Виды бионики. Нанотехнологии вдохнули новую жизнь в бионику

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.

Бионические формы отличаются сложностью конструкций и нелинейными формами.

Возникновение термина.
Понятие «бионика» (от греч. «биос» -- жизнь), появилось в начале ХХ в. В глобальном смысле оно обозначает область научного знания, основанную на открытии и использовании закономерностей построения естественных природных форм для решения технических, технологических и художественных задач на основе анализа структуры, морфологии и жизнедеятельности биологических организмов. Название было предложено американским исследователем Дж. Стилом на симпозиуме 1960 года в г. Дайтоне - «Живые прототипы искусственных систем -- ключ к новой технике», - в ходе которого было закреплено возникновение новой, неизведанной области знания. С этого момента перед архитекторами, дизайнерами, конструкторами и инженерами возникает ряд задач, направленных на поиск новых средств формообразования.
В СССР к началу 1980 гг., благодаря многолетним усилиям коллектива специалистов лаборатории ЦНИЭЛАБ, просуществовавшей до начала 1990 гг., архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление в архитектуре. В это время выходит итоговая монография большого международного коллектива авторов и сотрудников этой лаборатории под общей редакцией Ю. С. Лебедева «Архитектурная бионика» (1990 г.)
Таким образом, период с середины ХХ в. по начало ХХI в. в архитектуре ознаменовался повышением интереса к сложным криволинейным формам, возрождением, уже на новом уровне, понятия «органическая архитектура», своими корнями уходящего в конец XIX - начало XX века, к творчеству Л. Салливана и Ф. Л. Райта. Они считали, что архитектурная форма, как и в живой природе, должна быть функциональной и развиваться как бы «изнутри наружу».

Проблема гармоничного симбиоза архитектурной и природной среды.
Технократическое развитие последних десятилетий давно подчинило себе образ жизни человека. Шаг за шагом человечество вышло из своей экологической ниши обитания на планете. Фактически, мы стали жителями искусственной «природы», созданной из стекла, бетона и пластика, совместимость которой с жизнью природной экосистемы неуклонно стремится к нулю. И чем сильнее искусственная природа захватывает живую, тем более явственной становится потребность человека в естественной, природной гармонии. Наиболее вероятным способом возврата человечества «в лоно природы», восстановления равновесия между двумя мирами является развитие современной бионики.

Небоскреб-кипарис в Шанхае. Архитекторы: Maria Rosa Cervera & Javier Pioz.

Сиднейская опера. Архитектор: Jørn Utzon.

Учебный центр Rolex. Архитекторы: японское архитектурное бюро SANAA.

Архитектурная бионика - это инновационный стиль, берущий все самое лучшее от природы: рельефы, контуры, принципы формообразования и взаимодействия с окружающим миром. Во всем мире идеи бионической архитектуры успешно воплощены известными архитекторами: небоскреб-кипарис в Шанхае, Сиднейская опера в Австралии, здание правления NMB Bank - Нидерланды, учебный центр Rolex и музей плодов - в Японии.

Музей фруктов. Архитектор: Itsuko Hasegawa.


Интерьер музея фруктов.

Во все времена существовала преемственность природных форм в архитектуре, созданной человеком. Но, в отличие от формалистского подхода прошлых лет, когда архитектор просто копировал природные формы, современная бионика опирается на функциональные и принципиальные особенности живых организмов - способность к саморегуляции, фотосинтез, принцип гармоничного сосуществования и т. д. Бионическая архитектура предполагает создание домов являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Дальнейшее развитие бионики предполагает разработку и создание экодомов - энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого здания предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологичные материалы и строительные конструкции. В идеале, дом будущего - это автономная самообеспечивающаяся система, органично вписывающаяся в природный ландшафт и существующая в гармонии с природой. Современная архитектурная бионика практически слилась с понятием «экоархитектура» и напрямую связана с экологией.

Формообразование, переходящее из живой природы в архитектуру.
Каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем - результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений.
Формообразование в живой природе характеризуется пластичностью и комбинаторностью, разнообразием как правильных геометрических форм и фигур -- окружностей, овалов, ромбов, кубов, треугольников, квадратов, различного рода многоугольников, так и бесконечным множеством чрезвычайно сложных и удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций, созданных в результате комбинирования этих элементов. Подобные структуры отражают сложность и многоэтапность эволюции развития живых организмов.
Основными позициями для изучения природы в ракурсе архитектурной бионики являются биоматериаловедение и биотектоника.
Объектом изучения в биоматериаловедении являются различные удивительные свойства природных структур и их "производных" — тканей животных организмов, стеблей и листьев растений, нитей паутины, усиков тыкв, крыльев бабочки и т.п.
С биотектоникой все сложнее. В этой области знания исследователей интересуют не столько свойства природных материалов, сколько сами принципы существования живых организмов. Главные проблемы биотектоники заключаются в создании новых конструкций на основе принципов и способов действия биоконструкций в живой природе, в осуществлении адаптации и роста гибких тектонических систем на основе адаптации и роста живых организмов.
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Так в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше.

Технологии архитектурной бионики.
Приведем в пример несколько наиболее распространенных современных направлений разработки бионических зданий.
1. Энергоэффективный Дом - сооружение с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников (Energy Efficient Building).
2. Пассивный Дом (Passive Building) - сооружение с пассивной терморегуляцией (охлаждение и отопление за счет использования энергии окружающей среды). В таких домах предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций и практически отсутствует традиционная отопительная система.
3. Биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi-tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры - гармония с природой: "… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него". В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.
4. Умный Дом (Intellectual Building) - здание, в котором при помощи компьютерных технологий и автоматизации оптимизированы потоки света и тепла в помещениях и ограждающих конструкциях.
5. Здоровый Дом (Healthy Building) - здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т. д.) Технологии «здорового» дома включают системы очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ и т. д.

История использования архитектурных форм в архитектурной практике.
Архитектурная бионика возникла не случайно. Она явилась результатом предшествующего опыта использования в том или ином виде (чаще всего - ассоциативном и подражательном) определенных свойств или характеристик форм живой природы в архитектуре - к примеру, в гипостильных залах египетских храмов в Луксоре и Карнаке, капителях и колоннах античных ордеров, интерьерах готических соборов и т. д.

Колонны гипостильного зала храма в Эдфу.

К бионической архитектуре зачастую относят здания и архитектурные комплексы, которые органично вписываются в природный ландшафт, являясь как бы его продолжением. К примеру, такими можно назвать сооружения современного швейцарского архитектора Петера Цумтора. Наравне с натуральными строительными материалами, он работает с уже существующими природными элементами - горами, холмами, газонами, деревьями, практически не видоизменяя их. Его сооружения словно растут из земли, а, порой, настолько сливаются с окружающей природой, что их не сразу можно обнаружить. Так, например, термы в Швейцарии со стороны кажутся просто зеленой площадкой.

Термы в Вальсе. Архитектор: Peter Zumthor.

С точки зрения одной из концепций бионики - образа эко-дома, - к бионической архитектуре можно отнести даже привычные нам деревенские дома. Они созданы из натуральных материалов, а структуры деревенских поселков всегда были гармонично вписаны в окружающий ландшафт (верхняя точка поселка - церковь, низина - жилые дома и т. д.)

Купол Флорентийского собора. Архитектор: Filippo Brunelleschi.

Возникновение данной области в истории архитектуры всегда связано с какой-либо технической новацией: так, зодчий итальянского Возрождения Ф. Брунеллески в качестве прототипа для конструирования купола Флорентийского собора взял скорлупу яйца, а Леонардо да Винчи копировал формы живой природы при изображении и конструировании строительных, военных и даже летательных аппаратов. Принято считать, что первым, кто начал изучать механику полета живых моделей «с бионических позиций», был именно Леонардо да Винчи, который пытался разработать летательный аппарат с машущим крылом (орнитоптер).

Галерея в парке Гюэль. Архитектор: Antonio Gaudi.

Портал Страстей Христовых Собора Святого Семейства (Sagrada Familia).

Успехи строительной техники в ХIХ-ХХ вв. породили новые технические возможности для интерпретации архитектуры живой природы. Это нашло свое отражение в произведениях многих архитекторов, среди которых, безусловно, выделяется Антонио Гауди -- зачинатель широкого использования биоформ в архитектуре ХХ в. Спроектированные и построенные А. Гауди жилые здания, монастырь Гюэль, знаменитый «Sagrada Familia» (Собор Святого Семейства, выс. 170 м.) в Барселоне и ныне остаются и непревзойденными архитектурными шедеврами и, одновременно, наиболее талантливым и характерным примером ассимиляции архитектурных природных форм -- их применения и развития.

Чердачное перекрытие Casa Mila. Архитектор: Antonio Gaudi.

Арочный свод галереи в Casa Batlló. Архитектор: Antonio Gaudi.

А. Гауди считал, что в архитектуре, как и в природе, нет места копированию. В результате его сооружения поражают своей сложностью - вы не найдете в его постройках двух одинаковых деталей. Его колонны изображают стволы пальм с корой и листьями, лестничные поручни имитируют завивающиеся стебли растений, сводчатые перекрытия воспроизводят кроны деревьев. В своих творениях Гауди использовал параболические арки, гипер-спирали, наклонные колонны и т.д., создавая архитектуру, геометрия которой превосходила архитектурные фантазии и зодчих, и инженеров. Одним из первых А. Гауди использовал также и био-морфологические конструктивные свойства пространственно-изогнутой формы, которая была воплощена им в виде гиперболического параболоида небольшого лестничного пролета из кирпича. При этом Гауди не просто копировал объекты природы, но творчески интерпретировал природные формы, видоизменяя пропорции и масштабные ритмические характеристики.
Не смотря на то, что смысловой ряд протобионических построек выглядит достаточно внушительно и оправданно, некоторые специалисты считают архитектурной бионикой только те здания, которые не просто повторяют природные формы или созданы из естественных природных материалов, а содержат в своих конструкциях структуры и принципы живой природы.

Сооружение Эйфелевой башни. Инженер: Gustave Eiffel.

Проект моста. Архитектор: Paolo Soleri.

Эти ученые скорее назвали бы протобионикой такие постройки как 300-метровая Эйфелева башня инженера-мостовика А. Г. Эйфеля, которая в точности повторяет строение большой берцовой кости человека, проект моста архитектора П. Солери, напоминающий свернутый лист злака и разработанный по принципу перераспределения нагрузок в стеблях растений и т. д.

Велотрек в Крылатском. Архитекторы: Н. И. Воронина и А. Г. Оспенников.

В России законы живой природы также были заимствованы для создания некоторых архитектурных объектов “доперестроечного” периода. Примерами можно назвать Останкинскую радиотелевизионную башню в Москве, Олимпийские объекты — велотрек в Крылатском, мембранные покрытия крытого стадиона на проспекте Мира и универсального спортивно-зрелищного зала в Ленинграде, ресторан в Приморском парке Баку и его привязка в г. Фрунзе — ресторан «Бермет» и др.
Среди имен современных зодчих, работающих в направлении архитектурной бионики, выделяются Норман Фостер (http://www.fosterandpartners.com/Projects/ByType/Default.aspx), Сантьяго Калатрава (http://www.calatrava.com/#/Selected%20works/Architecture?mode=english), Николас Гримшоу (http://grimshaw-architects.com/sectors/), Кен Янг (http://www.trhamzahyeang.com/project/main.html), Винсент Калебо (http://vincent.callebaut.org/projets-groupe-tout.htm l) и т. д.

Если какой-либо аспект бионики заинтересовал Вас, пишите нам, и мы расскажем о нем более подробно!
Архитектурное бюро «Inttera».

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.

Бионика в жизни человека

Говорят, что раз в столетие на Земле рождается гений. Таким гением был Леонардо да Винчи. Величайший художник, скульптор, математик, инженер и анатом Леонардо да Винчи стремился найти истину, познать и описать ее.

«В наставницы себе я взял природу – учительницу всех учителей».

Почему этот великий ученый в учителя себе взял природу?

Жизнь в самой примитивной форме возникла на Земле около 2 млрд. лет назад. Миллионы столетий длился беспощадный естественный отбор, в результате которого выжили самые сильные и совершенные. Позаимствовать самое лучшее у природы, чтобы расширить возможности человека первым и предложил Леонардо да Винчи. В 1485 году он создал механический летательный аппарат – орнитоптель, принцип работы которого он скопировал у птиц. И хоть тогда человеку не удалось научиться летать, но это положило начало новой науке – бионики. Бионика – это симбиоз биологии и техники.

Если историю Земли – 4,5 млрд. лет − представить как один день, то получится, что человек разумный появился на планете меньше минуты назад. Миновали буквально доли секунды, а он уже возомнил себя творцом и уже может создавать не хуже природы. До недавнего времени, изобретая новое, человек не догадывался, что это уже существует. Надо только увидеть и применить. 99% научных открытий человек подсмотрел у природы. Все, что нас окружает имеет свой природный аналог.

Био́ника (от Βίον - живущее ) - прикладная о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур . Проще говоря, бионика - это соединение и . Дата рождения бионики: 13 сентября 1960 года. У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.

Человек всегда мечтал покорить небо. Но оно было доступно только птицам. И именно птицы подарили людям идею полета.

Мечты о полетах и их реальное воплощение – это очень разные вещи. И не смотря на смелые идеи, такие как у Леонардо да Винчи, человечество еще долгие века оставалось бы приковано к земле. Изучение птиц, строения их крыльев и хвоста, привело к тому, что человек изобрел самолет. Строение глаза человека положило начало фотообъективу, строение соцветия подсолнуха – солнечным батареям. Вычесывая соцветия репейника и шерсти совей собаки после прогулки, знаменитый дизайнер изобрел застежки-липучки. Насекомые подсказали ученым идею о вертолетах. Рыбы натолкнули на создание подводных лодок. Корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.

Мы сталкиваемся каждый день с бионическими изобретениями даже не подозревая об этом. Чаще всего принципы, принятые у природы, встречаются в архитектуре. Например, в конструкции знаменитой Эйфелевой башни лежит строение бедренной кости человека. На головке кости имеется множество опорных точек, благодаря им, нагрузка на сустав распределяется равномерно. Это позволяет изогнутой бедренной кости выдерживать большой вес тела. Такие же опорные точки можно найти и в основании Эйфелевой башни. Ее конструкция считается архитектурным эталоном устойчивости.

Природный аналог есть и у другой башни – Останкинской. Ее стройный силуэт узнаваем. Прототипом Останкинской башни является стебель пшеницы. Его способность не ломаться под тяжестью соцветия и легли в основу башни.

Архитекторы все чаще обращаются к принципам функционирования живых организмов. Чтобы понять, как это работает, конструктору приходится изучать биологию. Природными прототипами архитектурных конструкций становятся рыбы, птицы, растения и даже человеческое тело.

Бионика не стоит на месте. Эта наука творит настоящую революцию. Обычное наблюдение, моделирование способно на многое. Моя будущая профессия связана с машиностроением. Машиностроительная отрасль является наиболее роботизированной. Впервые своё практическое применение промышленные роботы получили благодаря американским инженерам Д. Деволу и Д. Энгельбергу в конце 50-х начале 60-х годов ХХ века. Их используют для выполнения разных технологических процессов с целью повышения эффективности деятельности предприятия.

В конструкции робот может содержать один или несколько манипуляторов, при этом сам манипулятор может обладать различной грузоподъемностью, точностью позиционирования, степенью свободы. При создании промышленного робота активно используют бионические модели. Манипулятор промышленного робота состоит из определенного количества подвижных соединенных друг с другом звеньев (осей). Он устроен по принципу конечностей членистоногих. Чем больше осей, тем более универсальная конструкция у робота. Расположение и гибкость соединения осей робота были тщательно сделаны по человеческому образцу (соединение суставов). Регулирование осей манипулятора происходит с помощью датчиков. Они аналогичны органам чувств и реагируют на свет, положение в пространстве

Природа хранит ещё множество загадок, гармония её творений всегда удивляла и будет удивлять мир человека. Но вот вопрос: «Успеем ли мы воспользоваться оставшимися «патентами живой природы»? Учитывая темпы, с которыми растения и животные исчезают с лика земли, а статистика неумолимо констатирует: ежегодно – один вид животных и ежедневно – один вид растений, − поставленный вопрос звучит очень тревожно. В связи с этим сохранение редких и исчезающих видов животных и растений, поддержание окружающей среды в условиях, благоприятных для жизни всего живого на Земле, − насущная проблема, и залог дальнейшего развития человечества.