения ансамблей, характерный для России до Петровской эпохи
а. инверсия
б. апроксимация
в. стигметрия
24. Трансформируемым системам архитектурных конструкций, в природе по принципу работы
соответствует
а. крылья бабочек
б. растущий ствол дерева
в. структура клеточных стенок
25. Равномерное распределения напряжения по всему сечению характерно для конструкций
а. оболочек-скорлуп
б. вантовых систем
в. каркасный систем
26. Фахверк—переводится как
а. каркас
б. ребро
в. колонна
27.Проект «падающие дома» арх. Г.Б.Борисовского основан на принципе
а. пневматических конструкций
б. стержне-вантовых конструкций
в. мембранных конструкций
28.В армированных конструкциях использован принцип
а. стебля злаковых
б. склеерихимных тяж стеблей растений
в. листа плавающего растения Виктория регия
29.Принцип переключения работы конструкции на растяжение применяется в
а. пневматических конструкций
б. стержне-вантовых конструкций
в. мембранных конструкций
30.Принцип сот в архитектуре применяется как
а. принцип взаимодействия частей целого
б. конструкция сооружения
в. стандартизация и унификация
1.11 Примерный перечень вопросов к зачету
1 экологические принципы
2 «Бионика» как наука
3 история «Бионики»
4 копирование форм и конструкций
5Бионика в архитектуре
6 Развитие теоретических взглядов
7 Формирование теории органической архитектуры
8 Биоархитектура
9 Строительное мастерство
10Бионика в искусстве
11 Подражание природным формам
12 Пропорции, форма, конструкция.
13Биоматериаловедение
14Архитектурно-бионическая цитология
15Бионическая урбанистика
16Бионическая инфраструктура
17Архитектурно-бионическая экология
18Архитектурный трансплантизм
19 Биотектоника
РАЗДЕЛ 2. Методические указания по изучению дисциплины (или ее разделов) и
контрольные задания для студентов заочной формы обучения.
Тематика и планы аудиторной работы студентов по изученному материалу (планы
последовательного проведения занятий: ПР, СМ, ЛБ) по предлагаемой схеме:
Практическая работа 1-4часа
Тема: Подражание природным формам
План: 1. вопросы для обсуждения
2. задание для практической работы.
3. выполнение практической работы
4. оценка выполненных работ
Вопросы для коллективного обсуждения:
1 Что такое гармоничный ряд?
2 Правила «золотого сечения»
3 Привести примеры бионики в архитектуре, искусстве.
Задание: создание формы на основе форм живой природы. Формат А4
Литература: Гизе М.Э. «Очерки истории художественного конструирования в России 18-19 в.»
Вальков Н,П. «Введение в теорию модернизма»
Валькова К. «Дизайн» М-1983
Практическая работа 2-4часа
Тема: Пропорции, форма, конструкция.
План: 1. вопросы для обсуждения
2. задание для практической работы.
3. выполнение практической работы
4. оценка выполненных работ
Вопросы для коллективного обсуждения:
1 Что такое гармоничный ряд?
2 Правила «золотого сечения»
3 Привести примеры использования правил «золотого сечения» в архитектуре, искусстве.
Задание: Подчинить правилу «Золотого сечения» стилизованные формы. Формат А4
Литература: Гизе М.Э. «Очерки истории художественного конструирования в России 18-19 в.»
Вальков Н,П. «Введение в теорию модернизма»
Валькова К. «Дизайн» М-1983
РАЗДЕЛ 3. СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА.
Раздел 1. Введение
Бионика.
Бионика (от греч. biōn — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о
применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств,
функций и структур живой природы, т. е. формы живого в природе и их промышленные
аналоги.
Различают:



биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
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.
Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит
Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями,
как у птиц: орнитоптер.
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.
В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально
закрепил рождение новой науки.
Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:




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);
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;
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.
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). Городбашня 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.
Литература







Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963.
Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.
Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
Раздел 2. Бионика в архитектуре
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.
Бионика по Пекелису
Смысл существования всех видов искусств, в том
числе и архитектуры, заключается в воплощении
чувств. Архитектура не относится к свободным
формам искусства. Ее назначение - создание
пространственной среды жизнедеятельности.
Мы всегда стремились к комфортабельному
жилью. Для нас всегда было важно чтобы место
где мы живем, работаем, отдыхаем
соответствовало нашему внутреннему
мироощущению. Но, к сожалению, в силу
определенных обстоятельств Советская стройка не
могла дать нам того, чего мы хотели. Только недавно, а именно 10-15 лет назад наше общество
смогло воочию убедится, что "хрущевки", "корабли" и "свечки" это все таки не предел
мечтаний. Сегодняшний день отчетливо показывает, насколько тогда наша страна отставала от
мирового строительства. Теперь же мы с вами можем с легкостью воплотить наши мечты об
идеальном доме в жизнь.
Испокон веков великие умы зодчества ведут поиски новых архитектурных стилей. Начиная от
Вавилонской башни и заканчивая архитектурными шедеврами Нового Парижа человечество
искало, находило, воплощало. Опять искало, опять находило и опять воплощало. И так по кругу
до бесконечности.
Сегодня миру известно много архитектурных стилей: романский, готика, ренессанс, барроко,
романтизм, модерн, классицизм, неоклассицизм, бионика. Бесспорно, каждый из этих стилей
по-своему интересен и достоин внимания.
В этой статье я хочу рассказать об архитектуре в бионическом стиле.
Бионика. От Гауди до ...
Само понятие бионика появилось в начале
двадцатого века. Что же оно значит? В учебниках
по архитектуре вы бы прочитали, что Бионика (от
греч. bion - элемент жизни, буквально - живущий)
- это наука, пограничная между биологией и
техникой, решающая инженерные задачи на
основе анализа структуры и жизнедеятельности
организмов.
Проще говоря, если вы вспомните Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный
аппарат с машущими крыльями, как у птиц, тогда сразу представите, что же такое бионический
стиль.
Первые попытки использовать природные формы
в строительстве предпринял еще Антонио Гауди.
И это был прорыв! Парк Гуэля, или как говорили
раньше "Природа, застывшая в камне", Каза Батло,
Каза Мила - ничего подобного избалованная
архитектурными изысками Европа, да и весь мир,
еще не видели. Эти шедевры великого мастера
дали толчок к развитию архитектуры в
бионическом стиле. В 1921 году бионические идеи
нашли отражение в сооружении Рудольфа
Штайнера Гетеанум, и с этого момента зодчие
всего мира взяли бионику на "вооружение".
Со времен Гетеанума и до сегодняшних
бионическом стиле было построено
большое количество как отдельно взятых
так и целых городов. Сегодня
современное воплощение органической
архитектуры можно наблюдать в Шанхае
"Кипарис", в Нидерландах - здание
правления NMB Bank, Австралии - здание
Сиднейской оперы, Монреале - здание
Всемирного выставочного комплекса,
Японии - небоскреб SONY и музей
плодов.
дней в
зданий,
- дом
С недавнего времени бионическую архитектуру
можно увидеть и в России. В 2003 году в СанктПетербурге по проектам архитектора Бориса
Левинзона были построен "Дом Дельфин" и
оформлен холл известной клиники "МедиЭстетик".
Восприятие бионического пространства
Что же такое сооружение в бионическом стиле?
Помните дизайн домов хоббитов в фильме "Властелин колец"? Конечно, в некоторой степени
можно сказать, что эти дома построены по всем законам бионики, но, по правде говоря,
режиссер фильма только лишь ограничился элементами органической идеи.
Первое впечатление о здании в бионическом стиле
- постройки выбиваются из правильной геометрии.
Природные формы объекта будят воображение. В
бионике стены подобны живым мембранам.
Пластичные и протяженные стены и окна
выявляют направленную сверху вниз силу
нагрузки и противодействующую ей силу
сопротивления материалов. Благодаря
ритмической игре меняющихся вогнутых и
выпуклых поверхностей стен сооружений кажется,
что здание дышит. Здесь стена уже не просто
перегородка, она живет подобно организму.
Прав был Великий Антонио Гауди, сказав, что
"Архитектор не должен отказываться от красок, а
напротив использовать их для придания жизни
формам и объемам. Цвет - это дополнение формы
и самое яркое проявление жизни". Только
представьте, войдя в органическое здание, вы
ощущаете себя погруженным в чудесный мир,
наполненный светом прозрачного цвета. Цвет
создает особый мир интерьера, оживляя и
открывая материалы, просвечивающиеся под
слоем краски. Цвет живет и движется по своим
законам. Создается впечатление, что он влияет на усиление либо ослабление функций здания и
пространства.
В бионическом строении благодаря постоянно
меняющемуся балансу взаимодействия желаний и
пространственных возможностей человек
испытывает ощущение движения - в покое, и
покоя - в движении пространства. Малейшее
движение сдвигает баланс сил, благодаря чему
меняется восприятие пространства. Постоянство и
изменение, симметрия и асимметрия, защищенная
интимность и широкая открытость существуют в хрупком равновесии. Заметьте, и в движении,
и в покое всегда присутствует ощущение равновесия.
В своей сущности бионика, как архитектурный стиль, стремится создать такую
пространственную среду, которая бы всей своей атмосферой стимулировала именно ту
функцию здания, помещения, для которой последние предназначены. В бионическом доме
спальня будет спальней, гостиная - гостиной, кухня - кухней.
P.S.
Рудольф Штайнер говорил: "Духовный аспект создания бионических форм связан с попыткой
осознать предназначение человека. В соответствии с этим архитектура трактуется как "место",
где раскрывается смысл человеческого бытия".
Собственно говоря, ассимиляция природных форм и законов их развития в технике (а также в
архитектуре) есть не что иное, как конкретное и практическое проявление того самого пути
познания, о котором писал В.И.Ленин в «Философских тетрадях» «От живого созерцания к
абстрактному мышлению и от него к практике — таков диалектический путь познания истины,
познания объективной реальности» [3] . Кибернетика была последним камнем, положенным в
фундамент бионики. Она не только установила связь между живым миром, техникой и
общественными процессами, но и дала новый материал по изучению жизнедеятельности
организмов и функционированию машин.
Какое место занимает бионика среди других наук?
Специалисты относят ее к наукам высшего — третьего класса, синтезирующим целый ряд
других наук, в данном случае исследования естественных наук
(биологии, химии, физики, биохимии, биофизики), математический анализ и инженерный
подход к решению задач. Бионика, таким образом, представляет собой науку, соединяющую
научно-исследовательскую часть с одновременным исполнением практического замыс ла, не
только выводящую законы, но и одновременно выражающую их в конкретной материальной
форме. Бионика—наука в полном смысле созидательная, способствующая активному
преобразованию природы и созданию новой, искусственной среды по подобию живой природы,
но лишь в аспекте человеческих задач. Если, например, в естествознании морфология иссле
дует формы живой природы, анатомия — внутреннее строение органов, биохимия —
химические процессы, протекающие в живых организмах и т.д., то бионика занимается
исследованием всех факторов, касающихся живых организмов, вместе взятых (с различной
степенью детализации). Бионика в итоге направлена на создание готовых вещей — физических
моделей природных прототипов. В этом ее созидательность.
Архитектурную и техническую бионику объеди няет общность предмета исследования —
использования тех или иных средств и принципов организации живой природы в материальном
производстве, к сфере которого примыкает архитектура. У них много сход ства, в том числе и в
методах использования биосис тем.
Однако архитектурная бионика в силу специфики ее цели имеет и свою бионическую сферу,
т.е. свои объекты живой природы, и решает свойственные только ей проблемы. Поэтому мы
можем рассматривать ее в какой-то мере как самостоятельное явление, сложив шееся на базе
исторической и современной практики архитектуры и находящее свое приложение в
архитектурной науке. Ее предмет — исследование законов функционирования и
формообразования объектов живой природы (биологических объектов) с целью применения их
для совершенствования архитектурных решений, формирования комплексных архитектурных и
градостроительных систем, гармонизации взаимосвя зи архитектуры и природной среды 1.
Архитектурная бионика идет от изучения всей неисчерпаемой сокровищницы природных форм
к опре деляемому социальными потребностями выбору под ходящих из них, от выявления
чисто бионических принципов и их моделирования к комплексной архитектурнобиологической интерпретации и скорректированному архитектурному моделированию, а от них
к творческому развитию архитектурно-бионической практики.
Необходимо различать теорию и практику архитектурной бионики, так как вторая по самым
различным причинам не всегда соответствует тем идеальным критериям, которые
разрабатываются в теоретическом аспекте.
Понятия «биологический объект», часто используемый в технической бионике, и «живая
природа» имеют примерно равный смысл. Однако есть некоторые оттенки этих поня тий.
Понятие «живая природа» говорит непосредственно о специфике живого, как особого явления в
космосе и биогеосфере. Вместе с тем известно, что в живой природе имеются и «неживые»
элементы, например окостеневшие панцири моллюсков, твёрдые, склеренхимные ткани растений, костные образования животных. В живой природе происходят не только биологические,
но физические и химические процессы. Понятие «биологический объект» конкретизирует
понятие «живая природа». Поэтому часто вместо терминов «живая природа», «живой
организм», «объекты живой природы» употребляется термин «биологический объект». В
данном труде во избежание назойли вости применения лишь одного термина употребляются в
одинаковом смысле различные варианты этих понятий. Заметим также, что о понятии живого
до сих пор идут горячие дискуссии.
техники живой природы в человеческой деятельности , но и переустройство природы по
человеческим потреб ностям и образцам . Мы видим также , что для К . Маркса не является
неприемлемым отнесение технической терминологии к живым процессам .
В « Капитале » К . Маркса мы часто встречаем прово димую им аналогию между функциями
человеческого организма и функцией производства . Механические средства труда , их
комплекс К . Маркс называет «... костной и мускульной системой производства », а средства
труда второй группы , «... которые служат только для хранения предметов труда , ... в общем
можно назвать сосудистой системой производства ...».
В XIX в . в этом направлении работала и русская философская мысль . Вот что писал известный
в то время философ , социолог , П . Л . Лавров : « Лишь класси фицируя и изучая все существа
природы как они суть на самом деле , человек получает возможность классифицировать и изу
чать их по отношению к человеческому благу , по их полезно сти и вредности для большинства
. Сегодня энтомолог пораду ется , что в его коллекции прибавилось два - три незамеченных
прежде жучка , а через несколько времени , посмотришь , изуче ние одного из этих жучков даст
технику новое средство для удешевления полезного продукта , следовательно , отчасти и для
увеличения удобств жизни большинства . А затем другой из этих жучков стал исходной точкой
разысканий ученого о законах развития животных форм и функций — законах , по которым
развивалось и человечество из своего зоологического состояния , вынося фатально из него в
свою историю много печальных переживаний ; законах , которые указывают чело веку , что ,
лишь борясь за свое развитие , он рядом с неиз бежным зоологическим элементом своего
существа может выработать в себе и другой элемент , позволивший ему быть деятелем
прогресса « [4].
Раздел 3. Бионика в искусстве.
Последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку
современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с
небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с
ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих
природные
аналоги,
робототехникой
и
искусственными
органами.
Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались
перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе
дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные
конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли
проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар.
В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной
бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.
Энциклопедическая
справка
Бионика (англоязычные названия – «биомиметика») – многообещающее научнотехнологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в
виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.
Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно
используется термин «биомиметика», но иногда говорят о биогенезе. Суть этого
перспективного научно-технологического направления состоит в том, чтобы заимствовать у
природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и
дизайнерских
решений,
а
также
новых
информационных
технологий.
В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это
связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют
копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная
бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги,
робототехникой
и
искусственными
органами.
Умная
природа
Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в
невероятной
энергоэффективности
последних.
Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились
жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот
феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией
между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения,
можно
существенно
повысить
энергоэффективность
современных
технологий.
Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество»
значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно
крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям.
При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех
или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и
эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества
(сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» — оригинальных дизайнерских и
инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих
случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается
изучением
и
копированием
природных
«ноу-хау».
Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека
сконструировать
что-либо
претендующее
на
природную
эффективность.
Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате
длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных
(например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов.
Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все
это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего
жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию
уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой . В то же
время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных
систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя
свои
свойства.
В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной
приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы
многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут,
например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в
начале
этого
длинного
пути.
Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система
сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми
разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части
конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей
наблюдательности
и
ума,
чтобы
научиться
у
природы?
Современные
открытия
Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют
природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе
биологов-генетиков
и
инженеров,
специалистов
по
материалам.
В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела,
чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или
искусственный
глаз
(в
стадии
разработки).
[pic]
Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного
оптоволокна
Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов.
Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле
глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из
Bell Labs, структурного подразделения Lucent
Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по
свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в
телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно
может оказаться лучше искусственного.
Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип
примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни.
Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см.
Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного
диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на
своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого
волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко
выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная
часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в
составе которых заметное количество органики.
Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических
волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя
прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных
образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям,
особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми
оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне
его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell
Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и
гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют
своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно
приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном
итоге также означает потерю функциональных свойств материала.
Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение
природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень
высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем
химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот
процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.
По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20- сантиметровых губок
может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели,
при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию
органической оболочки.
Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного
вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent
для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем,
как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15
см.
Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических
открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в
октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую
технологию подающего механизма для копиров и принтеров.
В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало
Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)
В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит
принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например,
построению гнезда.
Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел,
каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то
же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве
отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная
схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс.
оптических сенсоров и микроконтроллеров.
Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются
конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что
в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать
только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры
исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть
в
«человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями
специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по
размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть
ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию
ног, если не у животных?
В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые
из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным
шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы
передвижения таракана.
[pic]
Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из
Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек
Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма
шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно
преодолевает препятствия.
[pic]
Монопод ростом с человека способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно
прыгая (Стенфордский университет)
В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста,
который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно,
человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени
проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого
робота с человеческой системой ходьбы.
Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами,
была уже давно успешно решена другими живыми существами.
Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы
упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему.
Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную
кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и
распространяют зерна.
Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с
некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе»
неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.
Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж
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 (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского
инженерного чуда 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.
|Костная структура |Основание Эйфелевой башни напоминает костную |
|головки бедренной кости |структуру головки бедренной кости |
Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной 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 (Carl Cullman) подвел теоретическую базу
под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью
кривых суппортов было использовано
Эйфелем.
Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де
Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее
шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить
собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти.
Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам
на плодах дурнишника
(так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и
через восемь лет запатентовал удобную «липучку»
Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и
гражданской одежды.
Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по
заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится
у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное
моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и
попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.
«Я подозреваю, - сказал один биолог, - что мы не являемся теми новаторами, за которых
себя принимаем; мы всего лишь подражатели». Зачастую люди-изобретатели просто
повторяют то, что растения и животные делают уже тысячелетиями. Подражание живым
существам так распространено, что ему было дано собственное название – БИОНИКА.
Другой ученый говорит, что фактически все основные области человеческой техники
«были освоены и продуктивно использованы живыми организмами... еще до того, как
человеческий разум начал охватывать их функцию и овладевать ею». Интересно, что он
добавляет: «Во многих областях человеческая техника все еще далеко отстает от
природы».
Размышляя об этих комплексных способностях живых организмов, которым стараются
подражать изобретатели, разумно ли полагать, что эти способности появились в
результате чистой случайности, причем не один только раз, а многократно и у
организмов, не являющихся родственниками? Не имеем ли мы дело с замысловатыми
конструкциями, которые, как нас учит опыт, могут быть только произведением
блестящего Конструктора? Верится ли на самом деле, что чистый случай мог создать
вещи, имитация которых позднее потребовала усилий одаренных людей? Прими во
внимание эти вопросы, рассматривая следующие примеры:
КОНДИЦИОНЕРЫ:Во многих домах воздух охлаждается с помощью современной
техники. Термиты же охлаждают свои жилища с давних пор по настоящее время. Их
гнездо находится в центре большого холма. Из него теплый воздух поднимается в
систему воздушных каналов вблизи поверхности. Здесь несвежий воздух сквозь
пористые стены выходит наружу, а свежий прохладный воздух проникает внутрь и
опускается в воздушную камеру, находящуюся в нижней части холма. Оттуда он
поступает в гнездо. У пдножия некоторых холмов имеются отверстия, куда заходит
свежий воздух, который в жаркую погоду охлаждается благодаря испарению
поднимающейся почвенной влаги. Каким образом миллионы слепых рабочих
координируют свои усилия, чтобы соорудить такие искусно сконструированные
постройки? Биолог Луис Томас отвечает: «Тот очевидный факт, что у них налицо своего
рода коллективный интеллект, является загадкой».
САМОЛЕТЫ:Многолетнее изучение птичьих крыльев помогло при конструировании
крыльев самолетов. Изогнутость птичьего крыла обеспечивает подъемную силу,
небходимую для преодоления силы тяжести. Однако при слишком большом наклоне
крыла существует опасность срыва. Чтобы этого не произошло, птицы имеют на
передней кромке крыла ряд перьевых щитков, которые быстро поднимаются, как только
увеличивается наклон крыла. Эти щитки не дают воздушному потоку оторваться от
поверхности крыльев, что сохраняет подъемную силу.
Еще одной особенностью, помогающей контролировать турбулентности и
предотвращать «сваливание», является крылышко – небольшой пучок перьев, которые
птица может оттопыривать подобно большому пальцу. Как у птиц, так и у самолетов на
концах крыльев образуются тормозящие вихри. Птицы сводят их к минимуму двумя
способами. Некоторые птицы, например стрижи и альбатросы, имеют длинные, узкие
крылья с заостренными концами. Благодаря этой конструкции почти все вихри
устраняются. Другие, в их числе большие ястребы и грифы, имеют широкие крылья,
содействующие сильному завихрению; но это предотвращается тем, что птицы
растопыривают на концах крыльев маховые перья подобно пальцам. Благодаря этому,
тупые концы преобразуются в несколько узких кончиков, что сокращает образование
вихрей и сопротивление воздуха.
Авиационные конструкторы переняли многие из этих особенностей. Изогнутость
крыльев обеспечивает подъемную силу. Различные закрылки и выступы служат
спойлерами для подавления вихрей или действуют в качестве тормозного устройства. У
некоторых легких самолетов завихрение на концах крыльев ослабляется поднятием
плоских щитков перпендикулярно поверхности крыла. И все-таки крыльям самолетов
еще далеко до чудес инженерного искусства, которые мы обнаруживаем в устройстве
крыльев птиц.
АНТИФРИЗ:Люди используют в автомобильных радиаторах гликоль как антифриз. Но
определенные микроскопические растения, чтобы не замерзнуть в антарктических
озерах, применяют химически похожий на него глицерин. Он также есть у насекомых
которые выживают при Т -20°С. Существуют рыбы, которые производят свой
собственный антифриз, что позволяет им обитать в холодных водах Антарктика.
Некоторые деревья переносят 40° морозы потому что содержат «очень чистую воду,
незагрязненную частицами пыли или грязи, на которых иначе могли бы образовываться
кписталлы льда».
ДЫХАНИЕ ПОД ВОДОЙ:Люди надевают на спину акваланг и остаются под водой в
течение одного часа. Некоторые водяные жуки делают это проще, и при этом дольше
пребывают под водой. Прихватив воздушный пузырь, они погружаются с ним в воду.
Пузырь служит в качестве легкого, он принимает от жука углекислый газ и выпускает
его в воду, а из воды забирает растворенный в ней кислород, чтобы жук мог дышать.
ЧАСЫ:Живые организмы владели точными часами задолго до того, как человек начал
определять время по солнечным часам. Во время отлива микроскопические водоросли
под названием диатомеи поднимаются на поверхность мокрого берегового песка. Когда
же наступает прилив, диатомеи опять погружаются в песок. Однако в песке в
лабораторных условиях, где нет ни приливов, ни отливов, их внутренние часы попрежнему заставляют их подниматься и погружаться в том же ритме. Во время отлива
манящие крабы темнеют и выползают из своего убежища, а когда наступает прилив, они
бледнеют и прячутся в свои норки. В лаборатории, находящейся далеко от моря, они
продолжают соблюдать тот же режим, темнея и светлея в зависимости от времени
отлива и прилива. Птицы могут ориентироваться по солнцу и звездам, которые со
временем меняют свое расположение. Для того, чтобы компенсировать эти изменения
они должны иметь внутренние часы. «И аист под небом знает свои определенные
времена, и горлица, и ласточка, и журавель наблюдают время, когда им прилететь...»
(Иеремия 8:7). От микроскопических растений до человека – повсюду отсчитывают
время миллионы внутренних часов.
КОМПАСЫ:Примерно в XIII столетии н.э. люди начали пользоваться примитивным
компасом – магнитной стрелкой, плавающей в чаше воды. Однако это не было чем-то
новым. Бактерии содержат цепочки частиц магнетита, имеющих как раз
соответствующие размеры, чтобы действовать в качестве компаса. Благодаря этому, они
отыскивают предпочитаемую ими среду. Магнетит был обнаружен и во многих других
живых организмах, например в птицах, пчелах, бабочках, дельфинах и моллюсках. Как
показывают эксперименты, почтовые голуби, возвращаясь домой, ориентируются по
магнитному полю земли. Теперь общепризнанно, что перелетные птицы находят свой
путь также и с помощью магнитных компасов, находящихся в их головах.
ОПРЕСНЕНИЕ:Люди строят огромные установки для опреснения морской воды. Корни
мангровых деревьев всасывают морскую воду, но фильтруют ее через мембраны,
которые удаляют соль. Один из видов мангров, Avicennia, освобождается от избытка
соли при помощи желез, расположенных на нижней стороне листьев. Такие морские
птицы, как чайки, пеликаны, бакланы, альбатросы и буревестники, пьют морскую воду и
удаляют поступающий в кровь излишек соли посредством головных желез. Пингвины,
морские черепахи и морские игуаны тоже пьют соленую воду и удаляют избыток соли.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО:Приблизительно 500 видов электрических рыб имеют батареи.
Африканский электрический сом может вырабатывать напряжение в 350 вольт.
Гигантский электрический скат, живущий в Северной Атлантике, производит
электрические импульсы в 50 ампер напряжением в 60 вольт. У южно-американского
электрического угря были зафиксированы удары напряжением до 886 вольт. «Известно
11 различных семейств рыб, среди которыхъ есть виды с электрическими органами», сообщает один химик.
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО:Испокон веков человек возделывает землю и держит
домашний скот. Однако уже гораздо раньше муравьи-листорезы занимались
садоводством. В компосте, который они заготавливали из листьев и своего помета, они
выращивали грибки, служащие им пищей. Некоторые муравьи держат тлей как
домашний скот, выдаивая из них сладкие выделения и даже строя скотные помещения
чтобы приютить их. Муравье-жнецы запасают семена в подземных амбарах. «Пойди к
муравью, ленивец, посмотри на действия его, и будь мудрым. Нет у него ни начальника,
ни приставника, ни повелителя; но он заготовляет летом хлеб свой, собирает во время
жатвы пищу свою» (Притчи 6:6-8). Некоторые жуки подрезают мимозу. Сеноставки и
сурки косят, сушат и запасают сено.
ИНКУБАТОРЫ:Хотя человек и строит инкубаторы, для вывода молодняка из яиц, но он
дошел до этого не первым. Морские черепахи и которые птицы откладывают свои яйца
для инкубации в теплый песок. Другие птицы оставляют свои яйца для выведения
птенцов в теплом вулканическом пепле. Аллигаторы покрывают иногда свои яйца
гниющей зеленью, чтобы создавалось тепло. Однако настоящим специалистом по этой
части является самец глазчатой курицы. Он роет большую яму, наполняет ее зеленью и
сверху засыпает песком. Брожение растительности обогревает кучу, в которую самка в
течение шести месяцев каждую неделю откладывает по одному яйцу, и все это время
самец проверяет температуру, втыкая в кучу свой клюв. Добавляя или отбавляя песок,
он даже в морозную или очень жаркую погоду поддерживает в своем инкубаторе
постоянную температуру в 33 градуса.
РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ:Путешествие в современном самолете, вероятно,
осущетсвляется благодаря реактивным двигателям. Многие животные также
перемещаются реактивным способом, делая это уже тысячелетиями. Выдающимися в
этом отношении являются осьминоги и кальмары. Они всасывают воду в специальную
камеру и затем выталкивают ее при помощи специальных сильных мышц, продвигаясь
таким образом вперед. Реактивное движение применяется также и наутилусами,
гребешками, медузами, личинками стрекоз и даже некоторыми видами морского
планктона.
ОСВЕЩЕНИЕ:Изобретение лампы накаливания приписывают Томасу Эдисону. Но у
нее не такой уж высокий коэффициент полезного действия, так как она теряет энергию в
виде тепла. Жуки-светляки включают и выключают свои фонарики, которые действуют
эффективнее. Они испускают холодный свет, не выделяя тепловой энергии. Ярко
светятся многие виды губок, грибков, бактерий и червей.Один из червей похож на
проходящий мимо миниатюрный поезд, имеющий красный «головной прожектор», а на
обоих боках – по 11 белых или бледно-зеленых освещенных «окон», за что его назвали
железнодорожным червячком. К светящимся рыбам относятся также удильщики,
пятнистый скопелус, рыба-гадюка, светящийся анчоус и многие другие. Прибойные
волны светятся и блестят миллионами микроорганизмов.
БУМАГА:Египтяне изготавливали ее тысячи лет тому назад. И все же они далеко
отстали от стенных ос, скалдчатокрылых ос и шершней. Эти крылатые работники
разжевывают старую древесину, производя в результате серую бумагу для постройки
своих гнезд. Шершни подвешивают свои большие круглые гнезда на деревьях.Наружная
оболочка состоит из многих слоев прочной бумаги, отделенных друг от друга
воздушными прослойками. Это защищает гнездо от жары и холода так же эффективно,
как бы кирпичная стена толщиной в 40 см.
РОТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ:Микроскопические бактерии опередили человека в
использовании ротационного двигателя на много тысяч лет. Один вид бактерий имеет
нитевидные выросты, которые скручены вместе в упругую спираль, подобную штопору.
Бактерия крутит этот «штопор» как гребной винт, перемещаясь таким образом вперед.
Она может даже изменить направление, в котором вращается двигатель! Но как она это
совершает, пока полностью не выяснено. В одном сообщении утверждается, что
бактерия, в пересчете на свою величину, достигает скорости в 50 км/ч. Дальше
говорится, что «природа, фактически, изобрела колесо». Один исследователь приходит к
следующему заключению: «Осуществилась одна из самых фантастических концепций
биологии: природа в самом деле произвела ротационный двигатель со сцеплением,
вращающейся осью, подшипниками и поворотным приводом».
ЭХОЛОКАЦИЯ:Эхолокация летучих мышей и дельфинов превосходит имитации,
сделанные человеком. В затемненном помещении, где вдоль и поперек натянута тонкая
проволока, летучие мыши летают и никогда не задевают ее. Они испускают
ультразвуковые сигналы, которые отражаются от предметов и возвращаются к ним, что
позволяет летучим мышам определить их положение и облететь их. Морские свиньи и
киты делают то же самое в воде. Птицы гуахаро используют эхолокацию, когда
залетают и вылетают из темных пещер, где они гнездятся, издавая при этом резкие
щелкающие звуки.
ПОДВОДНЫЕ ЛОДКИ:Подводные лодки существовали уже до того, как их изобрели
люди. Микроскопические радиолярии имеют в своей протоплазме капельки масла, при
помощи которых они регулируют свой вес и благодаря чему поднимаются или
опускаются в море. Рыбы изменяют свою плавучесть тем, что впускают в свой
плавательный пузырь газ или выпускают его. Раковина наутилуса разделена на камеры
или балластные цистерны. Изменяя соотношение воды и газа в этих цистернах,
животное регулирует глубину погружения. Известковая внутренняя раковина
каракатицы содердит многочисленные полости. Для регулировки плавучести это
похожее на осьминога животное выкачивает из своего скелета воду и дает газу
заполнить опорожненные полости. Таким образом, полости внутренней раковины
действуют по такому же принципу, как водяные цистерны в подводной лодке.
ТЕРМОМЕТРЫ:Люди совершенствуют термометры, начиная с XVII столетия, однако
они остаются примитивными по сравнению с некоторыми термометрами, которые
встречаются в природе. Усики комара могут ощутить изменение температуры на 1/150
градуса по Цельсию. По бокам головы гремучей змеи имеются углубления с
терморецепторами, которыми она может ощутить изменения температуры на 1/300
градуса по Цельсию. Удав за 35 миллисекунд реагирует на изменение температуры на
долю градуса. Глазчатая курица и кустовая курица клювом измеряет температуру с
точностью до полуградуса.
Все, что человек перенимает у животных, напоминает о совете, который дает Библия:
«Спроси у скота, и научит тебя, - у птицы небесной, и возвестит тебе; или побеседуй с
землею, и наставит тебя, и скажут тебе рыбы морские» (Иов 12:7,8).
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.
РАЗДЕЛ 4. ГЛОССАРИЙ.
Бионика - наука, изучающая принципы организации и функционирования живых организмов
для создания на этой основе новых технических систем.
Бионика - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов,
свойств, функций и структур живой природы. Различают:
- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
- техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения
инженерных задач.
Кибернетика - наука об управлении, связи и переработке информации. Основным объектом
исследования кибернетики являются абстрактные кибернетические системы: от компьютеров
до человеческого мозга и человеческого общества.
В зависимости от области применения различают политическую, экономическую и
социальную кибернетику.
Естественные науки - совокупность наук о природе. Традиционно естественными науками
считаются: математика, физика, химия, биология, науки о Земле, науки о человеке как
социально-биологическом существе.
Кибернетическая система - множество взаимосвязанных объектов, способных воспринимать,
запоминать и перерабатывать информацию.
Нейробионика - научное направление, изучающее возможность использования принципов
строения и функционирования мозга с целью создания более совершенных технических
устройств и технологических процессов.
Биологический эффект — это применение биологических объектов (под которыми понимают
все живые организмы) в жизнедеятельности человека.
РАЗДЕЛ 5. Практикум по решению задач по темам лекций.
РАЗДЕЛ 6. Изменения в рабочей программе, которые произошли после утверждения
программы.
Хара
ктер
изменений в
программе
Номер и
дата протокола
заседания кафедры,
на котором было
принято данное
решение
Подпись
заведующего
кафедрой,
утверждающего
внесенное изменение
Подпись декана
факультета (проректора
по учебной работе),
утверждающего данное
изменение
РАЗДЕЛ 7. Учебные занятия по дисциплине ведут:
Ф.И.О.,
Учебный
ученое звание и
год
степень преподавателя
Сидорович
Е.А., 2008-2009
старший
преподаватель
Факультет
ХОТиД
Специальность
«Профессиональное
обучение (дизайн)»