Біоніка як нова галузь науки

В останнє десятиліття біоніка отримала сильний імпульс до нового розвитку,оскільки сучасні технології дозволяють копіювати мініатюрні природніконструкції з небувалою раніше точністю. У той же час, сучасна біонікабагато в чому пов'язана не з ажурними конструкціями минулого, а з розробкоюнових матеріалів, які копіюють природні аналоги, робототехнікою іштучними органами.
Концепція біоніки аж ніяк не нова. Наприклад, ще 3000 років тому китайцінамагалися перейняти у комах спосіб виготовлення шовку. Але наприкінці ХХ століттябіоніка отримала друге дихання, сучасні технології дозволяють копіюватимініатюрні природні конструкції з небувалою раніше точністю. Так,кілька років тому вчені змогли проаналізувати ДНК павуків і створитиштучний аналог шелковідной павутини - кевлар. У цьому оглядовомуматеріалі перераховано декілька перспективних напрямків сучасноїбіоніки та наведено найвідоміші випадки запозичень у природи.
Енциклопедична довідка
Біоніка (англомовні назви - «біоміметіка») - багатообіцяюче науково -технологічний напрямок із запозичення у природи цінних ідей іреалізації їх у вигляді конструкторських і дизайнерських рішень, а також новихінформаційних технологій.
Предмет біоніки відомий під різними назвами: наприклад, в Америці зазвичайвикористовується термін «біоміметіка», але іноді говорять про біогенезу. Сутьцього перспективного науково-технологічного напрямку полягає в тому,щоб запозичити у природи цінні ідеї та реалізовувати їх у виглядіоригінальних конструкторських і дизайнерських рішень, а також новихінформаційних технологій.
В останнє десятиліття біоніка отримала значний імпульс до новогорозвитку. Це пов'язано з тим, що сучасні технології переходять на гіга -і наноуровень і дозволяють копіювати мініатюрні природні конструкції знебувалої раніше точністю. Сучасна біоніка в основному пов'язана зрозробкою нових матеріалів, які копіюють природні аналоги, робототехнікоюі штучними органами.
Розумна природа
Головна відмінність людських інженерних конструкцій від тих, що створилаприрода, полягає в неймовірною енергоефективності останніх.
Вдосконалюючись і еволюціонуючи протягом мільйонів років, живі організминавчилися жити, пересуватися і розмножуватися з використанням мінімальногокількості енергії. Цей феномен заснований на унікальному метаболізмі тварині на оптимальному обмін енергією між різними формами життя. Такимчином, запозичуючи у природи інженерні рішення, можна істотно підвищитиенергоефективність сучасних технологій.
Природні матеріали наддешевий і поширені у величезній кількості, аїх «якість» значно кращими, ніж ті, що зроблених людиною. Так, матеріалоленячого роги значно міцніше найкращих зразків керамічногокомпозиту, які вдається розробити людям. При цьому людина використовуєдосить «тупі» енергоємні процеси для отримання тих чи іншихнадміцних речовин, а природа робить їх набагато більш інтелектуальними іефективними способами. Для цього використовуються навколишні натуральніречовини (цукру, амінокислоти, солі), але із застосуванням «ноу-хау» --оригінальних дизайнерських та інженерних рішень, надефективнихорганічних каталізаторів, які в багатьох випадках поки що недоступнірозуміння людини. Біоніка, у свою чергу, займається вивченням ікопіюванням природних «ноу-хау».
Дизайн природних конструкцій теж не йде ні в яке порівняння зі спробамилюдини сконструювати щось претендує на природне ефективність.
Форма біологічного об'єкта (наприклад, дорослого дерева) зазвичай створюєтьсяв результаті тривалого адаптивного процесу, з урахуванням багаторічноговпливу як дружніх (наприклад, підтримка з боку іншихдерев у лісі), так і агресивних факторів. Процеси росту і розвиткувключають інтерактивне регулювання на рівні клітинному. Все це всукупності забезпечує неймовірну міцність виробу протягом усьогожиттєвого циклу. Така адаптивність в процесі формоутворення призводить достворення унікальної адаптивної структури, званої в біонікаінтелектуальною системою. У той же час нашої промисловості покинедоступні технології створення інтелектуальних систем, яківзаємодіють з навколишнім середовищем і можуть пристосовуватися, змінюючи своївластивості.
В даний час учені намагаються конструювати системи хоча б змінімальної пристосовністю до навколишнього середовища. Наприклад, сучасніавтомобілі обладнані численними сенсорами, які вимірюють навантаженняна окремі вузли і можуть, наприклад, автоматично змінити тиск ушинах. Однак розробники і наука тільки на початку цього довгого шляху.
Перспективи інтелектуальних систем заворожують. Ідеальнаінтелектуальна система зможе самостійно вдосконалювати власнийдизайн і міняти свою форму найрізноманітнішими способами, наприклад,додаючи відсутній матеріал у певні частини конструкції, змінюючихімічний склад окремих вузлів і т.д. Але чи вистачить у людейспостережливості і розуму, щоб навчитися у природи?
Сучасні відкриття
Сучасна біоніка багато в чому пов'язана з розробкою нових матеріалів,які копіюють природні. Той же кевлар (вже згадуваний вище) з'явивсязавдяки спільній роботі біологів-генетиків і інженерів, фахівців зматеріалами.
В даний час деякі вчені намагаються знайти аналоги органівлюдського тіла, щоб створити, наприклад, штучне вухо (воно вжепоступило в продаж в США) або штучний очей (у стадії розробки).

Скелет глибоководних губок роду Euplectellas побудований з високоякісного оптичного волокна
Інші розробники концентруються на вивченні природних організмів.
Наприклад, дослідники з Bell Labs (корпорація Lucent) нещодавно виявилив тілі глибоководних губок роду Euplectellas високоякіснеоптоволокно. Дослідники з Bell Labs, структурного підрозділу Lucent
Technologies, виявили, що в глибоководних морських губках міститьсяоптоволокно, за властивостями дуже близьке до найсучасніших зразківволокон, що використовуються в телекомунікаційних мережах. Більш того, задеякими параметрами природне оптоволокно може виявитися кращештучного.
Відповідно до загальноприйнятої сьогодні класифікації, губки утворюють самостійнийтип примітивних безхребетних тварин. Вони ведуть абсолютно нерухомийспосіб життя. Губка роду Euplectella мешкає в тропічних морях. Вона вдовжину досягає розмірів 15-20 см. Її внутрішній каркас сітчастої формиутворюють циліндричні стрижні з прозорого діоксиду кремнію. Упідстави губки знаходиться пучок волокон, який за формою схожий насвоєрідну корону. Довжина цих волокон - від 5 до 18 см, товщина - як улюдської волосини. У ході досліджень цих волокон з'ясувалося, що вонискладаються з декількох чітко виділених концентричних шарів з різнимиоптичні властивості. Центральна частина циліндра складається з чистогодіоксиду кремнію, а навколо неї розташовані циліндри, у складі якихпомітне кількість органіки.
Вчені були вражені тим, наскільки близькими виявилися структури природнихоптичних волокон до тих зразків, що розроблялися в лабораторіях впротягом багатьох років. Хоча прозорість в центральній частині волокна кільканижче, ніж у кращих штучних зразків, природні волокна виявилисябільш стійкими до механічних дій, особливо при розриві івигині. Саме ці механічні властивості роблять вразливими оптичні мережіпередачі інформації - при утворенні тріщин або розриві в оптоволокні йогодоводиться замінювати, а це дуже дорога операція. Вчені з Bell
Labs наводять такий факт, що демонструє надзвичайно високу міцністьі гнучкість природних оптоволокон, - їх можна зав'язувати в вузол, і при цьомувони не втрачають своїх оптичних властивостей. Такі дії з штучнимиоптоволокна неминуче приведуть до поломки або, принаймні,утворення внутрішніх тріщин, що в кінцевому підсумку також означає втратуфункціональних властивостей матеріалу.
Учені поки не знають, яким чином можна відтворити в лабораторіїподібний витвір природи. Справа в тому, що сучасне оптоволокно отримуютьв печах з розплавів при дуже високій температурі, а морські губки,природно, у ході розвитку синтезують його шляхом хімічного осадженняпри температурі морської води. Якщо вдасться змоделювати цей процес, вінбуде, крім усього іншого, ще й економічно вигідним.
За результатами тестів виявилося, що матеріал з скелету цих 20 --сантиметрових губок може пропускати цифровий сигнал не гірше, ніжсучасні комунікаційні кабелі, при цьому природне оптоволокнозначно міцніше людського завдяки наявності органічної оболонки.
Друга особливість, яка здивувала вчених, - це можливість формуванняподібного речовини при температурі близько нуля градусів за Цельсієм, у тойчас як на заводах Lucent для цих цілей використовується високотемпературнаобробка. Тепер вчені думають над тим, як збільшити довжину новогоматеріалу, оскільки скелети морських губок не перевищують 15 см.
Крім розробки нових матеріалів, вчені постійно повідомляють протехнологічних відкриттях, які базуються на «інтелектуальномупотенціал »природи. Наприклад, у жовтні 2003 року в дослідномуцентрі Xerox в Пало Альто розробили нову технологію механізму, що подаєдля копірів і принтерів.

У новій друкованої схеми, створеної в дослідницькому центрі Xerox (Пало
Альто), відсутні рухомі частини (вона складається з 144 наборів по 4 сопла в кожному)
У пристрої AirJet розробники скопіювали поведінку зграї термітів, декожен терміт приймає незалежні рішення, але при цьому зграя рухається доспільної мети, наприклад, побудові гнізда.
Сконструйована в Пало Альто друкована схема оснащена безліччю повітрянихсопів, кожне з яких діє незалежно, без команд центральногопроцесора, однак у той же час вони сприяють виконанню загального завдання --просуванню папери. У пристрої відсутні рухомі частини, що дозволяєздешевити виробництво. Кожна друкована схема містить 144 набори по 4сопла, спрямованих у різні сторони, а також 32 тис. оптичних сенсорів імікроконтролерів.
Але самі віддані адепти біоніки - це інженери, які займаютьсяконструюванням роботів. Сьогодні серед розробників вельми популярнаточка зору, що в майбутньому роботи (детальніше про робототехніці див. тут)зможуть ефективно діяти тільки в тому випадку, якщо вони будутьмаксимально схожі на людей. Вчені й інженери виходять з того, що їмдоведеться функціонувати в міських і домашніх умовах, тобто в
«Людському» інтер'єрі - зі сходами, дверима та іншими перешкодамиспецифічного розміру. Тому, як мінімум, вони зобов'язані відповідатилюдині за розміром і за принципами пересування. Іншими словами, у роботаобов'язково повинні бути ноги (колеса, гусениці та інше не підходить дляміста). Але у кого копіювати конструкцію ніг, якщо не у тварин?
У напрямку створення прямоходячих двоногих роботів далі за всіхпросунулися вчені зі Стенфордського університету. Вони вже майже три рокиекспериментують з мініатюрним шестиногі роботом, гексаподом, побудованимза результатами вивчення системи пересування таргана.

Мініатюрний, довжиною близько 17 см., шестиногий робот (гексапод) з

Стенфордського університету вже бігає зі швидкістю 55 см/сек
Перший гексапод був сконструйований 25 січня 2000 Зараз конструкціябігає досить спритно - зі швидкістю 55 см (більше трьох власних довжин) всекунду - і так само успішно долає перешкоди.

монопод ростом з людини здатний утримувати нестійку рівновагу, постійно стрибаючи (Стенфордський університет)
У Стенфорді так само розроблений одноногий стрибучий монопод людськогозростання, який здатний утримувати нестійку рівновагу, постійнострибаючи. Як відомо, людина переміщається шляхом «падіння» з однієї ноги наіншу і більшу частину часу проводить на одній нозі. У перспективі вченіз Стенфорда сподіваються створити двоногого робота з людською системоюходьби.
Перші приклади біоніки
Майже будь-яка технологічна проблема, яка постає перед дизайнерами абоінженерами, була вже давно успішно вирішена іншими живими істотами.
Наприклад, виробники прохолодних напоїв постійно шукають новіспособи пакування своєї продукції. У той же час звичайна яблуня давно вирішилацю проблему. Яблуко на 97% складається з води, упакованої аж ніяк не вдеревний картон, а в їстівну шкірку, досить апетитну, щобзалучити тварин, які з'їдають фрукт і поширюють зерна.
Фахівці з біоніка міркують саме таким чином. Коли вонистикаються з якоюсь інженерної або дизайнерської проблемою, вони шукаютьрішення в «науковій базі» необмеженого розміру, яка належитьтварин і рослин.
Приблизно так само вчинив Густав Ейфель, який в 1889 році побудував креслення
Ейфелевої вежі. Ця споруда вважається одним з найбільш ранніх очевиднихприкладів використання біоніки в інженерії.
Конструкція Ейфелевої вежі заснована на науковій роботі швейцарськогопрофесора анатомії Хермана фон Мейєра (Hermann Von Meyer). За 40 років доспоруди паризького інженерного дива професор досліджував кістковуструктуру головки стегнової кістки в тому місці, де вона згинається і підкутом входить в суглоб. І при цьому кістка чомусь не ламається під вагоютіла.

Фон Мейєр виявив, що голівка кістки покрита витонченою мережею мініатюрнихкісточок, завдяки яким навантаження дивним чиномперерозподіляється по кістці. Ця мережа мала сувору геометричнуструктуру, яку професор задокументував.
У 1866 році швейцарський інженер Карл Кульман (Carl Cullman) підвівтеоретичну базу під відкриття фон Мейер, а через 20 років природнерозподіл навантаження за допомогою кривих супортів було використано
Ейфелем.

Пл дурнішніка причепився до сорочки
Інше знамените запозичення зробив швейцарський інженер Джордж де
Местраль (Georges de Mestral) в 1955 році. Він часто гуляв зі своїм собакоюі зауважив, що до її вовни постійно прилипають якісь незрозумілірослини. Статут постійно чистити собаку, інженер вирішив з'ясувати причину,за якою бур'яни прилипають до шерсті. Дослідивши феномен, де Местральвизначив, що він можливий завдяки маленьким гачкам на плодах дурнішніка
(так називається цей бур'ян). У результаті інженер усвідомив важливістьзробленого відкриття і через вісім років запатентував зручну «липучку»
Velcro, яка сьогодні широко використовується при виготовленні не тількивійськової, але і цивільного одягу.
Природа відкриває перед інженерами і вченими нескінченні можливості позапозичення технологій і ідей. Раніше були люди не здатні побачити те,що знаходиться у них буквально перед носом, але сучасні технічнізасоби і комп'ютерне моделювання допомагає хоч трохи розібратися вте, як влаштований навколишній світ, і спробувати скопіювати з нього деякідеталі для власних потреб.