Задание 1. 1. Найти в специальной и периодической литературе примеры бионических объектов и аналоги им в природе.

1. Найти в специальной и периодической литературе примеры бионических объектов и аналоги им в природе.

2. Определить творческие источники для изображения – объекты в природе – растение и животное.

3. Стилизовать изображение и на его основе придумать варианты дизайн-объектов.

4. Создать эскизы 10 дизайн-объектов, отличных от природных аналогов.

Материалы: бумага, черная гелевая ручка, черный маркер.

Формат: А5.

Цель работы: формирование навыка аналитического изучения окружающей реальности, закрепление умений эскизной фиксации визуальных наблюдений.

Критерии оценки: точность передачи объектов, выразительность эскизных зарисовок.

Форма контроля – просмотр графических работ.

Глава 1. Бионика как новая отрасль науки

Современное состояние бионики как новой отрасли науки

Основные понятия 1 главы: бионика, биологическая бионика, теоретическая бионика, техническая бионика; архитектурано-строительная бионика, нейробионика, бионик.

Бионика на стыке биологии, кибернетики, психологии и других наук. Современные достижения в области бионики.Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, психологией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Использование в технике и в архитектуре законов и форм живой природы вполне правомерно. В мире все взаимообусловлено, нет вещей и явлений, которые бы не были связаны непосредственно или опосредованно между собой, нет непроходимых барьеров между живой природой и искусственными формами и конструкциями, существуют законы, объединяющие весь мир в единое целое и порождающие объективную возможность использования в искусственно создаваемых системах закономерностей и принципов построения живой природы и ее форм. Основой этому служит биологическое родство человека и живой природы.

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно примитивные энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» – оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность «изделия» на протяжении всего жизненного цикла.

Адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время мировой промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

В настоящее время учёные пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

Перспективные направления работ ученых в области бионики. Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно: «Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного» (рис. 2).

Рис. 2. Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен

из высококачественного оптоволокна

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях и в длину достигает размеров 15 – 20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон – от 5 до 18 см, толщина – как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Учёные были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет! Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации: при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон: их можно завязывать в узел и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что означает потерю функциональных свойств материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.

По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила учёных, – это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда (рис. 3).

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи – продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Рис. 3. В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)

Но самые преданные адепты бионики – это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере – с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду и так же успешно преодолевает препятствия (Рис. 4).

В Стенфорде также разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы (Рис. 5).

Рис. 4. Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод)

из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Рис. 5. Монопод ростом с человека способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая (Стенфордский университет)

Архитектурно-строительная бионика, нейробионика. Главные направления работ и наиболее разработанные области в бионике.Сегодня бионика имеет несколько направлений:

1. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

2. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики – полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб – одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей – кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идёт дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение ХХ века, как застежка «молния», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня» (Рис. 6).

Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м.

Рис. 6. Вертикальный бионический город-башня

В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами – перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов – разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты – аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.

Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:

1. Гибкое восприятие внешней информации, независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).

2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.

3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м3, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм3.

4. Экономичность потребления энергии: разница очевидна.

5. Высокая степень самоорганизации – быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Наиболее разработанные области бионики.Наиболее разработанные области в бионике – это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме «человек – машина». Эти направления тесно связаны друг с другом. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение основных задач обработки информации, – общая цель всех четырёх названных направлений. Именно проблемы, связанные с созданием разнообразной информационной техники, привлекают главное внимание бионики.

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные-«биосиноптики» от природы наделены уникальными сверхчувствительными «приборами». Задача бионики – не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на двенадцатом членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра – и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана – на инфракрасный и т. д.

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник «мертвая голова» и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации – дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя – по запаху (химизм прибрежных вод).

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. Сегодня, после процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

Во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается «за кадром».

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением.

Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер – внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд.

После многочисленных аварий конструкторы нашли выход – крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколёсного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.

Особенно следует подчеркнуть значение рождённого в практике бионических исследований специального подхода к организации и ведению научного исследования – бионического подхода. Он возможен в любом техническом исследовании. Бионический подход – это искусство применения биологии для небиологических целей.

Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры. Дружная работа различных специалистов, преодоление профессиональных «перегородок», выработка понимания друг друга с полуслова, создание единых методов работы – всё это, как правило, помогает решать трудные задачи.

Постоянные поиски сравнений интересующего объекта, явления, процесса, свойства, характеристики и т.д. с чем-то подобным в живой природе, скрупулёзный анализ найденных аналогий и связей, границ их применимости – в этом существо бионического подхода.

Работа на стыке наук и особенно в непосредственной связи с биологией – путь развития всех разделов современной науки, техники и практического производства.

Базовое учебное пособие:

1. Макарова Т.Л. Бионика. Практикум. – М.: МФПА, 2010. – 38 с.

Основная литература:

2. Цойх М. Бионика. – М.: Мир книги (Серия: Зачем и почему), 2007. – 48 с.

3. Бурень В. М., Бурень О. В. Биология и нанотехнология. Материалы для современной и будущей бионики. – М.: Феникс, 2006. – 125 с.

Дополнительная литература:

4. Методология биологии: новые идеи (синергетика, семиотика, коэволюция) /Отв. ред. О.Е. Баксанский. – М.: Эдиториал УРСС, 2001. – 264 с.

5. Френч Х. История архитектуры/Х.Френч; Пер. с англ. М.С. Ремизовой. – М.:ООО «Издательство АСТ»: ООО «Издательство «Астрель», 2003. – 144 с.: ил.

6. Николаев В. Гармонические каноны в природе. «Энергия», 2002, N 11. С. 51-55.

7. Журналы «Monitor» за 2000-2010 гг.

8. Журналы «Архидом» за 2004-2010 гг.

9. Журналы «Design Illustrated» за 2002-2010 гг.

Интернет-источники:

10. http://bio-nica.narod.ru/

11. http://www.an-krepost.com/stil-organika.html

12. http://www.art.thelib.ru/construction/raz/arhitekturnaya_bionika.html

13. http://www.i-u.ru/biblio

14. http://www.mensh.ru/planirovka_domov_frenka_lloida_raita

15. http://www.museum.ru/N27950

16. http://www.mensh.ru/arhitekturnyi_stil_antonio_gaudi

17. http://www.architime.ru/architects/a_antonio_gaudi.htm

18. http://www.architime.ru/architects/a_eero_saarinen.htm

19. http://sreda.boom.ru/libr/designers/s/libr_300_saarinen1.htm

20. http://www.visual-form.ru/article/004.html

Самостоятельная работа студентов.*