Завдання 1
Роздивіться зображення насіння кульбаби (мал. 146, а, зліва). Проаналізуйте вигляд виробів, спроектованих із запозиченням форми та принципів життєдіяльності цієї рослини. Запропонуйте власний варіант використання форми насіння кульбаби для проектування виробу.
Людина здавна не лише захоплюється вражаючою пристосованістю тварин і рослин до умов навколишнього середовища, а й вчиться у природи, свідомо чи несві домо наслідуючи її.
Спроби запозичити певні природні процеси й використати їх у техніці робили ще за доби Відродження, коли видатний італійський вчений Леонардо да Вінчі намагався сконструювати орнітоптер — літальний апарат з крилами, якими апарат мав махати, ніби птах. На сьогодні у природи запозичено вже чимало технічних рішень. Зокрема, за типом будови шкіри дельфінів створено м’яку обшивку для підводних суден, що дає змогу збільшити їхню швидкість під водою на 15-20 % без збільшення потужності двигуна (за рахунок гасіння виникаючих хаотичних завихрень води навколо корпуса судна). Для проектування рухомих роботів використовують принципи зчленування ніг комах.
З давніх-давен людина прагнула зазирнути «всередину живих моделей», розгадати «секрети» дії біологічних систем, створених у майстерні природи.
Потужний розвиток технічної думки, що почався із середини ХХ століття, розвиток біології і поєднання з нею точних наук — фізики, хімії, математики і особливо кібернетики — дали змогу використовувати надбання біосфери планети в техніці. Усе це, а особливо взаємозв’язок біологічних і технічних дисциплін, зумовило розвиток нового наукового напряму, що дістав назву біоніка (від грец. віоп — елемент життя, буквально — живе).
Біоніка займається вивченням аналогій у живій і неживій природі, тобто вивченням принципів побудови й функціонування біологічних систем та їх елементів і застосуванням здобутих знань для суттєвого вдосконалення існуючих технічних систем, створення принципово нових машин, апаратів, будівельних конструкцій тощо. Біоніка — наука міждисциплінарна, «наука-перехрестя», у ній перетинаються і відбиваються особливості науково-технічного розвитку у формі інтеграції різних за призначенням і методами наук.
Біоніка — це наука, що вивчає принципи організації і функціонування біологічних систем на молекулярному, клітинному і популяційному рівнях.
Розрізняють:
• біологічну біоніку — вивчає процеси, що відбуваються в біологічних системах;
• теоретичну біоніку — будує математичні моделі цих процесів;
• технічну біоніку — застосовує моделі теоретичної біоніки для вирішення інженерних завдань.
Датою народження біоніки вважають 13 вересня 1960 року — день відкриття в США Міжнародного симпозіуму «Живі прототипи штучних систем — ключ до нової техніки». Насправді ж основні положення біоніки склалися набагато раніше, а симпозіум лише утвердив початок широкого міжнародного співробітництва в цій галузі.
Нині почався і прогнозується надалі бурхливий розвиток математичної біоніки, зайнятої вдосконаленням і створенням комп’ютерних моделей, зокрема інформаційних; медико-біологіч-ної біоніки, яка використовує досягнення природи для розробки методів лікування захворювань людини (мал. 147), їх профілактики; ветеринарно-біологічна, що виконує подібні завдання, але стосовно домашніх і диких тварин.
Удосконалення людського тіла давно вже не є науковою фантастикою. Наука розробляє механізми для полегшення життя тих, хто має якийсь пошкоджений або втрачений орган. Поєднання робототехніки (про яку йшлося в попередньому параграфі) і біоніки дало можливість використовувати найпередовіші технології для створення імплантатів. Якісь із них уже існують, а якісь перебувають на завершальній стадії розробки. Наприклад, штучні
кінцівки надають пацієнтові такі дивовижні можливості, яких він або ніколи раніше не мав, або мав і втратив.
Перші імплантати були доволі прості й виконували мало функцій. Нині завдяки приголомшливому розвитку технологій їхні можливості просто неймовірні.
Британська фірма ВеВіопіс створила пристрій, що імітує рухи людської руки краще, ніж усі його попередники. Пристрій складається з 14 надточних двигунів і 337 елементів механіки (деталей) (мал. 147). Цим вражаючим протезом керує комп’ютер, що використовує програми робототехніки.
2016 року було створено біонічні лінзи (мал. 148), які можуть покласти край необхідності користуватися окулярами, контактними лінзами, окулярами для водіїв або прогресивними лінзами за рахунок суттєвого покращення зору, незалежно від віку чи здоров’я людини. Їхня повна назва — «окуметричні біонічні лінзи». Лінзи складаються з декількох шарів і виготовляються під замовлення для кожної людини індивідуально. Їх вміщують у заповнений фізіологічним розчином шприц. Потім розчин вводять в око, де лінзи розкриваються протягом кількох секунд. Операція триває лише 8 хвилин, а результати помітні одразу ж.
Якщо ви можете побачити час на годиннику з відстані 3 м, то з біонічними лінзами це можна зробити за 10 м. Нова технологія здатна кардинально змінити методи лікування в офтальмології і в майбутньому зменшить потребу в проведенні хірургічних операцій на очах за допомогою лазера.
Мал. 148. Окуметрична біонічна лінза
Цікавим прикладом використання ідей природи є розробка підводного спорядження (мал. 150) на основі природного феномену павука-сріблянки (мал. 149).
Біоніка — одна з наук, найбільше пов’язаних із живою природою. Вона підкреслює необхідність збереження на Землі тих видів, що залишилися. Адже не виключено, що серед зниклих з нашої планети видів тварин і рослин були такі, які могли б допомогти науці вирішити не одну технічну проблему. Отже, від того, наскільки розумно і дбайливо ми сьогодні користуватимемося природними надбаннями, залежить не лише матеріальний добробут, а й розвиток творчої думки, техніки, мистецтва і всього сущого на Землі.
Аналіз структури кістки, будови стебла злаків та інших подібних біологічних об’єктів (мал. 151) лежить в основі нового напряму в архітектурі — архітектурної біоніки, що пропонує будівельникам абсолютно нові форми економічних і стійких споруд, наприклад, будинку-мушлі, або будівель, зведених за принципом бджолиних стільників.
Вчені досліджують і моделюють аналізатори тварин, щоб створити нові датчики й системи виявлення в техніці, вивчають нейронні мережі в організмі для
вдосконалення обчислювальної техніки й різних автоматичних і телемеханічних пристроїв тощо.
Класичним прикладом біонічного винаходу є застібка-липучка. Дві половинки липучки міцно з’єднуються одна з одною завдяки тому, що одна з них покрита маленькими гачками, а на іншій розташовано мініатюрні петельки. Залипання численних гачків і петель забезпечує міцність кріплення (мал. 152).
Вичісуючи свою собаку після прогулянки, де Местраль звернув увагу на плоди будяків, які міцно трималися на шерсті тварини. Він вивчив будову плодів під мікроскопом (153, а) і розробив застібку (153, б), що працює за тим самим принципом донині.
Згодом учені виявили, що подібна схема кріплення існує в оперенні птахів. Пір’їни щільно з’єднуються одна з одною завдяки так званим борідкам. Борідки сусідніх пір’їн заходять одна за одну, формуючи єдиний щільний покрив.
Чи добре засвоїли?
1. Назвіть історичні передумови появи біоніки.
2. Дайте означення біоніки.
3. Які галузі біоніки ви знаєте?
4. Запропонуйте використання вже відомих біонічних розробок у новій якості.
1. Для чого потрібно вивчення аналогій у живій і неживій природі? Що спричинює широке впровадження біонічних систем у всі сфери життя? Назвіть відомі вам приклади використання біонічних розробок, які не знайшли відображення у тексті параграфа.
2. Вкажіть напрями розробок, які, на вашу думку, можливі у сфері біоніки.
3. Які напрями є основними в біоніці? Наведіть приклади розробок за цими напрямами.
Підбиваємо підсумки
Біоніка — це наука, що вивчає принципи організації і функціонування біологічних систем.
Розрізняють:
• біологічну біоніку, що вивчає процеси, які відбуваються в біологічних системах;
• теоретичну біоніку, яка будує математичні моделі цих процесів;
• технічну біоніку, яка застосовує моделі теоретичної біоніки для вирішення інженерних завдань.
Вивчення форми, структури й принципів функціонування живих організмів дало змогу досягти прогресу у машинобудуванні, архітектурі та розробці систем локації та орієнтації у просторі.
Поглибте свої знання
У природі зустрічаються приклади і міцніших варіантів «клейких» поверхонь. Невеликі ящірки гекони (мал. 154, а) здатні утримуватися на вертикальних поверхнях і навіть бігати ними.
Лапи гекона прилипають до поверхні (мал. 154, б) і не ковзають уздовж неї. Проте коли тварина тягне кінцівку вертикально вгору, вона може без особливих зусиль відірвати підошву. Досліджуючи будову лап гекона, вчені визначили, що незвичайні властивості забезпечують безліч тонких волосків на підошві лапки.
Коли волоски знаходяться під прямим кутом до поверхні, площа контакту невелика, і тварина може легко підняти лапу. Коли кут змінюється, площа зіткнення зростає, і з’єднання з поверхнею стає міцнішим.
Учені відтворили структуру підошви лап гекона, використовуючи нанотрубки. Однак на початку робіт дослідники не могли досягти такої самої ефективності прилипання. Вивчивши детальніше будову лап ящірки, вони зрозуміли, що волоски на підошвах мають численні відгалуження, які значно збільшують площу контакту з поверхнею. Замінивши в штучних «лапах» звичайні нанотрубки на розгалужені, вчені змогли досягти такого зчеплення, яке перевершувало здатність гекона «прилипати» до поверхні.
Це матеріал з підручника Трудове навчання 9 клас Лебедєв (хлопці)