Бионика

Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его движениями.

Леонардо да Винчи.

С незапамятных времен мысль человека искала ответ на вопрос: «Может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать как птица или плавать под водой как рыба?»

Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

Сложность и многообразие жизни, развивавшейся и усложнявшейся миллиарды лет, столь велики, что одни ее явления мы только начинаем понимать, а другие еще ждут изучения.

Возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание этих законов позволяет не только составить научную картину мира, но и использовать их для практических целей.

Раскрытие молекулярных основ наследственности сделало возможным возникновение генетической инженерии, на основе изучения взаимоотношений между организмами созданы биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, многие приспособления живых организмов послужили моделями для конструирования эффективных искусственных сооружений и механизмов.

В то же время незнание или игнорирование законов биологии приводит к тяжелым последствиям, как для природы, так и для человека.

Настало время, когда от поведения каждого из нас - и на работе, и в часы отдыха - зависит сохранность окружающего нас мира.

Хорошо отрегулировать двигатель автомобиля, предотвратить сброс ядовитых отходов в реку, предусмотреть в проекте гидроэлектростанции обводные каналы для рыбы (и построить их!), удержаться от желания собрать букетик полевых цветов - все это позволит сохранить окружающую среду - среду нашей жизни - для будущих поколений.

Исключительная способность живой природы к восстановлению создала иллюзию ее неуязвимости к разрушительным действиям человека, безграничности ее ресурсов.

Это не так. Вся хозяйственная деятельность человека сейчас должна строиться с учетом принципов организации биосферы.

Человек представляет собой высшую ступень развития живой природы не потому, что его чувствительные или рабочие органы и системы лучше, чем у животных. Многочисленные примеры убеждают в том, что у многих животных та или иная система жизнедеятельности во много раз совершенней, чем у человека. Приведем лишь некоторые из них.

Лучшие спортсмены - бегуны на короткие дистанции развивают скорость 40 - 42 км/час. В мире животных в 2 - З раза быстрее бегает гепард, страус и некоторые другие.

Более того, относительная скорость передвижения и расстояние, на которое могут перемещаться животные, еще разительнее отличаются от естественных возможностей человека.

Количество движений, которое человек способен совершить за 1 сек., составляет максимум 10 - 12 (к примеру, постукивания пальцем по столу), а частота взмахов крыла у обыкновенной пчелы - 250 - ЗОО в секунду.

Преимущество человека заключается в уникальной способности мозга к мышлению и способности к общественному труду.

В своей практической деятельности человек использует в качестве моделей для конструирования сооружений и механизмов наиболее удачные приспособления живых организмов к среде их обитания.

В наше время появилось самостоятельное направление в науке и технике, цель которого - использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники. Это направление было названо бионикой (от греч. слова bion - ячейка жизни).

Круг вопросов, которые использует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться для того чтобы получить о них представление, лучше всего рассмотреть несколько примеров.

В 1889 году в Париже по проекту инженера Ж.Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая ажурная башня, ставшая впоследствии своеобразным символом столицы Франции. Эта конструкция — яркий пример единства закона формирования естественных и искусственных структур.

Ученые обнаружили, что силовые линии в конструкциях башни и в костях птиц и млекопитающих распределяются очень сходно (рис.19.1), хотя при создании башни инженер не пользовался живыми моделями.

Легкая и хрупкая кость, способная выдержать большие нагрузки, стала предметом пристального изучения ученых и архитекторов. Всесторонне исследуя скелет позвоночных и скелетные образования беспозвоночных животных как комплекс расположенных в пространстве опорных элементов, известный математик и конструктор Ле - Реколе установил, что прочность этих биологических конструкций обусловлена соответствующим расположением в них обрамлений отверстий, соединяемых различным образом, а не плоскостей и пустых пространств.

На основе изучения структуры костей и других природных моделей в архитектуре родился принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем.

Так, французские инженеры использовали этот принцип при строительстве моста, придав ему форму скелета морской звезды.

Для творчества архитекторов природа предоставляет немало образцов подобных конструкций, например скелеты некоторых глубоководных губок и особенно радиолярий - микроскопических организмов, относящихся к типу простейших.

Скелеты радиолярий поражают богатством и разнообразием форм и расположением опорных элементов. При удивительной экономии материала он: обладают высокой устойчивостью, выдерживая давление воды на больших глубинах. Это яркий пример достижения максимальной прочности при минимальной затрате материала (рис 19.2).

Ле - Реколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд конструкций универсальных ячеек, которые могут быть использованы в создании различных сооружений — от перекрытий залов до мостов и плотин.

Возможно, в будущем они найдут применение и в оборудовании, предназначенном для полетов в космос, поскольку в подобных условиях требуется принимать во внимание не только прочность конструкции, но и количество материала, необходимого для его изготовления.

Дырчатые конструкции — не единственная возможность построения объектов. В природе встречаются разнообразные формы скелетных элементов — окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и многоугольники, Комбинируя их, природа создала бесконечное «множество сложных красивых, легких, прочных и экономичных конструкций.

Части живых организмов нередко построены из элементов сходной формы. Таковы лепестки цветков, чешуи семян злаков, чешуя рыб, панцирь броненосцев и т.д. Повторяемость однотипных структурных элементов в природе -закономерное явление.

Естественный отбор сохраняет структуры, наиболее совершенные в функциональном отношении и наиболее экономные по затрате материала.

В этом отношении хорошим примером служит фигура, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников.

Она очень часто встречается в природе: панцири черепах, чешуя змей, проводящие сосуды растений содержат в своей структуре шестиугольники.

Однако среди этих природных шестигранных конструкций наиболее замечательное творение - пчелиные соты, Это самая экономная и самая емкая форма, единственным элементом которой является шестигранная призма.

Принцип строения живых конструкций из унифицированных элементов используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов. Конструкции пчелиных сот легла в основу изготовления “сотовых панелей” для строительства жилых домов (см. рис.19.2).

Шестигранная призма — основной элемент “сотовых” элеваторов под Новосибирском и в Целинограде.

Успешно используют принцип пчелиных построек и гидростроители при наведении плотин и создании других гидротехнических сооружений.

Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет в строительстве биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются или могут быть использованы человеком.

Рис. 19.2. Приспособления у животных и примеры использования их в технике:

А - дырчатая ажурная конструкция;

Б - ячеисткая конструкция;

В - ориентация: перелеты птиц и насекомых;

Г - электрические рыбы: ориентация в воде.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе. На основании исследования полета птиц появилась авиация.

Еще более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе, ни тем более в современной авиационной технике.

Бабочки адмиралы или репейницы, совершая дальние полеты из Европы в Африку, находятся в воздухе в течение многих часов. Они преодолевают такие гигантские расстояния благодаря высокой экономичности работы своего организма.

Бабочки расходуют “горючего” (жиры, углеводы и др.) гораздо меньше, чем птицы при дальних перелетах или современный самолет.

Хотя скорость их полета, казалось бы, невелика по сравнению с современными авиалайнерами (самая большая у стрекозы-дозорщика достигает 144 км/ч), но если сравнивать сколько раз укладывается длина тела летуна в полете за единицу времени, то окажется, что относительная скорость у насекомых намного больше.

Несравнимо выше и маневренность полета насекомых. Так, некоторые виды мух могут подолгу зависать в воздухе, а затем быстро снижаться и мягко вертикально садиться даже на неровную площадку. Бабочки на лету останавливаются перед цветком, чтобы собрать нектар. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх и вниз. Чтобы в полете не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолетов, тем самым устраняя опасность вибрации машины.

Полет насекомых — процесс сложный и во многом еще не изученный. Однако идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полета насекомых, ждет своего разрешения.

Изучение способности насекомых к полету открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных решений в конструкции летательных аппаратов.

Там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные системы.

Так, например, была выявлена функция жужжальцев — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у некоторых насекомых, например у мух.

Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат животному органом, определяющим отклонение от горизонтального положения — положения равновесия.

На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полета.

Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в полной темноте и ловить насекомых, не задевая встречные предметы. Лишь в наше время было установлено, что летучие мыши могут издавать и воспринимать звуки с частотой выше 20 тыс. Гц, т.е. ультразвуки, недоступные слуху человека.

Беспрерывно испуская в полете ультразвуковые сигналы и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство.

У некоторых видов летучих мышей ультразвук распространяется через рот, у других видов — через ноздри.

“Приемником” отраженного звука служат уши, которые у некоторых видов, например ушанов, достигают значительных размеров.

С помощью такого “ультразвукового” видения летучие мыши способны обнаружить в темноте натянутую проволоку диаметром всего лишь 0,05 мм, уловить эхо, которое в 2 тыс., раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделить тот звук, который им нужен.

Интересно, что некоторые ночные бабочки также чувствительны к ультразвуковым сигналам. Они воспринимают импульсы летучих мышей на гораздо большем расстоянии, чем сама мышь, т.е. несколько раньше, чем та может их обнаружить, и таким образом избегают опасности, другие бабочки сами способны издавать ультразвуковые сигналы, которые отпугивают мышей, предупреждая их о несъедобности насекомого.

Изучение природных ультразвуковых локаторов только начинается. Моделирование локаторов по живым образцам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем.

По аналогии с принципом, лежащим в основе эхолокации у летучих мышей, конструируются модели приборов-локаторов для слепых и приборы для народного хозяйства.

Ориентироваться в пространстве животные могут и не прибегая к эхолокаторным системам, тем более, что они высоко - эффективны на небольшом расстоянии. Один из примеров ориентации на основе иных принципов — способность к навигации у перелетных птиц и некоторых водных животных.

С наступлением осени большая часть птиц покидает свои гнездовья и отправляется в далекое путешествие к местам зимовок (см. рис.19.2), а весной снова возвращается “домой”. Птицы летят группами и в одиночку, днем и ночью, в туман и сильный ветер, подчас покрывая огромные расстояния.

Так, в далекую Африку улетают наши горихвостки, мухоловки-пеструшки. ласточки, журавли, аисты, утки. Замечательны своими дальними перелетами полярные крачки. В течение трех месяцев они достигают Антарктиды, пролетая только в один конец около 16 тыс.км.

Способность к навигации у птиц врожденное чувство. Кукушонок, выросший в чужом гнезде, не летит в ту сторону, куда зовут его приемные родители, а следует традиционным кукушкиным путем, хотя летит впервые. У некоторых птиц, например у аистов, молодняк улетает зимовать раньше взрослых. Врожденный “птичий компас” укажет молодому аисту правильный путь к незнакомой ему далекой Африке.

Не только птицы, но и рыбы, например лососи, совершают путешествие из океана в родные реки. Преодолевая течения и пороги, они плывут на нерест вверх по рекам, стремясь, во что бы то ни стало попасть туда, где появились на свет.

Навигационные способности мигрирующих животных поражают своей точностью, однако устройство и принцип работы систем, обеспечивающих ориентацию, пока не разгаданы.

Ученые предполагают, что птицы и другие животные днем ориентируются по Солнцу, а ночью по звездам. Но поскольку Земля вращается вокруг своей оси и положение звезд и Солнца непрерывно меняется, для правильного определения направления полета необходимо знать время.

Оказалось, что у птиц есть своеобразные биологические часы. Птицы хорошо чувствуют и магнитное поле Земли, силовые линии которого, возможно, также служат ориентиром в полете.

Инженеры - бионики многих стран работают над выяснением механизмов ориентации животных, раскрытие которых даст возможность человеку создать принципиально новые навигационные приборы.

Не менее интересным и перспективным для использования оказалось проявление электрической активности в живой природе, обнаруженное в конце ХVIII в. знаменитыми учеными Гальвани и Вольта у животных (лягушки).

В дальнейшем оказалось, что электрическая активность — неотъемлемое свойство живой материи.

Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ.

Эта способность наиболее изучена у рыб. В настоящее время известно, что около 300 видов рыб способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По силе и характеру разрядов такие рыбы делятся на сильно электрические и слабо электрические.

К первым относятся южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты. Эти рыбы генерируют очень сильные заряды: угри создают напряжение до 600 В, сомы — до 350 В. Напряжение тока у морских скатов невысоко, но сила тока их разрядов иногда достигает 60 А, что позволяет им парализовать даже крупную добычу.

Рыбы второго типа обитатели мутных, илистых водоемов Африки — не испускают отдельных разрядов. Они посылают в воду почти непрерывные и ритмичные импульсы высокой частоты, создавая вокруг своего тела электрическое поле.

Конфигурация этого поля, которую можно представить в виде магнитно-силовых линий, зависит от формы самой рыбы.

Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменится. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства в области головы, и определяют местонахождение объекта (см. рис.19.2).

Таким образом, эти рыбы осуществляют электрическую локацию, позволяющую на расстоянии найти пищу, избежать встречи с врагами и столкновения с неодушевленными предметами в мутной воде, где всецело полагаться на зрение не приходится.

Приемы, с помощью которых электрические рыбы ловят добычу и защищаются от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для промыслового электролова или отпугивания рыб от разводимых в водоемах моллюсков и растений.

Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации у рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска различных объектов в водной среде, которые работали бы по образцу электролокаторов рыб. Работа по созданию подобной аппаратуры ведется учеными многих стран.

На протяжении многих миллионов лет биологической эволюции на Земле в процессе естественного отбора возникало и вымирало огромное количество самых разнообразных видов живых организмов.

Изучение существующих и вымерших в далекие геологические эпохи видов живых организмов показало, что и в древности существовали формы жизни, изучение организации которых может пригодиться для создания или усовершенствования некоторых машин и механизмов.

Перечислить все, чем занимается бионика, нелегко; трудно также охарактеризовать все живые объекты, принципы, организации которых могут помочь человеку в решении разнообразных научно-технических задач.