Наука величайших возможностей

Может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа?

Сначала человек мог только мечтать об этом. Конечно, все это были чудесные вымыслы о нереальном. Однако здесь не было одно пустое фантазирование. Если природа это сделала, значит, в принципе это возможно и надо только найти ключ к решению задачи, чтобы научиться делать то, что мы видим в природе.

Возникновение подобного рода стыковых наук вообще типично для нашей эпохи, особенно в связи с быстрым развертыванием научно-технической революции в середине 20 в. Впервые стыковые научные дисциплины стали проявляться во второй половине 19 в. Здесь стыкуются такие далеко отстоящие друг от друга отрасли человеческого знания и практической деятельности, как БИОлогия и техНИКА.

В самом общем случае для бионики возможны два основных существенно различных способа исследования. Один способ, кажется простым. Он состоит в том, чтобы непосредственно моделировать в виде технических устройств и конструкций те схемы, которые лежат в основе соответствующих биологических явлений, функций, структур, связей, органов, например в основе структуры зрительного органа данного животного.

Другой способ более сложный и ведет к цели длительным и не прямым путем. Он состоит в том, чтобы опираясь на законы биологической эволюции постараться вкратце повторить средствами современной техники основные этапы развития данного органа, функции или явления. Бионика будет иметь большое значение для конструкторов будущего. Биологи делают открытия природы нашим достоянием, а инженеры пытаются перенести принципы этих открытий на технические разработки. Сегодня мы должны продолжать исследования того, как природа строит, конструирует и заставляет действовать свои методы, и учиться переносить это на технику. В ближайшие годы бионика будет помогать ученым в выборе верного решения и нужной стратегии.

В середине двадцатого столетия начался подлинный век биологии. В этом столетии наблюдения и описания, использование сравнительного метода позволили биологической науке прошлого обнаружить ряд важнейших закономерностей живой природы.

Исторический метод дал возможность представить живые формы в динамике, объяснить сложные механизмы и приспособления к окружающей среде, их относительную целесообразность и т. п. Прошло еще несколько десятилетий, и в биологию властно стали вторгаться методы точных наук. Такие мощные средства исследования, как электронный микроскоп, метод меченых атомов, позволили перевести биологию с клеточного уровня на субклеточный и молекулярный. Биология стала наукой точной. Кроме того, наметилась новая сфера приложения биологического познания – техника. 7 октября 1952 г. , была организована специальная группа, с тем, чтобы превратить биологические науки в поставщика также «конструкторских» идей.

Бионика- это наука, изучающая принципы организации и функционирования биологических систем на молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, биоценозном уровнях, исследующая процессы преобразования энергии и информации, переработки веществ в живых организмах, экосистемах с целью применения полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций, экономичных источников энергии, технологических процессов, эффективных энергетических комплексов и химических производств. Ее можно также назвать наукой о системах, которые являются аналогами биологических систем или которым присущи некоторые специфические характеристики живых организмов, или наукой об оригинальных технических системах и технологических процессах, созданных человеком на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

13 сентября 1960 г. – день открытия в Дайтоне первого американского симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике».

Во время раскопок Голефельской пещеры в Швабских Альпах были обнаружены топоры первобытного человека. Первым режущим элементом в них был острый камень, напоминающий острый зуб медведя, т. е. являлся прямым подражанием естественному образцу.

Одним из первых, кто сделал шаг по пути раскрытия внутренних закономерностей живой системы и их использованию для создания новых технических устройств были арабские врачи. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения. Создание линзы является первой попыткой расширить сенсорный аппарат человека.

Любой биологический объект исследования – это либо совокупность тысяч и миллионов клеток, объединенных в один организм, либо совокупность большого числа одноклеточных организмов. В том и другом случаях основным методом бионических исследований живых организмов, построения бионических систем является моделирование. Наиболее широко в бионике применяются математическое и физическое моделирование. Математическое моделирование – это метод исследования системы с помощью специальных моделей, основанный на идентичности математического описания процессов в оригинале и модели. Физические модели – это действующие электронные, механические, электрические, гидравлические, пневматические и другие устройства, которые копируют реальное поведение изучаемого объекта, воспроизводят его свойства и функции. Нередко в бионике пользуются естественными моделями. Обычно к ним прибегают при изучении какой-нибудь очень сложной биологической функции организма, например функции нервов человека. Исследовать сложные процессы, протекающие в этих тончайших волокнах, очень трудно. Разумеется, естественные модели нельзя считать бионическими конструкциями, так как в них нет ничего от искусственных, технических устройств.

В общем, логическая схема построения бионических моделей основана на том, что бионик сначала раскрывает внутреннюю структуру естественной системы, а затем технически воспроизводит эту структуру – создает искусственное устройство, обладающее искомой функцией.

Живая природа – гениальный конструктор, инженер, технолог, великий зодчий и строитель. Величайшая ценность биоэволюции – приспособление, постоянная гибкость во взаимодействии с новыми условиями.

Методы и подход бионики к исследованию живого способствует также развитию биологии. Не менее благотворное влияние оказывает бионика и на развитие медицины. Примером может служить «искусственная рука», созданная советскими ученными Б. П. Поповым-Ильиным, В. С. Гурфинкелем, А. Е. Кобринским, А. Я. Сысиным, М. Л. Цейтлиным и Я. С. Якобсоном.

Также широкое применение получил автономный стимулятор сердечной деятельности. Хирурги вшивают под кожу больного миниатюрные генераторы электрических импульсов, располагая электроды на сердечной мышце, и электрические разряды заставляют сердце сокращаться в нужном ритме.

Сейчас вряд ли можно найти такую область человеческой деятельности, которая в той или иной степени не была бы связана или не готовилась к сотрудничеству с бионикой.

Мир ощущений

Мы живем в удивительном мире света и теней, бесчисленного множества красок и их причудливых оттенков, в мире звуков – низких и высоких, нежных и грубых, чарующих и оглушающих; нас окружают море запахов, великое обилие вещей – объемных и плоских, ажурных и массивных, привлекательных и отталкивающих, красивых и посредственных, изящных и аляповатых.

И если бы сегодня нашелся какой-нибудь волшебник, который вздумал бы вдруг лишить нас восприятия всего многообразия мира красок, звуков, запахов, то жизнь сразу бы поблекла, стала серой и неинтересной, более того – невозможной.

Ощущения составляют главную и неотъемлемую часть человека, любого живого существа.

Новейшие исследования показывают, что у человека, полностью изолированного от внешней среды, появляются признаки психического расстройства: он теряет представление о времени, ему начинает казаться, например, что его голова распухает или уменьшается, а то и вовсе отделяется от тела, затем начинаются галлюцинации. И если эксперимент продолжать, то не исключена вероятность, что он приведет к безумию. Всей радости восприятия внешнего мира мы обязаны нашим органам чувств – сенсорным системам, анализаторам.

Современная классификация сенсорных органов более дифференцированная и различает такие ощущения, как чувство боли, тепла, холода, равновесия, перемещения в пространстве, голода, жажды и др.

Немаловажное значение имеет изучение принципов преобразования внешних сигналов в биологических рецепторах для развития вычислительной и особенно измерительной техники. Из всех известных органов чувств наибольшее внимание бионика уделяла и продолжает уделять изучению и моделированию зрительного анализатора, поскольку в этой области техника испытывает наиболее острую потребность в новых идеях, в новых методах конструирования, в новых принципах работы систем.

Искусственный глаз лягушки – ретинантрон одно из наиболее значительных достижений бионики. «Уставившись» на экран аэродромного радиолокатора, он хорошо различает контур изображения с учетом контрастности, отсеивает информацию о неподвижных предметах, ведет наблюдения только за движущимися объектами и принимает, подобно лягушке, мгновенные решения.

Не менее интересны в бионическом плане особенности зрительного аппарата голубя. Голубь может длительное время не мигая смотреть почти прямо на солнце. Используя это свойство, можно построить обзорную радиолокационную систему, способную обнаруживать самолеты. На основе изучения механизмов глаза голубя разработан оптический решающий фильтр, предназначенный для классификации и опознавания объемных объектов. Ведутся работы по созданию устройства для распознавания штормовых центров и противоослепляющих фильтров для сварщиков.

Бионические исследования некоторых свойств и особенностей структурных и функциональных характеристик человеческого глаза позволили создать электронную модель рецептивного поля сетчатки, построить модель центральной части зрительного анализатора, разработать устройства, аналогичные механизму управления движениями глазного яблока.

Возможно, такие устройства будут устанавливаться на непилотируемых космических кораблях, посылаемых на Луну, Марс, Венеру.

Итак, для опознавания любых образов необходимо создать машину, которая сама составляла бы для себя программу, сама определяла, что существенно для решения данной задачи, и не реагировала на избыточную для решений данной задачи информацию. Такая машина должна, подобно человеку, накапливать в процессе обучения некоторый опыт и в соответствии с ним выбирать линию поведения и сортировать полученную информацию по степени ее важности.

Одна из первых таких машин была разработана в Корнельском университете группой американских ученых под руководством Ф. Розенблатта.

А теперь перейдем к бионическим исследованиям органа слуха. По количеству воспринимаемой и перерабатываемой информации орган слуха у человека и многих высших животных стоит на втором месте (глаза доставляют нам около 90% информации о внешнем мире, слух-9%).

Человек способен слышать звуки исчезающей малой интенсивности и звуки колоссальной силы: от комариного писка до грома орудийного салюта, от жужжания далеко летящего, не видимого глазом насекомого до рева рядом запускаемого реактивного двигателя, т. е. звуки, отличающиеся по громкости в триллион раз.

Не так давно сотрудники Ленинградского электротехнического института связи им. Профессора Бонч-Бруевича создали систему, получившую название «электронное ухо», - прибор для определения качества звучания музыкальных инструментов.

Большое будущее ожидает слышащие и говорящие системы и в медицинской практике.

Разумеется, у современных людей обоняние иное, чем было у животных, им не надо ходить на охоту и принюхиваться, где пахнет антилопой, а где саблезубым тигром. Но все, же за миллионы лет эволюции природа сохранила нам весьма тонкое обоняние. Настолько тонкое, что даже при всех успехах современной науки и техники пока не удается построить прибор, который по способности улавливать и определять небольшие количества примесей органического вещества превзошел бы человеческий нос.

Если чужой муравей хочет пробраться в муравейник, его узнают и убивают. Достаточно обмакнуть «своего» муравья в экстракт из «чужих» муравьев и сотоварищи уничтожат несчастного.

Многообещающие перспективы, например, открываются в создании дистанционной химической сигнализации по образцу и подобию органов обоняния дымных жуков. Искусственные органы обоняния могли бы стать незаменимыми устройствами в различных областях химической промышленности.

Главная же трудность в моделировании созданных природой органов обоняния заключается в том, что для ученых до сих пор остается многое неясно в химии и физике запахов.

Итак, на наших глазах рождаются машины, которые с оговорками, можно уже назвать «видящими», «слышащими», «обоняющими» и «осязающими» в привычном понимании этих слов. Создаются такие сложные бионические системы с несколькими одновременно работающими высокочувствительными анализаторами, такими, например, как, зрительный, слуховой, обонятельный, осязательный и др.

Пока мы еще не в силах создать подлинный синтез, всеобъемлющую имитацию поведения человека. Но мы вправе надеяться, что когда-нибудь техника добьется этого, если бионика и кибернетика смогут описать его поведение во всех тонкостях. А бионика и кибернетика объединяют самую безумную часть электроники с самой безумной частью биологии.

Локаторы природы

Эхолокация получила очень широкое распространение в живой природе, как для обнаружения различных препятствий, так и для поиска пищи.

Изумительное мастерство в использовании ультразвуковых волн для получения сложных сведений об окружающем пространстве летучие мыши, разумеется, приобрели не сразу. Они обрели его в процессе длительной эволюции и прежде всего потому, что звук является удобным, если не единственным, способом ориентировки в тех условиях, в которых им приходится жить и перемещаться. В 1946 г. советский ученый Е. Я. Пумпер высказал очень интересное предположение, хорошо объясняющее физиологическую природу эхолокации летучих мышей. По его гипотезе, летучая мышь издает каждый последующий ультразвуковой импульс сразу же после того, как воспринимает эхо предыдущего. Хорошо известно, что выделение полезного сигнала на фоне естественных и искусственных помех -одна из старейших и важнейших проблем техники, с которой мы сталкиваемся в очень многих ее областях.

Таким образом, слуховой аппарат летучих мышей -это не просто анализатор, обладающий высокой чувствительностью. Органы их эхолокации настолько совершенны, что говорить просто о слухе здесь не приходится. Ведь органы звуколокации достигают наибольшего совершенства именно у тех рукокрылых, которые обладают очень плохим зрением, почти слепы, и поэтому у них совсем иное соотношение слуховых и зрительных центров.

Большим вниманием ученых - биоников и специалистов, занимающихся разработкой локационных систем, ныне окружены не только летучие мыши, но и дельфины.

Обнаружение различных объектов в толще воды - одна из важнейших задач современной прикладной физики и бионики.

Изучая работу локационного аппарата дельфина, ученые обнаружили еще одну чрезвычайно важную его особенность: издаваемые животным ультразвуки, отражаясь от окружающих предметов, позволяют ему на значительном расстоянии точно определять не только местоположение этих предметов, но и форму, и размеры их.

В 1962 г. американские исследователи Вильям Эванс и Джон Прескотт высказали предположение, что выпуклая жировая подушка, расположенная на челюстях и межчелюстных костях, и вогнутая передняя поверхность черепа дельфинов действуют как звуковая линза.

Интересно было бы найти принцип трансформации термической энергии в химическую и попытаться спроектировать и воплотить в металле инфракрасный локатор типа «змеиный глаз», связанный с усилителем. Он обладал бы большими преимуществами перед природным термолокатором. Для этого требуется совместная работа биоников, биологов и инженеров.

Живые барометры, гигрометры, сейсмографы

Проблема точного прогнозирования погоды -одна из самых древних, она так же стара, как и само человечество. Потребность в какой-то мере предвидеть погоду появилась у человека с переходом его к оседлой жизни, к занятию земледелием и скотоводством. Засухи и наводнения, опустошительные бури и морские штормы приносили немалые беды человечеству. Нужно было научиться вовремя узнавать о ненастье и предвидеть погоду, благоприятствующую работе.

Бионики начинают изучать атмосферные и биологические процессы на основе данных о взаимодействии живых организмов с окружающей средой, чтобы полученные сведения использовать для повышения точности прогнозирования погоды. Многие птицы и другие животные, как это давно заметили рыбаки и жители побережий, способны заблаговременно «угадывать» приближение шторма и других стихийных бедствий.

Из многочисленных животных, обладающих неизвестными нам «механизмами» для прогнозирования погоды, бионики в качестве первого подопытного объекта избралимедузу, которая, по многим наблюдениям, задолго до приближения шторма спешит укрыться в безопасное место литоральной зоны. Используя принцип действия «уха» медузы, сотрудники кафедры биофизики МГУ им. М. В. Ломоносова создали электронный аппарат – автоматический предсказатель бурь.

Чудесными синоптиками являются многие птицы. Постоянно находясь в атмосфере, непосредственно испытывая на себе воздействие всех происходящих в воздушном океане изменений, птицы в течение веков приобрели высокую чувствительность к изменению атмосферного давления, к уменьшению освещенности, к скоплению в атмосфере электричества перед грозой. О приближении дождя заблаговременно сигнализируют человеку муравьи и пчелы. Первые старательно закрывают входы в муравейник, вторые сидят в ульях и гудят.

К изменениям барометрического давления, инсоляции, температуры воздуха, важности атмосферы и почвы чувствительны также растения.

У биоников стоит решение еще одной волнующей человечество земной проблемы. Это так называемая проблема «вулканного прогноза». Многие животные обладают замечательной способностью предчувствовать извержение вулкана. Именно это и заставляет специалистов по бионике заняться научным исследованием загадочного феномена.

Есть одно замечательное растение – «королевская примула». Она растет на острове Ява и называется там «цветком землетрясения». Королевскую примулу можно найти лишь на склонах вулкана. Она отличается от всех своих сестер-примул тем, что расцветает только накануне извержения вулкана и служит местным жителям своеобразным сигнализатором грозящего им бедствия.

Бионика в содружестве с биологией, метериологией и сейсмологией продолжает терпеливо исследовать, казалось бы, самые незначительные факты и явления, стремится определить закономерности, найти тончайшие нити, связывающие происходящие в биосфере процессы с их признаками, которые обнаруживают и фиксируют живые организмы. Этот целенаправленный поиск обещает и, несомненно, подскажет не одну замечательную идею для создания принципиально новых инструментальных средств и методов прогнозирования штормов, ураганов, цунами, землетрясений, извержений вулканов. И когда инженеры воплотят эти идеи в электронные системы, а метеорологи, сейсмологи, геофизики и вулканологи начнут ими повседневно пользоваться, слепые силы природы уже не будут больше властны над человеком. Человек победит стихию.

Биомеханика

У природы человек учился летать, строить планеры и самолеты; она помогла ему стать крылатым, как птица, и быстрым, словно мысль. Она же научила его плавать и мастерски сооружать речные, морские и океанские корабли. И очень может быть, что идею создания колеса, которой мы так гордимся, считаем эталоном оригинальности изобретательской деятельности человека, независимости его технического творчества от копирования природы, подсказал не кто иной, как сама природа. Действительно, присмотритесь повнимательнее, как передвигается человек: опираясь на одну ногу, он отталкивается носком другой ступни от земли и, сохраняя равновесие, выносит ногу вперед; нога-маятник описывает в воздухе часть окружности и в конце пути плавно опускается на землю. Шагание, как говорят инженеры,- это «прерывистое качение». Вот этот-то простой и вместе с тем гениальный принцип движения, вполне возможно, привел человека к созданию около 6000 лет назад, а может быть и раньше, колеса, вырубленного из цельного куска дерева, способного к непрерывному качению. Это сухопутный транспорт.

Несомненный интерес для конструкторов наземных транспортных средств представляет ползание животных и волочение туловища по земле. Оба способа движения основаны на использовании следующих друг за другом импульсов – вибраций – различной продолжительности и интенсивности.

Экономичность и высокие тяговые качества вибраторов с успехом использованы польскими инженерами. Они создали самоходный малогабаритный аппарат пока мощностью всего 300вт.

Не так давно инженер В. Турик разработал проект бесколесного прыгающего автомобиля, идею создания которого ему подсказалкенгуру. Этих животных природа приспособила к быстрому бегу прыжками на задних конечностях. Когда кенгуру, энергично оттолкнувшись от земли двумя задними конечностями, совершает прыжок, ему помогает поддерживать в полете равновесие и менять направление движения хвост. Прыгающую машину при сколько-нибудь большой длине прыжка тоже надо наделить устройствами стабилизации, чтобы она не кувыркалась в полете. Кроме того, чем выше и дальше прыжок, тем сильнее удар о землю. Чтобы спасти транспортируемый груз и саму машину от поломок, а экипаж от увечий, «прыгоход» потребуется снабдить амортизацией, которая могла бы сравниться с той, какую обеспечивают задние ноги кенгуру, блестяще приспособленные природой не только для отталкивания, но и для приземления. Возможно, все это технически и осуществимо, но тогда система автомобиля-прыгуна очень усложнится.

Итак, шагающие устройства Не так давно внимание ученых привлек обыкновенный паук. Их заинтересовало, как этот представитель отряда членистоногих ходит и довольно быстро бегает, имея длинные лапки, практически лишенные мышц.

Природа создала ноги самых разных конструкций. Выбрать оптимальную для шагохода – одна из важнейших бионических задач. От устройства ног во многом зависит скорость передвижения животных. Медведь и обезьяна передвигаются на больших плоских ступнях; собаки и кошки бегут на пальцах, пятка у них всегда поднята над землей; газели, антилопы и лошади – на кончиках копыт.

Мы уже не раз говорили, что бионика, учась у природы, заимствуя из ее великой сокровищницы творений новые для различных областей техники идеи, конструктивные и технологические решения, не идет по пути слепого копирования. В природе и технике представления о рациональном далеко не всегда совпадают. Возьмем, к примеру, сороконожку. Двадцать пар ног животного – гарантия того, что на самой неровной местности, по крайней мере, три из них обязательно найдут точку опоры. Но если попробовать воплотить такую конструкцию в металле, она окажется чрезвычайно громоздкой и сложной, да и управлять четырьмя десятками ног, прямо скажем, нелегко.

Основоположником такого рода систем является великий русский математик П. Л. Чебышев. Он, первый задолго до начавшихся в наше время бионических разработок, построил модель «переступающего механизма» - «стопоходящей машины», которая демонстрировалась во Всемирной выставке в Париже в 1878г.

Однако человек приступил к выполнению грандиозной программы покорения грандиозной программы покорения космоса. Для исследования далеких планет солнечной системы тоже нужны вездеходы, но не такие, как для Земли. На Марс, Венеру, Юпитер, Сатурн, Меркурий, Нептун, Уран, Плутон не пошлешь просто двуногую машину или известный нам «шагающий грузовик», управляемый с Земли посредством телевизора и системы дистанционного управления.

Гармония красоты и целесообразности

В мире животных каждый обслуживает сам себя. Поэтому, естественно, приходится уметь делать многое, и конечно же строить себе жилье.

Не менее интересна технология строительства пауков ловчей паутины. Блестящая под каплями росы, ажурная конструкция кажется скорее произведением искусства, чем смертельной западней.

Изумительно архитектурно-строительное искусство птиц. Нам думается, если бы люди вдруг решили провести среди животных конкурс на лучшего «строителя» или «архитектора», то не исключено, что все первые места достались бы пернатым. Отличительная особенность птичьих гнезд -огромное разнообразие форм и размеров, высокая конструктивная прочность, а иногда и довольно большая сложность.

Красавица иволга подвешивает свой дом к веткам высоко, в кроне дерева. Строит она его обычно из мягкой коры, прошлогодних листьев и стеблей, паутины и пакли.

Разумеется, все многогранное строительное мастерство животных не могло не привлечь к себе самого пристального внимания наших далеких предков. Немало замечательных сооружений в далеком прошлом человек создал, копируя архитектурные формы растительного мира.

Многое объяснил в архитектонике растений выдающийся русский естествоиспытатель-дарвинист К. А. Тимирязев. В своей знаменитой речи «Факторы органической эволюции» (1890) ученый сказал: «Роль стебля, как известно, главным образом архитектурная: это – твердый остов всей постройки, несущий шатер листьев, и в толще которого, подобно водопроводным трубам, заложены сосуды, проводящие соки Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».

Если говорить о форме, рождающей прочность, нельзя не рассказать об удивительном устройстве некоторых листьев, подсказавшем архитекторам так называемые «складчатые конструкции». Речь идет о существующих в растительном мире листьях, имеющих ребристую форму и форму веера. В этих структурах, пожалуй, нашла свое наиболее яркое воплощение одна из самых интересных закономерностей природы-«сопротивляемость конструкции по форме».

Используя принцип «сопротивляемости по форме», в США построили складчатые купола пролетом 100-200 м. , во Франции произвели перекрытие павильона пролетом 218 м. Широкое применение получили тонкостенные пространственные складчатые конструкции и в СССР. Это стало возможно благодаря глубоким исследованиям советских ученых и инженеров, посвященным теории складок, методам возведения широкопролетных сооружений.

Сотовые панели можно делать из самых разных материалов: из обычного железобетона, древесно -волокнистых плит, синтетических смол, шлаковой ваты, различных отходов. Вместо стали для армирования применяют пластмассы. Конструкция крупной панели, изготовленной по сотовому методу. Из панелей шести видов можно собирать дома любой формы и с разным числом этажей. Соты – идеальная форма для монолитной конструкции: никто не мог бы предложить пчелам что-нибудь более удобное.

Многие архитекторы считают, что города будущего уйдут под землю. По данным министерства строительства Японии, в крупных городах страны сегодня уже функционируют 55 подземных торговых центров с общей полезной площадью 36 га. В Токио недавно проложена под землей улица Новая Гиндза. Она надежно защищена как от капризов погоды и выхлопных газов автомобилей, так и от опасностей обычной улицы.

Современного уровня знаний и технологии вполне достаточно для реализации разработанных проектов плавающих городов уже сегодня. И первые практические шаги в этом направлении уже делаются. Например, в одном из ответвлений Ставангер - фьорда в Норвегии заканчивается строительство гигантского сооружения, названного «примечательнейшим в истории строительной техники», а именно -плавучего острова нефтехранилища «Экофикс-1». Вскоре он будет отбуксирован на 300 км. От берега в Северное море и там, поставлен на якоря. «Экофикс-1» имеет около 90 м. высоты и столько же в диаметре. Это нефтехранилище вмещает около 150 млн. л. Нефти, способно выдержать самые сильные штормы бурного Северного моря.

Биологическая связь

В древних легендах знание языка животных рассматривалось как необходимый атрибут абсолютной мудрости. Общеизвестно предание, согласно которому библейскому мудрецу Соломону достаточно было надеть магическое кольцо, чтобы разобраться, о чем судачат сороки, мурлычет кошка или переговариваются вернувшиеся с пастбищ стада. Притча утверждает, что царь не только понимал животных, но и беседовал с ними на их языке.

Несомненно, у многих животных есть свой «язык». Он далеко не то же самое, что речь человека, и, возможно, для его обозначения более уместен был бы особый термин. Но свою функцию-функцию носителя информации, средства общения – он в конечном счете выполняет: позволяет осуществлять контакт между отдельными особями, заявить о притязаниях на определенную территорию, на руководство группой или на единоличное обладание пищей, координировать действия всего сообщества при поисках пищи и обороне от врагов, передавать»традиции», принятые в сообществе от поколения к поколению, выразить состояние «радости», удовольствия, тревоги, испуга, страха, нетерпения, гнева, тоски, беспокойства, мук одиночества, голода, оповестить сородичей о приближении врага и т. п.

Многочисленные наблюдения поведения животных показывают: любая общественная группа остается сплоченной только тогда, когда она имеет внутреннюю связь-язык. «Язык» животных -это зеркало их психических способностей. Чем больше смысловых сигналов в «языке» животных, тем сложнее их взаимоотношения и совершеннее психика.

Весьма многообразную информацию, как показывают исследования, несут звуки, издаваемые птицами. Они связаны со всеми важнейшими формами жизнедеятельности: питанием, гнездованием, спариванием, выведением птенцов, кочевками, перелетами и т. п.

Важную роль в жизни птиц играет песня. Певчие и говорящие птицы очень чувствительны к музыке, они обладают уникальным для животного мира физиологическим и акустическим голосовым аппаратом. Способность к пению у них передается в основном по наследству.

Профессору Фрингсу принадлежит еще очень любопытное открытие. Оказывается, у птиц одного вида «языки» различаются. Так. Сельские вороны не понимают городских, вороны, обитающие в Америке, не могут «разговаривать» с европейскими и т. д.

У многих дневных рыб хорошо развита система общения при помощи двигательных реакций и поз. В настоящее время четко установлено шесть типов поз, имеющих определенное смысловое значение: позы, означающие наличие в данном месте пищи, позы обороны, угрозы и поражения, позы призыва молоди и позы, связанные с взаимоотношениями самца и самки. По наблюдениям В. Р. Протасова, «иногда обмен двигательными реакциями позами представляет собой своеобразный сложный диалог рыб, аналогичный жестам и мимике глухонемых».

Изучение «языка» животных и овладение им сегодня является одной из важнейших проблем науки. Решить ее -значит приобрести в мире животных несметное число новых помощников буквально на все случаи жизни, резко повысить эффективность животноводства, организовать действенную борьбу с вредителями сельского хозяйства, с животными, опасными для здоровья человека. И еще. Познавая «язык» зверей, мы тем самым, надо полагать, восстанавливаем связи наших далеких предков с миром животных, утраченные в ходе эволюции.

Архитектурная бионика

Можно встретить покрытия зданий, сходные с причудливыми поверхностями раковин моллюсков купола, интерпретирующие контуры скорлупы птичьего яйца, прозрачные решетки — структуры, уводящие к сложным переплетениям ветвей лесной чащи или скелетных остовов радиолярий.

Название «бионика» восходит к греческому bios, означающему жизнь. Соединенное со словом электроника оно дало наименование новому направлению в науке». Кратко — это отрасль науки, усилия которой направлены на исследование биологических систем и процессов, происходящих в живой природе, и на творческое использование их в технике.

Мир живой природы развивался и совершенствовался в течение многих миллиардов лет, выработав в себе целый ряд средств, которым аналогичны наши технические средства: радиолокационные приборы, летающие аппараты, оптические инструмент навигационные приспособления.

Не случайно пионером в этой области стал немецкий архитектор и инженер Отто Фрей. Первым масштабным сооружением стал немецкий павильон в Монреале.

Следующим большим проектом стала крыша олимпийского стадиона в Мюнхене.

С тех пор тентовые конструкции стали широко распространяться. Малый вес, дешевая установка, способность покрывать большие площади, выразительные формы - все эти факторы способствовали все большему распространению этих конструкций.

Инженеры воспользовались готовыми решениями природы и с успехом применяют их на практике в самых различных областях техники. Так, ученые обратили внимание на то, что медуза за несколько дней до шторма в океане начинает постепенно опускаться на дно. Стали выяснять причины. Оказалось, что у нее есть особое устройство, которое предупреждает о подобных изменениях в водной стихии.

Явление в авиации — флаттер — ритмичное, не поддающееся регулированию колебание крыльев самолета, часто приводящее к их разрушению, особенно при повышенных скоростях. В процессе бионических исследований живой природы обнаружилось, что стрекоза давно «решила» этот технический вопрос: в ее крыльях имеются специальные подвески, предотвращающие флаттер.

Название науки «бионика» предложено американским ученым Джеком Стилом и принято на Первом симпозиуме по бионике, проходившем в г. Дайтоне (США) в Дом Баттло (1905—1907) похож на морское чудовище. Волнообразный фасад облицован керамикой и украшен декоративными пятнами из яркого цветного битого стекла. Балконы похожи на рыбьи головы. Первый и второй этажи, сделанные из известняка, будто вылиты из лавы, даже с изображением потоков. Их колонны похожи на кости с суставами, что дало основание жителям города назвать дом «домом из костей». В симпозиуме принимали участие советские ученые: А. И. Берг, Б. С. Сотсков и др.

Бионика — наука в полном смысле созидательная, способствующая активному преобразованию природы и созданию новой, искусственной среды по подобию живой природы, но лишь в аспекте человеческих задач.

Архитектурную и техническую бионику объединяет общность предмета исследования — использования тех или иных средств и принципов организации живой природы в материальном производстве, к сфере которого примыкает архитектура. У них много сходства, в том числе и в методах использования биосистем.

Архитектурная бионика идет от изучения всей неисчерпаемой сокровищницы природных форм к определяемому социальными потребностями выбору подходящих из них, от выявления чисто бионических принципов и их моделирования к комплексной архитектурно-биологической интерпретации и скорректированному архитектурному моделированию, а от них к творческому развитию архитектурно - бионической практики.

Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе. Сюда относятся: уточнение общетеоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов — тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т. д. ; решение проблемы создания благоприятного микроклимата в зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментального конструирования на физических моделях и др.

Штутгартская группа "Биология и строительство (ФРГ) занимает в международной науке единственное в своем роде место. Здесь работают ведущие биологи, архитекторы и инженеры. Группа была организована в 1961 г. Ее цель — работать в условиях максимальной связи биологии, техники и строительного искусства. Человек боялся сил природы и защищал себя от них постройками, архитектурой. Он защищает себя с такими усилиями, что уничтожает при этом и природу. Иоганн Герхард Хельмке, в то время ординатор по биологии и антропологии в Политехническом институте и руководителю кафедры цитологии и микробиологии в Макс-Планк-Институте (Max-Planck-Institut). И. Г. Хельмке — ведущий в мире знаток диатомей, тех незаметных живых существ, которые формируют очень прочные скорлупы-оболочки в воде.

Хельмке поставил перед собой задачу привлечь в биологию инженеров. Он попытался не только осуществить интерпретацию скелетов и оболочек, но и найти ответ на вопрос, как возникает живой объект, каким образом он "монтируется" природой. Его интересы связаны с физико-техническими процессами, в результате действия которых возникают эти структуры. Он установил, что такие процессы знакомы строительству (область легких конструкций) и самолетостроению. Особенно это относится к большепролетным оболочкам и решетчатым конструкциям. Хельмке и Отто решили соединить имеющиеся знания в области строительства из легких конструкций.

Концепция «органической архитектуры» в творчестве американского архитектора Франка Ллойда Райта оформилась как ведущее направление новой архитектуры, которому активно следовали во всем мире. На формирование Райта оказали влияние три фактора: архитектурная теория и практика Салливена, в мастерской которого он работал пять лет, романтизм, а также интерпретация природы в японской архитектуре.

Основные методы дизайнерской бионики

Наиболее ответственный этап в работе дизайнера — это исследование живой природы. На этом этапе неизбежно встает вопрос, что выбирать в природе и как выбирать. Руководствоваться нужно, прежде всего, возможностями воспроизведения принципов построения живых форм в промышленных изделиях. Основным методом биодизайна является метод функциональных аналогий, или сопоставления принципов и средств формообразования промышленных изделий и живой природы. Отбирать необходимые и полезные функции и формы живой природы помогает знание проблем современной техники и чувство промышленной формы.

В биодизайнерском процессе неизбежно воспроизведение интересующих дизайн природных форм посредством объемных моделей. Моделирование в данном случае выступает как средство не только познания законов формообразования живой природы, но также инструментом непосредственного решения теоретических и практических задач, стоящих перед дизайнерской бионикой.

Работа художника-конструктора с природными аналогами заключается не в простом сравнении, а в изыскании методов и способов технического моделирования биологических процессов.

Взять, к примеру, пчелиные соты. Это одно из примечательных творений природы в области стандартизации и унификации. Они представляют собой десятки тысяч шестигранных призм, расположенных параллельными рядами. Каждый ряд ячеек пчелы кладут с «перевязкой», как каменщики кирпичную стену. Соты изотропны — их прочность одинакова во всех направлениях. И не удивительно, что первыми заимствовали опыт пчел авиастроители для создания сверхзвуковых самолетов и ракет. Тысячевековой опыт пчел в сооружении сот успешно используется архитекторами и строителями в строительстве элеваторов, емкость которых увеличилась, а расход материала уменьшился на 30 % и затраты труда сократились вдвое.

звучания.

Животный и растительный мир подсказывают пути использования его идей и принципов для художественного и технического конструирования.

Для живой природы присуща в общем целесообразность.

Изучение совершенства природных форм — предпосылка к совершенствованию промышленных изделий и высокой организации объемно-пространственной структуры. В некоторых случаях конструкция может взять на себя всю эстетическую нагрузку.

В целом эстетика форм промышленных изделий тесно связана с утилитарными основами, а в природе тесная связь функции и формы воспринимается как особое эстетическое свойство живой природы.

Заимствуя из живой природы конструкции, мы вместе с тем берем природные формы, вызывающие у нас определенные эстетические эмоции. Природные формы придают изделию специфический характер.

Конкретность живых форм, нашедших свое применение в архитектуре и технике, выделяет эти сооружения и изделия из числа других. Чрезвычайная надежность, экономичность, способность к самонастройке отличают их от искусственных аналогов, созданных руками человека.

Японские судостроители создали корабль, в точности копирующий форму кита. Это позволило на 25 % повысить скорость судна при том же водоизмещении и мощности механизмов.

Горьковские инженеры сконструировали автомобиль-снегоход, заимствовав способ передвижения по рыхлому снегу у пингвинов. Эта машина при массе 1300 кг развивает скорость до 50 км/час.

Гармония красоты и целесообразности в природе — поистине неисчерпаемый источник средств гармонизации формы, к которому постоянно обращались творцы шедевров архитектуры и искусства. Витрувий, Леон Альберти, Палладио, Ле Корбюзье, И. В. Жолтовский, А. В. Щусев неустанно искали закономерности строения прекрасной формы, вытекающей из законов природы. Нельзя не вспомнить об удивительном устройстве некоторых листьев, подсказавшем архитекторам так называемые «складчатые конструкции». Речь идет о листьях, имеющих ребристую и веерообразную форму. В этих структурах нашла свое наиболее яркое воплощение одна из самых интересных закономерностей природы — «сопротивляемость» конструкции в зависимости от формы.

Подражая конструкции листа дерева, итальянский инженер Пьер Луиджи Нерви спроектировал перекрытие зала Туринской выставки. Легкая конструкция из армоцемента толщиной всего 4 см перекрыла стометровый пролет без опор. Все перекрытие пронизано креплениями, расположенными абсолютно так же, как и жилка листа.

Опираясь на биологические формы при разработке промышленных изделий, нельзя не учитывать новой технологии и новых материалов.

Чаще всего природная форма, примененная в промышленном изделии, видоизменяется под действием законов технологии и материалов, но не настолько, чтобы не быть узнанной.

Но без знания принципов и общих законов формообразования природы нельзя понять ту или иную форму.

При первом взгляде на окружающий нас предметный мир может показаться, что бионика как будто не проявляется в творениях человеческих рук столь непосредственно, однако в действительности ее влияние на предметный мир в целом и на технику в частности глубоко и устойчиво. Поэтому каждому, кто причастен к проектированию промышленных изделий, приходится считаться с ней и серьезно анализировать природные формы.

На современном этапе дизайнерами используются не внешние формы живой природы, а лишь те свойства и характеристики формы, которые являются выражением функции того или иного организма, аналогичным функционально-утилитарным сторонам изделия. От функции к форме и к закономерностям формообразования — таков основной путь дизайнерской бионики.

Промышленные формы, получаемые в результате творческого процесса освоения законов формообразования живой природы — это уже не формы природы, это синтез природных форм и выработанных прогрессом науки и техники средств, имеющихся в распоряжении дизайнеров и конструкторов.

В своей работе мы отразили только некоторые аспекты развития современной бионики.

Развивающаяся в последние десятилетия наука бионика представляет собой соединение биологии и техники. Эта наука изучает то, как можно перенести принципы природы на конструкцию и разработку приборов, материалов, машин. Ведь, бесспорно, самым гениальным и остроумным изобретением является природа. Бионика рассматривает биологию и технику в их тесной взаимосвязи, где биология служит неисчерпаемым источником новых идей и технических открытий для ученых , инженеров, дизайнеров.

Век бионики только начинается. Важнейшим условием ее дальнейшего развития является широкое вовлечение в сферу бионических исследований новых, молодых сил. Время не ждет. Мы не имеем права отставать в этой прогрессивной и перспективной области науки. Нельзя строить подготовку нужных бионике специалистов на энтузиазме и самотеке. Здесь нужны организованность и целеустремленность. По нашему глубокому убеждению, подготовку биоников необходимо начинать со школьной скамьи, ещё в школе учащиеся должны получить первичные бионические знания. И в этом важном деле первое место, несомненно, должно принадлежать преподавателям биологии. Большую помощь в вооружении школьников бионическими знаниями, безусловно, могут и должны оказать также преподаватели математики, физики, химии и других естественных наук.

Мы не ставили своей задачей осветить все области современных бионических исследований – тогда она приобрела бы огромные размеры. Цель – помочь овладеть инженерным виденьем природы, познакомить его с тем, что является самым главным в бионике, с ее совершенно новым подходом к проблемам жизни и технике, с ее особыми методами и средствами исследования биологических систем.

Без романтики, без мечты, без творческого труда не может развиваться ни одна наука, в том числе и бионика. Здесь требуется пытливый ум, полет строгой и смелой мысли, упорство и творческая фантазия, логика и дерзновенность. Бионике нужны люди, безгранично любящие природу, не боящиеся трудностей, способные отдать новой науке весь пыл и всю страсть молодости, весь опыт и всю мудрость зрелости.