Бионика (от греч. biōn - элемент жизни, практически - живущий), наука, пограничная меж биологией и техникой, решающая инженерные задачки на базе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. плотно сплетена с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.
Мысль внедрения познаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пробовал выстроить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц - орнитоптер.
Возникновение кибернетики,рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого исследования строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, также использования приобретенных сведений о живых организмах для сотворения новых устройств, устройств, материалов и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся 1-ый симпозиум по Б., который официально закрепил рождение новейшей науки.
Главные направления работ по Б. обхватывают последующие трудности: исследование нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток - нейронов - и нейронных сетей для предстоящего совершенствования вычислительной техники и разработки новых частей и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика); исследование органов эмоций и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; исследование принципов ориентации, локации и навигации у разных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных мыслях.
Исследования нервной системы проявили, что она обладает рядом принципиальных и ценных особенностей и преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Эти особенности, исследование которых очень принципиально для предстоящего совершенствования электронно-вычислительных систем, последующие: 1) Очень совершенное и гибкое восприятие наружной инфы вне зависимости от формы, в какой она поступает (к примеру, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.). 2) Высочайшая надёжность, существенно превосходящая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной либо нескольких деталей; при смерти же миллионов нервных клеток из млрд, составляющих мозг, работоспособность системы сохраняется). 3) Миниатюрность частей нервной системы: при количестве частей 1010-1011 объём мозга человека 1,5 дм3. Транзисторное устройство с таким же числом частей заняло бы объём в несколько сот, а то и тыщ м3. 4) Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превосходит нескольких 10-ов вт. 5) Высочайшая степень самоорганизации нервной системы, резвое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.
Пробы моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны разные типы искусственных нейронов. Сделаны искусственные "нервные сети", способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Исследование памяти и других параметров нервной системы - основной путь сотворения "думающих" машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Исследование устройств, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень принципиально для техники, т.к. решение этой первоочередной технической трудности даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (к примеру, оборудования самолёта, содержащего 105 электрических частей).
Исследования анализаторных систем. Каждый анализатор животных и человека, воспринимающий разные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из сенсора (либо органа эмоций), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие для себя равных посреди технических устройств. Маленькие и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, к примеру, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему конфигурации температуры в 0,001°С, либо электронному органу рыб, воспринимающему потенциалы в толики микровольта, могли бы значительно ускорить ход технического прогресса и исследований.
Через более принципиальный анализатор - зрительный - в мозг человека поступает большая часть инфы. С инженерной точки зрения увлекательны последующие особенности зрительного анализатора: широкий спектр чувствительности - от единичных квантов до насыщенных световых потоков; изменение ясности видения от центра к периферии; непрерывное слежение за передвигающимися объектами; адаптация к статичному изображению (для рассматривания недвижного объекта глаз совершает маленькие колебательные движения с частотой 1-150 гц). Для технических целей представляет энтузиазм разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка - очень сложное образование; к примеру, глаз человека имеет 108 фоторецепторов, которые связаны с мозгом с помощью 106 ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: 1-ый включает 1800 фоторецепторных ячеек, 2-ой - "нейроны", воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в 3-ем слое имеется 650 "клеток" 5 различных типов. Эти исследования дают возможность сделать следящие устройства автоматического определения. Исследование чувства глубины места при видении одним глазом (монокулярном зрении) отдало возможность сделать определитель глубины места для анализа аэрофотоснимков.
Проходят работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен - люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10 мкн/м2 (0,0001 дин/см2). На техническом уровне любопытно также исследование механизма передачи инфы от уха к слуховой области мозга. Изучают органы чутья животных с целью сотворения "искусственного носа" - электрического прибора для анализа малых концентраций пахнущих веществ в воздухе либо воде [некоторые рыбы ощущают концентрацию вещества в несколько мг/м3 (мкг/л)]. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, к примеру, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в фронтальной части тела, воспринимающие конфигурации температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям владеют улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в границах искусственного магнитного поля. Некие животные отлично ощущают инфра- и ультразвуковые колебания. Некие медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в спектре 45-90 кгц, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют "приёмник ультразвука" для обнаружения летучих мышей.
Перспективно, возможно, устройство не только лишь технических аналогов органов эмоций животных, да и технических систем с на биологическом уровне чувствительными элементами (к примеру, глаза пчелы - для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана - для обнаружения инфракрасных лучей).
Огромное значение в техническом конструировании имеют т. н. персептроны - "самообучающиеся" системы, выполняющие логические функции опознавания и систематизации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой инфы. Большая часть исследовательских работ посвящено опознаванию зрительных, звуковых либо других образов, т. е. формированию сигнала либо кода, совершенно точно соответственного объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от конфигураций изображения (к примеру, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без подготовительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, говорит об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона - его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов - это набор фотоэлементов.
После периода "обучения" персептрон может принимать самостоятельные решения. На базе персептронов создаются приборы для чтения и определения текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д.
Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из принципиальных задач Б., т.к. маленькие и четкие воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, отыскивать добычу, совершать передвижения за тыщи км (см. Передвижения животных),могут посодействовать в совершенствовании устройств, применяемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация найдена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Понятно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тыщ км и ворачиваются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Считают, что у их имеются две системы: далекой ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз ищет самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы отлично ориентируются по солнцу. Исследование этих бессчетных и различных систем обнаружения может почти все дать технике.
Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, исследование структуры кожи быстроходных аква животных (к примеру, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с наименьшим сопротивлением) позволило прирастить скорость кораблей. Сотворена особая обшивка - искусственная кожа "ламинфло" (рис. 2), которая отдала возможность прирастить скорость морских судов на 15-20%. У двукрылых насекомых имеются придатки - жужжальца, которые безпрерывно вибрируют совместно с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не изменяется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон (рис. 3) - вильчатый вибратор, обеспечивающий высшую стабилизацию направления полёта самолёта при огромных скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматом выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из обстоятельств этого - особенная форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.
Разработанные на этом принципе ветряные мельницы с подвижными лопастями очень экономны и могут работать при малой скорости ветра. Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, разных манипуляторов и т.п. разрабатываются на базе исследования полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п. Анализ структуры кости, обеспечивающей её огромную лёгкость и сразу крепкость, может открыть новые способности в строительстве и т.п.
Новенькая разработка на базе биохимических процессов, происходящих в организмах, - также, по существу, неувязка Б. В этом плане огромное значение имеет исследование процессов биосинтеза, биоэнергетики, т.к. энергетически био процессы (к примеру, сокращение мускул) очень экономны. Сразу с прогрессом техники, который обеспечивается фуррорами Б., она приносит пользу и самой биологии, т.к. помогает интенсивно осознать и моделировать те либо другие био явления либо структуры (см. Моделирование). См. также Кибернетика, Биомеханика, Биоуправление.
Лит.: Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963: Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963; Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967; Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967; Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968; Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Трудности нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968: Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
Р. М. Баевский.
Бионика
Био'ника (от греч. biōn — элемент жизни, практически — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, параметров, функций и структур живой природы, т. е. формы живого в природе и их промышленные аналоги.
Различают:
- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в био системах;
- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
- техно бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Бионика плотно сплетена с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Мысль внедрения познаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пробовал выстроить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.
Возникновение кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого исследования строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, также использования приобретенных сведений о живых организмах для сотворения новых устройств, устройств, материалов и т. п.
В 1960 в Дайтоне (США) состоялся 1-ый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новейшей науки.
Главные направления работ по бионике обхватывают последующие трудности:
- исследование нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для предстоящего совершенствования вычислительной техники и разработки новых частей и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
- исследование органов эмоций и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
- исследование принципов ориентации, локации и навигации у разных животных для использования этих принципов в технике;
- исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных мыслях.
МОДЕЛИРОВАНИЕ Живых ОРГАНИЗМОВ
Создание модели в бионике - это половина дела. Для решения определенной практической задачки нужна не только лишь проверка наличия интересующих практику параметров модели, да и разработка способов расчёта заблаговременно данных технических черт устройства, разработка способов синтеза, обеспечивающих заслуги требуемых в задачке характеристик.
И потому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программка - бионическая модель. На таковой компьютерной модели можно за куцее время обработать разные характеристики и убрать конструктивные недочеты.
Конкретно так, на базе программного моделирования, обычно, проводят анализ динамики функционирования модели; что все-таки касается специального технического построения модели, то такие работы являются, непременно, необходимыми, но их мотивированная нагрузка другая. Главное в их - изыскание наилучшей базы, на которой эффективнее и поточнее всего можно воссоздать нужные характеристики модели. Скопленный в бионике практический опыт моделирования очень сложных систем имеет общенаучное значение. Большущее число её эвристических способов, совсем нужных в работах такового рода, уже на данный момент получило обширное распространение для решения принципиальных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т.п.
Сейчас бионика имеет несколько направлений.
Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает мозговую деятельность, изучит механизмы памяти. Активно изучаются органы эмоций животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. Броский пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стволы злаковых растений способны выдерживать огромные нагрузки и при всем этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они стремительно восстанавливают вертикальное положение. В чем все-таки секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции снутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Повдоль стен стебля находятся округлые вертикальные пустоты. Стены трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у наружной стороны трубы в стебле злаковых растений, делает узкая кожица. Но к собственному конструктивному решению инженеры пришли без помощи других, не "заглядывая" в природу. Идентичность строения была выявлена позднее. В последние годы бионика подтверждает, что большая часть человечьих изобретений уже "патентовано" природой. Такое изобретение ХХ века, как застежки "молния" и "липучки", было изготовлено на базе строения пера птицы. Бородки пера разных порядков, снаряженные 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 нововведений в архитектуре". Группа под их управлением, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект "Вертикальный бионический город-башня". Через 15 лет в Шанхае должен показаться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может добиться 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тыщ человек, в базу 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. В башне будет 300 этажей, и размещены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Меж кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Снутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами. Эта кропотливо обмысленная конструкция подобна строению веток 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 просто проходит через конструкцию башни. Для облицовки башни будет применен особый пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет удачно, планируется выстроить еще несколько таких зданий-городов.
В архитектурно-строительной бионике огромное внимание уделяется новым технологиям в области строительства. К примеру, в области разработок действенных и безотходных технологий в области строительства многообещающим направлением является создание слоистых конструкций. Мысль взята у глубоководных моллюсков. Их крепкие ракушки, к примеру у обширно всераспространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягеньких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягеньким слоем и трещинка не идет далее. Такая разработка может быть применена и для покрытия автомобилей.
Основными направлениями нейробионики являются исследование нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность улучшать и развивать электрическую и вычислительную технику.
