Бионика – наука, занимающаяся использованием биологических процессов и методов для решения инженерных задач. Также ее можно определить, как учение о методах создания технических систем, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов. Проще говоря, бионика – это соединение биологии и техники.
Бионика как область науки является смежной с биологией, физикой, химией, причастна к электронике, навигации, связи и многим другим отраслям науки и технологий. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Результаты исследований в этой области публикуются в огромном количестве журналов.
В бионике имеются следующие направления:
1) биологическая бионика, изучающая процессы, происходящие в биологических системах;
2) теоретическая бионика, которая строит математические модели этих процессов;
3) техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Важнейшей составной частью биологических систем являются насекомые, которые обладают целым рядом уникальных способностей. Среди них исключительные возможности обоняния, зрения, слуха, полета, ориентации, химического синтеза, совершенство внутренней организации и т.д. Эти их качества представляют огромный интерес для решения инженерных задач. Вследствие этого насекомые являются объектом пристального внимания современной науки, ставящей целью всестороннее выяснение механизма этих способностей и их внедрения в технологии.
Бионика насекомых ориентирована на решение инженерных задач и разработку технических систем, сходных по своим характеристикам с живыми организмами и их частями. В большинстве случаев наблюдается огромное превосходство «технических» характеристик насекомых над разработками человека на всех уровнях. Речь идет о том, чтобы задачи уже решенные природой были с помощью насекомых решены и человеком.
Наиболее перспективными насекомыми в этом плане являются бабочки, моли, мухи, пчелы, жуки, стрекозы и блохи.
Техническая система – это совокупность взаимосвязанных материальных элементов, предназначенная для повышения эффективности деятельности человека. Ее частным случаем является самолет – техническая система, обеспечивающая выполнение функции «транспортировка человека и/или груза в атмосфере». Через три десятилетия после появления самолетов (1903 г.) авиастроение столкнулось с явлением флаттера – внезапно и бурно возникающей на определенной скорости вибрации крыльев http://aviation.cours-demath.eu/ATPL-081-POF/flutter.php.
Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд.
Бомбардиры – жуки из двух подсемейств жужелиц (Brachininae и Paussinae), получили свое название благодаря своеобразному защитному механизму. Они способны прицельно выстреливать из желёз в задней части брюшка саморазогревающейся смесью химических веществ. Температура смеси в момент выстрела достигает 100 °C, а её выброс сопровождается громким звуком (https://en.wikipedia.org/wiki/Bombardier_beetle).
о механизме можно посмотреть мой ролик
Сейчас биологи совместно со специалистами в области термодинамики стремятся скопировать у жуков принцип их двигателей внутреннего сгорания, чтобы таким образом разрешить проблему газового питания турбин самолета.
Надо сказать, что очень многие летные возможности насекомых выглядят чрезвычайно привлекательно для их использования в авиации. Например, стрекозы легко поднимают в воздух груз, в пятнадцать раз превышающий их собственный вес. Причина этого кроется в специфической кинематике: у стрекоз почти всех семейств передние и задние крылья работают в противофазе (фазовый сдвиг приблизительно равен половине цикла взмаха), тогда как остальные насекомые «одномоторные»: у них передние и задние крылья «сцеплены».
Техническое устройство – это составная часть технической системы, единица промышленной продукции. Наиболее широко бионика насекомых используется при конструировании роботов – автоматических устройств, действующих по заранее заложенной программе. Роботы, получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), самостоятельно осуществляют производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком.
Робототехника – это интенсивно развивающаяся научно-техническая дисциплина. Рассмотрение роботов можно проводить по типам их перемещения в пространстве (катание на колесах, ходьба с использованием разного количества «ног», бег, плавание, прыжки, комбинированное передвижение) (https://en.wikipedia.org/wiki/Robot_locomotion). Можно детализировать их по средам, в которых оно происходит (на земле и под землей, на воде и под водой, в атмосфере и в космосе), типам выполняемых задач и т.п. В большей степени бионика насекомых используется именно для разработки способов перемещения Робот перенял от таракана «триногохождение». Поскольку треножник – устойчивая конструкция, он постоянно уверенно стоит на ногах. Сами «лапы» – это С-образные дуги круга, которые, однако, вращаются не вокруг своего центра кривизны, а вокруг «набалдашника» на верхнем кончике контура буквы «С». В любой момент робот опирается на три «лапы» – например, переднюю и заднюю с левой стороны тела и среднюю – с правой. Затем положение лап меняется: благодаря эксцентрическому положению центра вращения стоявшие дуги поднимаются, а висевшие в воздухе опускаются, и теперь справа оказывается две опоры, а слева одна. Из-за эксцентрического положения дуг скорость движения лап меняется. В воздухе они движутся быстрее, а когда касаются поверхности – медленнее. Робот SandBot способен развивать по глубокому песку скорость до 0,3 м/с.
Израильские инженеры создали миниатюрного робота под названием TAUB, способного прыгать как кузнечик. Он весит менее 30 граммов и копирует кинематику ног кузнечика. Они сначала сгибаются, а затем запираются в согнутом положении и резко высвобождаются. Быстрое высвобождение энергии выстреливает насекомое, как из катапульты. Робот TAUB не является точной копией кузнечика, но для прыжков использует те же принципы. Ноги робота – жесткие стержни с пружинами из стальной проволоки. Он способен прыгать на высоту 3,3 м и в длину на 1,4 метра (Grasshopper – new chassis for robots, 2015).
Немецкой компанией «Festo» созданы ультра-легкие бионические бабочки дроны. Они весят лишь 32 г; их мягкие, эластичные крылья имеют размах 50 см (http://www.robotspacebrain.com/roboticbutterfly-by-festo). Они крепятся к почти невесомому каркасу из тонких графитовых стержней. Бабочка машет крыльями 1-2 раза в секунду и может летать около 3 минут. Максимальная скорость полета достигает 2.5 м/с. У каждой бабочки в корпус встроены инфракрасные датчики, позволяющие осуществлять двустороннюю связь между роботами и центральной системой управления в виде головного компьютера (http://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/9870/eMotion-Butterflies-DemonstrateCoordinated-Robotic-Flight.aspx).
Механизм проникновения яйцеклада в древесину оказался следующим. Яйцеклад состоит из двух створок. Каждая из них покрыта зубцами, направление которых противоположно движению яйцеклада. Когда зубцы одной створки вонзаются в толщу дерева, другая створка продвигается вперед. Потом эта створка упирается зубцами в стенку хода, а первая продвигается. Благодаря такому быстрому движению, при котором створки поочередно двигаются вперед и закрепляются в древесине, яйцеклад выпиливает в лубе сосны ровный без изгибов и изломов канал глубиной до 20 миллиметров.
На основе строения яйцеклада ос был создан нейрохирургический зонд, функционирующий по принципу движения яйцеклада. Силиконовый наконечник этого зонда состоит из двух подвижных частей с микроскопическими зубцами. Это позволяет ему проникать глубоко в ткани мозга, минимально их повреждая. В отличие от обычных жестких хирургических зондов, гибкий зонд с таким наконечником способен проникать через ткани наиболее безопасным для пациента путем, обходя зоны риска, например, при операциях на головном мозге.
Всем известен характерный звук летящей мухи, который возникает благодаря вибрирующим жужжальцам – ее редуцированным задним крылышкам. Оказывается, во время полета мухи жужжальца определяют ее отклонение от горизонтального положения. Плоскости, в которых вибрируют два жужжальца, расположены перпендикулярно друг другу и составляют угол около 45° с осью насекомого. При вращении мухи в полете на вибрирующие жужжальца действует сила Кориолиса, которую регистрируют сенсиллы, предоставляя ей, таким образом, информацию об ориентации тела в пространстве (https://en.wikipedia.org/wiki/Halteres). На основе принципа работы жужжалец был создана новая версия гироскопа. Он применяется в скоростных самолётах и ракетах как датчик угла поворота или угловой скорости.
Всем известная паутина (шелк, производимый пауками) является очень сложным продуктом. В ее создании участвуют несколько желёз паука. Сама нить – это не аналог волоса, это аналог девичьей косы, сделанной из разных по толщине нитей, которые соединяются между собой паутинными бородавками. Другое необычное свойство паутины – это ее внутренняя шарнирность: подвешенный на паутинной нити предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет создавать заметной силы противодействия (https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_web).
Этот материал обладает множеством других исключительных свойств. Биоволокно, из которого он состоит, в 40 раз тоньше человеческого волоса, вчетверо прочнее стали и значительно эластичнее, чем синтетическое волокно Kevlar, из которого изготовляют пуленепробиваемые жилеты. Кабель из волокон паутины толщиной с большой палец способен выдержать 10 автобусов. Паутина очень упруга, она рвется лишь при растяжении 200 – 400%.
Еще одним очень примечательным природным материалом является резилин. Это невероятно упругое вещество, которое позволяет блохе совершать прыжки в высоту, в 150 раз превышающие длину ее тела, а мухе делать 500 миллионов взмахов крыльями за время ее жизни. Этот ультраэластичный продукт, выделенный из сухожилия саранчи, возвращает 97% энергии, которая к нему приложена, лишь 3% запасенной энергии теряется в виде тепла (https://en.wikipedia.org/wiki/Resilin) такой комбинезон бесполезен. Выход из положения подсказали стрекозы – единственные насекомые, способные выдерживать перегрузку до 30 g. Объясняется это тем, что органы стрекозы имеют одну особенность: они «плавают» в гемолимфе насекомого, которая циркулирует без вен и артерий. Сердце стрекозы имеет форму трубки и постоянно приводит в движение жидкость, окружающую его и другие органы – они вместе противостоят молниеносным изменениям скорости.
В 1987 г. внимание на это обратил швейцарский военный летчик Андреас Рейнхард (Andreas Reinhard). Он решил создать противоперегрузочный комбинезон, функционирующий по такому же принципу. Однако практическая реализация замысла затянулась на многие годы, потому что надо было найти подходящие материалы. В 1996 г. он основал компанию Life Support Systems, а в начале 2000-х годов этой компанией в сотрудничестве с германской компанией Autoflug был выпущен противоперегрузочный комбинезон LIBELLE G-Multiplus (http://campfiresmusic.com/Helvetica%20Condensed/?p=libelle-gsuit).
На недеформируемом комбинезоне были размещены маленькие наполненные водой полоски, идущие от плеч до лодыжек. В момент значительного ускорения вода в этих полосках перемещалась по направлению к ногам, оказывая контрэффект давлению на все части тела и перенаправляя кровь вверх, к мозгу. Кроме того, этот комбинезон с запасом воды 2 литра решал проблему питьевой воды в случае экстренного катапультирования. Слово «Libelle» в названии комбинезона по-немецки означает стрекоза.
Явление иризации может найти применение в полиграфии. Сотрудники Кембриджского университета (Cambridge University) в Великобритании изучали индонезийскую бабочку – парусник Блюме Papilio blumei, крылья которой состоят из сложных микроскопических структур, напоминающих картонные коробки для яиц. Они выяснили, что причиной яркой окраски этой бабочки являются отнюдь не пигменты – цвета создаются лучами света, которые отражаются от микроскопических чешуек на крыльях насекомых.
А какие примеры знаете Вы? Делитесь комментариями, мне очень важно Ваше мнение!
Спасибо за внимание, до новых встреч на канале
