Кибернетика — наука, изучающая общие законы управления и взаимосвязи в организованных системах (машинах, живых организмах, в обществе). Возникновение кибернетики как самостоятельной науки связывается с выходом книг американского ученого Норберта Винера “Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине” в 1948 г. и “Кибернетика и общество” в 1954 г. Основным научным открытием кибернетики стало обоснование единства законов управления в естественных и искусственных системах. К такому выводу Н.Винер пришел, построив информационную модель процессов управления. Кибернетика развивает понятие информации как содержание сигналов, передаваемых по каналам связи. Кибернетика развивает понятие алгоритма как управляющей информации, которой должен владеть управляющий объект для выполнения своей работы. Появление кибернетики происходит одновременно с созданием электронновычислительных машин. Связь ЭВМ и кибернетики настолько тесная, что эти понятия в 1950-е годы нередко отождествляли. ЭВМ называли кибернетическими машинами. Связь ЭВМ и кибернетики существует в двух аспектах. Во-первых, ЭВМ — это самоуправляемый автомат, в котором роль управляющего играет устройство управления, имеющееся в составе процессора, а все остальные устройства являются объектами управления. Прямая и обратная связь осуществляется по информационным каналам, а алгоритм представляется в виде программы на машинном языке (языке, “понятном” процессору), хранящейся в памяти ЭВМ. Во-вторых, с изобретением ЭВМ открывалась перспектива использования машины в качестве управляющего объекта в самых различных системах. Возникает возможность создания сложных систем с программным управлением, передачи автоматическим устройствам многих видов человеческой деятельности. Развитие линии “кибернетика — ЭВМ” привело в 1960-х годах к появлению науки информатики с более развитой системой понятий, относящихся к изучению информации и информационных процессов. В настоящее время общие положения теоретической кибернетики приобретают в большей степени философское значение. Одновременно активно развиваются прикладные направления кибернетики, связанные с изучением и созданием систем управления в различных предметных областях: техническая кибернетика, медико-биологическая кибернетика, экономическая кибернетика. Основные направления кибернетики. В кибернетике можно выделить ряд научных направлений. Теоретическая кибернетика занимается общими проблемами теории управления, теории информации, вопросами передачи, защиты, хранения и использования информации в системах управления. Многие проблемы теоретической кибернетики изучаются в теоретической информатике. Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом до сложнейших систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей. Техническая кибернетика – другое наиболее активно развивающееся направление. В ее состав входит теория автоматического управления, исследующая проблемы автоматизации процессов, и, в частности, проблемы самоуправления в сложных системах. Сложные объекты управления требуют специальных приемов и методов, опирающихся на идеи технической диагностики, распознавания образов, ситуационного управления, коллективного поведения автоматов. Еще одно направление тесно связывает кибернетику с биологией. Биологическая кибернетика применяет идеи и методы кибернетики в биологии и медицине. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых. Особое место в этом направлении исследований играет нейрокибернетика, изучающая проблемы переработки информации в нервной ткани животных и человека, а также бионика – наука о том, как находки живой природы, реализованные в живых организмах, можно переносить в искусственные системы, создаваемые человеком. Важнейшим моментом в развитии бионики стали идеи американских нейрофизиологов У.Маккалока и Питса. Еще одна наука – гомеостатика – наука о достижении равновесных состояний – при наличии многих действующих факторов связывает модели биологической кибернетики и технической кибернетики. Не только живые организмы, но и т.н. сложные системы (экологические, социальные, производственные) в той или иной мере гомеостатичны – и у каждой есть свои жизненно важные параметры, которые необходимо поддерживать в определенных границах при допустимых изменениях внешней среды. Экономическая кибернетика – также одна из развивающихся областей кибернетики. В 20-е гг. ХХ столетия впервые были предложены математические соотношения для описания глобальных экономических процессов. С этих пор начала развиваться математическая экономика, которая при появлении компьютеров стала наукой, где расчеты и модели экономических процессов столь же привычны, как и в ранее формализованных науках. И наконец, социальная кибернетика изучает процессы управления, протекающие в человеческом обществе (модели распространения слухов, модели возникновения лидерства и т.п.). Это направление тесно смыкается с социальной психологией. Бионика (от греч. biфn - элемент жизни, буквально - живущий)- наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. В настоящий момент бионику разделяют на три основных направления: a) Биологическое занимается созданием искусственных тканей, протезов, биореакторов, генетически модифицированных организмов. b) Математическая бионика – моделирование процессов, протекающих в живых организмах и их сообществах. Во многом математическая бионика пересекается с кибернетикой. c) Техническая – внедрение принципов функционирования живых систем в инженерную практику. Люди издавна стремились подражать живо природе и использовать знания о работе биологических систем в своих интересах. Из мифа о Дедале и Икаре, построивших себе искусственные крылья для полета, или миф о Гефесте, создавшем человекоподобных роботов, помогавших ему при изготовлении оружия и военных доспехов. В Древнем Египте, Китае и в Греции еще в 5-м в. до н. э. использовали почтовых голубей для пересылки сообщений. Животные служили источником механической энергии. Они приводили в действие поливные устройства, переносили тяжести и т. п. Художник, инженер и ученый Леонардо да Винчи (1452- 1519) изучал строение и функции тел животных и птиц, чтобы использовать эти знания при создании технических систем. Изучая полет птиц, он разработал проекты летательных аппаратов, основанные на аналогичных принципах. Леонардо принадлежат слова: "Птица - это аппарат, действующий согласно математическим законам. И воспроизвести этот аппарат со всеми его движениями в пределах возможностей человека". Тогда же стали использовать трубчатые строительные конструкции, устойчивые к изгибу. Они моделировали трубчатое строение бамбука. Многим орудиям и устройствам придавались формы живых организмов: создавали многочисленных кукол, подражавших поведению живых людей. Такие манекены не потеряли своего значения и сейчас. Они используются при производстве одежды и при испытаниях новых транспортных средств и космических аппаратов. После изобретения часового механизма с пружинным заводным двигателем появилось большое число устройств, в основном игрушек, воспроизводивших сложные механические движения живых существ. Такие человекоподобные механизмы получили название андроидов. Они могли передвигаться, исполнять музыкальные мелодии, рисовать, писать несколько стандартных фраз и т. п. Множество таких устройств сохранилось в музеях Санкт-Петербурга, Парижа, Вены, Невшате; (Швейцария), Монако и других городов. В Эрмитаже хранятся знаменитые часы "яичной фигуры механика, конструктора и изобретателя И. П. Кулибина со встроенным в них миниатюрным театров с подвижными фигурами. Там же хранятся иноземные часы "Павлин", отремонтированные в 1799 г И. П. Кулибиным и действующие до настоящего времени. Подвижные модели животных (сова павлин, петух) выполняют сложные комплекс движений. В 19-м в. были сделаны первые математические описания процессов, происходящих в билогических системах. Французский физиолог и физик Ж. Л. Пуазейль (1799 - 1840) исследовали ток крови в сосудах, а английский физик Д. Г. Стоке (1819 - 1903) математически описал полученные Пуазейлем результаты экспериментов, которые потом использовались в гидравлике. Основоположник современной гидро- и аэродинамики Н. Е. Жуковский (1847 - 1921) изучал механизмы полета птиц. В работах "К теории метания" (1890) и "О парении птиц" (1891) он выяснил принципы образования крылом подъемной силы, разработал теорию полета и создал ряд оригинальных профилей крыльев для самолетов. Немецкий биофизик Г. Гельмгольц (1821 1894) изучил физиологию рецепторов, а также строение органов зрения и слуха и объяснил физические принципы их работы. Позже он использовал эти результаты для создания оптических и акустических приборов. В 20-м в. ученые стали исследовать нервную систему, изучать поведение живых систем, ми- грации и способы ориентации животных и птиц. Развивались смежные с биологией направления: биомеханика, биоэнергетика, биохимия и биофизика, исследовавшие живые системы в различных аспектах. Все это позволило накопить большое количество фактов, характеризующих их функции. Зарождение кибернетики, широкое проникновение ее идей во все области знаний (в том числе и в биологию) привело к возникновению в 40-е гг. информационно-кибернетического подхода к биологическим объектам. Этот подход стимулировал исследования процессов управления, передачи и переработки информации в биологических объектах, исследования по управлению движениями, по переработке информации в рецепторных и анализаторных системах, воспринимающих и распознающих информацию, исследования нейронов и нервных сетей, изучение поведения живых организмов и их сообществ, ориентацию животных. Важнейшим моментом в развитии бионики стали идеи американских нейрофизиологов У. Мак-каллока и Питса (1943), в которой они сформулировали понятие формального нейрона и показали, что нейрон можно (в первом приближении) рассматривать как логический элемент, преобразующий дискретную информацию в соответствии с правилами алгебры логики. Эта работа, рассматривающая нейрон как логический переключательный элемент, положила начало большой серии исследований по созданию моделей нейронов и нейронных (нервных) сетей, многие из которых нашли применение в дискретных вычислительных схемах. Идеи Маккаллока и Питса позволили Дж. фон Нейману заложить теорию построения надежных схем из ненадежных элементов, основанную на анализе специальных способов параллельных соединений формальных нейронов с использованием мажоритарного принципа ("голосования"). Результаты биологических исследований успешно использовались в интересах техники. Биологические системы, их свойства и особенности использования стали изучать целенаправленно. 13 сентября 1960 г. в США состоялся первый научный симпозиум по бионике. На нем впервые было дано определение этого научного направления и сформулирован его девиз: "Живые прототипы - ключ к новой технике". 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 Б., 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. Исследования нервной системы показали, что она обладает рядом важных и ценных особенностей и преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Эти особенности, изучение которых очень важно для дальнейшего совершенствования электронно-вычислительных систем, следующие: 1. Весьма совершенное и гибкое восприятие внешней информации вне зависимости от формы, в которой она поступает (например, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.). 2. Высокая надёжность, значительно превышающая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких деталей; при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов, составляющих головной мозг, работоспособность системы сохраняется). 3. Миниатюрность элементов нервной системы: при количестве элементов 1010-1011 объём мозга человека 1,5 дм3. Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч м3. 4. Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков вт. 5. Высокая степень самоорганизации нервной системы, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности. Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов. Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение памяти и других свойств нервной системы - основной путь создания «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Изучение механизмов, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень важно для техники, т.к. решение этой первоочередной технической проблемы даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (например, оборудования самолёта, содержащего 105 электронных элементов). Исследования анализаторных систем. Каждый Анализатор животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований. Через наиболее важный анализатор - зрительный - в мозг человека поступает большая часть информации. С инженерной точки зрения интересны следующие особенности зрительного анализатора: − широкий диапазон чувствительности - от единичных квантов до интенсивных световых потоков; − изменение ясности видения от центра к периферии; − непрерывное слежение за движущимися объектами; − адаптация к статичному изображению (для рассматривания неподвижного объекта глаз совершает мелкие колебательные движения с частотой 1-150 гц). Для технических целей представляет интерес разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка -очень сложное образование; например, глаз человека имеет 108 фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 106 ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: первый включает 1800 фоторецепторных ячеек, второй - «нейроны», воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в третьем слое имеется 650 «клеток» пяти разных типов. Эти исследования дают возможность создать следящие устройства автоматического распознавания. Изучение ощущения глубины пространства при видении одним глазом (монокулярном зрении) дало возможность создать определитель глубины пространства для анализа аэрофотоснимков. Ведутся работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен - люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10 мкн/м2 (0,0001 дин/см2). Технически интересно также изучение механизма передачи информации от уха к слуховой области мозга. Изучают органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» - электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика 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 на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45-90 кгц, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей. Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана - для обнаружения инфракрасных лучей). Большое значение в техническом конструировании имеют т.н. Персептроны «самообучающиеся» системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой информации. Большинство исследований посвящено опознаванию зрительных, звуковых или иных образов, т.е. формированию сигнала или кода, однозначно соответствующего объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от изменений изображения (например, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без предварительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, сигнализирует об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона - его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов - это набор фотоэлементов. После периода «обучения» персептрон может принимать самостоятельные решения. На основе персептронов создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д. Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из важных задач Б., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км (см. Миграции животных), могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация обнаружена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч км и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу. Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике. Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, изучение структуры кожи быстроходных водных животных (например, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с минимальным сопротивлением) позволило увеличить скорость кораблей. Создана специальная обшивка - искусственная кожа «ламинфло», которая дала возможность увеличить скорость морских судов на 15-20%. У двукрылых насекомых имеются придатки - жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого - особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки. Разработанные на этом принципе ветряные мельницы с подвижными лопастями очень экономичны и могут работать при малой скорости ветра. Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, различных манипуляторов и т.п. разрабатываются на основе изучения полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п. Анализ структуры кости, обеспечивающей её большую лёгкость и одновременно прочность, может открыть новые возможности в строительстве и т.п. Специалистов этой области науки поражают, например, необыкновенные способности птиц к навигации. Всем известно, что почтовые голуби, где бы они ни были, обязательно вернутся в свой «родной дом». Доказано, что вроде бы ничем не примечательная птаха золотистая ржанка без посадки может пересечь Атлантический океан от Новой Шотландии до Южной Америки (около 4 тысяч километров). И из года в год летают стаи золотистых ржанок, летают по одним и тем же воздушным трассам. Как ориентируются они в пространстве? Как находят свои невидимые дороги в небе? Что за «навигационные приборы», точные и высокочувствительные, «работают» внутри у этих рекордсменов навигации? Например, уже установлено, что почтовые голуби обладают особенно острым зрением и способны выделять детали местности, при случае играющие роль ориентиров. Безупречная память воздушных почтальонов накапливает информацию, как компьютер. А вот удивительная способность летучих мышей безошибочно ориентироваться в самых темных уголках пещер, проноситься сквозь кроны деревьев безлунной ночью уже не секрет для биоников. Они знают, что беспорядочное на первый взгляд ныряние, кручение и другие неожиданные выверты, и трюки летучих мышей в погоне за добычей - не что иное, как чрезвычайно точный метод, названный эхолокацией. Это она помогает животным не приблизительно, а строго определенно узнавать расстояние до своей жертвы. Летучие мыши во время охоты необычайно болтливы: они «выстреливают» в насекомых заряды ультразвуков и тут же принимают их отраженными от насекомых. Не удивляйтесь, что бионики в течение многих лет изучали, какую скорость развивают некоторые степные животные, птицы, насекомые, рыбы. Ведь известно: человек давно перекрыл скоростные рекорды и голубой акулы, делающей до 70 км/час, и самых быстроногих кузнечиков, которые могут скакать со скоростью в пределах от 10 до 60 км/час! Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма тела кита совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское китоподобное судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же. Бионический принцип положен и в основу конструкции снегоходной машины «Пингвин». Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем, скользит по поверхности и «Пингвин» механический. Пластика живых форм безупречна. При минимуме затрат в ней достигается максимальный эффект. Этот принцип, присущий живой природе, позволяет архитекторам создавать совершенно новые строения. Например, складчатые структуры по аналогии с листьями некоторых растений, многоэтажные здания, которым не страшны ни сильные ветры, ни грозные землетрясения, ибо их остовы подобны бамбуковым стеблям. Давно известно, что химический состав растений может указать на присутствие полезных ископаемых. Пчелиный мед для геологов своеобразный вид информации, «сладкая топографическая карта». Ведь по составу меда можно судить о залежах руд в районе сбора пчелами нектара. В морях и океанах животные, водоросли, бактерии, микробы накапливают в своих организмах химические элементы. Нельзя ли это «морское население» заставить добывать ценные вещества для человека? У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто. Возможно, развитие бионики уже в скором времени сделает многое непривычным в мире техники. И самые неожиданные сюрпризы ждут нас в разработке различных приборов обнаружения, методах добычи полезных ископаемых и производства веществ. А в технике - и этого ожидают появятся такие системы управления, куда будут «встроены» новые биологические машины. Застежка-липучка Существуют уже достаточно впечатляющие результаты применения бионики. Однако следует различать результаты прямого копирования природных механизмов и случайные совпадения, так, оказалось, что многие инженерные решения имеют случайные природные аналогии Классическим примером бионического изобретения является застежкалипучка. Две половинки липучки прочно соединяются друг с другом благодаря тому, что одна из них покрыта меленькими крючками, а на другой расположены миниатюрные петельки. Залипание многочисленных крючков и петель обеспечивает прочность крепления. Липучка была изобретена швейцарским инженером Мистралем еще до появления термина «бионика». Вычищая шерсть своего пса после прогулки, Мистраль обратил внимание на плоды репейника, которые крепко держались на шкуре. Он изучил строение плодов под микроскопом и разработал застежку, работающую по тому же принципу. Модель перемещения муравьев Другой интересной разработкой, пока не внедренной на практике, является модель перемещения муравьев по муравейнику. Большие потоки муравьев, стекающиеся к муравейнику, неизбежно должны образовывать огромные пробки при входе в муравейник, с такой проблемой сталкиваются миллионы жителей мегаполисов. Немецкие энтомологи обнаружили механизмы борьбы с пробками, которые практикуют муравьи, возможно, их элементы удастся использовать и человеку. Бионика и строительство. Круг вопросов, которые использует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться. Чтобы получить о них представление, лучше всего рассмотреть несколько примеров. В 1889 году в г. Париже по проекту инженера Ж. Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая ажурная башня, ставшая впоследствии символом столицы Франции. Эта конструкция яркий пример единства закона формирования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что силовые линии в конструкциях башни и в костях птиц и млекопитающих распределяются очень сходно, хотя при создании башни инженер не пользовался живыми моделями. Легкая и хрупкая кость, способная выдержать большие нагрузки, стала предметом пристального изучения ученых и архитекторов. Всесторонне исследуя скелет позвоночных и скелетные образования беспозвоночных животных, известный математик и конструктор Ле Реколе, установил, что прочность этих биологических конструкций обусловлена соответствующим расположением в них обрамленных отверстий, соединяемых различным способом. На основе изучения структуры костей и других природных моделей в архитектуре родился принцип дырчатых конструкций. Французские инженеры использовали этот принцип при строительстве моста, придав ему форму скелета морской звезды. Для творчества природа предоставляет немало образцов подобных конструкций, скелеты глубоководных губок и особенно радиолярий, микроскопических организмов, относящихся к типу простейших. Скелеты радиолярий поражают богатством и разнообразием форм. При удивительной экономии материала они обладают высокой устойчивостью, выдерживая давление воды на больших глубинах. Это яркий пример достижения максимальной прочности при минимальной затрате материала. Ле Реколе, исследовав строение радиолярий, разработал ряд конструкций универсальных ячеек, которые могут быть использованы в создании различных сооружений, от перекрытий залов до мостов и плотин. В будущем они найдут применение и в оборудовании, предназначенном для полетов в космос, поскольку в подобных условиях требуется принимать во внимание не только прочность, но и количество материала, необходимого для его изготовления. (Докладчик показывает фотографии). Естественный отбор сохраняет структуры, наиболее совершенные в функциональном отношении и наиболее экономные по затрате материала. Дырчатые конструкции не единственная возможность построения объектов. В природе встречаются разнообразные формы скелетных элементов окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты. Комбинируя их, природа создала бесконечное множество сложных, красивых, легких, прочных и экономичных конструкций. Части живых организмов нередко построены из элементов сходной формы. Таковы лепестки цветков, чешуи семян, чешуя рыб, панцирь броненосцев. Повторяемость однотипных структурных элементов в природе закономерное явление. Наиболее замечательное строение пчелиные соты. Это самая экономная и самая емкая форма, единственным элементом которой является шестигранная призма. Конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления «сотовых панелей» для строительства жилых домов. Шестигранная призма - основной элемент «сотовых» элеваторов под Новосибирском и в Целинограде. Успешно используют принцип пчелиных построек и гидростроители при наведении плотин и создании других гидротехнических сооружений. Стебель соломина у злаковых обладает большим запасом прочности, это свойство используется строителями при создании тонкостенных железобетонных конструкций, арматуры в блоках и перекрытиях. Проводящие ткани, клетки которых имеют форму трубочек, послужили примером для создания отопительной системы и водоснабжения в многоэтажных домах. Расположение жилок листьев, лепестков цветов дали возможность создать крытые стадионы, выставочные сооружения, аквапарки. Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет в строительстве биологические модели Как известно, иглы розы, боярышника, кактусов служат растению защитой от поедания животными. Такую же защитную функцию выполняют иглы рыб, ежей, дикобразов. Их прочность при нажатии выше, чем у конструкционных металлов. Удивительной конструкцией обладают птичьи перья, они выдерживают огромные деформации, превосходя самые лучшие авиационные материалы. Строение крыла птицы по своим техническим характеристикам превосходит конструкции всех современных планеров и самолетов. В природе есть масса материалов, имеющих пористое строение; кости птиц, кора деревьев. Используя эти природные свойства, человек создал пеноматериалы для теплоизоляции, герметизации, строительства легких перекрытий, для упаковочных материалов. Механические ткани, находящиеся в стеблях растений, нити паутины, очень прочные материалы, они послужили образцами для создания материалов при строительстве моста через ущелье в Калифорнии (США), длина которого составляет 137 метров. Проблема «человек–машина» С возникновением машин, облегчивших человеческий труд, перед бионикой появилась проблема взаимоотношений человека и машины. Здесь выявилось очень много интересного. Так, было установлено, что во многих производственных процессах (например, при управлении автомобилем или самолётом) полная замена человека автоматическим устройством либо невыгодна, либо невозможна. Следовательно, встаёт проблема оптимального распределения обязанностей между человеком и машиной. Интересно сравнить характеристики человека и технических устройств, в частности сопоставить эффективность их работы в различных условиях. В процессе биологической эволюции физиологическая и психологическая конституция человека приспособилась к условиям земного существования. Довольно узкий диапазон изменения температуры и давления воздуха и постоянство его состава, земное притяжение и лучевая энергия, падающая на поверхность Земли, – вот характеристики окружающей среды, в которой проходит жизнь человека. Выход в космос насильственно ставит человека в совершенно новую, непривычную среду. Это может привести к временным или даже необратимым нарушениям в организме человека. Человек не выдерживает сравнения с автоматом и по чувствительности к воздействию радиоактивного облучения. А радиационная устойчивость электронных систем в десятки раз выше допустимой для человека дозы облучения. Исключительно чувствителен человек и к воздействию ускорений и колебаний температуры. Однако не только это создаёт трудности при конструировании пилотируемых космических кораблей. Следует учитывать и такие проблемы, как обеспечение возможности дыхания и питания человека в космическом корабле, а также удаления продуктов обмена, контроль за мышечной деятельностью и действием системы кровообращения в условиях невесомости и, наконец, психологическую подготовку экипажа к полёту в космос. Следует иметь в виду также, что человек подвержен усталости и его работоспособность временами значительно понижается, в то время как автоматы способны работать надёжно длительный срок. Источники https://иванов-ам.рф/informatika_kabinet/inf_prozes/inf_prozes_11.html https://studopedia.su/4_888_lektsiya-kibernetika.html https://revolution.allbest.ru/programming/00425469_0.html http://www.bioinformatix.ru/bionika/bionika-i-kompyuter.html https://vk.com/doc284380336_548522217?hash=3700c6c742c34f0f0b&dl=f32cb6 207f88e4c5c7 http://www.xliby.ru/tehnicheskie_nauki/zanimatelnaja_anatomija_robotov/p3.php
