Біоніка Природа знає краще
Олена Ажніна
У природі є багато причин, яких людство не має у своєму досвіді.
Природа і люди будують за одним і тим самим законам, дотримуючись принципу економії матеріалу і підбираючи для систем оптимальні конструктивні рішення (перерозподіл навантаження, стійкість, економію матеріалу, енергії).
Тривалий час біоніка розвивалася стрибкоподібно. Спочатку інженери та конструктори знаходили вдале рішення будь-якої задачі, а через деякий час виявлялося, що у живих організмів існують аналогічні конструктивні рішення та, як правило, оптимальні.
Сьогодні біоніка має кілька напрямків. Архітектурно-будівельна біоніка вивчає закони формування та структуроутворення живих тканин, займається аналізом конструктивних систем живих організмів за принципом економії матеріалу, енергії та забезпечення надійності. Нейробіоніка вивчає роботу мозку, досліджує механізми пам'яті. Інтенсивно вивчаються органи почуттів тварин, внутрішні механізми реакцію навколишнє середовище і в тварин, і в рослин.
Яскравий приклад архітектурно-будівельної біоніки – повна аналогія будови стебел злаків та сучасних висотних споруд. Стебла злакових рослин здатні витримувати великі навантаження і при цьому не ламатися під вагою суцвіття. Якщо вітер пригинає їх до землі, вони швидко відновлюють вертикальне положення. У чому секрет? Виявляється, їхня будова схожа на конструкцію сучасних висотних фабричних труб — одне з останніх досягнень інженерної думки. Обидві конструкції порожнисті. Склеренхімні тяжі стебла рослини відіграють роль поздовжньої арматури. Міжвузля стебел – кільця жорсткості. Уздовж стін стебла знаходяться овальні вертикальні порожнечі. Стіни труби мають таке жконструктивне рішення. Роль спіральної арматури, розміщеної біля зовнішньої сторони труби в стеблі злакових рослин, виконує тонка шкірка. Проте до свого конструктивного рішення інженери прийшли самостійно, не заглядаючи в природу. Ідентичність будови було виявлено пізніше.
В останні роки біоніка підтверджує, що більшість людських винаходів вже запатентовано природою. Такий винахід ХХ століття, як застібки "блискавка" та "липучки", було зроблено на основі будови пера птаха. Борідки пера різних порядків, оснащені гачками, забезпечують надійне зчеплення.
Відомі іспанські архітектори М.Р. Сервера та Х. Плоз, активні прихильники біоніки, з 1985 р. розпочали дослідження «динамічних структур», а в 1991 р. організували «Товариство підтримки інновацій в архітектурі». Група під їх керівництвом, до складу якої увійшли архітектори, інженери, дизайнери, біологи та психологи, розробила проект «Вертикальне біонічне місто-вежа». Через 15 років у Шанхаї має з'явитися місто-вежа (за прогнозами вчених, через 20 років чисельність Шанхаю може досягти 30 млн осіб). Місто-вежа розраховане на 100 тисяч осіб, в основу проекту покладено «принцип конструкції дерева».
Башта-город матиме форму кипариса заввишки 1128 м з обхватом біля основи 133 на 100 м, а найширшій точці 166 на 133 м. У вежі буде 300 поверхів, і розташовані вони будуть у 12 вертикальних кварталах по 80 поверхів. Між кварталами — перекриття-стяжки, які відіграють роль конструкції для кожного рівня-кварталу. Усередині кварталів — різні будинки з вертикальними садами. Ця ретельно продумана конструкція аналогічна до будови гілок і всієї крони кипарису. Стоятиме вежа на палевому фундаменті за принципом гармошки, який не заглиблюється, арозвивається на всі боки в міру набору висоти - аналогічно тому, як розвивається коренева система дерева. Вітрові коливання верхніх поверхів зведені до мінімуму: повітря легко проходить крізь конструкцію вежі. Для облицювання башти буде використано спеціальний пластичний матеріал, що імітує пористу поверхню шкіри. Якщо будівництво пройде успішно, планується збудувати ще кілька таких будівель-міст.
В архітектурно-будівельній біоніці багато уваги приділяється новим будівельним технологіям. Наприклад, у галузі розробок ефективних та безвідходних будівельних технологій перспективним напрямом є створення шаруватих конструкцій. Ідея запозичена у глибоководних молюсків. Їх міцні черепашки, наприклад у широко поширеного «морського вуха», складаються з жорстких і м'яких пластинок, що чергуються. Коли жорстка пластинка тріскається, деформація поглинається м'яким шаром і тріщина не йде далі. Така технологія може бути використана для покриття автомобілів.
Основними напрямками нейробіоніки є вивчення нервової системи людини та тварин та моделювання нервових клітин-нейронів та нейронних мереж. Це дає можливість удосконалювати та розвивати електронну та обчислювальну техніку.
Нервова система живих організмів має ряд переваг перед найсучаснішими аналогами, винайденими людиною: 1. Гнучке сприйняття зовнішньої інформації незалежно від форми, у якій вона надходить (почерк, шрифт, колір, тембр тощо. буд.). 2. Висока надійність: технічні системи виходять з ладу при поломці однієї або кількох деталей, а мозок зберігає працездатність при загибелі навіть кількох сотень тисяч клітин. 3. Мініатюрність. Наприклад, транзисторний пристрій з таким самим числом елементів, як головний мозок людини,займало б об'єм близько 1000 м 3 тоді як наш мозок займає об'єм 1,5 дм 3 . 4. Економічність споживання енергії - різниця просто очевидна. 5. Високий ступінь самоорганізації - швидке пристосування до нових ситуацій, зміни програм діяльності.
До 100-х роковин Великої французької революції в Парижі було організовано всесвітню виставку. На території цієї виставки планувалося спорудити вежу, яка б символізувала і велич Французької революції, і новітні досягнення техніки. На конкурс надійшло понад 700 проектів, найкращим було визнано проект інженера-мостовика Олександра Гюстава Ейфеля. Наприкінці ХІХ століття вежа, названа ім'ям свого творця, вразила весь світ ажурністю та красою. 300-метрова вежа стала своєрідним символом Парижа. Ходили чутки, ніби збудовано вежу за кресленнями невідомого арабського вченого. І лише більш ніж через півстоліття біологи та інженери зробили несподіване відкриття: конструкція Ейфелевої вежі в точності повторює будову великої гомілкової кістки, що легко витримує тяжкість людського тіла. Збігаються навіть кути між несучими поверхнями.
Вивчення механізмів пам'яті веде до створення "думаючих" машин для автоматизації складних процесів виробництва та управління.
Давно відомо, що птахи, риби, комахи дуже чуйно та безпомилково реагують на зміни погоди. Низький політ ластівок віщує грозу. За скупченням медуз біля берега рибалки дізнаються, що можна вирушати на промисел, море буде спокійним. Тварини-«біосиноптики» від природи наділені унікальними надчутливими «приладами». Завдання біоніки — як знайти ці механізми, а й зрозуміти їх дію і відтворити їх у електронних схемах, приладах, конструкціях.
Вивчення складної навігаційної системи риб таптахів, які долають тисячі кілометрів під час міграцій та безпомилково повертаються до своїх місць для нересту, зимівлі, виведення пташенят, сприяє розробці високочутливих систем стеження, наведення та розпізнавання об'єктів.
В даний час великим внеском у хід науково-технічного прогресу є дослідження аналізаторних систем тварин та людини. Ці системи настільки складні та чутливі, що поки що не мають собі рівних серед технічних пристроїв. Наприклад, термочутливий орган гримучої змії розрізняє зміни температури 0,0010C; електричний орган риб (скатів, електричних вугрів) сприймає потенціали 0,01 мікровольта, очі багатьох нічних тварин реагують на поодинокі кванти світла, риби відчувають зміну концентрації речовини у воді 1 мг/м3 (=1мкг/л).
Багато живих організмів мають такі аналізаторні системи, яких немає в людини. Наприклад, у коників на 12-му членику вусиків є горбок, що сприймає інфрачервоне випромінювання. У акул і схилів є канали на голові і в передній частині тулуба, що сприймають зміни температури 0,10С. Пристрій, що сприймає радіоактивне випромінювання, мають равлики, мурахи та терміти. Багато хто реагує на зміни магнітного поля (в основному птахи та комахи, які здійснюють далекі міграції). Є ті, хто сприймає інфра- та ультразвукові коливання: сови, кажани, дельфіни, кити, більшість комах і т. д.
Є ще багато систем орієнтації в просторі, пристрій яких поки не вивчений: бджоли та оси добре орієнтуються по сонцю, самці метеликів (наприклад, нічний павич очей, бражник мертва голова і т. д.) відшукують самку на відстані 10 км. Морські черепахи табагато риб (вугри, осетри, лососі) відпливають на кілька тисяч кілометрів від рідних берегів і безпомилково повертаються для кладки яєць і нересту до того самого місця, звідки самі почали свій життєвий шлях. Передбачається, що вони мають дві системи орієнтації — далека, за зірками та сонцем, і ближня — за запахом (хімізм прибережних вод).
Чому ж за сучасного розвитку техніки природа настільки випереджає людини? По-перше, щоб зрозуміти пристрій та принцип дії живої системи, змоделювати її та втілити у конкретних конструкціях та приладах, потрібні універсальні знання. А сьогодні, після тривалого процесу дроблення наукових дисциплін, лише починає позначатися потреба у такій організації знань, яка б охопити і об'єднати їх з урахуванням єдиних загальних принципів.
А по-друге, у живій природі сталість форм та структур біологічних систем підтримується за рахунок їх безперервного відновлення, оскільки ми маємо справу зі структурами, які безперервно руйнуються та відновлюються. Кожна клітина має свій період поділу, свій цикл життя. У всіх живих організмах процеси розпаду і відновлення компенсують один одного, і вся система знаходиться в динамічній рівновазі, що дає можливість пристосовуватися, перебудовуючи свої конструкції відповідно до умов, що змінюються. Основною умовою існування біологічних систем є їхнє безперервне функціонування. Технічні системи, створені людиною, немає внутрішнього динамічного рівноваги процесів розпаду і відновлення, й у сенсі вони статичні. Їхнє функціонування, як правило, періодично. Ця різниця між природними та технічними системами дуже суттєва з інженерної точки зору.
Живі системи значно різноманітнішіта складніше технічних конструкцій. Біологічні форми часто не можуть бути розраховані через їхню надзвичайну складність. Ми просто ще не знаємо законів їхнього формування. Таємниці структуроутворення живих організмів, подробиці життєвих процесів, що відбуваються в них, пристрій і принципи функціонування можна дізнатися лише за допомогою найсучаснішої апаратури, що не завжди доступно. Але навіть за наявності новітньої техніки дуже багато залишається «за кадром».
Вивчення гідродинамічних особливостей будови китів та дельфінів допомогло створити особливу обшивку підводної частини кораблів, яка забезпечує підвищення швидкості на 20–25% за тієї ж потужності двигуна. Називається ця обшивка ламінфло і, аналогічно до шкіри дельфіна, не змочується і має еластично-пружну структуру, що усуває турбулентні завихрення і забезпечує ковзання з мінімальним опором. Такий приклад можна навести з історії авіації. Довгий час проблемою швидкісної авіації був флаттер — вібрації крил, що раптово і бурхливо виникають на певній швидкості. Через ці вібрації літак розвалювався в повітрі за кілька секунд. Після численних аварій конструктори знайшли вихід – крила почали робити із потовщенням на кінці. Через деякий час аналогічні потовщення були виявлені на кінцях крил бабки. У біології ці потовщення називаються птеростигми. Нові принципи польоту, безколісного руху, побудови підшипників тощо розробляються на основі вивчення польоту птахів і комах, руху стрибаючих тварин, будови суглобів.