5.Бионика в технике

Предметом бионики являются исследования структуры и функционирования биологических объектов различной сложности – от клеток до живых организмов и их популяции с целью создания новых более совершенных технических устройств и синтеза биотехнических комплексов, оптимально использующих свойство биологических и технических элементов, объединяющих в единую функциональную систему целенаправленного поведения.

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Рисунок 1 – Примерные клаузуры бионических форм техники

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

Рисунок 2 – Примерные клаузуры бионических форм техники

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра - и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана — на инфракрасный и т. д.

Рисунок 3 – Примерные клаузуры бионических форм техники

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации — дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя — по запаху (химизм прибрежных вод).

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.

Рисунок 4 – Испытательный образец плавательного аппарата.

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.

На симпозиуме по использованию знаний о живых орга­низмах для усовершенствования техни­ческих систем было предложено назва­ние для вновь созданной биологической науки как бионика. Тогда же был провозглашен ло­зунг: живые прототипы – ключ к но­вой технике.

Рисунок 5 – Примерные клаузуры бионических форм техники

Большой интерес к бионике обуслов­лен значительной практической направ­ленностью этой науки, изучающей прин­ципы построения и функционирования биологических систем прежде всего с целью создания новых машин, приборов, механизмов, строительных конструк­ций и технологических процессов, ха­рактеристики которых были бы столь же совершенными и высокоэффективными, как в живых системах. Несомненно, что в век научно-технической революции эти бионические исследования имеют боль­шое значение для решения сложных ин­женерных проблем.

На этапе работы вступает в действие инженерное проектирование. Для его осуществления, безусловно, тре­буется точное описание структур и функ­ций организма, химических реакций, физических особенностей организмов или частей тела, выраженных языком мате­матических формул. Вместе с тем, со­здавая технические модели, инженер да­леко не всегда просто копирует приро­ду – часто это нецелесообразно (так как не исключается улучшение ряда ха­рактеристик при техническом модели­ровании), а иногда и невозможно.

Дело в том, что целостность организма значительно ограничивает разнооб­разие его структур. В организме не может быть никаких органов, вращающих­ся на оси по типу колеса, турбины, вин­та и т. д. Агрегатность технических систем, наоборот, позволяет широко ис­пользовать вращающиеся детали. Ис­пользование таких агрегатных устройств может значительно облегчить проблему бионического моделирования. Вместе с тем подвижные или имеющие движущие­ся части технические устройства не­избежно коренным образом отличаются от животных прототипов тем, что в них не используются двигатели типа сокра­щающихся волокон. Пока не создана искусственная мышца, существует пре­пятствие точному копированию многих биологических моделей. Таким образом, в технической бионике, т. е. на третьем этапе работы, чаще создаются изоморф­ные (подобные) конструкции, а не точ­ные копии.

Рисунок 6 - заимствование бионических форм и функций в технике

Однако еще на заре своего развития генеральное направление техники пошло по особому пути. Было создано колесо, видимо как усовершенствование катка, роль которого выполняло бревно. Стала использоваться энергия ветра в водном транспорте, мельницах, шест в качестве способа передвижения судна на воде. Все это не имело аналогий в животном мире. Наряду с этим некоторые техни­ческие идеи черпались из окружающей природы. Арабские врачи в начале на­шей эры, изучив строение хрусталика, подсказали идею линзы увеличитель­ного стекла. Леонардо де Винчи 400 лет назад разработал конструк­цию махолета, приводимого в дви­жение мускульной силой человека. Кры­лья этого летательного аппарата представляли собой модель крыльев лету­чей мыши. Многие изобретения прошло­го столетия моделировали органы или приспособительные свойства разных жи­вотных. Так можно назвать «стопоходя­щую машину» Чебышева, «шагающую» машину Орловского и Гусева. Немец­кий изобретатель Лилиенталь построил один из первых планеров в виде модели парящей птицы. В 30-х годах текущего столетия инженер Игнатьев создал само­затачивающийся резец – модель рез­цов грызунов, которые никогда не ту­пятся.

Работая над проектом, дизайнер тщательно проводит сравнительный анализ «живой» и искусственной техники, сопоставляет технические характеристики живых объектов и созданной руками человека аппаратуры и потом делает заключение о целесообразности применения в графике тех или иных изобразительных форм.

Вскрывая и описывая условия, необходимые для осуществления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов.

Рисунок 7 – Технический образец выполненный с использованием бионических форм и функций.

Многие характеристики опорно-двигательного аппарата используются при проектировании других технических систем, что является предметом бионики. Так, данные о структуре и механизмах управления «живыми кинематическими цепями» со многими степенями свободы (например, рука, начиная от ключично-лопаточного сочленения, имеет 33 степени свободы, что обеспечивает возможность чрезвычайно разнообразных движений и поворотов) применяются при создании автоматов-манипуляторов и роботов, используемых в различных областях техники.

Работа на стыке наук и особенно Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за кадром". Бионика наступает. Быстрее, выше, сильнее! [14]