Современные примеры бионики в архитектуре и дизайне интерьеров. Бионика растения

Бионика — готовые инженерные решения в окружающей природе

Как делаются открытия, как создаются различные изобретения — словом всё, что продвигает человечество вперед? Безусловно, для этого необходимы знания, талант, настойчивость и умение трудиться. Но и это ещё не всё.

Настоящего учёного отличает острая наблюдательность, соединённая с силой творческого воображения. Сочетание этих качеств и позволяет создавать промышленные аналоги природных структур.

По патентам природы

Начиная с 60-х годов XX столетия, появился новый термин — бионика, наука, использующая знания о живой природе для решения технических задач. Значимость этой науки трудно переоценить. Ведь природа создаёт свои творения с максимальной эффективностью.

Простейшим примером создания такого рукотворного аналога являются липучки и молнии, используемые в качестве застёжки на куртках обуви и т. д. А ведь и это простое, но очень удобное изобретение человек позаимствовал у природы. Колючки репейника легко прилипают к различным материалам, образуя достаточно прочное соединение, а, попав на волосы, доставляют немало неприятностей.

Огромное число интереснейших идей учёные почерпнули, изучая морских обитателей:

• Так, отточенная тысячелетней эволюцией форма тела дельфинов послужила прототипом для конструирования подводных лодок и морских судов. А изучение структуры кожи акул позволила создать совершенно уникальный материал ламинфо. Обшивка подводной части судов, выполненная из этого материала, увеличивает их быстроходность на 15–20%.

• Вы, наверное, встречали, распластанное в морской воде, похожее на холодец тело медузы. Изучая эту обитательницу морских глубин, учёные нашли у неё много интересного. Знаете, как передвигается медуза? Она с силой выталкивает из своих щупалец воду и таким образом продвигается вперед. Ракета движется по такому же принципу. Из её сопла с огромной скоростью вырываются раскалённые газы, толкая ракету в противоположную сторону.

• Но медуза приготовила для людей ещё один сюрприз. Оказывается, эти особы умеют «слышать» шум приближающегося шторма. И перед бурей уходят далеко в море, чтобы не быть выброшенными на берег морскими волнами. Ученым удалось изучить эту особенность медуз. Благодаря этому открытию был создан прибор «Ухо медузы», который с тех пор очень надежно служит людям. Он позволяет предсказывать приближение шторма и цунами за 12-15 часов до его начала. За это время моряки и рыбаки могут подготовиться к встрече с разбушевавшейся стихией. Спасибо тебе, медуза!
• В водоемах Бразилии обитает рыбка–четырёхглазка. Собственно, глаз у неё всего два, но каждый из них разделен на две части. Верхняя половинка следит за ситуацией над поверхностью воды, а нижняя позволяет оберегаться от хищников, посягающих на эту пучеглазую красавицу. Этот же принцип лежит в основе бифокальных очков. Их линзы состоят из двух половинок, имеющих разную оптическую силу. Верхняя часть служит для зрения вдаль, нижняя — для чтения.
• Замечательный французский исследователь морских глубин Жак–Ив Кусто с интересом наблюдал за жучком, который озабоченно тянул за собой в воду пузырек с воздухом. Это и послужило ученому идеей для создания акваланга.

Перечень патентов, позаимствованных у морских обитателей, далеко не исчерпан, но нам предстоит ещё познакомиться с интересными изобретениями, которые человечество подсмотрело у птиц и летающих насекомых.

Провожая взглядом стремительных стрижей или величавых орлов, с высоты высматривающих свою добычу, люди мечтали вот также спокойно воспарить над землей. Леонардо да Винчи зарисовывал полёты птиц и летучих мышей, и даже разработал летательную машину, которой не суждено было подняться в воздух.

Однако, идеи, позаимствованные у природы, всё же были использованы изобретателями летательных аппаратов:

• Конструкция крыла самолёта максимально приближена к форме крыльев крупных птиц.
• Долгое время испытатели скоростных самолётов сталкивались с явлением флаттера — сильнейшей вибрации. Избавиться от него удалось за счёт утолщения передней кромки крыльев самолёта. Оказалась, что готовое инженерное решение этой проблемы уже давно придумала природа — подобное утолщение есть на крыльях стрекоз.
• Стрекоза «вдохновила» конструкторов на создание вертолёта.
• Предполагается использование живой стрекозы в качестве беспилотника. На спину к ней будет прикрепляться «рюкзачок» с управляющей системой и солнечными батареями для питания. Таким образом можно будет управлять насекомыми, направляя их для лучшего опыления сельскохозяйственных культур. Не исключено их применение для слежения за человеком.
• Способность летучих мышей ориентироваться с помощью ультразвука послужило прообразом эхолокации. Она позволяет изучать рельеф морского дна, отыскивать затонувшие корабли, обнаруживать места скопления промысловой рыбы и т. д. Удалось даже сконструировать трость для незрячих людей, в которой вмонтирован источник и приёмник ультразвука, что в значительной степени улучшает качество их жизни.
• Неоценимую помощь для науки оказала обыкновенная муха. Изучая один из её загадочных органов (жужжальце) учёные создали на этом принципе очень важный навигационный прибор — вибрационный гироскоп.

• Это непривлекательное насекомое «подсказало» ещё одну интересную идею. Глаза мухи позволяют ей получать сразу множество изображений одного и того же объекта. Это позволяет ей с большой степенью точности определять скорость его движения. По этому принципу учёными был создан прибор, который так и назвали «глаз мухи». Он теперь используется для определения скорости авиалайнеров.
• Тысячелетиями отточенное умение животных маскироваться и менять окраску под цвет окружающей среды использовали при разработке материала — хамелеона. Подаваемые на него электрические импульсы, позволяют формировать на нем ложную картинку. Военная техника, покрытая таким материалом, становиться невидимой для беспилотников, так как сливается с ландшафтом местности.
• Оказывается, идея бинарного оружия позаимствована у жука бомбардира. Природа снабдила его оригинальным оружием для самозащиты. Две железы, работая автономно, вырабатывают два безобидных вещества, которые разгневанный жучок одновременно выбрасывает из брюшка. В точке их соединения температура достигает 100 °C! Бинарные снаряды снабжены камерой разделенной перегородкой на две части. В них содержатся два вещества, не представляющие в отдельности никакой опасности. Но при взрыве они соединяются, образуя сильнейший отравляющий газ.
• Путешествие по залам патентной библиотеки природы приближается к концу. Но откроем еще одну папку, на которой ранее значился гриф «Совершенно секретно».

Будущее бионики

Последние годы в бионике выделился отдельный раздел — нейробионика. Он изучает сходство между ЭВМ и нервной системой животных. Одна из важнейших задач этой науки — сделать управление вычислительной техникой столь же надежным и гибким как нервная система.

К её первым успехам относится создание экзоскелетов и биопротезов, которые ставят на ноги парализованных людей. Следующий шаг — управление этими устройствами силой мысли. Вполне вероятно, что нейробионика станет основой для создания искусственного интеллекта.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

Вы можете оставить комментарий к докладу.

www.doklad-na-temu.ru

чему люди могут научиться у тараканов, ящериц и морских раковин? — T&P

Бионика — наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах — известна еще со времен Леонардо да Винчи, который пытался сконструировать летательный аппарат, имитирующий полет птицы. Многие ученые обращаются к природе в надежде найти решение сложных вопросов, стоящих перед человечеством. Живая природа предлагает множество готовых решений — необходимо лишь адаптировать их для конкретных технологических проблем. Результаты своих исследований на эту тему представили в рамках конференций TEDGlobal Маркус Фишер, Жанин Бенюз и Роберт Фулл.

Летающий робот-птица

Многие роботы способны летать, но ни один из них не летает, как настоящая птица. Так было до тех пор, пока инженер Маркус Фишер и его команда из немецкой компании Festo не сконструировали по образу и подобию чайки сверхлегкого робота, самостоятельно летающего с помощью крыльев. Целью этого исследования было создание сверхлегких энергоэффективных механизмов, изучение свойств воздуха и воздушных потоков применительно к таким механизмам.

Робот-птица называется СмартБерд, весит 450 г, длина крыла составляет — 1,6 метра, а размах крыльев — около 2 метров. Робот изготовлен из углеродного волокна, оснащен мотором и передаточным механизмом. Кроме того, он имеет особую конструкцию крыльев, разделенных на две части, за счет чего достигается высокая аэродинамическая эффективность. Потребление энергии составляет 25 ватт для взлета и 16-18 ватт во время полета. Птица обладает отличными аэродинамическими характеристиками и способна самостоятельно летать, взмахивая крыльями.

12 ключевых идей из мира живой природы

Жанин Бенюз, биолог, автор книги «Бионика: инновации, вдохновленные природой», изучает возможности использования явлений живой природы в технологической сфере и в дизайне. Ее исследования вызывают большой интерес среди архитекторов, дизайнеров и инженеров, осознавших, сколько гениальных идей можно почерпнуть, наблюдая за тем, как функционируют живые организмы и биологические системы. 12 наиболее интересных и перспективных идей помогут, по мнению ученого, решить многие научно-технические проблемы.

Самосборка. Этот термин часто употребляется применительно к нанотехнологиям. Что касается живой природы, достаточно вспомнить морские раковины. Морская раковина — это самособирающийся материал. Перламутр также формируется сам по себе из морской воды. Это многослойная структура, очень прочная — во много раз прочнее высокотехнологичной керамики, произведенной в специальных печах. Возможность использования этого явления открывает перспективы создания высокотехнологичной керамики и других твердых материалов с гораздо меньшими затратами энергии и ресурсов.

Биологический силикон. Клетки диатомовых водорослей имеют панцирь, состоящий из кремнезема. Изучение механизма его образования перспективно для получения материалов на основе диоксида кремния и решения проблемы канцерогенных отходов при производстве микрочипов.

Использование углекислого газа в качестве исходного сырья. Для растений СО2 не представляет угрозу существованию. Растения перерабатывают углекислый газ в крахмал и глюкозу. Уже сейчас существуют технологии переработки углекислого газа в поликарбонат — вещество, из которого производят биологически разлагаемый пластик.

Трансформация солнечной энергии. Идет изучение механизмов поглощения солнечной энергии внутри пурпурной бактерии. Кроме того, обнаружен железосодержащий фермент под названием гидрогеназа, способный образовывать водород из протона и электронов. Этот фермент может также вызывать диссоциацию водорода. В топливных элементах этот процесс происходит благодаря платиновому катализатору. В природе это происходит с помощью обычного железа.

Форма. Мы знаем, что плавники кита покрыты бугорками. Точно такие же бугорки, расположенные на кромке самолета, повышают его эффективность на 32%, что влечет за собой огромную экономию природного топлива. Возможно ли образование цвета без красящих пигментов? Перо павлина, имея сложную слоистую структуру, синтезирует цвет благодаря своей форме. Свет проходит через одни слои и отражается от других. Это явление называется тонкопленочной интерференцией. Листья лотоса имеют особую структуру поверхности, благодаря которой загрязнения не могут закрепиться на ней. Этот принцип используется при производстве самоочищающейся фасадной краски Lotusan, которая при высыхании имитирует неровности на поверхности листа лотоса. Это позволяет стенам здания легко очищаться — грязь стекает вместе с дождевыми каплями.

Сбор пресной воды. Намибийский жук подсказал людям решение проблемы нехватки пресной воды в пустыне: жук добывает воду из тумана. А мокрица способна «улавливать» воду в воздухе. Установки по отбору воды из воздуха в Атланте и из тумана в Монтерее используют технологии, основанные на изучении этих представителей живой природы.

Выделение. Оказывается, возможно добывать металл без трудоемкой работы на рудниках. Микроорганизмы способны «выхватывать» металл из водного потока. Этот принцип используется в конструкции фильтров, применяющихся для выделения руды из обломочных потоков. Постепенно «зеленая» химия приходит на смену промышленной. Основной средой для этой эко-науки является вода и органические растворы, при этом используются лишь некоторые элементы периодической системы химических элементов.

Запрограммированное разложение. Мидии прикрепляются к скалам с помощью нитей, которые начинают растворяться по истечении двух лет. Эта идея могла бы найти свое воплощение в производстве упаковочных материалов.

Здоровье. Существует проблема обязательного хранения вакцин в холодильниках во время транспортировки. Холодильники часто ломаются, и вакцины не доходят до больных. Решение можно позаимствовать у тихоходки, организма, относящегося к типу микроскопических беспозвоночных. При неблагоприятных условиях тихоходка способна на многие месяцы впадать в состояние анабиоза за счет высушивания, а затем, при наступлении благоприятных условий, оживать. Уже существует способ высушивать вакцины, чтобы их можно было транспортировать без охлаждения.

Обмен информацией. В мире происходит 3,6 миллиона автомобильный аварий в год, а 80 миллионов особей саранчи, движущихся в пределах 1 кв. км, никогда не сталкиваются друг с другом. Почему? Ученые из Ньюкасла выяснили, что избегать столкновений саранче помогает особый крупный нейрон, и сейчас работают над внедрением принципов работы этого нейрона в системы безопасности автомобилей.

Увеличение плодородия. Проблема деградации фермерства и истощения почвы может быть решена с использованием опыта функционирования целостных экосистем, которые сами создают условия, благоприятные для живых существ. Например, растительный мир прерий улучшает состояние почвы; стадо местных копытных животных улучшает состояние пастбища; болота не только очищают воду, но и способствуют увеличению продуктивности. Живые организмы сами создают условия для продолжения жизни: улучшают почву, очищают воздух и воду, производят газы, необходимые нам, чтобы дышать. При этом они полностью удовлетворяют свои потребности — одно не исключает другого. Вот чему нам необходимо научиться в первую очередь — удовлетворять свои потребности, не разрушая среду обитания, в которой будут жить наши потомки.

Насекомые вдохновляют создателей роботов-спасателей

Биолог из Калифорнийского университета Роберт Фулл изучает движение живых существ и затем использует полученную информацию в конструировании роботов. Темой его недавнего исследования является стопа и ее функции. Наблюдая за пауками, тараканами, осьминогом и другими обитателями живыми существами, Роберт Фулл пришел к выводу, что у всех них функции стопы при движении по неровной поверхности распределены по всей длине ноги или даже по всей длине тела. Это позволяет им с легкостью преодолевать сложные препятствия или передвигаться по непривычным поверхностям с привычной скоростью. Данный принцип был использован при создании робота RHex, передвигающегося на шести ногах, имеющих полукруглую форму.

Другое интересное наблюдение: лапки тараканов покрыты маленькими иголочками, которые легко сгибаются в одном направлении, чтобы насекомое могло вытащить лапку, которая застряла между неровностями, а в противоположном направлении эти иголочки не сгибаются, чтобы лапка лишний раз никуда не проваливалась при беге. Роберт Фулл протестировал эти иголочки на крабах, и эффект был точно такой же. Краб, который был не способен бежать по сетке, с иголочками смог без проблем быстро передвигаться по сетчатой поверхности. Иголочки были добавлены на ноги робота, и он стал еще более ловким — смог перелезть через гладкие стальные рельсы, которые раньше представляли для него большую трудность.

Наблюдения за ящерицами показали, что при беге по сухому песку и по воде их лапы действуют как ласты, позволяя передвигаться с большой скоростью. Этот принцип лежит в основе создания робота Aqua RHex — очень ловкого водоплавающего родственника робота RHex.

Следующим рубежом для робота стала возможность взбираться по вертикальным поверхностям. Некоторые насекомые, например муравьи, используют специальное клейкое вещество, благодаря которому они прикрепляются к поверхности. Но еще более интересный механизм есть у ящериц гекконов. Внутренняя поверхность их лап покрыта очень мелкими волосками, кончики которых расщеплены на множество еще более мелких волосков. Каждая лапка имеет около миллиарда таких расщепленных кончиков размером в 200 нанометров, что позволяет им очень тесно соприкасаться с поверхностью и прикрепляться к ней только за счет силы межмолекулярного притяжения. Этот механизм используется для разработки самоочищающейся клейкой ленты из полиуретана, которая обладает уникальными свойствами: она воздухопроницаема, легко отклеивается, не вызывает раздражения, может использоваться в воде.

Роберт Фулл также делится подробностями создания поисково-спасательного робота, который мог бы передвигаться в горной местности. Робот называется Rise, имеет 6 ног и хвост. В конструкции его стопы используются все упомянутые выше приспособления.

Rise действительно способен карабкаться по гладкой вертикальной стене, и Роберт убежден, что со временем роботу покорятся и более сложные поверхности.

theoryandpractice.ru

Тема : Бионика – от биологического к техническому.

Содержание.

1. Введение……………………………………2
2. Что такое «Бионика»?................................4
3. Патенты живой природы…………………9
4. Архитектурная бионика………………….16
5. Нейробионика……………………………   29
6. Техническая бионика……………………...37
7. Заключение…………………………………39
8. Литература………………………………….40

Птица – действующий по математическом закону

инструмент, сделать который в человеческой власти

                со всеми его движениями…    

                                                                                                      Леонардо да Винчи.

   С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

                                                                                                                                                                           Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:

     «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ ...»

Прочитав высказывание Демокрита, я задумалась, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы.

 Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.

К примеру:

• Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий.
• Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса? 
• ...Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море. 
• ...Крысы ощущают радиацию? 
• ...Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации? 
• …Обыкновенный черный таракан радиацию видит? 
• …Комар развивает при укусе удельное давление до I миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2, показывает, как велика “комариная сила”. 
• …Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера? 
• …Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний “прощупывает” свой путь в воде? 

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи — создать своими руками то, что уже создала природа?

Задача моего исследования: Выяснить, как человек использует «естественные» изобретения животных и растений при создании искусственных устройств на благо человека.

Что такое «Бионика»?

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи.

 Его чертежи и схема летательных аппаратов

 были основаны на строении крыла птиц

                   Чертежи Леонардо да Винчи..

В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществлялось моделирование орнитоптера.

   В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом.

Биология + электроника = Бионика.

Бионика (от греческого слова «bion» -элемент жизни, буквально- живущий), наука пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

   Девиз бионики: « Живые прототипы – ключ к новой технике»

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто. [1]

Патенты живой природы.

Известно, что растения – «зеленые фильтры», очищающие воздух и воду от вредных примесей. Они пополняют атмосферу кислородом, увлажняют и ионизируют воздух, снижают количество микробов.

Хлорофитум- природный кондиционер.

Созданы бытовые и промышленные электровоздухоочистители, по функциям подобные природным зеленым фильтрам.[2]

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.[3]

Деревья – мощнейшие растительные насосы. Большое значение для перемещения воды имеют корневое давление и транспирация (испарение воды листьями), а также сила сцепления между молекулами воды и стенками сосудов.

    Как дерево корнями обеспечивает себя питательными веществами и     влагой, так люди пытаются добывать из земли полезные ископаемые.

Гидрометаллургический метод прост и экономичен по сравнению с огневым (в доменных печах). В залежи урановой руды накачивают карбонат натрия. Затем по шлангам, как растение корнями, насосом отсасывают из шахты жидкую смесь, содержащую уран. После отстаивания получают уран в более чистом виде, чем добытый иными способами. Так же извлекают уран и из медных руд, в которых он содержится в очень малых количествах.

Гидрометаллургия применяется при обработке сложных руд и рудных концентратов.

Архитектурная бионика.

Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей. Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием температурновлажностных факторов, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т.д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком (технологией) производства работ.

Архитектура, ставшая в процессе своего развития большим общественным явлением, нацелена вместе с тем на удовлетворение не только общественных, но и биологических потребностей человека. И здесь через изучение биологической организации человека архитектура получает особые импульсы формообразования, значение которых повышается в условиях научно-технической революции, роста требований к экономии общественной энергии и интенсификации человеческого труда. [4]

Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе . Сюда относятся: уточнение обще теоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов — тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т.д.; решение проблемы создания благоприятного микроклимата в зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментально го конструирования на физических моделях и др.

Таким образом, результаты исследований, проводимых в области архитектурной бионики, оказываются полезными при решении проблем социального и эстетического совершенствования архитектуры в самых ее различных типологических отраслях: в жилых комплексах, в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, в градостроительстве. Конечно, все это не означает, что она в состоянии решить все эти вопросы до конца. Нет, она не подменяет и не исключает существующие методы и лишь готова помочь их дальнейшему прогрессу. Вместе с тем в отдельных областях она может оказать революционизирующее воздействие. Архитектурная бионика, следовательно, приобретает большое значение в дальнейшем развитии не толь ко практики, но и архитектурной науки.

ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРНОЙ БИОНИКИ

Интересно проследить, как складывались исторические предпосылки формировании теории и практики архитектурной бионики, подтверждающие ее правомерность, неизбежность развития и одновременно проливающие свет на становление тех ее направлений, которые получили развитие в наше время.

На всем протяжении истории человек в своей архитектурно-строительной деятельности сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы.

 Хижина южноамериканских индейцев и термитник ; гнездо птицы ткач; глинобитный дом африканца

Конечно, не с подражания начал человек. Вероятнее всего, можно говорить об органически присущих ему формах трудовой строительной деятельности. Чело век, как известно, постепенно развивался от древнейших приматов млекопитающих к состоянию «гомо сапиенс». Но, по-видимому, постепенное удаление человека во времени от своих животных предков, самостоятельное развитие человеческой ветви, формирование деятельности по принципу «я сам» сгладили органическую непосредственность животного происхожде- ния и перевели ее на уровень более или менее осмысленного подражания живой природе, строительной деятельности живых организмов. [5]

.

Оформление капителей колонн храмов Древнего Египта по аналогии с формами цветов лотоса и папируса: от акцентирования внимания на декоративной стороне (1—4) до тектонического освоения (5—6)

Японская народная архитектура. Разрез здания, напоминающего ель

Образное представление пространства живой природы в интерьере готического собора: собор в Амьене (Франция) и аллея в лесу (фото Ю. Лебедева)

Единство форм архитектуры и окружающей природы. Саввино-Сторожевский монастырь вблизи Звенигорода под Москвой (ХУ— ХУМ вв.) (фото Ю. Лебедева)

Радиотелевизионная башня в Москве, 1922 г . Инж. В.Г. Шухов. Общий вид и вид изнутри (фото Л.В. Кучинского)

Специалисты по бионике рассуждают 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.

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.[6]

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 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.

Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов.

Можно выделить три хронологических этапа, предшествующих современному и соответствующих изменениям по существу этого процесса.

Первый этап — наиболее древний, уходящий в глубь истории можно считать этапом стихийного использования конструктивных и функционально-пространственных средств живой природы и результатов «строительной» деятельности животных, птиц и насекомых в создании убежищ-гнезд, шалашей , дольменов или «общественных сооружений», каковыми могли быть менгиры, кромлехи и т.д. Насколько здесь заимствованные из природы формы осмысливались эстетически, трудно сказать. Несомненно, лишь одно: они были, прежде всего, функциональными (на своем уровне и в своем роде). Вместе с функцией в искусственные сооружения механически привносилась и природная форма, поэтому многие древние человеческие сооружения — гнезда, шалаши и т.п. — часто трудно отличить от построек каких-либо животных или насекомых, например термитов  .

Второй этап — от начала формирования архитектуры как искусства и примерно до середины XIX в. Несмотря на большую протяженность этого периода по времени, все его возможные промежуточные ступени объеди -нены одной основой — принципом подражания природе. Это означало главным образом использование форм природы с изобразительно-декоративными целя ми и копирование внешних форм природы. Примером могут служить колонны египетских храмов в Луксоре и Карнаке; коринфские и ионические капители колонн греческих храмов; палаццо Ренессанса и двор- цы классицизма; образно-художественные приемы формообразования в русских храмах; капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах; народная японская архитектура и т.д.  

Говоря об этом периоде, нельзя отрицать также и интерпретацию некоторых конструктивно-тектонических принципов живой природы. Например, тектоника колонн с периодичностью ее диаметров по высоте интерпретирует тектонику ствола дерева; каннелюры колонн подобны встречающимся каннелированным стеблям растений, придающим им дополнительную прочность. Логика перехода одной формы в другую в конструктивных узлах ордеров греческих храмов повторяет, по существу, принципы изменения форм по вертикали стебля растения, ствола дерева, скелетов животных; нервюры покрытий готических храмов выполняют ту же конструктивную функцию, что и нерватура (прожилки) зеленого листа дерева и т.д.

Природная тектоника в архитектурных формах присутствует не всегда стихийно, доказательством чему служат высказывания Витрувия, Альберти, Пал-ладио и др. Но высказываемые мысли, касающиеся конструктивных решений, в большинстве своем из- за ограниченности технических возможностей не могли быть претворены в жизнь. Проще было сделать из камня или глины форму, подобную природной, с художественными целями, чем создать конструктивную систему, подобную природной.

Третий этап — конец XIX — начало XX в., нашедший свое выражение в архитектуре «модерн» . На этом этапе природные принципы одновременно, хотя и в разной степени, проявились в функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях.

Большое влияние на использование средств природы на этом этапе оказали бурное развитие биологии и небывалые успехи строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения металлических конструкций, керамики и т.д.).

Именно в архитектуре модерн , как показали последние исследования русского модерна, получило начало функционально-структурное развитие архитектурных форм по принципу приспособляемости к функционально усложняющимся задачам архитектуры и окружающей среды. Именно модерн открыл путь к самым различным интерпретациям архитектурных форм, не связанным какой-либо установившейся жесткой системой, подобной классической. Здесь также вольно или невольно воплотился природный принцип многообразия форм при их «стилевом» единстве. Именно в модерне нашли свое применение новые пространственные конструкции, напоминающие природные. И наконец, использование биоформ с деко -ративными целями.

Достижения биологии XIX —начала XX в., комплексные, системные принципы развития живой природы нашли отражение и в такой широкой области деятельности, как градостроительство. Подразумевается  попытка практического претворения в жизнь теории «города-сада» Э. Говарда в Англии, Германии/ России и т.д. Рост индустриальных городов заставил задуматься над проблемой экономии городских территорий, планомерного их формирования, поисков мер, предотвращающих хаос, над решением вопросов, транспорта, размещения общественных центров и т.д. И здесь также не обошлось без попыток обращения к живой природе. В конце XIX —начале XX в. было сделано много подобных предложений: Т. Фрич— город, развивающийся подобно раковине моллюска по спирали, 1896 г .; проекты Сант Элиа, Э. Гледена и др.  [7]

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.

 По замыслу авторов город будущего сможет располагаться не только на поверхности материка, но и на воде, смогут быть задействованы огромные площади мирового океана.

Нейробионика.

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) 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.[8]

  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 [некоторые рыбы чувствуют концентрацию вещества в несколько мг/м3 (мкг/л)]. 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 бионики., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км , 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.

Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе. [9]

Спроектировать такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с "тараканьими мозгами".

Ученые же из Австралийского национального университета подробно изучили полет стрекозы. Они пришли к выводам, что "несмотря на очень маленький мозг, эти насекомые способны выполнять быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения". Новые летательные аппараты, сконструированные по "образу и подобию" хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы.

А вот еще какие уникальные идеи "подбрасывает" природа. Как выяснилось, паутина в пять раз прочнее стали и на 30% эластичнее нейлона. Из нового материала, "позаимствованного" у пауков, ученые предлагают делать ремни безопасности, невесомые провода, пуленепробиваемые ткани, медицинские нити, автомобильные шины и даже искусственные связки, ведь паутинный белок практически не отторгается организмом, так как имеет преимущественно белковую основу и обладает уникальными свойствами: она необычайно прочная, лёгкая, долго не разрушается под воздействием окружающей среды, почти не подвержена поражению микроорганизмами и грибками. Но так как добывать натуральную паутину в должном количестве достаточно проблематично, то генетики канадской биотехнологической компании Nexia имплантировали гены, ответственные за синтез паутины у пауков, нигерийским козам. И те стали давать молоко, содержащее такие же белки, что и паутина. Из молока извлекают сырье для получения нитей и ткут сверхпрочный шелк.

В свою очередь, ученые Лабораторий Белла, научно-исследовательского центра Lucent Technologies, обнаружили, что кристаллы кальцита, формирующие скелет морских звезд класса офиур (змеехвостки), обладают уникальными функциями: они не только служат офиурам панцирем, но еще и выполняют функции оптических рецепторов составного глаза. По словам ученых, изучение этого нового биоматериала может содействовать совершенствованию конструкции оптических элементов для телекоммуникационных сетей. "Перед нашими глазами - прекрасный пример того, чему мы можем научиться у природы, - сказал вице-президент Лабораторий Белла Федерико Капассо. - Эти маленькие кристаллы кальцита представляют собой практически идеальные микролинзы, значительно лучше тех, что мы можем производить на сегодняшний день".

А вот пример, который можно взять с другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции. Однако для получения всего 1 грамма протеинового клея требуется 10 тысяч моллюсков. В связи с этим ученые рассматривают следующий шаг своих исследований - имплантацию нужного гена моллюска в какое-нибудь растение.

В центре же нанотехнологий в Манчестере ученые работали над "задачей" поставленной примитивно организованной группой ящериц (гекконами), которые могут перемещаться практически по любой поверхности. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса - по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10-7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается.

Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Не исключено, что массовый выпуск "гекконовых лапок" возможен с помощью не столь дорогих технологий, как, например, электронно-лучевая литография. Если обратить свое внимание на других позвоночных - китов и дельфинов, то обнаружится, что они "упакованы" в ткань наподобие очень упругой резины, которая состоит из сложной сети волокон коллагена. Это открытие дает возможность начать производство ее синтетического аналога. Если одеть в этот чудо-материал морские суда и подводные лодки, то повысится их обтекаемость, уменьшится расход топлива, увеличится устойчивость.

А вот к олимпиаде-2004 специально был создан новый "акулий" костюм Fastskin FSII американской компании Speedo. Его поверхность выстлана сотнями мельчайших зубчиков. Эта "кожа" была подсмотрена у акулы и дополнительно просчитана на компьютере. Она снижает трение о воду, которое, по утверждению компании, достигает 29% от общего сопротивления, а не 8-10%, как считали ранее, сообщает Мембрана.ру. Как результат - сокращение на 4% общего сопротивления движению и соответствующий рост скорости передвижения в воде. Для профессионального спорта этот выигрыш может оказаться критичным.

Не остались в стороне и военные. Так, профессор Хоуи Чозет на деньги военных разрабатывает колёсного робота с подобием хобота слона, военно-морские силы США финансируют создание роботов-лобстеров, а агентство передовых оборонных разработок оплачивает строительство механических насекомых. [10]

Техническая бионика.

 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. [11]

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 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.

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.

Заключение.

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.

В прошлом отношение человека к природе было потребительским. Техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды.

Природа как эталон - это и есть бионика.

Список литературы.

1. Бионика в школе. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович, Киев, 1990.

2. Живые приборы. Ю.Г.Симвков, М., 1986.

3. Тайны бионики. И.И.Гармаш, Киев, 1985.

4. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна,          М., 1963.

5. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.

6. Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.

7. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.

Интернет-ресурсы

http://www.studik.ru

http://www.BankReferatov.ru

http://www.bestreferat.rureferat-42944.html

http://referat.ru/pub/item/9920

http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html

[1] Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.

[2] http://referat.ru/pub/item/9920

[3] Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.

[4] Тайны бионики. И.И.Гармаш, Киев, 1985. 25.

[6] Бионика в школе. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович, Киев, 1990.

[7] http://www.bestreferat.rureferat-42944.html

[8] Живые приборы. Ю.Г.Симвков, М., 1986.

[9] Живые приборы. Ю.Г.Симвков, М., 1986.

[11] Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.

nsportal.ru

Современные примеры бионики в архитектуре и дизайне интерьеров

Самые совершенные формы, как с точки зрения красоты, так и с точки зрения организации и функционирования, созданы самой природой и развились в процессе эволюции. Человечество с давних пор заимствовало у природы структуры, элементы, построения для решения своих технологических задач. В настоящее время техногенная цивилизация отвоевывает у природы все большие территории, вокруг доминируют прямоугольные формы, сталь, стекло и бетон, а мы живем в так называемых городских джунглях.

И с каждым годом все более ощутимой становится потребность человека в естественной гармоничной среде обитания, наполненной воздухом, зеленью, природными элементами. Поэтому экологическая тематика становится все более актуальной в градостроительстве и ландшафтном дизайне. В данной статье мы познакомимся с примерами бионики — интересного современного направления в архитектуре и дизайне интерьеров.

Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход

Бионика – это направление в первую очередь научное, а потом уже творческое. Применительно к архитектуре оно означает использование принципов и методов организации живых организмов и форм, созданных живыми организмами, при проектировании и строительстве зданий. Первым архитектором, работающим в стиле бионики,был А. Гауди. Его знаменитыми работами до сих пор восхищается мир (Дом Бальо, Дом Мила, Храм Святого Семейства, Парк Гуэля и др.).

Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Знаменитые примеры бионики представлены на сайте.

Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире:

• Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости)
• Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда)
• Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер)
• Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры – раковины моллюска)
• Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде)
• Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания)
• Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды)

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов.

Особенности дизайна интерьеров в стиле бионики с примерами

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера:как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы:

• Воск и пчелиные соты – основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, стеклянных конструкций, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т.д.
• Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
• Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
• Цветные стекла и зеркала используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
• В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево – один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
• Из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
• Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д.Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза.

В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики – мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов.

Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров.

papamaster.su

Бионика

Бионика — это наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека. Проблемы бионики: изучение закономерностей структуры и функции отдельных частей живых организмов (нервной системы, анализаторов, крыльев, кожи) с целью создания на этой основе нового типа вычислительных машин, локаторов, летательных, плавательных аппаратов и т. д.; изучение биоэнергетики для создания экономичных двигателей, подобных мышце; исследование процессов биосинтеза веществ с целью развития соответствующих отраслей химии. Бионика тесно связана с техническими (электроника, связь, морское дело и др.) и естественнонаучными (химия, биология, медицина) дисциплинами, а также с кибернетикой (см.).

Бионика (англ. bionics, от bion — живое существо, организм; греч. Bioo — живу)— наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека.

Термин бионика впервые появился в 1960 г., когда специалисты различных профилей, собравшиеся на симпозиум в Дайтоне (США), выдвинули лозунг: «Живые прототипы — ключ к новой технике». Бионика явилась своеобразным мостом, связавшим биологию с математикой, физикой, химией и техникой. Одна из важнейших целей бионики — установить аналогии между физико-химическими и информационными процессами, встречающимися в технике, и соответствующими процессами в живой природе. Специалиста-бионика привлекает все многообразие «технических идей», выработанных живой природой за многие миллионы лет эволюции. Особое место среди задач бионики занимают разработка и конструирование систем управления и связи на основе использования знаний из биологии. Это — бионика в узком смысле слова. Бионика имеет важное значение для кибернетики, радиоэлектроники, аэронавтики, биологии, медицины, химии, материаловедения, строительства и архитектуры и др. К задачам бионики относятся также освоение биологических методов добычи полезных ископаемых, технологии производства сложных веществ органической химии, строительных материалов и покрытий, которые использует живая природа. Бионика учит искусству рационального копирования живой природы, изысканию технических условий целесообразного использования биологических объектов, процессов и явлений.

Один из возможных путей здесь — функциональное (математическое, или программное) моделирование, заключающееся в изучении структурной схемы процесса, функций объекта, числовых характеристик этих функций, их назначения и изменения во времени. Такой подход дает возможность изучать интересующий процесс математическими средствами, а техническое воплощение модели осуществить тогда, когда в принципе установлена ее эффективность и осталось проверить экономические, энергетические и другие возможности конструирования такого рода модели имеющимися техническими средствами. Существует и другой путь — физико-химическое моделирование, когда специалист в области бионики изучает биохимические и биофизические процессы с целью исследования принципов превращения (включая разложение и синтез) веществ, происходящих в живом организме. Этот путь более всего примыкает к химико-технологической проблематике и открывает новые возможности в развитии энергетики и химии полимеров. Третий подход, развиваемый бионикой,— это непосредственное использование живых систем и биологических механизмов в технических системах. Такой подход принято называть методом обратного моделирования, так как в этом случае специалист-бионик изыскивает возможности и условия приспособления живых систем для решения чисто инженерных задач, иначе говоря, пытается моделировать на биологическом объекте техническое устройство или процесс. Возникшая в ответ на запросы практики, бионика послужила началом исследований, основанных на применении биологических знаний во всех областях техники. Основной ее результат заключается в установлении первых путей для все большего технического освоения биологии.

www.medical-enc.ru

Природа и техника. Бионика — природные прототипы

С бионикой мы сталкиваемся ежедневно: при мытье рук, просмотре телевизора, езде в автомобиле.

Бионика — это наука, изучающая биологические системы с целью применения полученных знаний для решения разнообразных инженерных задач. Примерно вот такой ответ можно получить у «Википедии» на запрос «бионика». Однако под этим термином чаще подразумевают не конкретную науку, а любую точку соприкосновения биологии и техники.

Первым специалистом по бионике можно считать итальянского гения Леонардо да Винчи: своими исследованиями полета птиц он заложил фундамент для нового естественнонаучного направления. На основе почерпнутых у природы знаний он даже попытался сконструировать орнитоптер — машущий крыльями летающий аппарат.

Природа дарит лучшие решения

Когда ученые ищут решение проблемы в природе, их труд зачастую оказывается на удивление плодотворным. В конце концов, за миллионы лет эволюции флора и фауна во многом достигла совершенства.

В сравнении со своими живыми прототипами современная техника находится в самом начале пути, но благодаря человеческой изобретательности дистанция стремительно сокращается. Между тем продукты, созданные с помощью бионики, встречаются почти повсеместно: в архитектуре, одежде, материалах всех видов и в средствах передвижения они безусловно играют центральную роль.

Природная эффективность в автомобиле

Первые машины, громыхавшие некогда по булыжным мостовым, были бесконечно далеки от природы, однако инженеры, создающие современные транспортные средства, сегодня вынуждены приглядываться к естественным прототипам. В итоге авто становятся все мощнее, безопаснее и к тому же — красивее.

В современном автомобиле можно найти множество заимствований у природы. Для начала — форма. При ее создании разработчики все больше ориентируются на рыб и птиц. Ведь они проблему обтекаемости «решили » особенно удачно. Если на секунду представить, что эти существа имеют внешний вид автомобилей начала двадцатых годов прошлого века, станет очевидно, что такая форма не позволила бы птицам летать, а рыбы вряд ли уплыли бы далеко.

Образцом для разработки кузовов самых мощных транспортных средств служит форма тела пингвина с ее феноменальной обтекаемостью. Такие автомобили имеют необычайно низкое аэродинамическое сопротивление.

Невзрачная с виду автомобильная покрышка своим рисунком своего протектора обязана еще одному природному прототипу: благодаря тонким пластинкам широкая лапа геккона надежно цепляется за малейшие неровности поверхности. В протекторе используется тот же принцип, только в сильно увеличенном масштабе. Поэтому шины с особым рифлением, предназначенные для спортивных автомобилей, — сравнительно широкие.

Не только поверхность, но и форма шины следуют природным прототипам: в частности, энергоэффективные шины более узкие и похожи на лапы гепарда, которого небольшие опорные поверхности превращают в уникально быстрого спринтера. Для прыжков и перемены направления хищная кошка может увеличивать площадь сцепления лап с грунтом.

Этот пример показывает, что природа по-прежнему оставляет современную технику далеко позади, ведь шину, которая бы, подобно лапе гепарда, отвечала самым разным требованиям, ученые все еще не изобрели. Жаль, так как сопротивление качению отнимает немалые 20-30% от общей эффективности автомобиля.Даже строение современного колеса навеяно природой: спицы копируют чрезвычайно устойчивую и легкую структуру скелета. Само собой разумеется, колеса можно было бы сделать сплошными. Но принцип, действующей для кости, не отличающейся плотностью внутренней структуры, работает и здесь: каждый грамм, который нужно приводить в движение, требует расхода топлива. Впрочем, «костяная структура» задействуется не только в автомобилестроении: например, тот же принцип взяли на вооружение архитекторы при проектировании мостов и других сооружений.

При взгляде на Audi R8 на предыдущем развороте в глаза бросаются жаберные структуры на переднем спойлере, задней части кузова, а также за дверями. Природным примером здесь стала рыба, которой, как и двигателю спортивного автомобиля, жабры нужны для дыхания. Направленный поток через жабры уменьшает сопротивление воды или, соответственно, воздуха.

Скопировано с летучей мыши

Лак — это тоже больше, чем просто придание цвета. Особая структура поверхности используется для создания так называемого эффекта лотоса: с листа этого растения вода и грязь просто-напросто стекают, и вовсе не из-за его гладкости. Эволюция нашла удивительное решение вопроса: под микроскопом видно весьма шероховатую поверхность листа, такая структура дает жидкостям и загрязняющим частицам меньше площади для опоры, чем гладкая.

Трудно поверить, но и сигнализатор безопасной дистанции основан на природной технике, поскольку, подобно летучей мыши, он использует принцип эхолота. С помощью ультразвуковых волн животные, ведущие ночной образ жизни, сканируют окружающую среду и могут облетать препятствия и преследовать добычу даже в полной темноте.

Еще один пример из области автомобилестроения: образцом для конструкции легких и в тоже время устойчивых сидений в салоне послужил крепкий панцирь жуков.

Зубцы как обтекатель

В судоходстве человек тоже ориентируется на достижения природы. Акула является не только хорошим охотником, но и прекрасным пловцом. Как и в случае с листом лотоса, сначала предполагалось, что малое гидравлическое сопротивление обеспечивается гладкой кожей этой хищной рыбы. Однако при изучении через микроскоп выяснилось следующее: поверхность кожи акулы состоит из множества микроскопических зубчиков, которые работают как обтекатель. Они препятствуют возникновению поперечных завихрений, повышающих гидравлическое сопротивление. Еще одно преимущество: благодаря этим зубцам к коже рыбы не могут прикрепиться ракушки.

Сначала инженеры перенесли этот принцип на купальные костюмы для пловцов. Тесты показали, что спортсмен в костюме из искусственной акульей кожи преодолевает стометровку на полторы секунды быстрее. В мире спорта, где правит скорость, такая разница во времени является грандиозной.

Трансляция такого принципа на куда более крупных «железных пловцов» напрашивалась сама собой, тем более чтокорабли подвержены обрастанию ракушками, повышающими гидравлическое сопротивление на целых 15%. Для больших старых судов это представляет огромную проблему, потому что расход топлива, как и у автомобилей, возрастает пропорционально росту сопротивления.

Аналогично обстоит дело и у самолетов: компания Airbus в порядке эксперимента покрыла 75% корпуса двух своих дальнемагистральных лайнеров специальной пленкой Rib-lets, чья поверхность снабжена мельчайшими зубчиками. Сопротивление воздуха после этого снизилось на 8%. Таким образом при дальних перелетах экономится около двух с половиной тонн керосина.

Впрочем, примеры применения бионики в авиастроении можно увидеть и невооруженным глазом. Речь идет о специальных приспособлениях — винглетах. Такие маленькие «крылышки на крыльях» уменьшают поперечные завихрения и имитируют веерообразные маховые перья, позволяющие, например, альбатросу летать, сберегая энергию. В чем выгода? Опять же в экономии топлива.

Превосходство техники

Выше мы упоминали, что чаще всего природа оставляет современную технику далеко позади. Однако справедливости ради надо заметить, что многие синтетические материалы все-таки заметно превосходят свои природные прототипы.

Если, скажем, натуральный шелк при сопоставимой толщине нити способен выдержать примерно в 25 раз большую нагрузку, чем стальная проволока, то с искусственным шелком ему тягаться не под силу. После десятков лет исследований в прошлом году ученым удалось создать шелковую нить, которая по прочности на растяжение сопоставима с натуральным аналогом, а по способности выдерживать нагрузку вдвое превосходит его.

К возможным сферам применения искусственного шелка, так называемого Biosteal, относится, например, изготовление оболочки для медикаментов, имплантов груди и кардиостимуляторов, а также очень прочной, но в то же время комфортной и эластичной защитной одежды.

htech-world.ru

Бионика как новая отрасль науки

В 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 научно-технологическое 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).

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)

mirznanii.com

Смотрите также

• Эндогенные растения
• 
  Растение материнка
• 
  Галатея растение
• 
  Ватник растение
• 
  Иксора растение
• 
  Растение сизаль
• 
  Мшанка растение
• 
  Растение мшанка
• 
  Водянка растение
• 
  Бесхлорофильные растения
• 
  Макросъемка растений