поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
Бионика
Это научное направление занимается изучение принципов построения и
функционирования жив систем для использования "идей" природы при с
здании технических устройств и систем.
Люди издавна стремились подражать живо природе и использовать знания о
работе биологических систем в своих интересах. Вспомните миф
Дедале и Икаре, построивших себе искусственные крылья для полета, или
миф о Гефесте, создавшем человекоподобных роботов, помогавших ему при
изготовлении оружия и военных доспехов.
В Древнем Египте, Китае и в Греции еще в 5-м в. до н. э. использовали
почтовых голубей для пересылки сообщений. Животные служили источником
механической энергии. Они приводили в действие поливные устройства,
переносили тяжести и т. п.
Художник, инженер и ученый Леонардо да Винчи (1452- 1519) изучал
строение и функции тел животных и птиц, чтобы использовать эти знания
при создании технических систем. Изучая полет птиц, он разработал
проекты летательных аппаратов, основанные на аналогичных принципах.
Леонардо принадлежат слова: "Птица - это аппарат, действующий согласно
математическим законам. И воспроизвести этот аппарат со всеми его
движениями в пределах возможностей человека".
Тогда же стали использовать трубчатые строительные конструкции,
устойчивые к изгибу. Они моделировали трубчатое строение бамбука. Многим
орудиям и устройствам придавались формы живых организмов: создавали
многочисленных кукол, подражавших поведению живых людей. Такие манекены
не потеряли своего значения и сейчас. Они используются при производстве
одежды и при испытаниях новых транспортных средств и космических
аппаратов.
После изобретения часового механизма с пружинным заводным двигателем
появилось большое число устройств, в основном игрушек, воспроизводивших
сложные механические движения живых существ. Такие человекоподобные
механизмы получили название андроидов. Они могли передвигаться,
исполнять музыкальные мелодии, рисовать, писать несколько стандартных
фраз и т. п.
Множество таких устройств сохранилось в музеях Санкт-Петербурга, Парижа,
Вены, Невшате; (Швейцария), Монако и других городов. В Эрмитаже хранятся
знаменитые часы "яичной фигуры механика, конструктора и изобретателя И.
П. Кулибина со встроенным в них миниатюрным театров с подвижными
фигурами. Там же хранятся иноземные часы "Павлин", отремонтированные в
1799 г И. П. Кулибиным и действующие до настоящего времени. Подвижные
модели животных (сова павлин, петух) выполняют сложные комплекс
движений.
В 19-м в. были сделаны первые математические описания процессов,
происходящих в билогических системах. Французский физиолог и физик Ж. Л.
Пуазейль (1799 - 1840) исследовали ток крови в сосудах, а английский
физик Д. Г. Стоке (1819 - 1903) математически описал полученные
Пуазейлем результаты экспериментов, которые потом использовались в
гидравлике.
Основоположник современной гидро- и аэродинамики Н. Е. Жуковский (1847 -
1921) изучал механизмы полета птиц. В работах "К теории метания" (1890)
и "О парении птиц" (1891) он выяснил принципы образования крылом
подъемной силы, разработал теорию полета и создал ряд оригинальных
профилей крыльев для самолетов. Немецкий биофизик Г. Гельмгольц (1821 -
1894) изучил физиологию рецепторов, а также строение органов зрения и
слуха и объяснил физические принципы их работы. Позже он использовал эти
результаты для создания оптических и акустических приборов.
В 20-м в. ученые стали исследовать нервную систему, изучать поведение
живых систем, ми- грации и способы ориентации животных и птиц.
Развивались смежные с биологией направления: биомеханика, биоэнергетика,
биохимия и биофизика, исследовавшие живые системы в различных аспектах.
Все это позволило накопить большое количество фактов, характеризующих их
функции.
Зарождение кибернетики, широкое проникновение ее идей во все области
знаний (в том числе и в биологию) привело к возникновению в 40-е гг.
информационно-кибернетического подхода к биологическим объектам. Этот
подход стимулировал исследования процессов управления, передачи и
переработки информации в биологических объектах, исследования по
управлению движениями, по переработке информации в рецепторных и
анализаторных системах, воспринимающих и распознающих информацию,
исследования нейронов и нервных сетей, изучение поведения живых
организмов и их сообществ, ориентацию животных.
Важнейшим моментом в развитии бионики стали идеи американских
нейрофизиологов У. Мак-каллока и Питса (1943), в которой они
сформулировали понятие формального нейрона и показали, что нейрон можно
(в первом приближении) рассматривать как логический элемент,
преобразующий дискретную информацию в соответствии с правилами алгебры
логики. Эта работа, рассматривающая нейрон как логический
переключательный элемент, положила начало большой серии исследований по
созданию моделей нейронов и нейронных (нервных) сетей, многие из которых
нашли применение в дискретных вычислительных схемах. Идеи Маккаллока и
Питса позволили Дж. фон Нейману заложить теорию построения надежных схем
из ненадежных элементов, основанную на анализе специальных способов
параллельных соединений формальных нейронов с использованием
мажоритарного принципа ("голосования").
Результаты биологических исследований успешно использовались в интересах
техники. Биологические системы, их свойства и особенности использования
стали изучать целенаправленно. 13 сентября 1960 г. в США состоялся
первый научный симпозиум по бионике. На нем впервые было дано
определение этого научного направления и сформулирован его девиз: "Живые
прототипы - ключ к новой технике".
В наши дни бионика представляет собой комплексное научное направление,
интенсивно развивающееся. Исследования ведутся в двух основных
направлениях. Во-первых, целенаправленно изучаются те свойства,
структуры и механизмы живых систем и их элементов, которые могут
представлять интерес для техники и использоваться при создании
эффективных технических систем и их элементе Во-вторых, разрабатываются
технические систем и устройства, построенные на принципах,
заимствованных у живой природы и в той или иной ступени воспроизводящих
(моделирующих) функции живых прототипов.
В бионике выделился целый ряд относительно самостоятельных тематических
разделов. Назове важнейшие из них.
1. Исследование рецепторных и анализатора систем, принимающих и
обрабатывающих ступающую в систему информацию, и работы
созданию разнообразных высокочувствительны малогабаритных датчиков и
распознающих устройств (см. Восприятие информации). Это, напри мер,
устройства, выполняющие ряд функций человеческого глаза и помогающие
слепым ориентироваться в окружающей обстановке. Устройства типа
"Искусственное ухо" способны воспринимать и анализировать звуковые
сигналы. Высокочувствительные датчики реагируют на запах и позволяют
определять наличие опасных для человека веществ в атмосфере. Усилители
контраста изображения, моделирующие строение зрительного анализатора
мечехвоста, используют в навигационных и локационных устройствах.
Перспективны исследования механорецепторов, расположенных в ногах пауков
и некоторых насекомых, способных реагировать на ничтожно малые колебания
почвы. Используя полученную таким образом информацию, некоторые пауки
определяют (на расстоянии до метра) расположение жертвы или врага.
2. Результаты исследования и моделирования нейронов, нервных сетей,
принципов организации мозга живых организмов, которые применяются как
для совершенствования технических (главным образом вычислительных)
устройств, так и для поиска новых принципов построения интеллектуальных
систем. Направление это приобрело название нейробионики и интенсивно
развивается.
3. Создание новых навигационных устройств, средств локации, ориентации и
связи, основанных на принципах, наблюдаемых в живой природе.
Исследования механизмов ультраакустической локации летучих мышей,
исследования миграции и ориентации морских животных и птиц дают
теоретическую базу для этих работ. В результате в начале 60-х гг. был
создан гиротрон - устройство, заменяющее гироскоп и не содержащее
вращающихся частей. Оно основано на моделировании вибрирующих
навигационных элементов некоторых насекомых.
4. Исследования и моделирование сложных управляющих систем живой природы
и их функций с целью построения на тех же принципах технических систем
управления, в том числе протезов. Исследования в этом направлении
получили название биотехники.
5. Исследования в области биомеханики, в том числе аэро- и гидромеханики
биологических объектов, биоэнергетики и биохимии с целью создания и
совершенствования технических систем. Сюда, в частности, относятся
работы по созданию шагающих устройств, управляемых на расстоянии
манипуляторов, исследования механики полета птиц, механики и энергетики
плавания морских животных и рыб. Для создания совершенных опреснителей
изучаются опресняющие воду органы птиц, разрабатываются биологические
преобразователи энергии.
6. Исследование взаимодействия биологических и технических систем, в том
числе и систем
типа "человек - машина" для создания новых форм такого взаимодействия
(симбиоза). Цель этого направления - максимально приспособить
технические системы к возможностям и особенностям человека, работающего
с ними.
7. Исследования совместной деятельности живых организмов и человека в
сложных условиях принятия решений и использование полученных результатов
для создания сложных программ и систем, имитирующих эту деятельность.
Это направление известно под названием "Искусственный интеллект".
8. Исследования принципов создания природных строительных конструкций
для использования их при разработке новых архитектурных и строительных
конструкций.
