Современные примеры бионики в архитектуре и дизайне интерьеров. Бионика - это какая наука? Что изучает бионика? Применение бионики Биологическая бионика

Создание модели в бионике – это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчета заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа – бионическая модель . На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования , как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них – изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число ее эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвленных систем связи и т.п.

Сегодня 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 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 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 последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение ХХ века, как застежки «молния» и «липучки», 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 года начали исследования «динамических структур», а в 1991 году 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». 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. 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.

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 идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

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

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

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

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

    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 дм 3 .

    Экономичность потребления энергии - разница просто очевидна.

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

Эйфелева башня и берцовая кость

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это еще один показательный пример бионики в действии.

Как делаются открытия, как создаются различные изобретения - словом всё, что продвигает человечество вперед? Безусловно, для этого необходимы знания, талант, настойчивость и умение трудиться. Но и это ещё не всё.

Настоящего учёного отличает острая наблюдательность, соединённая с силой творческого воображения. Сочетание этих качеств и позволяет создавать промышленные аналоги природных структур.

По патентам природы

Начиная с 60-х годов XX столетия, появился новый термин - бионика, наука, использующая знания о живой природе для решения технических задач. Значимость этой науки трудно переоценить. Ведь природа создаёт свои творения с максимальной эффективностью.

Простейшим примером создания такого рукотворного аналога являются липучки и молнии, используемые в качестве застёжки на куртках обуви и т. д. А ведь и это простое, но очень удобное изобретение человек позаимствовал у природы. Колючки репейника легко прилипают к различным материалам, образуя достаточно прочное соединение, а, попав на волосы, доставляют немало неприятностей.

Огромное число интереснейших идей учёные почерпнули, изучая морских обитателей:

  • Так, отточенная тысячелетней эволюцией послужила прототипом для конструирования подводных лодок и морских судов. А изучение позволила создать совершенно уникальный материал ламинфо. Обшивка подводной части судов, выполненная из этого материала, увеличивает их быстроходность на 15–20%.

  • Вы, наверное, встречали, распластанное в морской воде, похожее на холодец . Изучая эту обитательницу морских глубин, учёные нашли у неё много интересного. Знаете, как передвигается медуза? Она с силой выталкивает из своих щупалец воду и таким образом продвигается вперед. по такому же принципу. Из её сопла с огромной скоростью вырываются раскалённые газы, толкая ракету в противоположную сторону.

  • Но медуза приготовила для людей ещё один сюрприз. Оказывается, эти особы умеют «слышать» шум приближающегося шторма. И перед бурей уходят далеко в море, чтобы не быть выброшенными на берег морскими волнами. Ученым удалось изучить эту особенность медуз. Благодаря этому открытию был создан прибор «Ухо медузы», который с тех пор очень надежно служит людям. Он позволяет предсказывать приближение шторма и за 12-15 часов до его начала. За это время моряки и рыбаки могут подготовиться к встрече с разбушевавшейся стихией. Спасибо тебе, медуза!
  • В водоемах Бразилии обитает рыбка–четырёхглазка. Собственно, глаз у неё всего два, но каждый из них разделен на две части. Верхняя половинка следит за ситуацией над поверхностью воды, а нижняя позволяет оберегаться от хищников, посягающих на эту пучеглазую красавицу. Этот же принцип лежит в основе бифокальных очков. Их линзы состоят из двух половинок, имеющих разную оптическую силу. Верхняя часть служит для зрения вдаль, нижняя - для чтения.
  • Замечательный французский исследователь морских глубин Жак–Ив Кусто с интересом наблюдал за жучком, который озабоченно тянул за собой в воду пузырек с воздухом. Это и послужило ученому идеей для создания акваланга.

Перечень патентов, позаимствованных у морских обитателей, далеко не исчерпан, но нам предстоит ещё познакомиться с интересными изобретениями, которые человечество подсмотрело у птиц и летающих насекомых.

Провожая взглядом стремительных стрижей или величавых орлов, с высоты высматривающих свою добычу, люди мечтали вот также спокойно воспарить над землей. зарисовывал полёты и , и даже разработал летательную машину, которой не суждено было подняться в воздух.

Однако, идеи, позаимствованные у природы, всё же были использованы изобретателями летательных аппаратов:

  • Конструкция крыла самолёта максимально приближена к форме крыльев крупных птиц.
  • Долгое время испытатели скоростных самолётов сталкивались с явлением флаттера - сильнейшей вибрации. Избавиться от него удалось за счёт утолщения передней кромки крыльев самолёта. Оказалась, что готовое инженерное решение этой проблемы уже давно придумала природа - подобное утолщение есть на крыльях стрекоз.
  • Стрекоза «вдохновила» конструкторов на создание вертолёта.
  • Предполагается использование живой стрекозы в качестве беспилотника. На спину к ней будет прикрепляться «рюкзачок» с управляющей системой и солнечными батареями для питания. Таким образом можно будет управлять насекомыми, направляя их для лучшего опыления сельскохозяйственных культур. Не исключено их применение для слежения за человеком.
  • Способность летучих мышей ориентироваться с помощью ультразвука послужило прообразом эхолокации. Она позволяет изучать рельеф морского дна, отыскивать затонувшие корабли, обнаруживать места скопления промысловой рыбы и т. д. Удалось даже сконструировать трость для незрячих людей, в которой вмонтирован источник и приёмник ультразвука, что в значительной степени улучшает качество их жизни.
  • Неоценимую помощь для науки оказала . Изучая один из её загадочных органов (жужжальце) учёные создали на этом принципе очень важный навигационный прибор - вибрационный гироскоп.

  • Это непривлекательное насекомое «подсказало» ещё одну интересную идею. Глаза мухи позволяют ей получать сразу множество изображений одного и того же объекта. Это позволяет ей с большой степенью точности определять скорость его движения. По этому принципу учёными был создан прибор, который так и назвали «глаз мухи». Он теперь используется для определения скорости авиалайнеров.
  • Тысячелетиями отточенное умение животных маскироваться и менять окраску под цвет окружающей среды использовали при разработке материала - хамелеона. Подаваемые на него электрические импульсы, позволяют формировать на нем ложную картинку. Военная техника, покрытая таким материалом, становиться невидимой для беспилотников, так как сливается с ландшафтом местности.
  • Оказывается, идея бинарного оружия позаимствована у жука бомбардира. Природа снабдила его оригинальным оружием для самозащиты. Две железы, работая автономно, вырабатывают два безобидных вещества, которые разгневанный жучок одновременно выбрасывает из брюшка. В точке их соединения температура достигает 100 °C! Бинарные снаряды снабжены камерой разделенной перегородкой на две части. В них содержатся два вещества, не представляющие в отдельности никакой опасности. Но при взрыве они соединяются, образуя сильнейший отравляющий газ.
  • Путешествие по залам патентной библиотеки природы приближается к концу. Но откроем еще одну папку, на которой ранее значился гриф «Совершенно секретно».

Будущее бионики

Последние годы в бионике выделился отдельный раздел - нейробионика. Он изучает сходство между ЭВМ и нервной системой животных. Одна из важнейших задач этой науки - сделать управление вычислительной техникой столь же надежным и гибким как нервная система.

К её первым успехам относится создание экзоскелетов и биопротезов, которые ставят на ноги парализованных людей. Следующий шаг - управление этими устройствами силой мысли. Вполне вероятно, что нейробионика станет основой для создания искусственного интеллекта.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Бионика. И её достижения

Выполнил:

Стёпин К.С.

Учитель:
Пономарева О.Н.

Введение_________________________________________________ 3

Первые применения бионики_________________________________ 4

Классические примеры:

Внутреннее строение стебля травянистого растения...................................... 5

Распространение плодов и семян............................................................... 5

Класс насекомые. Отряд двукрылые........................................................... 7

Строение и функции отделов головного мозга............................................. 6

Современные открытия:

Скелет глубоководных губок..................................................................... 8

Стаи термитов, на благо общества.............................................................. 9

Бегающие и прыгающие роботы................................................................ 9

Заключение______________________________________________ 10

Приложение_____________________________________________ 11

Список литературы________________________________________ 15

Введение

Био́ника (от греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий) - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области бионики [новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст. Появление этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, космической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум в Дайтоне (США) в сентябре 1960г. дал название новой науке – бионика. Лозунг симпозиума: «Живые прототипы – ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики на многие годы.] В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при создании технических систем или архитектурных объектов исследует не одна, а несколько биофизических наук.

Различают:

Биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

Теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

Техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

à изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

à исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

à изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

à исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.


Первые применения бионики

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал (приложение рис. №1).

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем (приложение рис. №2).

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды (приложение рис. №3).


Классические примеры

«Внутреннее строение стебля травянистого растения»

У поперечных срезов стеблей травянистых расте­ний - иное строение по сравнению с древесными. На­пример, в поперечном разрезе стебель растения пухоноса (приложение

рис. №5 -б) имеет форму круга. Стебель пухоноса полый и в нем воздухоносные полости 2, предназна­ченные для циркуляции воздуха. Склеренхимные тяжи 1 придают прочность растению при воздействии на них ветровых нагрузок. Кожица 3 защищает стебель от атмосферных и климатических явлений. Сердцевина стебля растет быстрее, чем кожица. Последняя как бы сдерживает ее рост. Сердцевина растянута, кожица сжата. Вследствие этого в структуре стебля создают­ся внутренние напряжения. Это и придает упругость стеблю.

Бионики, изучая закономерности формообразования природы, создают оригинальные, экономичные стро­ительные конструкции. Фабричная труба (приложение рис. №5 -в) на поперечном срезе по структуре похожа на сте­бель пухоноса. Продольная арматура 1 придает ей прочность подобно тяжам в стебле, пустоты 2 облег­чают конструкции. Центральное круглое отверстие в срезе - дымоотвод, спиральная арматура 3. На из­готовление трубы, конструкция которой заимствована у природы, использовано меньше строительных мате­риалов, чем если бы она была монолитная, затрачено меньше физического труда. Противостойкость ветро­вым нагрузкам у такой трубы не хуже природного аналога.

«Распространение плодов и семян»

Образцом для формы крыльев австрийского само­лета «Таубе» (приложение рис. №6 -а) еще на заре самолетостроения послужило летающее семя лианы зенония (приложение рис. №6 -б). Оно напоминает тыквенную семечку с изогнутыми концами. Благодаря малой массе семя обладает превосходными летными качествами. Именно это об­стоятельство и привлекло внимание изобретателя Этриха из Богемии. В 1904 г. он построил свой первый планер без хвостового оперения. Размах крыльев 6 м. Планер мог нести полезную нагрузку в 25 кг. В те­чение последующих лет Этрих, заимствуя природные аналогии, создавал новые модели планеров, совершен­ствовал их, улучшая летные качества.

Пыльца злаковых растений имеет две оболочки, наполненные воздухом, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха. Это создает пыльце подъемную силу, и поэтому она перемещается по воздуху на большие расстояния.

Принцип подъемной силы, реализуемый в приро­де, человек использовал в первых созданных им летательных аппаратах: воздушном шаре, наполненном горячим воздухом, в аэростате, дирижабле. Падаю­щий волан в бадминтоне напоминает плод-парашют одуванчика. Возможно, он или ему подобный плод-парашют подсказал Леонардо да Винчи идею па­рашюта.

«Класс насекомые. Отряд двукрылые»

Обратим внимание на наличие у комнатной мухи на ногах хеморецепторов - своеобразных миниатюрных биологических датчиков. У мухи их четыре типа: одни анализируют состав воды, другие определяют сахар, третьи исследуют различные соли, четвертые указывают на наличие белковой пищи. Такие же рецепторы есть и в ее хоботке. Благодаря им муха всегда знает, что именно у нее под ногами: еда, питье или что-то несъедобное. Хоботок мухи авто­матически отвечает на показания кожных рецепторов. Он вытянулся - и муха начинает пить или есть. По выпрямлению хоботка можно судить, какие вещества и в каких концентрациях улавливает насекомое. Ана­лиз вещества производится за несколько секунд. Таким образом, природа приобрела самые совершенные мето­ды химического анализа. Физики и химики могут воспользоваться ими, разгадав до конца методы, кото­рыми пользуется муха.

В лаборатории геофизики Института теплообмена и массообмена АН БССР из порошка кремнезема создано клейкое вещество, имеющее вязкость вазели­на. Если его нанести на колесо в электромагнитное поле,- оно мгновенно затвердевает. Колесо надежно приклеивается к опорной поверхности. При снятии магнитного поля вещество приобретает прежнее вяз­кое состояние. Инженеры создали шагающий робот (приложение рис. №7). Он ищет дефекты на металлической поверх­ности. К корпусу 5 крепятся шесть ног 4 и каждая из них имеет два привода (двигатель с передаточными механизмами). Один для горизонтального, другой для вертикального перемещения. Нога заканчивается баш­маком с подушкой 3, пропитанной клейким веществом. Он подается из резервуара к полым опорам ног. Шесть ног робота объединены в две группы, по три в каждой. Шагает робот одновременно одной груп­пой ног, а другая приклеена к опорной поверхности. Попеременно к башмакам то одной, то другой группы ног подается электрический ток - и подушки ног при­клеиваются к опорной поверхности.

Робот имеет глаз - телекамеру 1, шланг 2 с элект­рокабелем и трубку для подачи сжатого воздуха к пневмоприводам.

«Строение и функции отделов головного мозга»

Раскрыть принципы работы мозга, которые еще во многом остаются тайной, значит найти ключ к проектированию ЭВМ будущего. Новая наука - нейрокибернетика занимается конструированием ис­кусственного мозга. Первой ЭВМ поручали выполнять арифметические операции. По мере развития вычис­лительной техники ЭВМ стала выполнять более слож­ные операции, работать быстрее, размеры ее умень­шались (табл. стр. 8).
Параметры Мозг человека ЭВМ
Носитель информации Нервное возбуждение Электрический ток
Скорость ввода ин- Менее 1 бит/с в дли- Более 106 бит/с
формации в память тельную память
Время проведения операции Всю жизнь Миллиарды операций в секунду
Преимущества Сосредоточение исключительно Сосредоточение менее
сложных сложных функций в
функций в исключи- гораздо большем
тельно малом объеме. объёме. Низкая степень
Высокая степень со- совершенства элек-
вершенства физиоло- тронного нейрона
гических процессов в нейроне
Зависимость запо- Зависит Не зависит
минания индивиду-
альных особенно-
стей и эмоциональ-
ного состояния
Емкость памяти Теоретический макси- 107 бит в данный мо-
мум 108-1010 бит в мент
течение жизни
Тип памяти Смешанный Смешанный
Особенности па- Запоминание осмыс- Запоминание механи-
мяти ленное ческое
Вид обработки по- Параллельный Последовательный
ступившей инфор-
мации
Фильтрация инфор- Очень эффективная Бедная
мации
Время хранения ин- Непостоянное Постоянное
формации в памяти
Извлечение из па-
мяти нужной ин-
формации:
недавно введенной Быстрое Быстрое
давно введенной Медленное быстрое
При повреждении Работает Не работает
Восприятие информации По многим каналам: по форме, цвету, от- По одному каналу
тенку предмета, по
шрифту, почерку,
обонянию, осязанию,
тембру голоса, инто-
нации, чертежу и т. д.
Масса 1,2-1,3 кг В 3-10 раза больше,
чем мозг человека

Современные открытия

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар 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).

Скелет глубоководных губок

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 (приложение рис. №8).

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она 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.

Ученые 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 в конечном итоге также 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 ученых, - 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.

Стаи термитов, на благо общества

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.

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 (приложение рис. №9).

Бегающие и прыгающие роботы

Но самые преданные адепты бионики - это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) 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. (приложение рис. №10) Сейчас конструкция бегает весьма шустро - со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду - и так же успешно преодолевает препятствия.

В Стенфорде так же 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 (приложение рис. №11).

Заключение

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом материале я перечислел несколько перспективных направлений современной бионики и привел самые известные случаи заимствований у природы.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

Самые совершенные формы, как с точки зрения красоты, так и с точки зрения организации и функционирования, созданы самой природой и развились в процессе эволюции. Человечество с давних пор заимствовало у природы структуры, элементы, построения для решения своих технологических задач. В настоящее время техногенная цивилизация отвоевывает у природы все большие территории, вокруг доминируют прямоугольные формы, сталь, стекло и бетон, а мы живем в так называемых городских джунглях.

И с каждым годом все более ощутимой становится потребность человека в естественной гармоничной среде обитания, наполненной воздухом, зеленью, природными элементами. Поэтому экологическая тематика становится все более актуальной в градостроительстве и . В данной статье мы познакомимся с примерами бионики — интересного современного направления в архитектуре и дизайне интерьеров.

Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход

Бионика – это направление в первую очередь научное, а потом уже творческое. Применительно к архитектуре оно означает использование принципов и методов организации живых организмов и форм, созданных живыми организмами, при проектировании и строительстве зданий. Первым архитектором, работающим в стиле бионики,был А. Гауди. Его знаменитыми работами до сих пор восхищается мир (Дом Бальо, Дом Мила, Храм Святого Семейства, Парк Гуэля и др.).

Дом Мила Антонио Гауди в Барселоне
Национальный оперный театр в Пекине

Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Знаменитые примеры бионики представлены на сайте.

Оперный театр в Сиднее
Плавательный комплекс в Пекине

Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире:

  • Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости)
  • Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда)
  • Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер)
  • Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры – раковины моллюска)
  • Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде)
  • Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания)
  • Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды)

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов.

Скульптура Облачные ворота в Чикаго
Примеры бионики в дизайне интерьера

Особенности дизайна интерьеров в стиле бионики с примерами

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера:как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы:

  • Воск и пчелиные соты – основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т.д.
  • Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
  • Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
  • Цветные стекла и используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
  • В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево – один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
  • Из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
  • Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д.Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза.

Небоскреб Aqua в Чикаго пример бионики в дизайне интерьера стадион Ласточкино гнездо в Пекине

В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики – мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов.

Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров.

В прошлом году, при выполнении моего проекта на тему: «Моя школа №2 будущего», я столкнулся с тем, как много в современном мире домов, зданий, сооружений, которые гармонично сливаются с природой. И я начал поиск в Интернете таких проектов, и к своему удивлению сделал для себя открытие, что есть такая наука, которая позволяет соединить живую природу с техникой, называется она – бионика. Бионика (от греческого BION – живущее) – наука, которая помогла человеку применить законы природы в технологическом прогрессе. Примеров этому много, я убедился в этом. Теперь прогуливаясь по городу, я точно знаю, где в каком сооружении были применены знания о природе, к примеру, трубы котельной (см. приложение) по аналогии совпадают со стеблем растений, которые при порывах ветра не ломаются. Кроме того, я узнал, что бионику различают по видам:

Биологическая бионика, в которой человек изучает природу, как все устроено в ней, почему и для чего именно так устроено;

Теоретическую бионику, которая при помощи математических примеров может рассчитать устройство природы;

Техническую бионику, которая применяет теоретическую бионику для построения какого-нибудь чертежа, к примеру, робота.

Вообще, как я понял, бионика соединила несколько наук – это биология, черчение, физика, химия, математика, электроника и др. Чтобы построить самолет, человеку пришлось долго наблюдать за птицами, изучить строение их крыльев, затем начертить и спроектировать такой аппарат, который мог бы летать. Кстати, первый летательный аппарат с машущими крыльями смог построить Леонардо да Винчи. Чертежи сохранились до наших дней, а жил он в 15 веке. Наука эта совсем не новая, как мы видим из примеров, человек в любом своем творении черпает вдохновение из живой природы. Я тоже попытаюсь создать свой проект, применяя знания биологии. Считаю, выбранную мною тему актуальной, потому что, на мой взгляд, люди должны жить в гармонии и беречь природу для будущего поколения.

Методика исследования

Из рассказов Айгюль Минирасимовны на уроках Окружающего мира, я сделал вывод, что человек в последнее время варварски относился к окружающей среде, не правильно использовал природные ресурсы, вырубал леса. Но когда, я начал работать на тему «Бионика», увидел и убедился, что люди могут жить, не навредив природе и животным. Я вам расскажу, из чего я это понял.

Архитектурная бионика

Итак, немного из истории, первым использовал природные формы в строительстве Антонио Гауди в начале 19 века. Лишь в 1960 году на совете ученых в Дайтоне бионику признали как отдельную науку. У нее есть свой символ (см. прил.) – скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла. Скальпель – символ биологии, паяльник – техники, интеграл – знак бесконечности. Как я говорил выше применение бионики в строительстве много, но я вам покажу, на мой, взгляд, самые интересные: Архитектор Гауди задумал его в 1883 году, стройка должна закончиться в 2026 году, спустя сто лет после его смерти. Как мы видим, колонны похожи на деревья с ветвями, которые прочно держат крышу здания. Его крыша оформлена в виде крыльев, которые открываются и закрываются, защищая здание от ярких солнечных лучей. На создание этого проекта автора вдохновило рядом располагающее озеро Мичиган с многочисленными лодками и парусами. Основой строения является экзоскелетная структура, благодаря которой воздух проходит сквозь все здание. Построен в 2004 году. На мой взгляд, это самое гармоничное слияние с природой. Здание в виде трубы плавно огибает неровности ландшафта. Похож на моллюска, выброшенного на берег. Оболочка здания напоминает кожу животного, которая переливается на солнце.и Я считаю это здание будущего. Водоросли внутри прозрачных стекол,

обеспечены питательными веществами и углекислым газом. Именно они вырабатывают биогаз при помощи которого, здание снабжается энергией и теплом. Является символом Австралии, с трех сторон окружен водой. Напоминает огромный корабль, летящий на всех парусах на встречу с ветром. Как мы видим из выше перечисленных примеров, здания действительно либо символизируют живую природу, либо воедино слились с местным ландшафтом. Этот факт подтверждает, что бионика существует в архитектуре и строительстве, мало того она делает мир вокруг гармоничным и красивым нашему взору.

Бионика в дизайне

Применение бионики в дизайне очень много. Дизайнеры стремятся в современном мире сделать окружающее нас пространство более естественным к человеку, чтобы было комфортно жить, отдыхать, работать… Я нашел несколько вариантов, как дизайнеры применяют знания о бионике на деле, вот некоторые из них, более или менее простые:

Стул в форме застывшего дубового листа, мне кажется он очень удобный и красивый.

Абажур в форме тыквы, по-домашнему уютный.

Интерьер, оформленный в виде живописного леса.

Я выбрал данный пример не спроста, мне кажется это идеальный вариант, потому что человек приходит домой отдыхать, и вот, оказывается, по середине полянки в лесу, даже этот маленький столик напоминает деревце с ветвями, зеленый и белый цвет расслабляют, делают воздух прозрачным. Вокруг живая зелень делает атмосферу уютнее. Благодаря открытию такой науки, как бионика, люди начали черпать вдохновение из природы. Рядом с домом стоящее дерево может навести на создание стола, стула, шкафа и т.д. Таким образом, к нам в дом приходит настроение, уют, цвета, которые радуют наш взор. Мы непроизвольно воспроизводим вокруг себя частичку природы, милый сердцу уголок в каменных джунглях, живем в гармонии с окружающей средой не нарушая баланса.

Чудо-техника. Сложное в простом

Я рассказывал раньше, как люди еще в древние времена подсматривали за живыми организмами и пытались сделать нечто похожее, например крылья, пение птиц, орудие по форме напоминающее бивни и т.д. Так вот с тех пор ничего не изменилось, человек и по сей день изучает и подсматривает за строением живых существ, повторяет все, что полезно для людей. В 1948 году ясным летним днем изобретатель Жорж де Местраль прогуливался со своей собакой. После прогулки он заметил у себя на брюках и на питомце колючки, затем решил их посмотреть под микроскопом и увидел множество крючков, которые зацепились за нити одежды и шерсть. После де Местраль задумал сделать застежку, конструкция которой работала бы по такому принципу. Он посоветовался со специалистами по тканям, но многие его не поняли. Все же нашелся один ткач и соткал вручную две полоски (одну с крючками, другую с петлями). Вот так появилась знакомая нам всем застежка-липун, которую мы каждый день застегиваем и расстегиваем на куртке, шапке, обуви.

Проект

Ознакомившись с данной темой, я приступил к созданию своего объекта. Вокруг большое количество многоквартирных домов. Они необходимы, потому что люди должны где-то жить и места много они не занимают. Поэтому я должен что-то придумать, наподобие, такого дома, позаимствовав нечто из природы. И в голову мне пришла мысль – соты пчел. Почему нет? Необычно и практично. А что на счет формы шестиугольника, так люди живу и в круглых домах, и в треугольных. И я приступил к чертежу. И вот что у меня получилось. Мне кажется, что такие дома нужно строить там, где часто происходят землетрясения. На крыше можно установить солнечные батареи для обеспечения нужд здания и для того, чтобы зимой снег не накапливался, а таял.

Результат

В ходе проведенного мною исследования, я пришел к тому, что новая наука бионика существует в нашей жизни повсеместно и оказывает огромную пользу для людей. Мы с моим научным руководителем Айгюль Минирасимовной изучили положительные и отрицательные стороны влияния бионики на внешний мир и отразили это в виде данной таблицы.

ВЛИЯНИЕ

КАЧЕСТВА

На внешний вид фасадов, строений, зданий и т.д.

+ + +

На окружающую среду (в плане экологии)

+ + +

На настроение человека

+ + +

На экономичность в плане финансовых затрат

+ -

На гармоничность с окружающей средой

+ + +

Разнообразие, отличие от привычных взору коробок - серых зданий, квадратных столов, табуреток…

+ + +

На будущее мира (т.е. как мир будет выглядеть через несколько лет)

+ + +

Из таблицы видно, что новая наука оказывает в большинстве положительные качества на природу, на человека.