Раздел 2. Бионическое моделирование

Создание модели в бионике является важным начальным этапом.

Естественные модели предполагают изучение сложной биологичес­кой функции на наиболее подходящем объекте. Так естественной моделью тонких нервных волокон человека мо­гут служить нервные волокна кальмара, которые достигают одного мил­лиметра в диаметре. Нервы человека действуют по тем же принципам, что и нервы кальмара. Однако, в отличие от человека, гигантские нервные волокна кальмара позволяют проводить различные исследова­ния, используя миниатюрные электроды и приборы. Естественные моде­ли не только имитируют отдельные органы, но и служат для изучения функций всего организма. Так феномены памяти сходны в своей основе у всех живых существ, независимо от уровня их эволюционного разви­тия. Поэтому в проводимых исследованиях примитивный мозг осьминога служит естественной моделью более совершенного мозга человека.

Физические модели для сравнительных исследований живых систем и машин приводят к бионическим конструкциям и относятся к области бионики. Естественные модели ничего не содержат от искусственного механизма и их нельзя считать бионическими конструкциями. Но они помогают раскрыть сложные биологические механизмы, понимание которых дает бионикам идеи для создания новых машин. Наибольшее распространение получили математические модели, которые связаны с работой аналоговых и цифровых вычислительных машин. Такие действующие модели чаще всего используют для объяснения функций живой системы.

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 достижение требуемых в задаче показателей. 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.

На основе программного моделирования проводится 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 можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических а так же, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи. Некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованы в практических целях.

2.1. Использование в технике природных конструкций и форм

Изучение биологических объектов позволяет создавать новые конструкции исполнительных механизмов, используемых в современной технике.

Шарниры. Самое простое в природе и технике сочленение – шарнирное. Оно позволяет вращаться одной части вокруг другой и при этом не сдвигаться с места.

Технические шарниры применяют, например, для того, чтобы прикрепить крышку к ящику. При этом крышка легко открывается и закрывается. Шарнирами снабжено большинство очечников. Их крышка плотно соединяется с нижней частью и не может соскочить, поэтому, когда такой футляр кладут в карман, очки не выпадают. Технические шарниры обычно состоят из двух частей, которые соединяются друг с другом с помощью стержня (рис. 2.1 а). При этом возможно единственное движение – вращение двух половинок вокруг соединительного стержня: сложить – разложить.

Тихоокеанские «сердцевидки-великаны», для того чтобы сложить две свои створки, ракушки используют природные шарниры. Величина тихоокеанских «сердцевидок-великанов» достигает почти 15 сантиметров, поэтому их сочленение хорошо видно невооруженным глазом (рис. 2.1 б). У меньших по размерам сердцевидок наших побережий оно точно такое же. Левая створка, имеющая выступ, попадает в углубление правой, и наоборот. Это шарнирное соединение состоит только из двух частей, которые очень прочно смыкаются друг с другом, выполняя свою задачу наилучшим образом.

Если в технике шарнир может состоять из трех частей, то в природе он состоит только из двух. Этот более компактный вид шарнира со временем был разработан и в технике. Защелкивающаяся крышка, например шампуня, для шарнира которой необходимы только две части. Они изготавливаются с помощью литья под высоким давлением.

Захваты. Для того чтобы схватить предмет или просверлить отверстие, в природе и в технике используются одинаковые методы.

Раньше орлов и их родственников относили к группе хищных птиц, сегодня их называют ловчими. Такое название объясняется самим принципом охоты птиц. Чтобы удержать добычу, они цепко обхватывают свою жертву и впиваются в нее острыми когтями. Из таких объятий вырваться невозможно. Беркут охотится на мелких млекопитающих и птиц. Своими сильными и цепкими когтями он, например, намертво впивается в шкуру молодых сурков. Скопа и орлан-белохвост питаются чаще всего рыбой, которую можно поймать на поверхности воды. Их удлиненные лапы с очень острыми загнутыми когтями и грубой жесткой чешуйчатой внутренней стороной позволяют им впиваться в скользкую, готовую в любой момент ускользнуть рыбу так, что та уже не может вырваться.

Лапы 290 видов ловчих птиц имеют свои различия: природа позаботилась о том, чтобы «захватывающий аппарат» был приспособлен для охоты на определенный вид добычи. По этому принципу созданы механические захваты для удержания и перемещения грузов неправильной формы (рис. 2.2).

Присоски в природе. Осьминог использует изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз. На щупальце осьминога хорошо видны присоски, расположенные плотными рядами (рис. 2.3). Квакши обыкновенные хорошо удерживаются на листьях и деревьях с помощью присосок, находящихся на концах их лапок.

а б

Рис. 2.1. Шарниры:

а – технический; б – природный шарнир «сердцевидки-великана».

Бионический прототип – нижняя конечность орла

a

b

c

d

Рис. 2.2. Захваты по бионическому подобию. Накладки:

а – в половину ширины; b – в половину высоты; c – в полное закрытие; d – скальная версия.

Технические присоски. Если выстрелить присасывающейся стрелой в стекло окна, то стрела прикрепится и останется на нем. Присоска слегка закруглена и расправляется при соприкосновении с преградой. Затем эластичная шайба опять стягивается; так возникает вакуум, и присоска прикрепляется к стеклу.

Рис. 2.3. Присоски осьминога

Многочисленные травмы на производстве и в быту происходят из-за скольжения и падения людей на скользком полу. Применение нескользящих ковриков с присосками является эффективным решением этой проблемы (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Коврик с присосками, заимствованными у природы

Инструменты. В технике используются специальные инструменты: клещи и пинцеты. Природа же работает с многочисленными «комбинированными инструментами».

Своим длинным 15-сантиметровым клювом веретенник ощупывает землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом, ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу. Ее тонкий клюв входит довольно глубоко в землю, и оттуда птица достает себе пищу.

Клюв – это комбинированный инструмент. Тонкий клюв веретенника является, как и клещи муравьиного льва, одним из видов комбинированного инструмента. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма. Природа создала инструмент, который способен решить большое количество задач (рис. 2.5).

Человек изобрел инструмент, который выполняет те же функции, что и клюв веретенника. Это пинцет. Его острые концы легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет. Преимущество инструмента, обе половинки которого движутся навстречу друг другу, состоит в том, что захватить предмет довольно легко. Тоже самое наблюдается, при работе с ножницами. Если удерживать одну их половину и двигать только другой, можно быстро заметить, насколько труднее режется бумага.

Рис. 2.5. Клюв–«пинцет» веретенника

Хобот слона – надёжный по конструкции много-функциональный «инструмент». На его основе созданы различные механические манипуляторы с большой степенью подвижности (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Манипуляторы по прототипу хобота слона

Скоростной транспорт. Японцы – наиболее яркие приверженцы бионического подхода к дизайну. Технологи и разработчики часто обращаются к природным приспособлениям. Так, в основу дизайна носовой части японского сверхскоростного поезда-пули Shinkansen 500 Series лег природный прототип – клюв птичкизимородка, который обладает сбалансированными в ходе эволюции параметрами обтекаемости (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Носовая часть сверхскоростного поезда по прототипу клюва зимородка

Использование сомасштабных пропорций клюва в дизайне кабины поезда позволяет значительно сократить сопротивление воздушного потока, а так же 15 % экономить на расходе потребляемой мощности при движении.

Основываясь на аналогичном подходе, корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Автомобиль по прототипу рыбы-кузовка

Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет низкое сопротивление воздуха.