Біоніка як нова галузь науки Реферат Кібернетика

Біоніка як нова галузь науки.

В останнє десятиліття біоніка отримала сильний імпульс новому розвитку, оскільки сучасні технології дозволяють копіювати мініатюрні природні конструкції з небувалою раніше точністю. У той же час сучасна біоніка багато в чому пов'язана не з ажурними конструкціями минулого, а з розробкою нових матеріалів, що копіюють природні аналоги, робототехнікою та штучними органами.

Концепція біоніки аж ніяк не нова. Наприклад, ще 3000 років тому китайці намагалися запозичити у комах спосіб виготовлення шовку. Але наприкінці ХХ століття біоніка набула другого дихання, сучасні технології дозволяють копіювати мініатюрні природні конструкції з небувалою раніше точністю. Так, кілька років тому вчені змогли проаналізувати ДНК павуків та створити штучний аналог шовкоподібної павутини – кевлар. У цьому оглядовому матеріалі перераховано кілька перспективних напрямів сучасної біоніки та наведено найвідоміші випадки запозичень у природи.

Біоніка(англомовні назви – «біоміметика») – багатообіцяючий науково-технологічний напрям із запозичення у природи цінних ідей та реалізації їх у вигляді конструкторських та дизайнерських рішень, а також нових інформаційних технологій.

Предметбіонікивідомий під різними назвами: наприклад, в Америці зазвичай використовується термін «біоміметіка», але іноді говорять пробіогенез. Суть цього перспективного науково-технологічного напряму полягає в тому, щоб запозичувати у природи цінні ідеї та реалізовувати їх у вигляді оригінальних конструкторських та дизайнерських рішень, а також нових інформаційних технологій.

В останнєдесятиліття біоніка отримала значний імпульс новому розвитку. Це пов'язано з тим, що сучасні технології переходять на гіга- та нанорівень і дозволяють копіювати мініатюрні природні конструкції з небувалою точністю. Сучасна біоніка здебільшого пов'язана з розробкою нових матеріалів, що копіюють природні аналоги, робототехнікою та штучними органами.

Головна відмінність людських інженерних конструкцій від тих, що створила природа, полягає у неймовірній енергоефективності останніх. Удосконалюючись та еволюціонуючи протягом мільйонів років, живі організми навчилися жити, пересуватися та розмножуватися з використанням мінімальної кількості енергії. Цей феномен заснований на унікальному метаболізмі тварин і оптимальному обміні енергією між різними формами життя. Таким чином, запозичуючи у природи інженерні рішення, можна суттєво підвищити енергоефективність сучасних технологій.

Дизайн природних конструкцій теж не йде в жодне порівняння зі спробами людини сконструювати щось претендує на природну ефективність. Форма біологічного об'єкта (наприклад, дорослого дерева) зазвичай створюється внаслідок тривалого адаптивного процесу, з урахуванням багаторічного впливу як дружніх (наприклад, підтримка з боку інших дерев у лісі), і агресивних чинників. Процеси зростання та розвитку включають інтерактивне регулювання на клітинному рівні. Все це разом забезпечує неймовірну міцність виробу протягом усього життєвого циклу. Така адаптивність у процесі формоутворення призводить до створення унікальної адаптивної структури, яка називається в біоніціінтелектуальною системою. У той же час, нашої промисловості поки недоступні технології створення інтелектуальних систем, яківзаємодіють із навколишнім середовищем та можуть пристосовуватися, змінюючи свої властивості.

В даний час вчені намагаються конструювати системи хоча б з мінімальною пристосовністю до навколишнього середовища. Наприклад, сучасні автомобілі обладнані численними сенсорами, які вимірюють навантаження на окремі вузли та можуть, наприклад, автоматично змінити тиск у шинах. Однак розробники та наука тільки на початку цього довгого шляху.

Перспективи інтелектуальних систем зачаровують. Ідеальна інтелектуальна система зможе самостійно вдосконалювати власний дизайн і змінювати свою форму найрізноманітнішими способами, наприклад, додаючи відсутній матеріал у певні частини конструкції, змінюючи хімічний склад окремих вузлів тощо. Але чи вистачить у людей спостережливості та розуму, щоб навчитися у природи?

Сучасна біоніка багато в чому пов'язана із розробкою нових матеріалів, що копіюють природні. Той же кевлар (який уже згадувався вище) з'явився завдяки спільній роботі біологів-генетиків та інженерів, фахівців за матеріалами.

В даний час деякі вчені намагаються знайти аналоги органів людського тіла, щоб створити, наприклад, штучне вухо (воно вже надійшло у продаж у США) або штучне око (у стадії розробки).

Скелет глибоководних губок роду Euplectellas побудований з високоякісного оптоволокна

Інші розробники концентруються вивчення природних організмів. Наприклад, дослідники з Bell Labs (корпорація Lucent) нещодавно виявили у тілі глибоководних губок роду Euplectellas високоякісне оптоволокно.Дослідники з Bell Labs, структурного підрозділу Lucent Technologies, виявили, що в глибоководних морських губках міститься оптоволокно,властивостям дуже близьке до найсучасніших зразків волокон, які у телекомунікаційних мережах. Більше того, за деякими параметрами природне оптоволокно може виявитися кращим за штучне.

Відповідно до загальноприйнятої сьогодні класифікації, губки утворюють самостійний тип примітивних безхребетних тварин. Вони ведуть абсолютно нерухомий спосіб життя. Губка роду Euplectella мешкає у тропічних морях. Вона в довжину досягає розмірів 15-20 см. Її внутрішній каркас сітківки утворюють циліндричні стрижні з прозорого діоксиду кремнію. В основі губки знаходиться пучок волокон, який формою схожий на своєрідну корону. Довжина цих волокон – від 5 до 18 см, товщина – як у людського волосся. У ході досліджень цих волокон з'ясувалося, що вони складаються з кількох чітко виділених концентричних шарів із різними оптичними властивостями. Центральна частина циліндра складається з чистого діоксиду кремнію, а довкола неї розташовані циліндри, у складі яких помітна кількість органіки.

Вчені були вражені тим, наскільки близькими виявилися структури природних оптичних волокон до зразків, що розроблялися в лабораторіях протягом багатьох років. Хоча прозорість у центральній частині волокна дещо нижча, ніж у кращих штучних зразків, природні волокна виявилися більш стійкими до механічних впливів, особливо при розриві та згинанні. Саме ці механічні властивості роблять уразливими оптичні мережі передачі - при утворенні тріщин чи розриві в оптоволокні його доводиться замінювати, але це дуже дорога операція. Вчені з Bell Labs наводять наступний факт, що демонструє надзвичайно високу міцність та гнучкість природних оптоволокон, - їх можна зав'язувати у вузол, і при цьому вони не втрачають своїхоптичних властивостей Такі дії зі штучними оптоволокнами неминуче призведуть до поломки або, принаймні, утворення внутрішніх тріщин, що в кінцевому підсумку означає втрату функціональних властивостей матеріалу.

Вчені поки не знають, як можна відтворити в лабораторії подібний витвір природи. Справа в тому, що сучасне оптоволокно отримують у печах з розплавів за дуже високої температури, а морські губки, природно, у ході розвитку синтезують його шляхом хімічного осадження при температурі морської води. Якщо вдасться змоделювати цей процес, він буде, крім іншого, ще й економічно вигідним.

За результатами тестів виявилося, що матеріал зі скелета цих 20-сантиметрових губок може пропускати цифровий сигнал не гірше, ніж сучасні комунікаційні кабелі, при цьому природне оптоволокно значно міцніше за людську завдяки наявності органічної оболонки. Друга особливість, яка здивувала вчених, - це можливість формування подібної речовини при температурі близько нуля градусів за Цельсієм, тоді як на заводах Lucent для цих цілей використовують високотемпературну обробку. Наразі вчені думають над тим, як збільшити довжину нового матеріалу, оскільки скелети морських губок не перевищують 15 см.

У новій друкованій схемі, створеній у дослідному центрі Xerox (Пало Альто), відсутні рухливі частини (вона складається із 144 наборів по 4 сопла в кожному)

У пристрої AirJet розробники скопіювали поведінку зграї термітів, де кожен терміт приймає незалежні рішення, але при цьому зграя рухається до загальної мети, наприклад, побудови гнізда.

Сконструйована в Пало Альто друкована схема оснащена безліччю повітряних сопел, кожне з яких діє незалежно без команд.центрального процесора, однак у той же час вони сприяють виконанню загального завдання - просування паперу. У пристрої відсутні рухливі частини, що дозволяє здешевити виробництво. Кожна друкована схема містить 144 набори по 4 сопла, спрямованих у різні сторони, а також 32 тис. оптичних сенсорів та мікроконтролерів.

Але найвідданіші адепти біоніки — це інженери, які займаються конструюванням роботів. Сьогодні серед розробників дуже популярна точка зору, що в майбутньому роботи (докладніше про робототехніку див. тут) зможуть ефективно діяти тільки в тому випадку, якщо вони максимально схожі на людей. Вчені та інженери виходять із того, що їм доведеться функціонувати в міських та домашніх умовах, тобто в «людському» інтер'єрі — зі сходами, дверима та іншими перешкодами специфічного розміру. Тому, як мінімум, вони повинні відповідати людині за розміром та за принципами пересування. Іншими словами, у робота обов'язково мають бути ноги (колеса, гусениці та інше не підходить для міста). Але у кого копіювати конструкцію ніг, якщо не тварин?

У напрямку створення прямохідних двоногих роботів далі за всіх просунулися вчені зі Стенфордського університету. Вони вже майже три роки експериментують із мініатюрним шестиногим роботом, гексаподом, побудованим за результатами вивчення системи пересування таргана.

Мініатюрний, довжиною близько 17 см, шестиногий робот (гексапод) зі Стенфордського університету вже бігає зі швидкістю 55 см/сек

Монопод ростом з людини здатний утримувати нестійку рівновагу, постійно стрибаючи (Стенфордський університет)

У Стенфорді також розроблено одноногий стрибаючий монопод людського росту, який здатний утримувати нестійку рівновагу,постійно стрибаючи. Як відомо, людина переміщається шляхом «падіння» з однієї ноги на іншу та більшу частину часу проводить на одній нозі. У перспективі вчені зі Стенфорда сподіваються створити двоногого робота із людською системою ходьби.

Перші приклади біоніки

Майже будь-яка технологічна проблема, яка постає перед дизайнерами чи інженерами, була давно успішно вирішена іншими живими істотами. Наприклад, виробники прохолодних напоїв постійно шукають нові способи пакування своєї продукції. У той же час, звичайна яблуня давно вирішила цю проблему. Яблуко на 97% складається з води, упакованої аж ніяк не в деревний картон, а в їстівну шкірку, досить апетитну, щоб залучити тварин, які з'їдають фрукт і поширюють зерна.

Фахівці з біоніки міркують саме таким чином. Коли вони стикаються з якоюсь інженерною або дизайнерською проблемою, вони шукають рішення в «науковій базі» необмеженого розміру, що належить тваринам та рослинам.

Приблизно так само вчинив Густав Ейфель, який в 1889 побудував креслення Ейфелевої вежі. Ця споруда вважається одним із найраніших очевидних прикладів використання біоніки в інженерії.

Конструкція Ейфелевої вежі ґрунтується на науковій роботі швейцарського професора анатомії Хермана фон Мейєра (Hermann Von Meyer). За 40 років до спорудження паризького інженерного дива професор досліджував кісткову структуру головки стегнової кістки там, де вона згинається і під кутом входить у суглоб. І при цьому кістка чомусь не ламається під вагою тіла.

Кісткова структура головки стегнової кістки

Основа Ейфелевої вежі нагадує кісткову структуру головки стегнової кістки.

Фон Мейєр виявив, що головка кісткипокрита витонченою мережею мініатюрних кісточок, завдяки яким навантаження дивним чином перерозподіляється по кістці. Ця мережа мала сувору геометричну структуру, яку професор задокументував.

В 1866 швейцарський інженер Карл Кульман (Carl Cullman) підвів теоретичну базу під відкриття фон Мейєра, а через 20 років природний розподіл навантаження за допомогою кривих супортів було використано Ейфелем.

Плід дурнишника причепився до сорочки

Інше знамените запозичення зробив швейцарський інженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) у 1955 році. Він часто гуляв зі своїм собакою і помітив, що до його вовни постійно прилипають якісь незрозумілі рослини. Втомившись постійно чистити собаку, інженер вирішив з'ясувати причину, через яку бур'яни прилипають до вовни. Дослідивши феномен, де Местраль визначив, що він можливий завдяки маленьким гачкам на плодах дурнишника (так називається це бур'ян). В результаті інженер усвідомив важливість зробленого відкриття і за вісім років запатентував зручну «липучку» Velcro, яка сьогодні широко використовується при виготовленні не тільки військового, а й цивільного одягу.

Природа відкриває перед інженерами та вченими нескінченні можливості щодо запозичення технологій та ідей. Раніше люди були не здатні побачити те, що знаходиться у них буквально перед носом, але сучасні технічні засоби та комп'ютерне моделювання допомагає хоч трохи розібратися в тому, як влаштований світ довкола себе, і спробувати скопіювати з нього деякі деталі для власних потреб.