3. Основные направления и разделы бионики

Основными направлениями развития бионики считаются следующие.

1. Нейробионика  изучение и моделирование нейронов, нейронных сетей нервных центров, принципов организации мозга с целью их использования в технических системах.

2. Изучение принципов повышения надежности биологических систем, их резервирования и способности к адаптации.

3. Изучение органов зрения, слуха и обоняния с целью их моделирования.

4. Изучение систем навигации, локации, ориентации и стабилизации движения у животных в целях создания принципиально новых технических устройств.

5. Изучение методов кодирования, передачи и обмена информацией в биологических системах на уровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярном уровне с целью создания новых средств связи.

6. Разработка методов изучения психофизиологических возможностей и способностей человека, оптимальных методов обучения и тренировки, облегчения работы человека-оператора, контроля и прогнозирования его состояния (бионические аспекты системы «человек–машина»).

7. Изучение гидродинамических свойств рыб и китообразных, аэродинамических характеристик насекомых и птиц, рыхлящих и землеройных приспособлений животных с последующим моделированием в авиа- и судостроении, робототехнике и сельскохозяйственной технике.

8. Получение энергии в технических системах по аналогии с биологическими, в том числе непосредственно от биологических систем.

9. Разработка биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологиях производства сложных органических веществ.

10. Архитектурно-строительная бионика – изучение природных конструкций и форм в целях их использования в строительной технике и архитектуре.

Нейробионика – изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду у животных и растений. В результате моделирования нейронов и нервных сетей были построены бионические устройства, позволяющие успешно решать задачи, связанные с передачей и обработкой информации. По аналогии с живой природой предполагается выращивать системы искусственных нейронов, что повысит быстродействие, надежность и снизит массу и потребляемую мощность электронных систем.

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).

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.

5. Высокая степень самоорганизации – быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

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 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. 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.

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». Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева» и предназначен для многонаселенного Шанхая. 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 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.

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. 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.

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 0,001°C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, раки-богомолы видят в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне спектра, что позволяет им различать 12 основных цветов, 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 0,01°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. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана – на инфракрасный.

Основное внимание при изучении всех пяти органов чувств уделяется органам зрения и слуха, так как около 90% информации о внешнем мире поступает в биологическую систему через зрительный аппарат. Электронная модель глаза мечехвоста позволяет улучшить работу телевизионных трактов многих систем. Изучение конструктивных особенностей созданных природой звуковых анализаторов позволило создать электронную модель слухового органа, воспроизводящую частотные характеристики человеческого уха.

Большое внимание уделяется бионическим исследованиям у животных органов их стабилизации, ориентации и навигации, что позволяет создавать оригинальные технические системы (гиротрон, поляризационный солнечный компас и другие). Предстоят дальнейшие исследования по рассекречиванию у живой природы механизмов навигации, которые позволяют птицам и рыбам совершать периодические передвижения на большие расстояния к местам зимовок и нереста. Большое внимание в комплексе решаемых бионикой навигационных задач уделяется изучению «биологических часов» у животных, являющихся основным звеном системы их навигации и ориентации.

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) 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).

Важными задачами энергетического аспекта бионики являются изучение и использование опыта преобразования энергии в живой природе из одного вида в другой, получение механических, электрических и акустических форм энергии, изучение и использование существующих в природе способов преобразования энергии одного вида в другой. Большое внимание при этом уделяется изучению и моделированию работы мышцы, основанной на превращении химической энергии в механическую с коэффициентом полезного действия, достигающим 90%.

Биомеханическое направление предусматривает дальнейшее исследование и использование в технике биомеханических характеристик живых организмов (процесса рытья землероющих животных и насекомых, полета птиц), а также применение в технике гидромеханических свойств и характеристик рыб и морских животных. Особое внимание уделяется исследованию гидромеханических свойств дельфинов и китов, функционированию и строению их кожных покровов, а также механизму уменьшения гидравлического сопротивления.

В настоящее время началось и прогнозируется на последующие годы бурное развитие таких направлений, как математическая бионика, занятая совершенствованием и созданием компьютерных моделей, в том числе информационных; медико-биологическая бионика, использующая достижения природы для разработки методов лечения заболеваний человека, их профилактики; ветеринарно-биологическая бионика, занимающаяся близкими задачами, но применительно к домашним и диким животным.

В результате решения задач, которые стоят перед разными бионическими направлениями, образовались три основных раздела бионики:

– биологическая (физиологичная) бионика – изучает в интересах техники живые организмы для выяснения их структуры и принципов, лежащих в основе процессов жизнедеятельности, которые происходят в организме;

– теоретическая бионика – занимается моделированием биологических прототипов с целью создания технических устройств в результате предыдущего исследования их моделей;

– техническая бионика – является областью инженерной деятельности, в которой на основе знаний о биологических прототипах и разработанных модели живых объектов создаются новые и совершенствуются существующие технические системы и устройства.

Пройденный путь становления и развития технической бионики убеждает в том, что бионический подход к решению инженерных задач в технике открывает огромные возможности. Но при этом не следует стремиться к копированию творений природы, которые прошли миллионы лет эволюционного развития. Необходимо творчески осваивать основные механизмы оптимальных решений природы и использовать эти закономерности для совершенствования существующих и создания принципиально новых технических систем.

Контрольные вопросы

1. Что является предметом исследований бионики?

2. В чем особенности бионического подхода в научном исследовании?

3. Каковы основные принципы системного подхода?

4. С какими областями науки и техники связана бионика?

5. Какова роль кибернетики в развитии бионики?

6. В чём разница между бионикой и кибернетикой?

7. Почему бионика не является простым копированием природы?

8. Какие основные направления развития бионики?

9. Какие направления бионики считаются наиболее перспективными?

10. Какие основные разделы бионики?