В природе есть много причин, которых
человечество не имеет в своем опыте.
Леонардо да Винчи
Природа
и люди строят по одним и тем же законам, соблюдая принцип экономии
материала и подбирая для создаваемых систем оптимальные конструктивные
решения (перераспределение нагрузки, устойчивость, экономию материала,
энергии).
Науку, занимающуюся изучением строения и
функционирования живых организмов, чтобы использовать это для решения
инженерных задач, создания новых приборов и механизмов, называют
бионикой (от греческого bios «жизнь»). Этот термин впервые прозвучал
13 сентября 1960 г. в Дайтоне на американском национальном симпозиуме
«Живые прототипы — ключ к новой технике» и обозначил новое научное
направление, возникшее на стыке биологии и инженерного искусства.
Праотцом бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы
летательных аппаратов основаны на строении крыла птицы.
Длительное
время бионика развивалась скачкообразно. Сначала инженеры и
конструкторы находили удачное решение какой-либо задачи, а через
некоторое время обнаруживалось, что у живых организмов существуют
аналогичные конструктивные решения и, как правило, оптимальные.
Сегодня
бионика имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика
изучает законы формирования и структурообразования живых тканей,
занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу
экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика
изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются
органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую
среду и у животных, и у растений.
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.
В
последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих
изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение ХХ века,
как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера
птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками,
обеспечивают надежное сцепление.
Известные испанские архитекторы
М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали
исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали
«Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их
руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры,
биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический
город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по
прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть
30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу
проекта положен «принцип конструкции дерева».
Башня-город будет
иметь форму кипариса высотой 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.
В
архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым
строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и
безотходных строительных технологий перспективным направлением является
создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных
моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного
«морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок.
Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким
слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть
использована и для покрытия автомобилей.
Основными направлениями
нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и
моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает
возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную
технику.
Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:
1. Гибкое восприятие внешней информации независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).
2.
Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке
одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при
гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.
3. Миниатюрность.
Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как
головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м3, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм3.
4. Экономичность потребления энергии — разница просто очевидна.
5. Высокая степень самоорганизации — быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.
Эйфелева башня и берцовая кость
К
100-й годовщине Великой французской революции в Париже была
организована всемирная выставка. На территории этой выставки
планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие
Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс
поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект
инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия
башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью
и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа.
Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного
арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и
инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в
точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей
тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими
поверхностями.
Изучение механизмов памяти ведет к созданию «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.
Давно
известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно
реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу.
По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на
промысел, море будет спокойным. Животные-«биосиноптики» от природы
наделены уникальными сверхчувствительными «приборами». Задача бионики —
не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его
в электронных схемах, приборах, конструкциях.
Изучение сложной
навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во
время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста,
зимовки, выведения птенцов, способствует разработке
высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания
объектов.
В настоящее время большим вкладом в ход
научно-технического прогресса являются исследования анализаторных
систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны,
что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств.
Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения
температуры в 0,0010C; 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 0,10С. 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.
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).
Почему же при современном уровне
развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы
понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и
воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные
знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных
дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации
знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых
всеобщих принципов.
А во-вторых, в живой природе постоянство форм
и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного
восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые
непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой
период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы
распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система
находится в динамическом равновесии, что дает возможность
приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с
изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических
систем является их непрерывное функционирование. Технические системы,
созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия
процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их
функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными
и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.
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».
Быстрее, выше, сильнее!
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.
