Аналогах.

Различают:

биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Биомиметика

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин биомиме́тика (от др.-греч. βίος «жизнь» + μίμησις «подражание») в значении - подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы . Бионика подтверждает, что многие человеческие изобретения имеют аналоги в живой природе, например, застежки «молния» и «липучки» были сделаны на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная текстильная застёжка , прототипом которой стали плоды растения репейник , цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля .

История развития

Появление кибернетики , рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Основные направления работ

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Моделирование живых организмов

Создание модели в бионике - это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа - бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них - изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

Архитектурно-строительная бионика

Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых шуб, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

Яркий пример шубной архитектурной бионики - полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. Их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) стеблей - кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». 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 1228 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 метров. 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 ещё 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.

Нейробионика

Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.Основными направлениями нейробионики являются изучение физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей . Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и

Бионика, появившаяся в научных кругах во второй половине двадцатого века? Бионика содержит в своей основе материалы наблюдения за естественными природными системами для создания на их базе современных технологий.

Слово "бионика" в переводе с английского означает "знание о живых организмах". Ее основная задача (как было сказано ранее) - это выявление закономерностей живой природы и применение их в системе человеческой деятельности. Впервые проблемы бионики, ее цели и функции были определены на дайтонском симпозиуме в США. Тогда в 1960 году смело было выдвинуто утверждение о том, что только биологические механизмы могут быть истинными прототипами технического развития.

Основные проблемы и задачи бионики

Наблюдение и изучение функций и особенностей отдельных систем и органов живых организмов (например, нервной системы, сердца или кожи) для использования полученных знаний в качестве базиса для создания новейших технических достижений: средств передвижения, вычислений и т.д.
Изучение биоэнергетического потенциала живых организмов для создания на их основе двигателей, способных действовать подобно мышцам, чтобы с помощью этого экономить электроэнергию.
Исследование биохимических синтезирующих процессов для развития отраслей химии для получения новых моющих средств и лекарственных препаратов.

Связь бионики с другими областями человеческих знаний

«Бионика считается связующим звеном, проложенным между множеством технических (электронная, транспортная, информационные технологии) и естественных наук (медициной, биологией, химией)».

Специалисты утверждают, что объединение в определенное единство совокупности имеющихся знаний с целью их рационального практического применения – это наиболее необходимый процесс для современного мира. Бионика появилась тогда, когда специализация отдельных отраслей знания усилилась, лишая науку жизненно необходимого единства.

Так бионика в биологии представляет собой необходимый компонент, позволяющий применять полученные знания в их качественном объединении с математикой, техникой и химией. Установление аналогичных связей между информационными, техническими и природными ресурсами – неотъемлемая часть бионического исследования.

Если в своем широком понимании бионика – средство «заимствования» у природы гениальных идей для новейших научных разработок, то в более узком смысле можно говорить о данной науке как о теснейшей связи биологии с аэронавтикой, кибернетикой, материаловедением, строительством, бизнесом, медициной, химией, архитектурой и даже искусством. Специалист-бионик должен обладать чрезмерной наблюдательностью, а также аналитическим складом ума для способности адекватного сопоставления имеющегося и вновь обновляющегося посредством эволюции материала и технических возможностей, предоставленных развитием человечества.

Продолжая беседу об узком значении бионики, можно говорить о такой ее задаче, как разработка новейших методов добычи природных ресурсов и полезных ископаемых для использования их в производстве.

Несмотря на то, что бионика – это наука о том, как лучше и рациональнее использовать то, что дает нам природа, одной из ее основополагающих функций выступает защита природного материала как неисчерпаемого источника ресурсов и идеи для непрерывного прогресса общества. Для этого специалистами-биониками используются три основных подхода.

Функциональный математический программный подход (изучение схемы происходящего процесса, его структуры, истоков и результатов). Данный подход дает возможность конструирования новой модели с помощью уже имеющихся средств.
Физико-химический подход (изучение биохимических процессов). Этот подход предоставляет исследователям возможность синтезирования новых веществ с помощью изученных механизмов.
Прямое применение биологических систем в структуре технологий, называемое обратным моделированием. Если в предыдущих подходах речь шла об использовании биологического материала для создания новых технических средств, то здесь мы можем говорить о решении задач и вопросов техники с помощью поиска ответов и необходимых ресурсов в биологической среде.

Итак, на вопрос о том, что изучает наука бионика, лучше всего ответить следующим образом. Бионика – это поиск путей, средств и возможностей связи биологических аспектов существования и технического прогресса с целью увеличения научного прогресса и одновременного сохранения существующих природных ресурсов.

Что такое бионика?

Бионика... Слово незнакомое, и все-таки у многих оно вызовет определенные ассоциации. Не образовано ли оно сочетанием слов биология и электроника?

Такая догадка возникала не только у непосвященных, но на первых порах даже и у тех, кто в некоторой степени был знаком с предметом и методами этой науки; существование ее действительно немыслимо в отрыве от биологии и электроники. И все же слово "бионика" имеет иное происхождение. Оно образовано от древнегреческого слова "бион", что означает - ячейка жизни.

Ибо бионика, подобно биологии, интересуется живой природой. Но цель у бионики совершенно иная. Новая наука неразрывно связана с практикой, с техникой и изучает живую природу специально для того, чтобы понять, в чем она совершеннее, умнее, экономичнее современной техники и, поняв, дать в руки инженеров новые знания, новые принципы и методы решения труднейших проблем, вставших ныне перед техникой. Вот почему бионика - и наука и техника одновременно. Один из инженеров дал такое определение бионики: "Бионика является искусством применения знаний о биологических системах и методах к решению инженерных задач".

Если рассматривать бионику с таких именно позиций, можно решить, что ничего нового в ней нет. Ведь род человеческий с первых дней подражает природе, учится у нее, старается перенять все, что можно обратить себе на пользу. Так, старинное предание говорит, что во времена средневековья арабские ученые, исследовав строение глаза, изобрели линзу, без которой не мыслимо существование оптики, фотографии и кинематографии; без которой не возникла бы и современная физика. О том, как изучение живой природы с самых давних времен помогало человеку изобретать, можно рассказать многое.

И все-таки бионика молода. Она зарождается на наших глазах. В отличие от прежних исследователей природы, открытия которых время от времени и лишь непреднамеренно приводили к техническим изобретениям, бионики всегда ставят перед собой цель - изучать живую природу для того, чтобы открывать новые технические принципы и на их основе создавать новые инженерные устройства.

Иными словами, бионик изучает живую природу не ради нее самой, а заранее задавшись определенной технической целью.

Времена случайных открытий отошли в прошлое. Ныне биологи, как и представители точных наук, по большей части знают, что хотят найти. Знают это и бионики. Но, в отличие от биологов, они в первую очередь интересуются техническими принципами действия биологических систем (если хотите - биологических машин) или отдельных органов. А это означает, что основное внимание бионика сосредоточивает на том, как работает система, как работает орган, а не на их биологических особенностях, если они не важны для решения технической проблемы.

Конечно, бионика не возникла на пустом месте. Науки, из которых она выросла, известны всем. Это биология, физика, химия, математика и, разумеется, электроника и кибернетика, это многие инженерные науки. Рождение бионики подтверждает основное правило развития современных наук: наиболее важные и плодотворные направления возникают на стыке многих не связанных дотоле наук.

Передо мной несколько книг по бионике. Это не учебники (их еще не скоро напишут), не монографии. Это сборники докладов, зачитанных на советских и зарубежных конференциях. Круг тем необычайно широк: тут и сообщения о первых бионных приборах, и доклады об исследовании принципов полета птиц, об обтекаемости тела рыб и водных млекопитающих, о биолюминесценции (свечении организмов), о строении мышц и о многом другом. Как ни разнохарактерны темы исследовательских работ и докладов, все они сегодня с равным правом относятся к той области науки, которая родилась на наших глазах и наречена бионикой.

Однако уже и сейчас можно довольно точно установить главные направления этой науки на ближайшее будущее. Сравнивая доклады на конференциях и журнальные статьи, легко заметить, что год от года увеличивается число работ, посвященных органам чувств животных, процессам в нервной системе и вопросам навигации у животных. Это не случайно. Именно изучение принципов работы органов чувств, нервной системы, перелетов птиц, путешествий насекомых, рыб и морских животных позволит разрешить наиболее важные и трудные, наиболее неотложные проблемы, назревшие в технике, поможет инженерам создать новые удивительные машины.

Но, повторяю, бионика занимается и многими другими вопросами, ведет исследования в совершенно иных направлениях. Какое из них первым принесет успех, предсказать невозможно.

Ведь в бионике еще ничего не устоялось. И на ее счету нет пока ни фундаментальных открытий, ни существенных практических результатов. Нынче она всего лишь многообещающий младенец. Несомненно только одно: многие бионные исследования рано или поздно принесут свои плоды. Бионика уже сейчас начала оказывать влияние на технику, а к тому времени, когда вы завершите свое образование, то есть примерно к концу семидесятых годов, эта наука обретет свою теорию, даст очень важные для практики результаты.

Как видите, краткого и определенного ответа на вопрос "Что такое бионика?" не существует. Более того, среди ученых немало тех, кто отвергает бионику. Но мне не встречался ни один инженер, который не приветствовал бы эту новую науку. Почему среди ученых есть такие, которые отрицают бионику, а среди инженеров их нет и обоснованно ли такое отрицание, мы увидим позже. Пока добавлю, что сегодня на свете еще нет "профессиональных" биоников, и ни в одном учебном заведении еще не создан факультет бионики. Сейчас этой науке отдают свои силы энтузиасты из самых различных областей техники, в основном из электроники, и, разумеется, биологи и кибернетики.

Теперь, читатель, я хочу сделать небольшое отступление. Я знаю, что вам уже кое-что известно о "патентах природы", ведь о них не раз писали в газетах и журналах, немало рассказывали по радио. И вы, вероятно, рассчитываете, что уже со следующей страницы начнется рассказ о сенсационных открытиях, удивительных бионных машинах и таинственных загадках природы - словом, обо всем том, о чем вы уже чуточку наслышаны.

Я должен разочаровать тех, кто надеется на это. Прежде чем дело дойдет до "патентов природы", вам придется прочитать немало страниц, посвященных совсем другой, несенсационной бионике, о которой куда меньше говорили и писали. Мне тоже хотелось бы, как говорится, взять быка за рога, но опасаюсь, что столь опрометчивый поступок привел бы нас с вами к весьма печальному финалу: я не сумел бы рассказать по-настоящему, а вы понять, что такое бионика, почему на нее возлагается столько надежд и чего можно в действительности ждать от этой инженерной науки.

Чтобы понять бионику, надо знать ее истоки и причины, вызвавшие ее к жизни, а следовательно, представлять себе путь, по которому наука и техника пришли в школу живой природы.

И нам, правда очень бегло, придется повторить этот путь: мы начнем его в Италии конца XVIII столетия, затем узнаем о некоторых научных открытиях, сделанных у нас на Родине в конце прошлого и в начале нашего века, познакомимся с одним американским ученым, а попутно поговорим об электричестве, кибернетике, о профессии инженера, об экономии и о том, насколько надежна современная техника.

Многое из того, что встретится в начале книги, быть может, известно вам. Но дело в том, что совсем недавно все это известное даже специалистам казалось не объединенным друг с другом ничем, кроме истории науки, Теперь же, после возникновения бионики, ясно видно, что все, о чем мы будем говорить, тесно связано в единую цепь.

А пока расскажу об одном случае, приключившемся с маленькой девочкой, которая ехала на Юг.

Девочка много слышала об удивительном Черном море, о Кавказских горах, и ей не терпелось увидеть все самой: и горы, и особенно море. Она была не сильна в географии и знала только одно: море находится на Юге. Но Юг она понимала по-своему - для нее это было не направление, а некая страна, где плещет теплое море.

И когда тронулся поезд, девочка прижалась носом к оконному стеклу и неотрывно смотрела, как медленно поворачивается за окном земля, как приближаются, а затем уходят назад дымящие фабричные трубы, дома, белье, развешанное на веревках, неторопливо идущие люди, деревья, поля, луга со стадами. Дома, заводы, деревья... все было знакомым, все это она уже не раз видела, и ей казалось, что поезд тоже не торопится и идет слишком медленно; ей так хотелось скорее попасть на Юг!

Но все-таки картины, мелькавшие за окнами, постепенно менялись: как-то незаметно отступили от дороги леса, а затем и вовсе исчезли, за окном раскинулась бескрайняя степь. Но и она постепенно сменилась холмами - поезд приближался к Кавказу. Над ночным горизонтом розовели в последних лучах солнца вершины гор. Но тут девочку уложили спать.

Утром девочка проснулась и выглянула в окно. Но ничего, кроме высоких деревьев да клочка необыкновенно синего и высокого неба, не увидала. А вскоре в вагоне стало темнее, чем ночью, - поезд вошел в тоннель. Потом вышел из него и почти сразу нырнул в другой, третий, а когда выбрался из последнего, отец воскликнул: "Смотри, море!"

Море! Оно даже снилось ей. Девочка знала, что оно синее, сверкающее, огромное. И она быстро повернулась к окну, но увидела только деревья, траву и бескрайнее синее нe6o.

Где же оно? - нетерпеливо спросила девочка.

Да прямо перед тобой! - ответил отец.

Но она еще долго не могла увидеть моря. Возможно ли это?

Да, возможно. Ведь девочка никогда не видела моря и ясным солнечным утром не сумела отличить его от южного неба.

Поверит ли кто-нибудь этой истории, если ее героем окажется не ребенок, а взрослый?

Но представим себе, что надо заметить не море, а новое, неизвестное науке явление или новую научную идею. Порой их чрезвычайно трудно распознать и отличить от старого, давно известного науке. И нередко старое принимают за новое. Один ученый шутил: "Новое - это прочно забытое старое".

Но зато, когда новое узнано и понято, наступает пора прозрения; все поиски, которые велись как бы вслепую, все попытки продвинуться по пути знания озаряются светом нового открытия, новой идеи. И тогда становится ясно, что наука шла именно к этому открытию, что оно подготавливалось всем ходом развития человеческого общества и сделано вовсе не случайно, хотя, разумеется, никто заранее не мог предвидеть, каким будет открытие, какой окажется новая идея.

Я позволю привести пример из своей жизни.

В пятидесятых годах мне пришлось работать над одним очень сложным электронным прибором. Нет нужды говорить о нем подробно. Скажу только, что этот прибор должен был следить за перемещениями светового зайчика, отбрасываемого на экран колеблющимся зеркальцем. Куда бы ни двигался зайчик, вверх или вниз, влево или вправо, как бы ни менялась его яркость, прибор должен был обнаруживать перемещения, их направление и скорость и выдавать управляющие сигналы на электродвигатели.

Было ясно, что прибор этот имеет некоторое сходство с человеческим глазом. Но поначалу я не придавал ему никакого значения. Мне казалось, что подобное сходство меня, инженера, ни к чему не обязывает. Правда, было забавно наблюдать, как первый неуклюжий лабораторный макет прибора поворачивал вслед за зайчиком, бегущим по полотну экрана, голубой глаз объектива, как нерешительно и недоуменно замирал и вздрагивал объектив, когда зайчик ускользал из его поля зрения. В нем было что-то от живого существа, в этом электронном автомате. Постепенно, сталкиваясь с новыми и новыми трудностями, я стал понимать, что глаз гораздо лучше прибора умеет следить за световым зайчиком. В этом меня убеждали собственные глаза. И я понял, что прибор можно значительно улучшить, если он будет работать по тому же принципу, что и глаз.

Я думал об этом непрерывно. Глядя из окна троллейбуса на прохожих, наблюдая за полетом птиц, самолетов, играя в теннис, я все время пытался понять, каким образом мои глаза успевают следить за движением стремительного теннисного мяча, птицы, самолета... Я пытался анализировать свои ощущения, но вскоре понял, что столь кустарным путем мне не удастся узнать ничего нового. И тогда я с жадностью накинулся на книги о глазе, зрении. Они были полны интересных и новых для меня сведений. Но того, что меня интересовало более всего, я в них не нашел.

А прибор, хотя и работал хорошо, меня уже не удовлетворял. Мне хотелось, чтобы он не уступал глазу. И я решил обратиться за помощью к физиологам. "Если об этом ничего не написано в книгах, - рассуждал я, - то, скорее всего, физиологи просто не придавали значения тому, как глаз следит за движущимися предметами. Когда же я объясню, зачем мне это нужно, они проведут исследования и через несколько месяцев выяснят все необходимое". Я пошел к физиологам. И сразу узнал, что дело обстоит не так-то просто. Оказалось, что физиологи тоже очень хотят знать, как работают глаз и мозг, следя за движущимися предметами, и уже давно проводят исследования. Они очень сложны, эти исследования, но ожидаемых результатов пока не приносят.

Так мне и не пришлось воспользоваться помощью физиологов. Прибор, на который было потрачено три года работы, выполнял свою задачу. Но был он в сравнении с глазом чрезвычайно громоздким и ненадежным. Я до сих пор помню чувство горечи и собственного бессилия оттого, что не удалось сделать прибор, хотя бы приближающийся по своим возможностям к глазу. О том, чтобы сделать прибор, сравнимый с глазом, я и не мечтал. К этому времени я многое узнал о технических достижениях природы и понимал, что инженерам еще очень далеко до них. Знал я и то, что многие важнейшие технические изобретения живой природы еще не поняты, что понять их необычайно трудно, и считал, что инженерам придется еще в течение очень многих лет полагаться только на собственную изобретательность. В этом была моя ошибка.

И сразу же мне бросились в глаза слова: "Бионика исследует функции и принципы организации биологических систем. Цель этой науки - ускорить решение сложных инженерных задач".

"Вот оно!" - подумал я, и у меня даже пересохло во рту от волнения. Мне ничего не нужно было объяснять. Я все понял. Ведь и меня волею обстоятельств и любопытства жизнь выводила на берега моря, название которому "Бионика". Но тогда оно было еще безымянным, и я не заметил его. А теперь нашлись те, кто увидел это море, и на весь мир заявили об этом. Не отрываясь, читал я все статьи и доклады. Они убеждали меня в том, что я и сам смутно предчувствовал, ярким светом озаряли трудности, возникшие в технике, объединяли несвязанные до того поиски новых инженерных решений в новое техническое направление. И я ни минуты не сомневался в великой будущности бионики. Сама жизнь, опыт убеждали меня в этом.

Так же как и я, приняли бионику все инженеры, которым хотя бы раз приходилось соревноваться в своей работе с живой природой. А вот некоторые биологи скептически отнеслись к бионике. Не сталкиваясь с инженерными задачами, они ничего не знали о трудностях, возникших в технике. Они видели в бионике лишь сенсационное направление все той же биологии, они честно не понимали, что в ней нового. И, как всякие ученые, подозрительно относились к шумихе, поднятой вокруг народившейся науки.

Испытывал ли я горечь оттого, что не первым крикнул "Море!", что не додумался сам до той же идеи? Совершенно честно - нет! Одно дело - смутное ощущение надвигающихся новых идей, оно присуще большинству грамотных инженеров и ученых, другое дело - точная и ясная формулировка этих новых идей. Последнее выпадает лишь на долю самых знающих и талантливых. Люди, ясно сформулировавшие главную идею бионики, были именно такими. Они прекрасно знали технику, ее возможности и трудности, знали биологию, кибернетику, математику. Они отлично знали историю развития науки и техники. Только сплав этих знаний позволил им ясно высказать то, что предчувствовали многие.

Как видите, бионика не только наука и инженерия, в ней таится и чисто человеческое содержание, ибо она отвечает надеждам и мечтам инженеров о новых замечательных машинах, о сбережении драгоценных природных ресурсов, о новом расцвете человеческой цивилизации. Чтобы ясно представить себе, что такое бионика, что сулит она человечеству, нам придется совершить довольно далекое путешествие по дороге, у начала которой стоит указатель с надписью: "Бионика". По этой дороге нам предстоит двигаться не только в будущее, но и в прошлое, порой довольно отдаленное. Потому что рождение бионики, как вам уже известно, было предопределено важными научными открытиями, техническими изобретениями, и в не меньшей степени трудностями в современной технике, Только узнав о них, поняв их сущность, можно ясно представить себе, что такое бионика.

Вот почему я прошу вас не спешить и уделить внимание не только сегодняшней бионике, но и ее предыстории. А начинается она с одного великого научного спора, разгоревшегося в Италии примерно сто восемьдесят лет Назад.

Бионика (от греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий)

наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи , который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц - орнитоптер. Появление кибернетики (См. Кибернетика), рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по Б., который официально закрепил рождение новой науки.

Основные направления работ по Б. охватывают следующие проблемы: изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток - нейронов - и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика); исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Исследования нервной системы показали, что она обладает рядом важных и ценных особенностей и преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Эти особенности, изучение которых очень важно для дальнейшего совершенствования электронно-вычислительных систем, следующие: 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 10 10 - 10 11 объём мозга человека 1,5 дм 3 . Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч м 3 . 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.

Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов (рис. 1 ). Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение памяти (См. Память) 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 10 5 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 10 8 фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 10 6 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/м 2 (0,0001 дин/см 2 ). 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/м 3 (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. Персептрон ы - «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 Б., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км (см. Миграции животных), 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.

Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, изучение структуры кожи быстроходных водных животных (например, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с минимальным сопротивлением) позволило увеличить скорость кораблей. Создана специальная обшивка - искусственная кожа «ламинфло» (рис. 2 ), которая дала возможность увеличить скорость морских судов на 15-20%. У двукрылых насекомых имеются придатки - жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон (рис. 3 ) - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого - особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.

Разработанные на этом принципе ветряные мельницы с подвижными лопастями очень экономичны и могут работать при малой скорости ветра. Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, различных манипуляторов и т.п. разрабатываются на основе изучения полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п. Анализ структуры кости, обеспечивающей её большую лёгкость и одновременно прочность, может открыть новые возможности в строительстве и т.п.

Новая технология на основе биохимических процессов, происходящих в организмах, - также, по существу, проблема Б. В этом плане большое значение имеет изучение процессов Биосинтез а, биоэнергетики (См. Биоэнергетика), т.к. энергетически биологические процессы (например, сокращение мышц) чрезвычайно экономичны. Одновременно с прогрессом техники, который обеспечивается успехами Б., она приносит пользу и самой биологии, т.к. помогает активно понять и моделировать те или иные биологические явления или структуры (см. Моделирование). См. также Кибернетика , Биомеханика , Биоуправление .

Лит.: Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963: Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963; Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967; Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967; Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968; Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968: Библиографический указатель по бионике, М., 1965.

Р. М. Баевский.

Рис. 1. Схематическое изображение нейрона (слева), его модели (в середине) и электрическая схема искусственного нейрона (справа): 1 - тело клетки; 2 - дендриты; 3 - аксон; 4 - коллатерали; 5 - концевое разветвление аксона; P n , P i , P 2 , P 1 - входы нейрона; S n , S i , S 2 , S 1 - синаптические контакты; Р - выходной сигнал; К - пороговое значение сигнала; R 1 - R 6 , R m - сопротивления; C 1 - C 3 , C m - конденсаторы; T 1 -T 3 - транзисторы; D - диод.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Бионика" в других словарях:

- [Словарь иностранных слов русского языка

- [от био... и (электро) ника], наука, изучающая живые организмы с целью использования результатов познания механизмов их функционирования при конструировании машин и создании новых техничеких систем. Например, данные бионики, полученные при… … Экологический словарь

бионика - Этимология. Происходит от греч. biо жизнь. Категория. Научная дисциплина. Специфика. Изучает принципы функционирования живых систем для использования их в области инженерной практики. Начала свое формирование в 60 х гг. ХХ в. Основным методом… … Большая психологическая энциклопедия

БИОНИКА, направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих. Сформировалась во 2 й половине 20 в. Для решения… … Современная энциклопедия

Глазкова Настя

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.

Скачать:

Предварительный просмотр:

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

Птица – действующий по математическом закону

инструмент, сделать который в человеческой власти

Со всеми его движениями…

Леонардо да Винчи.

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.