В.Д. Ильичев
Датойрождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. – день открытия в США Международного симпозиума «Живые прототипы искусственных систем – ключк новой технике». Однако в действительности основные концепции бионикисложились задолго до этого, а симпозиум лишь ознаменовал начало широкогомеждународного сотрудничества в этой области.
Доисторическийчеловек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшиеему создавать полезные устройства. В известном смысле такой подход можно назватьбионикой. В какой-то степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножаи других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя илистекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталикеглаза. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силыкрыла самолета на основе изучения полета птиц.
Послетого как бионика получила официальное признание как самостоятельная областьзнаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась.Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика,машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальнаяметеорология, архитектура и т.д.
Изучаябиологические системы, бионика ищет оптимальные решения инженерных проблем. Приэтом она не только занимается коренным усовершенствованием существующих, но исозданием принципиально новых машин, аппаратов, приборов, строительныхконструкций и технологических процессов, построением технических устройств, характеристикикоторых приближаются к таковым у живых систем.
Конечно,такое определение существенно упрощает ее понятийное содержание. Однако здесьимеется одно существенное ограничение. Оно заключается в том, что далеко не всеприродные системы опережают уже созданные технические.
В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один изсоздателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнегои несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного.Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у неесовершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающиев сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанныеживыми системами за время эволюционного развития. Основными направлениямибионики считаются следующие.
Изучениеи моделирование нейронов, нейронных сетей нервных центров, принциповорганизации мозга с целью их использования в технических системах.
Изучениепринципов повышения надежности биологических систем, их резервирования испособности к адаптации.
Изучениеорганов зрения, слуха и обоняния с целью их моделирования.
Изучениесистем навигации, локации, ориентации и стабилизации движения у животных вцелях создания принципиально новых технических устройств.
Изучениеметодов кодирования, передачи и обмена информацией в биологических системах науровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярномуровне с целью создания новых средств связи.
Разработкаметодов изучения психофизиологических возможностей и способностей человека, оптимальныхметодов обучения и тренировки, облегчения работы человека-оператора, контроля ипрогнозирования его состояния (бионические аспекты проблемы «человек–машина»).
Изучениегидродинамических свойств рыб и китообразных, аэродинамических характеристикнасекомых и птиц, рыхлящих и землеройных приспособлений животных с последующиммоделированием в авиа и судостроении, робототехнике.
Получениеэнергии в технических системах по аналогии с биологическими, в том численепосредственно от биологических систем.
Разработкабиологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов втехнологиях производства сложных органических веществ.
Изучениеприродных конструкций и форм в целях их использования в строительной технике иархитектуре.
Здесьперечислены наиболее важные, но далеко не все направления исследований, изкоторых складывается современная бионика. В настоящее время началось ипрогнозируется на последующие годы бурное развитие таких направлений, какматематическая бионика, занятая совершенствованием и созданием компьютерныхмоделей, в том числе информационных; медико-биологическая бионика, использующаядостижения природы для разработки методов лечения заболеваний человека, ихпрофилактики; ветеринарно-биологическая, занимающаяся близкими задачами, ноприменительно к домашним и диким животным.
Рассмотримнекоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практическихцелях. Начнем наши очерки с водных и околоводных объектов.
/>
Водолазныйколокол Галлея. «Костюм ныряльщика», изобретенный Кингертом
/>
Воздушныйколокол паука-серебрянки
Снегоходнаямашина, имитирующая принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу, быларазработана в Горьковском политехническом институте под руководством А.Ф. Николаева.Пингвины передвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующимдля этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежана снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители наших северных регионов – охотники, оленеводы и т.д. Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегуобразуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могутиспользоваться и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего немогут применяться.
Судостроителиво всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, болееприспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современныхсудов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирскогопарохода «Куренаи Маару». По сравнению с обычными судами китообразный пароходоказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% онсохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка«Скипджек», корпус которой по форме напоминает тунца, имеет более высокуюскорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судами.
Впоследнее время ученые приблизились к разгадке высокоскоростного плавания рыб.Обитатели открытых морских просторов развивают скорость до 42 км/ч, морские млекопитающие, например, киты, до 40 км/ч, а рыба-меч – 130 км/ч.
/>
Наноструктуры на лапках геккона подсказали ученым новый состав клея для плитки
/>
Саранча, приклеенная к металлическому стержню, «смотрит» фильм «Звездные войны». Она подсказала ученым простую искусственную систему, предотвращающую автомобильные столкновения
Традиционносчиталось, что рыбы при плавании используют движение хвоста и отчастиплавников. Но вот рыб пустили в аквариум, заполненный молоком, чтобы проследитьза движением жидкости при плавании рыбы. При каждом ударе хвоста наблюдалосьдвижение жидкости у жабр, а не у хвоста. При этом основная движущая силавозникала при колебательных движениях туловища; слои жидкости, вдоль которыхскользила рыба, превращались в завихрения с вертикальной осью вращения. Рыбакак бы плыла, отталкиваясь от водоворотов, которые выталкивали ее вперед.
Остроумныйопыт подтвердил эти предположения. В доску вбили два ряда гвоздей и положилирыбу между ними и она «поплыла» посуху, отталкиваясь корпусом и хвостом отгвоздей как от водоворотов. На основе этого принципа кораблестроители началиработать над созданием подводных судов, двигающихся с легкостью рыбы.
Вскореэти исследования дополнились работами ученых, изучающих плавание дельфинов.Последние способны развивать в воде скорость до 56 км/ч, сопровождая часами и даже днями быстроходные корабли. Расчеты показали, что для достижениятакой скорости мышцы дельфинов должны быть в 10 раз мощнее, чем они есть насамом деле. Однако оказалось, что точно воспроизведенная по весу и форме теламодель дельфинов, получающая равную тягу, плывет гораздо медленнее живогодельфина. При этом было замечено, что вокруг живого дельфина возникает струйноетечение, не переходящее в вихревое. Обтекание модели дельфина было турбулентным,и, вынужденная преодолевать турбулентность со значительной затратой сил, онаперемещалась гораздо медленнее.
Секретвысокой скорости движения дельфина разгадали советские ученые В.Е. Соколов иА.Г. Томилин с сотрудниками.
Оказалось,антитурбулентность дельфина обеспечивается особенностями строения кожи. Егоэпидермис очень эластичен и напоминает лучшие сорта автомобильной резины. Онсостоит из тонкого наружного и лежащего под ним росткового (шиловидного) слоев.В ячейки росткового слоя входят упругие сосочки дермы, точно зубцы резиновойщетки для замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы особенно развиты в лобнойчасти головы и на передних краях плавников, где давление воды максимальное.Ниже сосочков дермы располагаются коллагеновые и эластиновые волокна, а междуними – жир. Все вместе действует подобно демпферу, предотвращающемутурбулентность и срыв потока.
Поддавлением подкожный жир меняет форму клеток, а затем восстанавливает ее.Буферность кожи достигается еще и упругостью коллагеновых и эластиновыхволокон.
Благодаряэтим приспособлениям поток, обтекающий тело дельфина, остается ламинарным –линейным, без завихрений.
Крометого, на упругой коже дельфинов имеется специальная смазка, обладающаяводоотталкивающими свойствами. Поэтому тело дельфина при движении в воде как быкатится по шарикоподшипникам, обеспечивая еще одно преимущество, заменой тренияскольжения на трение качения.
Когдаже дельфины достигают максимальной скорости, и их тело не в состоянии погаситьвихри ни демпферными, ни гидрофобными свойствами кожи, кожный покров самначинает совершать волновые движения в виде складок, продвигающихся потуловищу. Эти волнообразные складки кожи не только гасят вихри, но и уменьшаютсилу трения в срединной и хвостовой частях тела животного.
Чтоже позаимствовали инженеры из этих сведений?
В 1960 г. немецкий инженер М.Крамер изобрел мягкие оболочки «ламинфло» из двух итрех слоев резины толщиной 2, 3 мм. При этом гладкий наружный слой имитировалэпидермис кожи, эластичный средний с гибкими стержнями и демпфирующей жидкостьюбыл аналогичен дерме с коллагенами и жиром, а нижний выполнял функции опорнойпластины. Демпфирующая жидкость, перемещаясь между стерженьками, гасила вихри вслое воды ближайшем к корпусу модели. При этом торможение снижалось наполовину,скорость увеличивалась вдвое. А затем подтвердилась возможность снижатьсопротивление воды на 40–60%.
Р.Пелт(США), выстлав внутреннюю поверхность трубы имитатором дельфиньей кожи(уретановая смола на полиэфирной основе), получил снижение потерь давления приперемещении жидкости на 35%. Тем самым возникла реальная возможность экономичноперекачивать на сотни тысяч километров по трубам воду, сжиженные горючие газы, спирт,патоку, жидкие удобрения, гранулы (в виде смеси с водой в соотношении 1:1), кормовуюпасту, помидоры и другие овощи, даже живую рыбу.
Однакокораблестроители уже думают о создании и развитии подводного грузового ипассажирского транспорта, как более экономичного в энергетическом отношении, защищенногоот любой непогоды. Одновременно с этим рассматривается вопрос и о специальныхдвигателях для подводного транспорта, сходных с ракетнымипрямоточно-реактивными или турбореактивными установками. Именно такпередвигаются головоногие моллюски – осьминоги, кальмары, каракатицы. У них, каки у всех подводных обитателей, функции двигателя и движителя совмещены в одноммышечном механизме, что способствует эффективной отдаче энергии, повышению КПД,надежности работы системы.
Вдвижителе, основанном на принципе движения кальмара, вода засасывается в камеру,а затем выбрасывается через сопло. Судно при этом движется в противоположномнаправлении. Движитель кальмара очень экономичен. Кальмары развивают скоростьдо 70 км/ч. По предположениям ученых они могут двигаться со скоростью вдвоебольшей. Стартуя из глубины в воздух они пролетают над волнами более 50 м на высоте 7–10 м. В воде они совершают стремительные повороты в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Все это открывает перед кораблестроителями новые многообещающие перспективы.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru