Бионика Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти… Леонардо да Винчи Автор-составитель: Большаков Сергей Васильевич, учитель биологии МОУ «СОШ 16» г. Северодвинска Архангельской области

Бионика – Направление в науке и технике, цель которого – использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники. Праотцом бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов основаны на строении крыла птицы

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 проект инженера Ж. Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая ажурная башня. Эта конструкция – яркий пример единства закона формирования естественных и искусственных структур

Ученые установили, что силовые линии в конструкциях башни и костях птиц и млекопитающих распределяются очень сходно, хотя при создании башни инженер не пользовался живыми моделями Костная структура головки бедренной кости Продольный разрез кости грифа

На основе изучения структуры костей и других природных моделей в архитектуре родился принцип дырчатых конструкций. Так, французские инженеры использовали этот принцип при строительстве моста, придав ему форму скелета морской звезды

Известный математик и конструктор Ле-Реколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд универсальных ячеек, которые могут быть использованы в создании различных сооружений – от перекрытий залов до мостов и плотин

Естественный отбор сохраняет структуры, наиболее совершенные в функциональном отношении и наиболее экономные по затрате материала. Пример – пчелиные соты, самая экономная и самая ёмкая форма, единственным элементом которой является шестигранная призма. Конструкция пчелиных сот легла в основу для изготовления «сотовых панелей» для строительства

Поликарбонатные пустотные (сотовые) панели Теплица из поликарбоната

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

Ещё 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. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения Бабочка Адмирал

Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации

Учёные установили функцию жужжальцев мух. Во время полёта жужжальца определяют отклонение от горизонтального положения. На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолётах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полёта

Такой глаз создает мозаичное изображение предмета и исключительно точно реагирует на движение. Основываясь на этом принципе, конструкторы создали прибор, способный мгновенно измерять скорость самолета, попавшего в поле зрения прибора. Кроме того, разработана особая фотокамера для снятия особо точных репродукций с оригиналов и прибор «небесный компас», определяющий положение солнца по поляризованному свету и служащий средством навигации Большое внимание бионики уделили изучению строения и роли глаз насекомых, которые состоят из фасеток - простых глазков.

Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. Исследования анализаторных систем животных позволяют создавать технические аналоги органов чувств

Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в полной темноте. Лишь в наше время было установлено, что летучие мыши могут издавать и улавливать ультразвуки. Беспрерывно испуская в полёте ультразвуки и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство

Моделирование локаторов по живым образцам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем

С наступлением осени большая часть птиц покидает свои гнездовья и отправляется в далёкое путешествие к местам зимовок. Инженеры бионики многих стран работают над выяснением механизмов ориентации животных, раскрытие которых даст возможность создать новые навигационные приборы

Не менее перспективным для использования оказалось проявление электрической активности в живой природе. В настоящее время известно около 300 видов рыб способных создавать и использовать биоэлектрические поля. По силе и характеру разрядов рыбы делятся насильно электрические (южноамериканские электрические угри, морские электрические скаты, африканские электрические сомы) и слабо электрические южноамериканские электрические угри

Сильноэлектрические рыбы генерируют очень сильные разряды, позволяющие им парализовать даже крупную добычу

Слабоэлектрические рыбы создают вокруг своего тела электрическое поле. Если в электрическое поле попадает объект, конфигурация поля изменяется. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб вокруг головы, и определяют местонахождение объекта. Работа по созданию подобной аппаратуры ведётся учёными многих стран Рыба Нож

Исследователи из Bell Labs обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей

Великолепное создание природы человеческая рука тоже давно привлекла внимание конструкторов. Создано большое число манипуляторов, в которых в той или иной степени повторяются отдельные элементы конструкции руки. Наибольшая степень сходства достигнута в активных протезах человеческой руки. Большой известностью пользуются у нас работы группы ученых во главе с А.Е. Кобринским. Они создали протез, который управляется с помощью биопотенциалов, возникающих в мышце предплечья

В Музее современного искусства в Нью-Йорке демонстрируют необычный стул. Его дизайн разработан голландским художником Йорисом Лаарманом, при участии инженера- автомобилестроителя Лотхара Нарцхейма из Центра инжиниринга GME в Руссельсхайме. "Природа дает нам великолепные образцы для подражания, - поясняет эксперт-бионик Л.НарцхеймGME

В октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров. В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда

В направлении создания прямоходящих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана Миниатюрный, длиной около 17 см., робот уже бегает со скоростью 55 см/сек

В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие- то непонятные растения. Инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (сорняк). В результате инженер через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении одежды

В 1920 году австриец Рауль Франсе, взяв за основу коробочку макового цветка, создал солонку. Три года назад корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы- кузовка. Несмотря на свою чемодан о образную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха

Образцом новых плавательных костюмов от Speedo стала кожа акулы, которая в ходе эволюции стала состоять из особых рифлёных чешуек. Благодаря им акулья кожа стала такой гладкой, что рыба весом почти в тонну свободно скользит в воде, почти не встречая сопротивления среды. В соответствии с этим образцом плавательные костюмы были оснащены тысячами искусственных чешуек. Спортсмены, надевавшие их, проплывали 100- метровку в среднем на 1,5 секунды быстрее, чем их настолько же сильные конкуренты в обычных костюмах

Пораженные чемпионы признаются, что в бассейне у них было чувство, будто они плывут вниз с горы. Секрет успеха LZR Racer в том, что этот костюм развивался в течение миллионов лет: эволюция сделала за Speedo их работу. Технологи скопировали свой топ- продукт у природы и усовершенствовали его с помощью компьютера

Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться... у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля

Это глиссер. По форме корпуса он похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфинчег был построен компанией Innespace в 2001 году

«Кожа без жертв» (Victimless Leather) - так назвали свою программу учёныеиз Университета Западной Австралии. В рамках программы эти ребята вырастили… сюртучок из живой человеческой кожи. Смысл программы состоит в том, чтобы научиться выращивать кожу для производства одежды и кожгалантереи

Как выглядели прообразы самых первых тарелок? Ещё до того, как человек додумался и научился делать ёмкости из глины, тарелкой могло послужить что угодно - лист растения, плоский камень, обломок раковины. Керамическая миска называется Whirl Serving Dish («whirl» переводится как «кружение, вихрь»). Она белая, простая и похожа на раковину. Её автор - Ким Вестад (Kim Westad) - графический дизайнер

Первые попытки использовать природные формы в строительстве предпринял еще Антонио Гауди

Работы Антонио Гауди

Современный дом в стиле архитектурной бионики

Архитектор Борис Левинзон

Оперный театр в Сиднее ( ), благодаря его величественной архитектуре, выполненной в виде морских раковин, стал одним из самых узнаваемых зданий планеты

В Китае планируют построить город-башню на 100 тысяч человек. Это уникальное сооружение, имитирующее природные конструкции, должно быть создано на основе новейших технологий и сможет противостоять самым мощным природным воздействиям и нагрузкам. Опираясь на бионические постулаты, архитекторы приступили к разработке принципиально нового типа сооружений, абсолютно не похожего на все, что человечество строило до сих пор

Башня-город представляет собой 300-этажное сооружение высотой 1228 м, общей площадью 2 млн. кв. м. В нем должны работать 400 горизонтальных и вертикальных лифтов, скорость которых - 15 м/сек., то есть с первого на последний этаж можно будет подняться в среднем за 2 минуты. Башня должна быть установлена на искусственном плоском острове посреди искусственно созданного озера. Диаметр острова - 1 км. Озеро призвано амортизировать сейсмические колебания и толчки

X-Seed 4000 должен вмещать от до жителей. Ширина здания у основания составит 6000 метров. Проект разрабатывается для столицы Японии как здание будущего, где будут совмещены ультрасовременная жизнь и взаимодействие с природой. Его конструкция предусматривает использование солнечной энергии для энергообеспечения всей системы поддержания микроклимата в здании. Лифты рассчитаны на 200 пассажиров и доставляют на верхний этаж за 30 минут Японцы хотят построить город- здание высотой целых 4 километра - X-Seed этажей.

Светильники в стиле «бионика»

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей