Stwórz model w bionika- to połowa sukcesu. Aby rozwiązać konkretny problem praktyczny, konieczne jest nie tylko sprawdzenie dostępności interesujących praktykę właściwości modelu, ale także opracowanie metod obliczania założonych charakterystyk technicznych urządzenia oraz opracowanie metod syntezy zapewniających osiągnięcie wskaźniki wymagane w zadaniu.
I tak wielu bioniczny Modele, zanim otrzymają techniczne wcielenie, rozpoczynają życie na komputerze. Budowany jest opis matematyczny modelu. Zgodnie z nim kompilowany jest program komputerowy - model bioniczny. Na takim modelu komputerowym można w krótkim czasie przetworzyć różne parametry i wyeliminować wady konstrukcyjne.
Zgadza się, w oparciu o oprogramowanie modelowanie z reguły analizują dynamikę funkcjonowania modelu; Jeśli chodzi o specjalną konstrukcję techniczną modelu, takie prace są niewątpliwie ważne, ale ich docelowe obciążenie jest inne. Najważniejsze w nich jest znalezienie najlepszej podstawy, na której można najskuteczniej i najdokładniej odtworzyć niezbędne właściwości modelu. Skumulowane w bionika praktyczne doświadczenie modelowanie niezwykle złożone systemy mają ogólne znaczenie naukowe. Ogromna liczba jego metod heurystycznych, które są absolutnie niezbędne w tego typu pracach, stała się już powszechna w rozwiązywaniu ważnych problemów z zakresu fizyki doświadczalnej i technicznej, problemów ekonomicznych, projektowania wielostopniowych rozgałęzionych systemów komunikacyjnych i tak dalej.
Dzisiaj bionika ma kilka kierunków.
Bionika architektoniczno-budowlana bada prawa powstawania i budowy struktur żywych tkanek, analizuje układy strukturalne organizmów żywych na zasadzie oszczędności materiału, energii i zapewnienia niezawodności. Neurobionika bada funkcjonowanie mózgu, bada mechanizmy pamięci. Intensywnie badane są narządy zmysłów zwierząt oraz wewnętrzne mechanizmy reakcji na środowisko zarówno zwierząt, jak i roślin.
Żywym przykładem bioniki architektoniczno-budowlanej jest pełna analogia struktury łodyg zbóż i nowoczesnych wieżowców. Łodygi roślin zbożowych są w stanie wytrzymać duże obciążenia, a jednocześnie nie pękają pod ciężarem kwiatostanu. Jeśli wiatr przygnie je do ziemi, szybko przywrócą pozycję pionową. Jaki jest sekret? Okazuje się, że ich konstrukcja jest podobna do konstrukcji nowoczesnych wieżowców fabrycznych - jednego z najnowszych osiągnięć inżynierii. Oba projekty są puste. Pasma Sclerenchyma łodygi rośliny pełnią rolę wzmocnienia podłużnego. Międzywęźle łodyg są pierścieniami usztywniającymi. Wzdłuż ścian łodygi znajdują się owalne pionowe puste przestrzenie. Ściany rur mają to samo rozwiązanie konstrukcyjne. Rolę szkieletu spiralnego znajdującego się po zewnętrznej stronie rury w łodydze roślin zbożowych odgrywa cienka skóra. Inżynierowie jednak sami doszli do swojego konstruktywnego rozwiązania, bez „zaglądania” w naturę. Tożsamość konstrukcji została ujawniona później.
W ostatnich latach bionika potwierdziła, że większość ludzkich wynalazków jest już „opatentowana” przez naturę. Taki wynalazek XX wieku, podobnie jak zamki błyskawiczne i rzepy, powstał w oparciu o strukturę ptasiego pióra. Zadziory piórowe różnych zamówień, wyposażone w haczyki, zapewniają pewny chwyt.
Znani hiszpańscy architekci M. R. Cervera i J. Ploz, aktywni zwolennicy bioniki, rozpoczęli badania nad „dynamicznymi strukturami” w 1985 r., a w 1991 r. zorganizowali „Towarzystwo Wspierania Innowacji w Architekturze”. Grupa pod ich kierownictwem, w skład której weszli architekci, inżynierowie, projektanci, biolodzy i psychologowie, opracowała projekt „Vertical Bionic Tower City”. Za 15 lat w Szanghaju powinno pojawić się miasto-wieża (według naukowców za 20 lat populacja Szanghaju może osiągnąć 30 mln osób). Miasteczko z wieżą przeznaczone jest dla 100 tys. osób, projekt opiera się na „zasadzie budowy drzewa”.
Wieża miejska będzie miała formę cyprysa o wysokości 1128 mz obwodem u podstawy 133 na 100 m, a w najszerszym miejscu 166 na 133 m. Wieża będzie miała 300 kondygnacji, a będą one zlokalizowane w 12 pionowe bloki 80 pięter. Pomiędzy kwaterami znajdują się wylewki stropowe, które pełnią rolę konstrukcji nośnej dla każdej kwatery kondygnacyjnej. Wewnątrz kwatery - domy o różnej wysokości z wertykalnymi ogrodami. Ten starannie przemyślany projekt jest podobny do struktury gałęzi i całej korony cyprysu. Wieża stanie na fundamencie palowym zgodnie z zasadą akordeonu, który nie pogłębia się, ale w miarę wspinania rozwija się we wszystkich kierunkach – podobnie jak rozwija się system korzeniowy drzewa. Wibracje wiatru na górnych piętrach są zminimalizowane: powietrze łatwo przechodzi przez konstrukcję wieży. Do licowania z wieżą zostanie użyty specjalny plastikowy materiał imitujący porowatą powierzchnię skóry. Jeśli budowa się powiedzie, planuje się wybudowanie jeszcze kilku takich miast-budynków.
W bionice architektoniczno-budowlanej dużo uwagi poświęca się nowym technologiom budowlanym. Na przykład w dziedzinie rozwoju wydajnych i bezodpadowych technologii budowlanych obiecującym kierunkiem jest tworzenie konstrukcji warstwowych. Pomysł jest zapożyczony z mięczaków głębinowych. Ich mocne muszle, takie jak te u szeroko rozpowszechnionego uchowca, składają się z naprzemiennie twardych i miękkich płyt. Kiedy twarda płyta pęka, odkształcenie jest absorbowane przez miękką warstwę i pęknięcie nie idzie dalej. Ta technologia może być również wykorzystana do pokrycia samochodów.
Główne obszary neurobioniki to badanie układu nerwowego ludzi i zwierząt oraz modelowanie komórek nerwowych – neuronów i sieci neuronowych. Umożliwia to ulepszanie i rozwój technologii elektronicznej i komputerowej.
Układ nerwowy organizmów żywych ma szereg zalet w stosunku do najnowocześniejszych analogów wymyślonych przez człowieka:
Elastyczne postrzeganie informacji zewnętrznych, niezależnie od formy, w jakiej pochodzą (pismo ręczne, czcionka, kolor, barwa itp.).
Wysoka niezawodność: systemy techniczne psują się, jeśli jedna lub więcej części się zepsuje, a mózg pozostaje sprawny nawet po śmierci kilkuset tysięcy komórek.
Miniaturowy. Na przykład urządzenie tranzystorowe z taką samą liczbą elementów, jak ludzki mózg, zajmowałoby objętość około 1000 m3, podczas gdy nasz mózg zajmuje objętość 1,5 dm3.
Oszczędność zużycia energii - różnica jest po prostu oczywista.
Wysoki stopień samoorganizacji – szybka adaptacja do nowych sytuacji, do zmian w programach zajęć.
Wieża Eiffla i tibia
Z okazji 100. rocznicy Rewolucji Francuskiej w Paryżu zorganizowano wystawę światową. Na terenie tej wystawy zaplanowano wzniesienie wieży, która miałaby symbolizować zarówno wielkość Rewolucji Francuskiej, jak i najnowsze osiągnięcia techniki. Do konkursu zgłoszono ponad 700 projektów, za najlepszy uznano projekt inżyniera mostowego Aleksandra Gustawa Eiffla. Pod koniec XIX wieku wieża, nazwana imieniem swojego twórcy, zachwyciła cały świat swoją ażurą i pięknem. 300-metrowa wieża stała się swoistym symbolem Paryża. Krążyły plotki, że wieża została zbudowana według rysunków nieznanego arabskiego naukowca. Dopiero po ponad pół wieku biolodzy i inżynierowie dokonali nieoczekiwanego odkrycia: konstrukcja Wieży Eiffla dokładnie powtarza budowę kości piszczelowej, która z łatwością wytrzymuje ciężar ludzkiego ciała. Nawet kąty między powierzchniami łożyska są zgodne. To kolejny doskonały przykład bionika W akcji.
BIONIKA(gr. bios life + [elektronika]) – nauka badająca możliwości inżyniersko-technicznego zastosowania zasad zarządzania informacją i energii strukturalnej zaimplementowanych w organizmach żywych. Pojawienie się B. w dużej mierze ułatwiło pojawienie się specjalnych wymagań stawianych przez nowe obszary techniki (rakieta i kosmiczna, lotnictwo, aparatura medyczna, elektronika, komputery itp.) na miniaturowe urządzenia i różnorodne części, które muszą mieć minimum wymiary (objętość), waga (waga) i zużycie energii przy maksymalnej niezawodności. Wiele zasad i konstrukcji zarówno całego organizmu, jak i poszczególnych narządów, tkanek, komórek i wreszcie biomolekuł spełnia te wymagania.B. zajmuje pozycję z pogranicza nauk biomedycznych i technicznych. Biol naukowy, podstawą B. są eksperymentalne i teoretyczne podstawy takich nauk, jak fizjologia, zwłaszcza fizjologia wyższych czynności nerwowych, fizjologia nerwowo-mięśniowa i fizjologia narządów zmysłów; anatomia i histologia, zwłaszcza morfologia ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego, szlaki; biofizyka, zwłaszcza biofizyka wzbudzeń, bioenergetyka, biomechanika, a także biochemia, zoologia, botanika, biologia ogólna i cybernetyka. Cybernetyka techniczna, fizyka molekularna i ciała stałego, radioelektronika, mikroelektronika, mechanika, hydraulika i teoria automatycznego sterowania stanowią fizyczne i techniczne podstawy naukowe biochemii. Termin „bionika” został zaproponowany przez Stilla (D. Still) w 1958 roku. Oficjalne pojawienie się bioniki jako nauki przypisuje się do końca 1960 roku, kiedy to w Daytona (USA) odbyło się pierwsze sympozjum na temat bioniki pod hasłem: „żywe prototypy – klucz do nowej technologii.
Do początku 1964 r. opublikowano ponad 500 artykułów dotyczących tylko jednego z problemów wchodzących w zakres zadań nowej nauki – modelowania procesów rozpoznawania wzorców (patrz).
Pojawienie się B. jest nierozerwalnie związane z pojawieniem się nowych idei o ogólności procesów sterowania w maszynach, organizmach żywych i społeczeństwie, które powstały w nauce o sterowaniu w latach czterdziestych naszego wieku i ukształtowały się w wyniku prac N. Wienera w postaci nowej nauki o sterowaniu i komunikacji – cybernetyce (patrz). Takie podejście miało pewną wartość zarówno dla technologii, jak i miodu. i biol, nauki i przyciągały nie tylko inżynierów i matematyków, ale także biologów. W efekcie powstały dwa nowe kierunki naukowe: 1) biocybernetyka, której celem jest badanie procesów informacyjnych i kontrolnych w organizmach żywych metodami cybernetyki oraz 2) bionika, której celem jest badanie możliwości wykorzystania właściwości informacyjne i energetyczne biol, obiektów, w tym projekty i schematy systemów bioinformacyjnych w technologii, w celu ulepszenia istniejących lub tworzenia nowych, bardziej zaawansowanych systemów technicznych.
W większości czołowych badań podejścia biocybernetyczne i bioniczne są zwykle tak ściśle ze sobą powiązane, że rozpatrywanie każdego z nich z osobna nie ma sensu i działają jako nierozłączne części jednego procesu poznania, w którym podejście bioniczne powstaje w wyniku pewnego sukcesy podejścia biocybernetycznego.
Z kolei sukces podejścia biocybernetycznego, na przykład metody „czarnej skrzynki”, często wynika z bionicznego, tj. strukturalno-energetycznego, technicznie znaczącego sformułowania problemu pod kątem realizacji ogólnych hipotez cybernetyki.
Główne kierunki bioniki
Właściwości systemów biologicznych (patrz System biologiczny) są przedmiotem zainteresowania technologii. Po pierwsze, w zakresie zapożyczania informacji i metod kontroli organizmów żywych w odpowiedzi na zmiany środowiska, w celu wypracowania odpowiednich aktów behawioralnych będących odpowiedzią na te zmiany. Po drugie, pod względem zapożyczania strukturalnych i mechanicznych właściwości biol, systemów. Po trzecie, użycie chemii. oraz procesy energetyczne zachodzące z dużą wydajnością w tych układach. Pierwszy aspekt zainteresowania systemami biol otwiera nowe możliwości w zakresie badań i wdrażania technicznego nowych zasad i urządzeń do przetwarzania informacji, tworzenia nowych elementów systemów automatyki i urządzeń obliczeniowych; drugi - w opracowywaniu nowych typów projektów urządzeń technicznych związanych z konstrukcjami i ruchami mechanicznymi; trzeci – w rozwoju nowych procesów technologicznych i aparatury chemicznej. produkcja i rozwój nowych metod transformacji chemicznej. energię w energię elektryczną.
Wiadomo, że zdolność organizmów żywych do bardzo elastycznego reagowania na zmiany środowiskowe jest związana z aktywnością analizatorów – wzrokowych, słuchowych, węchowych, dotykowych, smakowych. Wiele zadań z powodzeniem rozwiązywanych przez analizatory organizmów żywych, na przykład czytanie odręcznych tekstów i percepcja mowy ludzkiej, bardzo subtelne rozpoznawanie sygnałów, że różne typy organizmów żywych wymieniają się ze sobą itp., są wciąż dalekie od ich rozwiązania za pomocą urządzenia techniczne .
Jedną z tajemniczych cech wielu ptaków, ryb i zwierząt morskich są ich wysoce zaawansowane zdolności nawigacyjne. Podczas sezonowych migracji zwierzęta te pokonują duże odległości, z dużą, ale niewytłumaczalną dokładnością, szukając swoich dawnych siedlisk. Zasady otrzymywania i przetwarzania informacji w swoich „urządzeniach” nawigacyjnych są niewątpliwie przedmiotem zainteresowania technologii.
Doskonale sprawdzają się pasywne i aktywne analizatory (lokalizatory) dostępne u delfinów, wielorybów, nietoperzy, niektórych gatunków ptaków, motyli i innych zwierząt. W celu orientacji w przestrzeni nietoperze emitują krótkie impulsy o częstotliwości ultradźwiękowej i szacują czas powrotu echa. Lokalizatory nietoperzy są tak zaawansowane, że pewnie manewrują w ciemności między rzędami rozciągniętego drutu i innymi przeszkodami. Liczne eksperymenty przeprowadzone z nietoperzami pokazują, że w przypadku gdy masa nietoperzy jednocześnie emituje „okrzyki” (sygnały ultradźwiękowe) podczas aktywnego skanowania, sygnały te najwyraźniej nie zagłuszają się nawzajem, a szum ultradźwiękowy ma znaczną siłę. prawie żaden wpływ na ich zachowanie. Te właściwości naturalnych lokalizatorów mogą pomóc w rozwiązaniu problemu eliminacji sygnałów szumowych (zarówno naturalnych, jak i sztucznie wytworzonych) przy projektowaniu nowych typów lokalizatorów technicznych.
Niektóre rasy ryb żyjące w warunkach całkowitego braku widoczności wykrywają zdobycz i poruszają się w kosmosie za pomocą systemu elektrycznego, który jest zasadniczo specjalnym rodzajem lokalizatora. Nachylenie tworzy wokół ciała pole elektryczne, które zmienia się w miarę poruszania się w przestrzeni. Zgodnie ze zmianami na tym polu, postrzeganymi przez specjalne receptory, ryba orientuje się i ma możliwość znalezienia i pogoni za zdobyczą. Badanie takiego radaru elektrycznego umożliwi opracowanie nowych urządzeń analizujących, na przykład do ochrony przed okrętami podwodnymi i orientowania ich pod wodą.
Niektóre zwierzęta mają zdolność wyczuwania z wyprzedzeniem zbliżających się niebezpiecznych dla nich zmian środowiskowych. Tak więc meduzy przewidują nadejście burzy za kilka godzin, niektóre gatunki ryb przewidują trzęsienie ziemi. Badanie tych właściwości zwierząt pomoże stworzyć urządzenia pełniące podobne funkcje.
Systemy biologiczne posiadają dużą liczbę różnych sensorów-analizatorów - konwerterów energii bodźców zewnętrznych (termicznych, świetlnych, mechanicznych) na energię impulsów nerwowych. Przez miniaturę. i czułości, analizatory te są nadal znacznie lepsze od swoich technicznych odpowiedników. W ten sposób narządy znajdujące się na nogach niektórych owadów umożliwiają wychwytywanie przemieszczeń w ułamkach mikrona. Receptory termiczne grzechotnika rejestrują zmianę temperatury o 0,001°. W biol, systemy istnieją również czujniki całkowicie nowego typu, takie jak czujniki sygnałów smakowych i węchowych zdolne do wychwytywania pojedynczych cząsteczek. Na przykład aparat węchowy węgorza jest w stanie wykryć obecność pojedynczych cząsteczek alkoholu, które nie są wykrywane za pomocą wysoce czułych metod analizy chemicznej.
Informacje techniczne i systemy sterowania są lepsze pod względem czułości i często szybkości od systemów biol, ale są gorsze od tych ostatnich pod względem wymiarów, zużycia energii i niezawodności. Jeden neuron zajmuje objętość 10 -8 -10 -7 cm 3 , objętość ludzkiego mózgu to tylko 1000 cm 3 , mózg zużywa ok. 20 watów i działa bezawaryjnie średnio ok. 585 tys. godzin.
Moc pobierana przez nowoczesne komputery to dziesiątki kilowatów, a czas pracy sprzętu najwyższej jakości to tylko setki godzin. Nawet jeśli skupimy się na najbardziej zaawansowanych rozwiązaniach, które zapewniają gęstość nasypową 10 3 -10 4 pierwiastków na 1 cm 3 i zużycie energii 1 mW/ogniwo, to w tym przypadku gęstość nasypowa i wydajność systemów biol będzie kilka rzędy wielkości wyższe. Pozwala to mieć nadzieję na opracowanie nowych zasad dalszej miniaturyzacji wyposażenia systemów sterowania i komputerów.
Wymienione właściwości organizmów żywych są przedmiotem badań w kierunku informacyjno-analitycznym bioniki.
Drugim aspektem B. jest badanie możliwości technicznych zastosowań konstrukcji i konstrukcji układów biol, badania mechaniczne, energetyczne i chemiczne. procesy, które w nich zachodzą.
W budowaniu konstrukcji wspornikowych opanowanych przez człowieka stosunek wysokości do największej średnicy nie przekracza 20-30, podczas gdy w naturze zdarzają się konstrukcje, w których stosunek ten jest znacznie wyższy niż 30 (pień eukaliptusa, palmy itp.).
Badanie struktur ciała ryb i zwierząt morskich pod kątem hydrodynamicznych mechanizmów ich poruszania się w wodzie może dostarczyć wielu przydatnych informacji dla przemysłu stoczniowego. Ryby i zwierzęta morskie zużywają energię bardzo oszczędnie, a jednocześnie są w stanie rozwijać duże prędkości. Tak więc prędkość delfina dochodzi do 12-16 m/s, prędkość latającej ryby – 18 m/s (tj. 65 km/h, co odpowiada prędkości pociągu kurierskiego), a prędkość tuńczyka wynosi ponad 30 m/s.
Trzecim ważnym aspektem B. jest badanie procesów biochemicznych zachodzących w ożywionej przyrodzie z punktu widzenia wydajności, które mogą służyć jako model dla rozwoju nowych procesów technologicznych. W tym aspekcie dopiero rozpoczynają się badania cech procesów wymiany ciepła i masy oraz termodynamiki organizmów żywych populacji i zbiorowisk. Jako przykład możemy przytoczyć procesy fotosyntezy przeprowadzane przez rośliny i mikroorganizmy z dużą wydajnością, syntezę kwasu octowego, produkcję pełnego białka, przetwarzanie drewna na tłuszcze i białka, przeprowadzane przez mikroorganizmy w jelitach termitów itp. Ciekawymi problemami są także badania mechanizmów działania biochemicznych źródeł energii elektrycznej; badanie procesów biochemicznych i bioenergetycznych w odniesieniu do technologii procesów i aparatury w chemii. Inżynieria mechaniczna.
Wszystkie trzy rozważane aspekty B. pokazują, jak szerokie są możliwości prowadzenia badań bionicznych.
Kierunek badań urządzeń informacyjno-analizujących bioobiektów, wycięcie w skorupie, najintensywniej rozwija się czas, podzielony jest z kolei na szereg niezależnych obszarów, których przedmiotem jest:
Ogólne wzorce metod i urządzeń do przetwarzania informacji w układzie nerwowym; obejmuje to modelowanie procesów w neuronie, badanie metod kodowania informacji na różnych poziomach, badanie modeli sieci neuronowych;
Metody i urządzenia informacyjne w bioanalizatorach i procesach rozpoznawania wzorców; obejmuje to badania mechanizmów działania receptorów, budowę modeli różnych systemów analizatorów i opracowywanie opartych na nich algorytmów rozpoznawania wzorców, badanie metod kodowania wymiany informacji między organizmami żywymi. Ponadto przedmiotem zainteresowania technologii są mechanizmy uczenia się i adaptacji, pamięci, niezawodności, funkcje kompensacyjne organizmów żywych, a także mechanizmy kontrolujące regenerację narządów w zakresie tworzenia samoleczących się urządzeń technicznych;
Systemy regulacyjne, które kontrolują aktywność poszczególnych autonomicznych podsystemów organizmów wyższych, które są na przykład oddzielnymi obwodami homeostatycznymi. układ krążenia, układ oddechowy, układ okulomotoryczny, biorąc pod uwagę specyfikę wdrożonej zasady hierarchii w biol, układy, które dają duże możliwości zapożyczenia w rozwoju technicznym.
Należy zauważyć, że sukcesu badań bionicznych nie można zapewnić poprzez proste mechaniczne przeniesienie schematów opracowanych przez naturę do technologii.
W naturze można znaleźć wiele przykładów rozwiązań i właściwości organizmów żywych, które są całkowicie niezadowalające dla technologii. Wystarczy wspomnieć tylko, że normalna aktywność życiowa układów biolowych jest możliwa w wąskich granicach temperatury (0-70 °) i ciśnienia (0,7-3 kg / cm 2), a prędkość elementów układu nerwowego jest znacznie niższa niż prędkość elementów technicznych. Czas potrzebny do przejścia neuronu ze stanu niewzbudzonego do stanu wzbudzonego wynosi 10 -2 -10 -1 sek., natomiast dla elementów technicznych osiąga 10 -7 -10 -8 sek. Z tego powodu główną uwagę przywiązuje się do badania i opracowywania zasad działania elementów i układów organizmów żywych, co pozwoli, poprzez wdrożenie tych zasad na elementy o odmiennej naturze fizycznej, uzyskać układy, które są doskonalsze od tych powstałych w procesie ewolucji w organizmach żywych.
Metody badawcze bioniki. Podstawą większości badań bionicznych i biocybernetycznych, a zwłaszcza ich kierunku informacyjnego, jest metoda modelowania. Termin „model w bionice” jest często interpretowany bardzo szeroko – od fizycznego. urządzenie odtwarzające funkcje symulowanego obiektu i modelu matematycznego (lub programu komputerowego) aż do sumy reprezentacji logicznych opisujących obiekt, tj. spójny system faktów i hipotez dotyczących istoty badanego systemu (patrz Modelowanie).
Modelowanie mechanizmów pracy tych lub tych działów biol, systemy zwykle dzieli się na etapy: w pierwszym etapie przeprowadza się badanie, systematyzację i porównanie istniejących fizioli, dane - wyniki morfol., elektrofisiol. i psihofiziol, badania i pozyskiwanie w razie potrzeby nowych danych o obiekcie. W drugim etapie - opracowanie na podstawie przeprowadzonej analizy fiziol, danych hipotezy cybernetycznej o pracy badanego systemu biol, czyli takiej hipotezy, krawędzie obejmują szeroki kompleks danych technicznych i matematycznych wykorzystywanych przez współczesnego nauka o zarządzaniu; wreszcie na ostatnim etapie testowana jest opracowana hipoteza, którą można przeprowadzić w dwóch kierunkach: po pierwsze za pomocą obliczeń na komputerach fizycznych lub matematycznych, a po drugie poprzez sprawdzenie zgodności hipotezy z obiektywną rzeczywistością za pomocą fiziola . eksperyment.
Modelowanie biol, systemów w cybernetyce i B. można przeprowadzić różnymi metodami. W uogólnionych metodach cybernetyki, które są ważne dla cybernetyki, zadaniem jest uzyskanie algorytmu opisującego działanie symulowanego obiektu i nie jest wymagane, aby struktura modelu była podobna do struktury obiektu. Ta metoda jest metodą modelowania funkcjonalnego lub metodą „czarnej skrzynki”. Metoda modelowania funkcjonalnego opiera się na danych psychofizjologicznych i behawioralnych o obiekcie. W odniesieniu do zadań B. metoda „czarnej skrzynki” umożliwia uzyskanie szeregu ważnych danych umożliwiających wybór takiego czy innego biol, zasady budowy systemu technicznego (dyskretnego, analogowego). W innej, nie mniej ważnej dla metody dyskretno-strukturalnej B., modelowane są zasady i istota kontrolujących informacje mechanizmów nerwowych tej lub innej części mózgu. W tym przypadku wymagane jest poznanie zarówno struktury dyskretnej modelowanego obiektu, jak i charakteru relacji między jego elementami (zbiorami). W przeciwieństwie do pierwszej metody, ta metoda wykorzystuje złożony fiziol, dane otrzymane przez psychofizjologów, morfologów i elektrofizjologów.
Główne wyniki bioniki
Jednym z pierwszych wyników B., wprowadzonych do technologii w zakresie zapożyczania zasad bioanalizatorów, było opracowanie żyrotronu – przyrządu używanego zamiast żyroskopu do stabilizacji samolotu. Badania niektórych owadów (motyli, chrząszczy) wykazały, że mają one czułki w kształcie maczug, które podczas lotu oscylują w płaszczyźnie poziomej. Kiedy ciało owada odchyla się, końce czułków nadal oscylują w tej samej płaszczyźnie, co powoduje naprężenia mechaniczne u podstawy czułków, które wpływają na znajdujące się tutaj komórki nerwowe. Z nich sygnały poprzez włókna nerwowe docierają do centralnych części układu nerwowego, które wytwarzają odpowiednie sygnały odpowiedzi, aby sterować narządami organizmu owada, przywracając jego prawidłową pozycję w locie. Zasada działania tego bioanalizatora jest zastosowana w urządzeniu technicznym - żyrotronie, który jest kamertonem, którego nogi wprawiane są w ruch oscylacyjny przez elektromagnes zasilany prądem zmiennym. Po obróceniu uchwytu, na którym zamocowany jest kamerton, u podstawy nóg powstaje moment mechaniczny. Czujnik, który na to reaguje, wysyła sygnał proporcjonalny do kąta obrotu uchwytu. Żyrotrony są wykorzystywane w samolotach i trwają dalsze prace nad ich udoskonaleniem: zwiększeniem czułości, żywotności i zmniejszeniem wymiarów.
Innym przykładem jest konstrukcja miernika prędkości naziemnej dla samolotu na zasadzie złożonego oka owadów (pszczół). Urządzenie składa się z odbiorników umieszczonych u podstawy dwóch rurek oddzielonych zadanym kątem w płaszczyźnie pionowej. Aby określić prędkość samolotu względem ziemi, najpierw w jednym, a potem w drugim odbiorniku, ustala się pewien punkt na powierzchni ziemi. Znając odstęp czasowy między pojawieniem się wybranego punktu w pierwszym i drugim odbiorniku a wysokością samolotu nad ziemią, łatwo jest określić prędkość.
Obserwacje zachowań pszczół pozwoliły postawić hipotezę o orientacji niektórych gatunków ptaków i owadów według spolaryzowanego promieniowania słonecznego, wykorzystując fakt, że promienie świetlne pochodzące ze słońca są inaczej spolaryzowane, gdy słońce znajduje się na różnych wysokościach nad horyzontem. Badania te doprowadziły do stworzenia kompasu słonecznego, który umożliwia nawigację po słońcu w obecności chmur. W wyniku badania mechanizmów funkcjonowania żabiego oka zaproponowano szereg urządzeń niezbędnych do urządzeń naprowadzających i lokalizujących. W oparciu o badanie właściwości niektórych organizmów morskich w zakresie wychwytywania infradźwięków zbudowano urządzenia sygnalizujące zbliżanie się burzy.
Zasady inżynierii i energii zapożyczone z obiektów biologicznych znalazły również zastosowanie w technologii. Tak więc zastosowanie konturów waleni do budowy statków umożliwiło uzyskanie przyrostu mocy elektrowni nawet o 40%. Innym przykładem jest sposób, w jaki pingwiny poruszają się po śniegu, który służy do budowy nowego pojazdu terenowego dla regionów polarnych.
Ciekawym rezultatem jest próba wykorzystania określonych rodzajów mikroorganizmów do tworzenia źródeł prądu elektrycznego.
Najistotniejsze wyniki kierunku informacyjnego B. to, po pierwsze, rozwój modeli pojedynczych komórek nerwowych, modeli odcinków sieci neuronowych i całych odcinków układu nerwowego - analizatorów, a po drugie, rozwój uczenia się maszyny i algorytmy rozpoznawania wzorców oparte na tych modelach. Opracowano kilkaset modeli neuronów, różniących się liczbą i złożonością odtwarzalnych właściwości neuronu. Niektóre opracowania są zasadniczo złożonymi elementami adaptacyjnymi nowego typu, stworzonymi w oparciu o idee dotyczące neuronu i mają na celu stworzenie rozpoznających urządzeń uczących. Osiągnięte sukcesy w opracowaniu modeli analizatorów części mózgu związane są z sformułowaniem znanej w fizjologii zasady bocznego oddziaływania hamującego między elementami części projekcyjnych układu nerwowego oraz z rozwojem teorii detektory jako główny mechanizm pracy analizatorów. Zgodnie z tą teorią proces percepcji określonego bodźca jest wynikiem selekcji pewnych prostych cech tego bodźca za pomocą zestawu specjalnie zorganizowanych zespołów neuronów - detektorów. Na przykład podczas analizy obrazu wizyjnego znaleziono detektory granicy obszarów ciemnych i jasnych, detektory krzywizny, detektory linii prostych określonego kierunku, detektory przecięcia linii prostych itp. ruch w określonym kierunku. W oparciu o teorię detektorów opracowano modelowe koncepcje działania analizatorów wzrokowych i słuchowych, które wyjaśniają szereg właściwości percepcji słuchowej i wzrokowej.
Urządzenia rozpoznające i uczące stworzone na podstawie badań bionicznych są oczywiście nadal bardzo niedoskonałe, a ich stworzenie należy traktować jako pierwsze kroki w tym zakresie. Niemniej jednak stworzono już urządzenia do rozpoznawania najprostszych wzorców, do rozpoznawania ograniczonego zestawu słów (około 300), opracowano adaptacyjne autopiloty i samoregulujące filtry do izolowania dowolnego sygnału falowego na tle szumu. Stworzenie doskonałych urządzeń rozpoznających naukę będzie miało ogromne znaczenie nie tylko dla technologii, ale także dla biologii i medycyny, a zwłaszcza dla technologii medycznej, biotelemetrii i biofizyki.
Takie urządzenia znajdą zastosowanie w cytologii, histologii, mikrobiologii, radiologii oraz innych dziedzinach biologii i medycyny.
W połowie lat siedemdziesiątych, w związku z rozwojem technologii JCG (patrz Optyczny generator kwantowy) i rozwojem holografii (patrz), następuje rewizja roli cybernetyki i biofizyki w rozwoju technicznych systemów analizy informacji.
Instytucje naukowo-badawcze, w których prowadzone są badania nad bioniką: ZSRR - uczelnie państwowe: Dniepropietrowsk, Wilno, Rostów, Leningrad, Moskwa; Instytuty Biofizyki (Moskwa), Problemów Kontroli (Moskwa), Mózgu (Moskwa), Radioelektroniki (Charków), Cybernetyki (Kijów), Automatyki i Elektrometrii Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk ZSRR; USA - Uniwersytety: Stanford, Harvard, Columbia, Illinois, Kalifornia; Instytut Technologii w Massachusetts; Anglia - uniwersytety: Birmingham, Celtic, Cambridge; Niemcy – Instytut Maxa Plancka; NRD - Wyższa Szkoła Techniczna (Ilmenau), Instytut Cybernetyki i Procesów Informacyjnych; Polska - Instytut Cybernetyki Stosowanej, Instytut Politechniczny (Warszawa); Bułgaria – Instytut Cybernetyki Technicznej; Czechosłowacja - Instytut Teorii Informacji i Automatyzacji. Prace nad B. omawiane są na cyklicznie zwoływanych konferencjach. W ZSRR odbywają się: ogólnounijne konferencje na temat bioniki (Moskwa), ogólnounijne konferencje na temat neurocybernetyki (Rostów nad Donem); w USA: ogólnopolskie sympozja bioniki; w Niemczech: kongresy poświęcone cybernetyce; kongresy międzynarodowe: o cybernetyce (Namur), o cybernetyce medycznej (Amsterdam), o biocybernetyce (Leipzig), o automatycznej kontroli (IFAC).
Nie ma ogólnie przyjętych programów kształcenia specjalistów w dziedzinie biologii, ale wiele uniwersytetów i instytucji szkolnictwa wyższego organizuje specjalne kursy i prowadzi studencką pracę naukową. Należą do nich uniwersytety w Dniepropietrowsku, Wilnie, Rostowie, Leningradzie, Moskwie; Moskiewski Instytut Fizyki i Technologii, 1. Moskiewski Instytut Medyczny, Leningradzki Instytut Politechniczny.
Bibliografia: Bionika, wyd. A.I. Berg i in., M., 1965; Bionika, Indeks bibliograficzny literatury krajowej i zagranicznej 1958 - 1968, komp. T. N. Anisimova, Moskwa, 1971. Bongard M. M. Problem uznania, M., 1967; Wiener N. Cybernetyka i społeczeństwo, przeł. z angielskiego, M., 1958; Glezer V. D. Mechanizmy rozpoznawania obrazów wizualnych, M. - L., 1966, bibliogr.; Deutsch S. Modele układu nerwowego, przeł. z ang., M., 1970, bibliografia; Gerardin L. Bionics, przeł. z francuskiego, Moskwa, 1971; Mil-sum D. Analiza biologicznych systemów kontroli, przeł. z ang., M., 1968, bibliografia; P o z i N. V. Modelowanie struktur neuronowych, M., 1970, bibliogr.
I. A. Lubiński.
Bionika (z greckiego bōn – element życia, dosłownie – życie)
nauka z pogranicza biologii i technologii, rozwiązująca problemy inżynierskie w oparciu o analizę budowy i aktywności życiowej organizmów. B. jest ściśle związany z biologią, fizyką, chemią, cybernetyką, naukami inżynierskimi - elektroniką, nawigacją, komunikacją, sprawami morskimi i innymi. Pomysł na zastosowanie wiedzy o dzikiej przyrodzie do rozwiązywania problemów inżynierskich należy do Leonarda da Vinci, który próbował zbudować samolot z trzepoczącymi skrzydłami, jak ptaki – ornitopter. Pojawienie się cybernetyki (patrz Cybernetyka),
uwzględniając ogólne zasady sterowania i komunikacji w organizmach żywych i maszynach, stał się bodźcem do szerszego badania budowy i funkcji systemów żywych w celu wyjaśnienia ich wspólności z systemami technicznymi, a także wykorzystania uzyskanych informacji o organizmach żywych do tworzenia nowych urządzeń, mechanizmów, materiałów itp. .P. W 1960 roku w Daytona (USA) odbyło się pierwsze sympozjum z biologii, które sformalizowało narodziny nowej nauki. Główne obszary pracy w neuronauce obejmują następujące zagadnienia: badanie układu nerwowego ludzi i zwierząt oraz modelowanie komórek nerwowych — neuronów — i sieci neuronowych w celu dalszego doskonalenia technologii komputerowych oraz opracowywania nowych elementów i urządzeń do automatyka i telemechanika (neubionika); badanie narządów zmysłów i innych systemów postrzegania organizmów żywych w celu opracowania nowych czujników i systemów detekcji; badanie zasad orientacji, lokalizacji i nawigacji u różnych zwierząt w celu wykorzystania tych zasad w technologii; badanie cech morfologicznych, fizjologicznych, biochemicznych organizmów żywych w celu przedstawienia nowych pomysłów technicznych i naukowych. Badania układu nerwowego wykazały, że posiada on szereg ważnych i cennych cech oraz przewag nad wszystkimi najnowocześniejszymi urządzeniami komputerowymi. Te cechy, których badanie jest bardzo ważne dla dalszego doskonalenia elektronicznych systemów obliczeniowych, to: inne cechy głosu itp.). 2) Wysoka niezawodność, znacznie przewyższająca niezawodność systemów technicznych (te ostatnie zawodzą, gdy jedna lub więcej części jest uszkodzonych w obwodzie; gdy umierają miliony komórek nerwowych z miliardów tworzących mózg, system pozostaje sprawny). 3) Miniaturowe elementy układu nerwowego: z liczbą elementów 10 10 -
10 11 objętość ludzkiego mózgu 1,5 dm 3 . Urządzenie tranzystorowe z taką samą liczbą elementów zajęłoby objętość kilkuset, a nawet tysięcy m 3. 4) Wydajność pracy: zużycie energii przez ludzki mózg nie przekracza kilkudziesięciu wt. pięć) Wysoki stopień samoorganizacji układu nerwowego, szybka adaptacja do nowych sytuacji, do zmian w programach zajęć. Próby modelowania układu nerwowego ludzi i zwierząt rozpoczęły się od budowy analogów neuronów i ich sieci. Opracowano różne rodzaje sztucznych neuronów ( Ryż. jeden
). Stworzono sztuczne „sieci nerwowe”, które są zdolne do samoorganizacji, tj. powrotu do stanów stabilnych, gdy zostaną wytrącone z równowagi. Badanie pamięci (Patrz Pamięć) i innych właściwości układu nerwowego jest głównym sposobem tworzenia „myślących” maszyn do automatyzacji złożonych procesów produkcyjnych i kontrolnych. Badanie mechanizmów zapewniających niezawodność układu nerwowego jest bardzo ważne dla technologii, ponieważ. rozwiązanie tego podstawowego problemu technicznego zapewni klucz do zapewnienia niezawodności szeregu systemów technicznych (na przykład wyposażenia statku powietrznego zawierającego 10 5
elementy elektroniczne). Badania układów analizatorów. Każdy analizator zwierząt i ludzi, który odbiera różne bodźce (światło, dźwięk itp.), składa się z receptora (lub narządu zmysłów), ścieżek i ośrodka mózgowego. Są to bardzo złożone i wrażliwe formacje, niespotykane wśród urządzeń technicznych. Miniaturowe i niezawodne czujniki, które nie ustępują pod względem czułości, np. na oko reagujące na pojedyncze kwanty światła, czuły na temperaturę narząd grzechotnika, który rozróżnia zmiany temperatury o 0,001°C, czy narząd elektryczny ryba, która dostrzega potencjały w ułamkach mikrowolta, mogłaby znacząco przyspieszyć postęp techniczny i badania naukowe w ruchu. Poprzez najważniejszy analizator – wizualny – większość informacji trafia do ludzkiego mózgu. Z inżynierskiego punktu widzenia interesujące są następujące cechy analizatora wizualnego: szeroki zakres czułości - od pojedynczych kwantów do intensywnych strumieni świetlnych; zmiana jasności widzenia ze środka na peryferie; ciągłe śledzenie poruszających się obiektów; adaptacja do obrazu statycznego (aby zobaczyć obiekt nieruchomy oko wykonuje drobne ruchy oscylacyjne o częstotliwości 1-150 Hz). Ze względów technicznych interesujące jest opracowanie sztucznej siatkówki. (Siatkówka jest bardzo złożoną formacją; na przykład ludzkie oko ma 108 fotoreceptorów, które są połączone z mózgiem za pomocą 106 komórek zwojowych). Jedna ze sztucznych siatkówek (podobna do siatkówki żaby) składa się z 3 warstw: pierwszy obejmuje 1800 komórek fotoreceptorów, drugi - „neurony”, które odbierają pozytywne i hamujące sygnały z fotoreceptorów i określają kontrast obrazu; w trzeciej warstwie znajduje się 650 „komórek” pięciu różnych typów. Badania te umożliwiają stworzenie urządzeń śledzących do automatycznego rozpoznawania. Badanie czucia głębi przestrzeni przy widzeniu jednym okiem (widzenie jednooczne) umożliwiło stworzenie wyznacznika głębokości przestrzeni do analizy zdjęć lotniczych. Trwają prace nad imitacją analizatora słuchowego ludzi i zwierząt. Analizator ten jest również bardzo czuły - osoby z ostrym słuchem odbierają dźwięk, gdy ciśnienie w przewodzie słuchowym waha się około 10 mikron / m 2 (0,0001 dyna/cm2).
Z technicznego punktu widzenia interesujące jest również badanie mechanizmu przekazywania informacji z ucha do obszaru słuchowego mózgu. Badają narządy węchowe zwierząt w celu stworzenia „sztucznego nosa” – elektronicznego urządzenia do analizy niskich stężeń substancji zapachowych w powietrzu lub wodzie [niektóre ryby odczuwają stężenie substancji w kilku mg/m3(mcg/ja)]. Wiele organizmów ma takie systemy analizatorów, jakich nie mają ludzie. Na przykład konik polny na 12. segmencie anten ma guzek, który odbiera promieniowanie podczerwone, rekiny i promienie mają kanały na głowie i przedniej części ciała, które odbierają zmiany temperatury o 0,1 ° C. Ślimaki i mrówki są wrażliwe na promieniowanie radioaktywne. Ryby najwyraźniej dostrzegają prądy błądzące z powodu elektryfikacji powietrza (o tym świadczy odejście ryb na głębokość przed burzą). Komary poruszają się po zamkniętych ścieżkach w sztucznym polu magnetycznym. Niektóre zwierzęta dobrze czują wibracje podczerwone i ultradźwiękowe. Niektóre meduzy reagują na wibracje infradźwiękowe, które pojawiają się przed burzą. Nietoperze emitują wibracje ultradźwiękowe w zakresie 45-90 kHz Ale ćmy, którymi się żywią, mają narządy wrażliwe na te fale. Sowy mają również „odbiornik ultradźwiękowy” do wykrywania nietoperzy. Jest prawdopodobne, że urządzenie to nie tylko techniczne odpowiedniki narządów zmysłów zwierząt, ale także systemy techniczne z elementami biologicznie wrażliwymi (na przykład oczy pszczoły - do wykrywania promieni ultrafioletowych i oczy karalucha - do wykrywania podczerwieni promienie). Duże znaczenie w projektowaniu technicznym mają tzw. Perceptrony -
systemy „samouczące się”, które realizują logiczne funkcje identyfikacji i klasyfikacji. Odpowiadają one ośrodkom mózgu, w których odbywa się przetwarzanie otrzymanych informacji. Większość badań poświęcona jest rozpoznawaniu obrazów wizualnych, dźwiękowych lub innych, tj. tworzeniu sygnału lub kodu, który jednoznacznie odpowiada obiektowi. Rozpoznanie powinno odbywać się niezależnie od zmian w obrazie (np. jego jasności, koloru itp.) z zachowaniem jego głównej wartości. Takie samoorganizujące się urządzenia poznawcze działają bez wcześniejszego programowania ze stopniowym treningiem przeprowadzanym przez operatora; przedstawia obrazy, sygnalizuje błędy, wzmacnia prawidłowe odpowiedzi. Urządzeniem wejściowym perceptronu jest jego percepcyjne pole receptorowe; przy rozpoznawaniu obiektów wizualnych jest to zestaw fotokomórek. Po okresie „uczenia się” perceptron może podejmować samodzielne decyzje. Na podstawie perceptronów tworzone są urządzenia do czytania i rozpoznawania tekstu, rysunków, analizy oscylogramów, radiogramów itp. Badanie systemów wykrywania, nawigacji i orientacji u ptaków, ryb i innych zwierząt jest również jednym z ważnych zadań biologii. miniaturowe i dokładne systemy postrzegania i analizowania, które pomagają zwierzętom nawigować, znajdować zdobycz, migrować tysiące km(patrz Migracje zwierząt),
może pomóc ulepszyć instrumenty stosowane w lotnictwie, gospodarce morskiej itp. Pomiary ultradźwiękowe wykryto u nietoperzy i wielu zwierząt morskich (ryby, delfiny). Wiadomo, że żółwie morskie pływają na kilka tysięcy stóp w morzu. km i wracaj do składania jaj zawsze w to samo miejsce na brzegu. Uważa się, że mają dwa systemy: orientację dalekiego zasięgu za pomocą gwiazd i orientację bliskiego zasięgu za pomocą zapachu (chemia wód przybrzeżnych). Samiec motyla małe nocne pawie oko wyszukuje samicę w odległości do 10 km. Pszczoły i osy są dobrze zorientowane na słońce. Badanie tych licznych i różnorodnych systemów wykrywania ma wiele do zaoferowania technologii. Badanie cech morfologicznych żywych organizmów dostarcza również nowych pomysłów na projektowanie techniczne. W ten sposób badanie struktury skóry szybko poruszających się zwierząt wodnych (np. skóra delfina nie jest zwilżona i ma strukturę elastyczno-sprężystą, co zapewnia eliminację turbulentnych wirów i ślizganie się przy minimalnym oporze) możliwe jest zwiększenie prędkości statków. Powstała specjalna tapicerka - sztuczna skóra "laminflo" ( Ryż. 2
), co pozwoliło zwiększyć prędkość statków morskich o 15-20%. Muchówki mają wyrostki - kantare, które nieustannie wibrują wraz ze skrzydłami. Gdy zmienia się kierunek lotu, kierunek ruchu kantarów nie zmienia się, ogonek łączący je z ciałem jest rozciągnięty, a owad otrzymuje sygnał o zmianie kierunku lotu. Na tej zasadzie zbudowany jest żyrotron ( Ryż. 3
) - wibrator widełkowy zapewniający wysoką stabilizację kierunku lotu samolotu przy dużych prędkościach. Samolot z żyrotronem może zostać automatycznie wyprowadzony z obrotu. Lotowi owadów towarzyszy niskie zużycie energii. Jednym z powodów jest specjalny kształt ruchu skrzydeł, który ma wygląd ósemki. Opracowane na tej zasadzie wiatraki z ruchomymi łopatami są bardzo ekonomiczne i mogą pracować przy niskich prędkościach wiatru. Nowe zasady lotu, ruch bezkołowy, konstrukcja łożysk, różne manipulatory itp. są opracowywane na podstawie badania lotu ptaków i owadów, ruchu skaczących zwierząt, struktury stawów itp. Analiza struktury kości, która zapewnia jej większą lekkość, a jednocześnie wytrzymałość, może otworzyć nowe możliwości w budownictwie itp. Nowa technologia oparta na procesach biochemicznych zachodzących w organizmach jest również w istocie problemem B. W tym zakresie badanie procesów biosyntezy a,
bioenergetyka (zob. Bioenergetyka), ponieważ. procesy energetyczno-biologiczne (np. skurcze mięśni) są niezwykle ekonomiczne. Równolegle z postępem technologii, który zapewnia sukces biologii, przynosi ona korzyści także samej biologii, ponieważ pomaga aktywnie rozumieć i modelować pewne zjawiska biologiczne lub struktury (patrz Modelowanie). Zobacz także cybernetyka,
Biomechanika,
Biofeedback. Oświetlony.: Modelowanie w biologii, przeł. z angielskiego, wyd. N. A. Bernstein, M., 1963: Parin V. V. i Baevsky R. M., Cybernetyka w medycynie i fizjologii, M., 1963; Pytania bioniki. sob. św. wyd. M.G. Gaaze-Rapoport, Moskwa, 1967; Marteka V., Bionika, przeł. z angielskiego, M., 1967; Kraizmer L.P., Sochivko V.P., Bionika, wyd. 2, M., 1968; Braines S. N., Svechinsky V. B., Problemy neurocybernetyki i neurobioniki, M., 1968: Indeks bibliograficzny o bionice, M., 1965. RM Baevsky. Ryż. 1. Schematyczne przedstawienie neuronu (po lewej), jego modelu (pośrodku) i obwodu elektrycznego sztucznego neuronu (po prawej): 1 - ciało komórki; 2 - dendryty; 3 - akson; 4 - zabezpieczenia; 5 - końcowe rozgałęzienie aksonu; P n , Pi , P 2 , P 1 - wejścia neuronowe; S n , Si , S 2 , S 1 - kontakty synaptyczne; P - sygnał wyjściowy; K jest wartością progową sygnału; R1 - R6, Rm - rezystancja; C 1 - C 3 , C m - kondensatory; T 1 -T 3 - tranzystory; D - dioda.
Wielka sowiecka encyklopedia. - M.: Encyklopedia radziecka. 1969-1978 .
Synonimy:Zobacz, co „Bionics” znajduje się w innych słownikach:
- [Słownik obcych słów języka rosyjskiego
- [z bio... i (elektronika)], nauka zajmująca się badaniem organizmów żywych w celu wykorzystania wyników wiedzy o mechanizmach ich funkcjonowania w projektowaniu maszyn i tworzeniu nowych systemów technicznych. Na przykład dane bioniczne uzyskane z… … Słownik ekologiczny
bionika- Etymologia. Pochodzi z greckiego. bio życie. Kategoria. Dyscyplina naukowa. Specyficzność. Zajmuje się badaniem zasad funkcjonowania systemów żywych pod kątem ich wykorzystania w zakresie praktyki inżynierskiej. Rozpoczęła swoją formację w latach 60-tych. XX wiek Główna metoda ... ... Wielka Encyklopedia Psychologiczna
Bionika to jedna z dziedzin biologii i cybernetyki, która bada cechy struktury i życia organizmów w celu tworzenia bardziej zaawansowanych systemów technicznych lub urządzeń, których cechy są zbliżone do systemów żywych.
W tym dniu rozpoczęło się pierwsze międzynarodowe sympozjum na temat „Żywe prototypy sztucznych systemów – klucz do nowej technologii”.
Ale jeszcze przed oficjalnym uznaniem bionika jako taka była znana. Wynalazcy od dawna zwracali uwagę na różne zjawiska przyrodnicze, prawa ich rozwoju i znajdowali właściwe rozwiązania problemów technicznych.
W procesie konsekwentnego, bezlitosnego doboru naturalnego natura od tysięcy lat doskonali swoje systemy, szlifując poszczególne organy zwierząt.
W zaciekłej walce o byt przetrwały tylko najdoskonalsze formy organizmów i wydały na świat potomstwo. W wyniku tak długiej ewolucji natura stworzyła na Ziemi gigantyczny skarbiec, w którym nie można zliczyć niesamowitych próbek „żywych systemów inżynierskich”, które funkcjonują bardzo dokładnie, niezawodnie i ekonomicznie, wyróżniają się niesamowitą celowością i harmonią działania , zdolność reagowania na najsubtelniejsze zmiany wielu czynników środowiskowych, zapamiętywania i uwzględniania tych zmian, reagowania na nie różnymi reakcjami adaptacyjnymi. Natura miała na to dużo czasu, a osoba tworząca nowoczesne maszyny musi rozwiązać problemy techniczne w krótkim czasie, dekadach, a nawet latach.
Wiele „wynalazków” natury już w czasach starożytnych pomogło rozwiązać szereg problemów technicznych. Tak więc arabscy lekarze wiele setek lat temu, wykonując operacje oczu, wpadli na pomysł załamania promieni świetlnych podczas przejścia z jednego przezroczystego ośrodka do drugiego. Badanie soczewki oka doprowadziło starożytnych lekarzy do pomysłu wykorzystania soczewek wykonanych z kryształu lub szkła do powiększenia obrazu.
W dziedzinie fizyki badanie wielu podstawowych zasad doktryny elektryczności rozpoczęło się od badania tak zwanej elektryczności zwierzęcej. W szczególności słynne eksperymenty włoskiego fizjologa z XVIII wieku. Luigi Galvani z żabią łapką doprowadził w końcu do powstania ogniw galwanicznych - chemicznych źródeł energii elektrycznej.
W latach I wojny światowej brytyjska marynarka wojenna była uzbrojona w hydrofony - urządzenia do wykrywania niemieckich okrętów podwodnych na podstawie hałasu ich śmigieł w wodzie. Projekt się nie powiódł. W trakcie statku hydrofony nie odbierały innych dźwięków, ponieważ wszystko zagłuszał szum własnego silnika statku. Na ratunek przybyli zoolodzy. Przypomnieli sobie, że foki doskonale słyszą w wodzie przy każdej prędkości i zasugerowali, że hydrofony mają kształt małżowiny usznej foki. Od tego czasu Brytyjczycy odnieśli większe sukcesy w walce z niemieckim pod-łodzie wodne.
Pragnienie naukowców, aby zrozumieć, co natura jest doskonalsza, mądrzejsza, bardziej ekonomiczna niż nowoczesna technologia, ich próby znalezienia i usystematyzowania nowych metodradykalne ulepszanie istniejących i tworzenie zasadniczo nowych maszyn, urządzeń, konstrukcji budowlanych i procesów technologicznych oraz zapoczątkowanie nowego kierunku naukowego, zwanego bioniką.
Formy życia w przyrodzie i ich przemysłowe odpowiedniki.
Jednym z głównych problemów rozwiązywanych przez bionikę jest badanie zasad umożliwiających osiągnięcie wysokiej niezawodności systemów biologicznych, modelowanie funkcji kompensacyjnych organizmów i ich zdolności adaptacyjnych.
Przykładem wysokiej niezawodności mechanizmów adaptacyjnych w niektórych organizmach są specjalne powłoki chroniące przed środowiskiem i możliwym atakiem.
Inżynierowie cieplni doskonale znają diatomit, materiał ogniotrwały, z którego wykonane są ściany pieców szklarskich. Ziemia okrzemkowa pozyskiwana jest ze złóż olbrzymich nagromadzeń muszli okrzemek, które osiadły na dnie zbiorników. Komórki tych glonów znajdują się wewnątrz powłoki ochronnej. Pancerz okrzemek składa się z dwóch połówek włożonych jedna w drugą. Dzięki specjalnej strukturze guzowatej, składającej się z równoległościanów lub krat, które nadają powłoce dużą wytrzymałość, okrzemki są w stanie wytrzymać duże naprężenia ściskające i zginające.
Przykładem złożonego systemu adaptacji do zmian warunków środowiskowych jestSpecyficzny dla zwierząt system regulujący poziom cukru we krwi, ważne źródło energii. Ma szczególne znaczenie naukowe. Normalna aktywność życiowa organizmu jest możliwa tylko przy pewnej zawartości cukru gronowego (glukozy) we krwi. Unikalny system regulacji zapobiega szkodliwym dla organizmu wahaniom poziomu cukru we krwi.
Ciało ma narząd odkładania (magazynowania), w którym glukoza, polimeryzując, przechodzi do innego rodzaju węgla - glikogenu (czasami nazywanego skrobią zwierzęcą). Tym organem jest wątroba. W jej komórkach glikogen może odkładać się w dużych ilościach, zmniejszając w ten sposób zawartość glukozy we krwi.kozy. Gdy poziom glukozy we krwi spada poniżej wymaganego poziomu, część glikogenu ulega depolimeryzacji i nowo powstała glukoza dostaje się do krwi, aż jej zawartość ponownie osiągnie normę. Organizm nie pozbywa się nadmiaru cennego produktu energetycznego, ale zamienia go w dogodną do przechowywania formę, tworzy rezerwę na „deszczowy dzień”.
Kompleks problemów rozwiązywanych przez bionikę obejmuje również badanie biologicznych systemów receptorów i analizatorów (przede wszystkim badanie narządów wzroku, słuchu i węchu) w celu zbudowania ich modeli technicznych. Oko kałamarnicy jest przystosowane do widzenia obiektów zarówno w słabym, jak i silnym świetle.Adaptacja ta jest związana z obecnością brązowego ziarnistego pigmentu w komórkach siatkówki. W jasnym świetle pigment jest rozprowadzany po komórce, chroniąc jej wrażliwą podstawę przed nadmiarem promieni świetlnych. Przeciwnie, w nocy, przy słabym świetle, cały pigment jest równomiernie skoncentrowany u podstawy komórki, zwiększając jej wrażliwość. Coś podobnego zostało teraz stworzone przez optyków. Udało im się opracować okulary, które natychmiast ciemnieją, gdy pada na nie jasne światło. Gdy jasność spada, okulary odzyskują swoją poprzednią przezroczystość.
Bardzo interesujące i obiecujące było badanie właściwości aerodynamicznych ptaków i owadów, hydrodynamicznych charakterystyk głowonogów, ryb i waleni. Wyniki tych badań są wykorzystywane w przemyśle lotniczym i stoczniowym, projektowaniu i produkcji silników hydroodrzutowych do transportu podwodnego. Wielki rosyjski naukowiec N. E. Żukowski, badając lot ptaków, odkrył „tajemnicę skrzydła”, opracował metodę obliczania siły nośnej skrzydła, siły, która utrzymuje samolot w powietrzu. Wyniki badań cech lotu ptaków, którym Żukowski poświęcił tyle czasu, leżą u podstaw współczesnej aerodynamiki.
Owady mają jeszcze doskonalszy samolot w dzikiej przyrodzie. Pod względem ekonomii lotu, względnej prędkości i zwrotności nie mają sobie równych w dzikiej przyrodzie, a tym bardziej w nowoczesnej technologii lotniczej. Chociaż wydaje się, że prędkość ich lotu jest niewielka w porównaniu z nowoczesnymi samolotami, ale jeśli obliczymy prędkość w stosunku do długości ciała latającego zwierzęcia lub owada, okazuje się, że trzmiel leci najszybciej ze wszystkich: w jednej minucie pokonuje 10 000 odległości równych długości jego ciała; drugie miejsce zajmują jerzyki, trzecie szpak, potem szara wrona, a dopiero na ostatnim miejscu nasz odrzutowy samolot pasażerski, który w ciągu minuty pokonuje tylko 1500 odległości równych swojej długości, czyli lata 6-7 razy wolniej niż trzmiel!
Po zidentyfikowaniu funkcji halterów - słabo rozwiniętych tylnych skrzydeł w postaci maczugowych wyrostków znalezionych u much, naukowcom udało się stworzyć urządzenie „żyrotronowe” służące do określania odchylenia kątowego stabilności lotu w samolotach i rakietach.
Stosując metodę szybkiego filmowania ustalono, że skrzydło motyla nie tylko unosi się i opada podczas lotu, co widać gołym okiem, ale jednocześnie wykonuje ruchy falowe wzdłuż osi poprzecznej. Analogicznie do ruchu skrzydła motyla, do skrzydeł wiatraka przymocowano dodatkowe łopatki w postaci skrzydeł, a wiatrak zaczął pracować nawet przy najcichszym wietrze.
Napęd odrzutowy, który jest obecnie używany w samolotach, rakietach i pociskach kosmicznych, jest również charakterystyczny dla głowonogów - ośmiornic, kałamarnic, mątwy. Silnik odrzutowy na statkach jest dokładną kopią „mechanizmu” odrzutowego, za pomocą którego mątwa porusza się szybko, wyrzucającstrumień wody z wielką siłą. Kałamarnice można nazwać „sprinterami morza”. Są w stanie wystrzelić z głębin morskich w powietrze z taką prędkością, że często przelatują ponad 50-metrowymi falami.
Kałamarnice charakteryzują się niesamowitą zwrotnością w wodzie, wykonują niezwykle szybkie skręty nie tylko w płaszczyźnie poziomej, ale również pionowej. Badanie aparatu ruchowego kałamarnic, hydrodynamiczne wskaźniki kształtuich ciała mogą dostarczyć inżynierom stoczniowym bogaty materiał do stworzenia wysoce zwrotnego pocisku morskiego, zdolnego do osiągnięcia ogromnej prędkości pod wodą.
Dogłębne i kompleksowe badanie procesów biologicznych, struktur naturalnych i form pod kątem ich wykorzystania w technologii budowlanej i architekturze przyniosło w krótkim czasie wiele odkryć. Naukowcy odkryli, że elegancki projekt trzystumetrowej metalowej Wieży Eiffla dokładnie powtarza (nawet rogi powierzchni nośnych pokrywają się) strukturę kości piszczelowej, która z łatwością wytrzymuje ciężar ludzkiego ciała, chociaż inżynier J. Eiffel nie używał żywych modeli podczas tworzenia projektu wieży. Ludzka piszczel, ze swoją małą średnicą i masą, może wytrzymać ucisk 1650 kg, czyli 20-25 razy więcej niż zwykłe obciążenie.
Bliższe badanie pospolitego „przeklętego jaja” wykazało, że jego wytrzymałość wynika z cienkiej i elastycznej błony błonowej, dzięki której skorupa jest strukturą wstępnie naprężoną. Budowniczowie wykorzystali to odkrycie podczas budowy gmachu teatru w Dakarze, wewnątrz którego nie powinno być ani jednej kolumny, ani jednej ozdobnej podpory – cały budynek miał być ogromną, pustą, cienką żelbetową „łuską” " opierając się na specjalnym fundamencie. Jedynie membrana, która nadaje wytrzymałość tej konstrukcji, nie została wykonana z materiału „kurzego”, a ze wzmocnionego cementu. Cienkie zbrojone skorupy cementowe o grubości 15-30 mm pokrywają bez podpór przestrzenie o wysokości ponad 120 m. W takim przypadku im większa rozpiętość, tym skorupa powinna być cieńsza i lżejsza (do pewnych granic).
Badanie niezwykłej struktury liści, które mają żebrowaną strukturę i wachlarzowaty kształt, skłoniły architektów do tak zwanych „struktur składanych”. Na przykład kartka zwykłego papieru do pisania, umieszczona przeciwległymi krawędziami na stojakach, nie może wytrzymać własnego ciężaru i zgięć.
Ten sam arkusz, ale złożony „harmonijnie” i ponownie umieszczony na dwóch podporach tak, aby fałdy równoległe przebiegały w poprzek przęsła, zachowuje się inaczej niż gładko. Jest stabilny i może z łatwością, bez odkształceń, wytrzymać obciążenie stukrotności masy własnego ciała. Nowy kształt blachy nadał jej nowe właściwości mechaniczne. Stosując zasadę „struktur składanych”, w USA zbudowano kopuły składane o rozpiętości 100-200 m, we Francji pawilon pokryto rozpiętością 218 m.
Cienkościenne przestrzenne konstrukcje składane były również szeroko stosowane w Rosji. Budowniczowie budynków mieszkalnych skorzystali z tysiącletniego doświadczenia pszczół w budowie plastrów miodu. Plastry pszczele mają wiele zalet. Jednolitość elementów jest tu doprowadzona do granic: główny i jedyny celElementem konstrukcyjnym całego budynku pszczelego jest sześciokątna komórka wykonana z wosku. Kolejną zaletą plastrów miodu jest ich wytrzymałość. Wytrzymałość tutaj (oczywiście względna) jest wyższa niż w przypadku muru z cegły. Plastry miodu są izotropowe (ich wytrzymałość jest taka sama we wszystkich kierunkach). Dzięki tym zaletom konstrukcja o strukturze plastra miodu stanowiła podstawę do produkcji „płyt o strukturze plastra miodu” do budowy budynków mieszkalnych. Plastry pszczele mają jeszcze jedną niezwykle ważną zaletę. Przez miliony lat ewolucji pszczołom udało się metodą prób i błędów znaleźć najbardziej ekonomiczną i pojemną formę naczynia do przechowywania miodu. Cały sekret tkwi w racjonalnie dobranej formie, w geometrycznej konstrukcji woskowej komórki. Wszystkie kąty ostre trzech rombów tworzących podstawę każdego sześcianu są równe 70° 32". Matematycy udowodnili, że przy sześciokątnym kształcie, to właśnie ta wartość kąta zapewnia największą pojemność komórki plastra miodu przy minimalnej koszt materiału budowlanego do jego budowy Nasi inżynierowie korzystając z doświadczenia pszczół opracowali nową konstrukcję elewatora żelbetowego do przechowywania ziarna.Wcześniej w naszym kraju zbudowano kilkadziesiąt zwykłych elewatorów z masywnymi monolitycznymi wieżami żelbetowymi.było mało, a zużyto dużo żelbetu. Budowa nowoczesnej windy o strukturze plastra miodu zajmuje 30% mniej betonu niż jej monolityczny „przodek”. Ale wielowiekowe doświadczenie pszczół w budowie plastrów miodu okazało się przydatne nie tylko dla budowniczych budynków mieszkalnych i spichlerzy. Jest z powodzeniem stosowany przy budowie tam, śluz i wielu innych skomplikowanych i krytycznych obiektów.
Bridgers stworzył również szereg oryginalnych konstrukcji imitujących naturalne konstrukcje. Tak więc francuscy inżynierowie wznieśli most, nadając mu kształt szkieletu rozgwiazdy. Wygląda jak trójkąt równoboczny, który jest znacznie bardziej niezawodny niż konstrukcje łukowe. Przekształcenie kształtu liści, kiedy zwijają się w rurkę i tworzą dziwaczne rynny, skręcają się w spiralę, dając sobie największą siłę, podsunęła inżynierom i projektantom pomysł mostu przez rzekę w forma półwalcowanego arkusza. Jego lekkość jest niesamowita, jego siła jest niezwykła. Dzięki pięknu, wydajności i trwałości ten mostcałkowicie zadłużony wobec natury. Kolejny projekt mostu, inspirowany naturą, opracował inżynier Samuel Brown. Wychodząc do ogrodu i badając tysiące cienkich nici pajęczyn zawieszonych między drzewami, zobaczył prototyp konstrukcji mostu, której szukał, na elastycznych długich nitkach. Potrząsał nim wiatr, ale wiszące nitki nie pękły. Inżynier musiał tylko obliczyć obciążenia i przekroje. Tak powstały mocne i piękne mosty wiszące.
Niezwykle ważnym i interesującym problemem rozwiązywanym przez bionikę jest badanie systemów nawigacji, lokalizacji, stabilizacji, orientacji niektórych przedstawicieli świata zwierząt oraz tworzenie całkowicie nowych urządzeń technicznych opartych nawyniki tych badań. Zdolności nawigacyjne migrujących zwierząt uderzają swoją dokładnością, ale urządzenie i zasada działania systemów zapewniających orientację nie zostały jeszcze wyjaśnione.
