Раздел 1. Бионика как наука

1. Основные понятия, определения, положения и методы исследований бионики

Бионика (от греч. βίοn — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, изучающая формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Предмет этого перспективного научно-технологического направления состоит в изучении принципов построения и функционирования живых организмов с целью применения их в технике для коренного совершенствования существующих и создания новых машин, механизмов, приборов, строительных конструкций и технологических процессов, а также новых информационных технологий. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией и инженерными науками — электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Основу бионики составляют исследования по моделированию биологических организмов.

Моделирование – метод исследований, заключающийся в создании модели и изучении закономерностей её функционирования. Существуют следующие виды моделирования: физическое (предметное), математическое и имитационное с использованием ЭВМ.

Физическое моделирование основано на использовании статических и функциональных макетов, которые воспроизводят основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики оригинала.

Математическое моделирование заключается в описании объекта исследований системой математических выражений и операторов. Оно обладает рядом преимуществ перед другими методами моделирования – простота в использовании, точность, обобщенность, формализация. Кроме того, математическое моделирование требует определенной системы знаний, позволяет моделировать явления там, где раньше это было невозможно, оперировать количественными значениями.

Применение имитационных методов получило распространение в связи с активным внедрением ЭВМ в производственный процесс и позволяет избежать недостатков экспериментальных и математических методов. В результате многократного моделирования на ЭВМ выдаются результаты функционирования системы. Применение ЭВМ является результатом объективно протекающих процессов, направленных на усложнение моделей, ускорение обработки полученных результатов, автоматизацию проведения научных исследований. Использование ЭВМ позволяет применять более сложные модели с большим количеством параметров, накапливать необходимый объем экспериментальных данных за короткий период времени, получать количественные характеристики систем, повышать достоверность и сопоставимость результатов различных работ и публикаций, обеспечивать автоматизацию проведения научных исследований и проектирования.

бионическая модель – совокупность математических уравнений, компьютерных программ и технических средств, позволяющая выделить и детально исследовать те свойства биологического объекта, которые необходимы для решения технической задачи.

Для построения моделей необходимо располагать достаточной информацией об исследуемых объектах, получить которую можно путем наблюдения.

Наблюдение – это целенаправленное, организованное и систематизированное рассмотрение исследуемого объекта. Оно может быть эпизодическим, систематическим, включенным (исследователь – участник процесса) и не включенным (наблюдение со стороны). Организация наблюдения предполагает решение следующих вопросов:

1) определение задачи и цели наблюдения;

2) выбор объекта, предмета и ситуации наблюдения;

3) выбор способа наблюдения;

4) выбор способа регистрации наблюдаемого явления;

5) обработка и интерпретация полученных данных.

Наблюдение дополняется рядом способов объективной регистрации изучаемых явлений: фотографированием, киносъемкой, звукозаписью и телевизионной съемкой.

Основой для становления бионики как науки послужили биомиметика и кибернетика.

Биомиметика (от греч. bios — жизнь и лат. mimesis — подражание) – это такой подход к созданию технических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы.

Киберне́тика (от др.-греч. κυβερνητική — «искусство управления») — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество.

Объединяя в себе различные области научного познания (естественные науки с одной стороны и технические науки с другой), бионика является составляющей общей теории систем.

Общая теория систем (теория систем) — научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана с системным подходом и является конкретизацией его принципов и методов. Первый вариант общей теории систем был выдвинут Людвигом фон Берталанфи. Его основная идея состоит в признании изоморфизма законов, управляющих функционированием системных объектов. Согласно общей теории систем каждый объект в процессе его исследования должен рассматриваться как большая и сложная система, состоящая из подсистем, и одновременно как элемент более общей системы.

Система – это совокупность определённым образом взаимодействующих элементов, связанных общей функцией. Существенным признаком системы является то, что она имеет определённое назначение.

Системный подход — направление методологии научного познания, в основе которого лежит рассмотрение объекта как системы: целостного комплекса взаимосвязанных элементов; совокупности взаимодействующих объектов; совокупности сущностей и отношений. При этом системный подход является не столько методом решения задач, сколько методом постановки задач. Это качественно более высокий, нежели просто предметный, способ познания.

Основные принципы системного подхода:

– Целостность – позволяет рассматривать одновременно систему как единое целое и в то же время как подсистему для вышестоящих уровней.

– Иерархичность строения – то есть наличие множества (по крайней мере, двух) элементов, расположенных на основе подчинения элементов низшего уровня элементам высшего уровня. Реализация этого принципа хорошо видна на примере любой конкретной организации. Как известно, любая организация представляет собой взаимодействие двух подсистем: управляющей и управляемой. Одна подчиняется другой.

– Структуризация – позволяет анализировать элементы системы и их взаимосвязи в рамках конкретной организационной структуры. Как правило, процесс функционирования системы обусловлен не столько свойствами её отдельных элементов, сколько свойствами самой структуры.

– Множественность – позволяет использовать множество кибернетических, экономических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом.

– Системность – свойство объекта, которое позволяет обладать всеми признаками системы.

Эффективность системы  функция, оценивающая возможность достижение цели существования системы и зависящая от свойств системы.

В механизации сельскохозяйственного производства рассматриваются системы «человек-машина-среда» (ЧМС).

Машина – любое техническое устройство, предназначенное для целенаправленного изменения материи, энергии или информации.

Среда – совокупность внешних факторов, оказывающих влияние на работу человека-оператора и машины. Под ними понимают не только свойства обрабатываемого материала, температуру, влажность, газовый состав воздуха, шум, вибрацию, но и социально-психологические факторы, команды и пояснения руководителей работ, различные правила, инструкции и т.д.

Ошибка оператора – любое действие (или бездействие) человека, мешающее успешной работе системы «человек-машина-среда». Ошибки вызываются не только безответственностью, рассеянностью или низкой квалификацией работника, но и тем, что безошибочные действия в определенных ситуациях оказываются за пределами физических и психических возможностей человека.

При разработке сельскохозяйственных машин необходимо стремиться максимально приспособить эту технику к управлению и обслуживанию человеком.

Эргономичность  свойство техники изменять эффективность трудовой деятельности в ЧМС в зависимости от степени её соответствия физическим, биологическим и психическим свойствам человека. Эргономичность формируется на базе таких свойств техники, как управляемость, обслуживаемость, освояемость и обитаемость. Эти свойства определяются в результате исследований биомеханики и биоэргономики.

Биомеханика (от греч. bios — жизнь и mexane — механизм, рычаг) – это наука, которая изучает и анализирует многогранные и разносторонние движения живых существ. Основу биомеханики составляют физиология, геометрия, математика, анатомия и физика в разделе механики. Биомеханика связана с психологией и биохимией.

биоэргономика – это наука об использовании структур, свойств, функций, а также принципов организации разумных элементов живой природы в условиях адаптации рабочих мест, предметов и объектов труда к физиологическим и психологическим возможностям человека, которые не создают угрозы здоровью при использовании минимальных затрат биологических ресурсов. Достигнуть такого эффекта позволяет бионический подход.

Бионический подход – рожденный в практике бионических исследований специальный подход к организации и ведению научного исследования, искусство применения биологии для небиологических целей. Он возможен в любом техническом исследовании. Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры. В настоящее время бионический подход применяется при изучении живых систем, начиная с самых основ их существования на уровне атомов и молекул.

Нанобионика (англ. Nanobionics) – прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы на молекулярном и атомном уровне.

Основы бионических исследований – это учебная дисциплина, в которой рассматриваются методология и методы бионических исследований на основе объектов живой природы, а так же способы их реализации.