Лекция 14. Основы бионики

. Изучение функционирования живых систем — основа созда­ния принципиально новой техники. Бионика. Направления бионики. Развитие концепции человека и машины в управляющей системе.

Это наука, которые использует знания о природе для решения инженерных задач. Символ- скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла

Бионика – это совершенно новый метод в современной медицине, симбиоз биологического и искусственного материалов, который может превратиться в полноценный орган в человеческом теле.

Основы бионики: история, предмет, принципы, задачи

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.

Каждое из направлений бионики имеет три аспекта — биологический, математичес­кий и технический.

Бионика – это самая молодая наука биологического цикла. Слово «бионика» произведено от греческого «бион» — ячейка жизни.

В отличие от других наук она имеет точную дату официального рождения – 13 сентября I960 г., когда в г. Дайтон (США) на симпозиуме по использованию знаний о живых орга­низмах для усовершенствования техни­ческих систем было предложено назва­ние для вновь созданной биологической науки.

Тогда же был провозглашен ло­зунг: живые прототипы – ключ к но­вой технике.

Действительно, в течение всего пути эволюционного развития органического мира, длившегося миллиарды лет, не­прерывно вырабатывались приспособле­ния к окружающей среде. Жесткие рам­ки отбора, воздействовавшего в течение огромного количества поколений на на­правление развития всех биологических систем, и привели к выработке совершен­нейших механизмов и приспособле­ний.

В современном понимании бионика – научное направление, занимающееся изу­чением и использованием принципов организации и функционирования орга­низмов и их элементов для совершен­ствования существующих и создания принципиально новых технических си­стем.

Как и многие другие нау­ки, бионика зародилась как чисто прак­тическая отрасль знания, и лишь впо­следствии оформилось теоретическое на­правление в бионических исследованиях

Теоретическая бионика занимается изу­чением особых «инженерных» свойств организмов, причем такое изучение про­водится на базе достижений современной техники. Многие особенности животных удалось по-настоящему попять и из­учить только после того, как развитие техники привело к созданию сходных инженерных устройств. Так, например, эхолокация у животных была открыта и изучена только после создания сонара, т. е. звукового или ультразвукового ло­катора. Таким образом, теоретическая бионика позволяет глубже и разносто­роннее изучить особенности организмов на базе знания аналогичных техниче­ских устройств.

Бионику нельзя считать разделом ки­бернетики. Область бионики несравнен­но шире, и только часть ее направлений, например моделирование нейронов и нервных сетей, контактирует с кибер­нетикой.

В исследованиях по бионике можно наметить три этапа, которые выполня­ются специалистами различного профи­ля: биологом, математиком, механиком или физиком и инженером.

Поскольку первый этап представляет собой поиск и обнаружение феномена, его тщательное изучение с применением современных экспериментальных методов и наиболее совершенных технических средств, то приоритет принадлежит биологу.

Для обнаружения феномена, пред­ставляющего интерес в качестве модели будущей технической системы, применя­ются исследования в различных отрас­лях биологии. На первом этапе большое значение имеют экологические исследования в самом широком смысле слова и исследования поведения животных: изучение способов движения, миграций животных и ориентации, функции ре­цепторов, сигнальной системы связи и других сторон поведения животных в природе.

Эти исследования дают зачастую ре­зультаты типа «черного ящика», то есть становится известным только, каким сиг­налам на входе соответствуют те или иные реакции на выходе системы. Рас­шифровать внутренний механизм «чер­ного ящика» можно с помощью иссле­дований по физиологии (особенно надо выделить электрофизиологические иссле­дования центральной нервной системы, проводящих нервных путей и рецепторов с применением микроэлектродов (биохи­мии, функциональной морфологии).

Второй этап – разработка математи­ческой или физической модели принци­пов организации и функционирования изученных процессов и особенностей ор­ганизации и функционирования биоло­гического прототипа. В зависимости от направления биологических исследо­ваний этот этап выполняется математи­ком, физиком или специалистом по ме­ханике. Второй этап исследований не­редко включается в состав теоретической бионики.

На третьем 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.

Попытки моделировать биологические прототипы предпринимались задолго до официального выделения бионики как самостоятельной науки.

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.

Однако все эти разработки были лишь результатом исследований отдельных та­лантливых конструкторов и изобретате­лен. Лишь после выделения бионики в качестве самостоятельной отрасли зна­ния появились творческие коллективы и целые лаборатории, ведущие разработ­ки в этом направлении.

Современная бионика – наука весьма многогранная. Она исследует самые раз­нообразные структуры и проявления жизнедеятельности организмов с целью поисков новых технических идей и углуб­ленного изучения приспособлений, инте­ресных в теоретическом и практическом отношении. Имеется немало систем классификации разделов и направлений бионики, иногда очень детальных.

В нашем направлении идет бурное развитием и использование бионических форм в предметной среде, окружающей человека начиная с древнего мира, когда впервые начали стилизоваться природные формы в ювелирных изделиях, мебели, оружии и до наших дней. Всё больше и больше биоформы оказывают влияние на всё, что создаётся человеком от бытовой техники и медицинского оборудования до целых городов. С развитием технологий и появлением всё новых материалов возможности использования бионических форм в дизайне и архитектуре становятся практически безграничными.

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. (Формулировка принята на 1-й Международной конференции «БИОНИКА-75» в Варне Болгария).