Содержание 

Литература  и источники информации

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

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

http://ru.wikipedia.org

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

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

Введение

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

Бионика - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.  

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

Различают: 

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

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

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

Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах. Бионическое моделирование  отличается от моделирования, которое  осуществляется в других науках. Как  правило, модели бионики - несравненно более сложные динамические структуры. Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 год, когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по биомиметике, который официально закрепил рождение новой науки.  

Прародителем  бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных  аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.  

Из современных  ученых можно назвать имя Осипа  М.Р. Дельгадо. С помощью своих  радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.  

Подобные опыты  проводились и в СССР, в Российской Федерации в связи с общим  упадком науки - многие программы  свернуты, а специалисты трудятся в зарубежных исследовательских центрах.  
 

Работы по бионике охватывают следующие проблемы: 

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

Моделирование живых организмов 

Создание  модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств  модели, но и разработка методов  расчёта заранее заданных технических  характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому  многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно  так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п. 

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

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

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

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

Основные  направления

Архитектурно-строительная бионика

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

Яркий пример архитектурной бионики —  полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы?) стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение XX века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление. 

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера  и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева». 

Башня-город  будет иметь форму кипариса высотой 1228 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей (12 x 80 = 960; 960!=300). Между кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты — аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить ещё несколько таких зданий-городов. 

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

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

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

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется  новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Нейробионика.

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

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

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

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

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

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

Какие же практические результаты дала бионика? Чем помогла технике? 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? 

Ученые вправе надеяться, что вопрос не останется без ответа. Залогом этой уверенности служат интересные эксперименты с птицами, которые они ведут. 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 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? 

исследование  морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.  

В последнее  время рассматриваемое направление  бурно развивается. Импульсом этого  послужило развитие нанотехнологий, которые позволяют копировать миниатюрные конструкции с большей степенью точности. Основные преимущества "природных конструкций":  

1. Энергоэффективность. Способность к жизнедеятельности живых организмов при потреблении минимального количества энергии, основана на уникальном метаболизме животных и на обмене энергией между разными формами жизни. Заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.
2. Дешевизна.
3. Распространенность в огромном количестве.
4. Качественность. Например, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям;
5. Дизайн.
6. Адаптивность. Форма биологического объекта обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных, 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 процесс формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой интеллектуальной системой.

Некоторые примеры биомиметических изобретений последних лет.

Компания IBM разработала микропроцессор Airgap с использованием методов самосборки, обнаруженных в ходе исследования процесса образования снежинок. Колонии пчел послужили основой для алгоритмов оптимизации Интернет-серверов. 

Новый алгоритм под названием "инфотаксис", разработанный учеными в институте  Пастера, университете О-Марсель и университете Калифорнии, имитирует поведение мотылька при поиске источника запаха, чтобы повысить точность целевого поиска. Мелани Митчелл, профессор кафедры вычислительной техники в университете Портленда, применяет теорию естественного отбора к поиску мультимедиа-материалов, идентифицируя наиболее полезные критерии поиска и сохраняя лишь самые эффективные методы. 

Американские  исследователи из университета Клемсона на основе детальных исследований структуры  листьев лотоса создали "самоочищающееся" покрытие, которое отталкивает гораздо больше воды и грязи, чем обычные ткани. По словам химика-текстильщика Фила Брауна, покрытие не очищает само себя, оно просто отталкивает грязь лучше, чем любая существующая сегодня ткань. Принцип действия позаимствован у природы. Как было установлено, листья лотоса обладают свойством «самостоятельного очищения», их поверхность отталкивает большую часть грязи и воды. Поверхность листа лотоса устроена таким образом, что капля воды катится по нему, собирая грязь. А на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.  

Созданная ткань, даже если ее пытаться сильно испачкать, будет отталкивать большинство  мокрой грязи. А оставшуюся можно будет легко смыть обычной водой. Использование различных наночастиц в составе нового покрытия, безвердного для окружающей среды, позволит ткани приобрести ряд полезных свойств: от поглощения неприятных запахов до уничтожения микроорганизмов. 

Новое запатентованное покрытие пока не имеет  официального названия. Его можно  нанести практически на любую  ткань, включая шелк, полиэфир и хлопок. Однако технологический процесс  достаточно сложен и не может быть реализован в промышленности, пока не будет создан простой и надежный принцип обработки ткани в несколько этапов. Тем не менее, ткани, обработанные новым покрытием, могут появиться на рынке уже к 2010 году. 

Ученые  Стенфордского университета разработали  одноногого прыгающего монопода человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. В дальнейшем планируется создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы. 

В новой  печатной схеме, созданной в исследовательском  центре Xerox отсутствуют подвижные части. 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.  

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. 

Исследователи из Bell Labs 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. 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  пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. 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.  

Ведутся работы и по имитации слухового анализатора  человека и животных. Изучаются 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 0,1С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха. 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. 

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. 

Необходимо  отметить, что приведенные выше примеры  являются лишь первыми пробами биомиметики. Природные конструкции еще более  совершенны, чем изобретенные человеком.