1.     Поняття «біоніка»

2.     Приклади застосування біоніки людиною.

Людина являє собою вищий щабель розвитку живої природи не тому, що його чутливі або робочі органи і системи краще, ніж у інших тварин. Численні приклади переконують у тому, що у багатьох тварин та чи інша система життєдіяльності набагато досконаліші, ніж у людини.

Наприклад, кращі спортсмени-бігуни на короткі дистанції розвивають швидкість 40-42 км / ч. У світі тварин в 2-3 рази швидше бігають гепард, страус і деякі інші. Більше того, відносна швидкість пересування і відстані, на які можуть переміщатися тварини, ще разючіше відрізняються від природних можливостей людини. Кількість рухів, яку людина здатна здійснити за 1 с, становить максимум 10-12 (наприклад постукування пальцем по столу), а частота помахів крила у звичайної бджоли - 250-300 в секунду.

Перевага людини полягає в унікальній здатності мозку до мислення і здатності до суспільної праці.

У своїй практичній діяльності людина використовує в якості моделей для конструювання споруд та механізмів найбільш вдалі пристосування живих організмів до середовища їхнього перебування. У наш час з'явився самостійний напрям у науці і техніці, мета якого - використовувати біологічні знання для вирішення інженерних завдань і розвитку техніки. Цей напрямок було названо біонікою (від грец. слова «біон» - осередок життя).

Коло питань, які використовує біоніка, досить великий і продовжує розширюватися. Для того щоб отримати про них уявлення, найкраще розглянути ¬ кілька прикладів.

У 1889 р в Парижі за проектом інженера Ж. Ейфеля була споруджена трьохсотметровий металева ажурна вежа, яка стала згодом своєрідним символом столиці Франції. Ця конструкція - яскравий приклад єдності закону формоутворення природних і штучних структур. Вчені виявили, що силові лінії в конструкціях вежі і в кістках птахів і ссавців розподіляються дуже схоже, хоча при створенні вежі інженер не користувався живими моделями.

Легка і тендітна кістка, здатна витримати великі навантаження, стала предметом пильного вивчення вчених і архітекторів. Всебічно досліджуючи скелет хребетних і скелетні утворення безхребетних тварин як комплекс розташованих в просторі опорних елементів, відомий математик і конструктор Ле Реколе встановив, що стійкість цих біологічних конструкцій обумовлена відповідним розташуванням в них обрамлених утворень, з'єднаних різним чином, а не площин і порожнин. На основі вивчення структури кісток та інших природних моделей в архітектурі народився принцип дірчастих конструкцій, що започаткував розробку нових просторових систем. Так, французькі інженери використали цей принцип при будівництві моста, надавши йому форму скелета морської зірки.

Для творчості архітекторів природа надає чимало зразків подібних конструкцій, наприклад скелети деяких глибоководних губок і особливо радіолярій - мікроскопічних організмів, що відносяться до типу найпростіших. Скелети радіолярій вражають багатством і різноманітністю форм і розташуванням опорних елементів. При дивовижною економії матеріалу вони мають високу стійкість, витримуючи тиск води на великих глибинах. Це яскравий приклад досягнення максимальної міцності при мінімальній витраті матеріалу.

Ле Реколє, дослідивши будову деяких радіолярій, розробив ряд конструкцій універсальних осередків, які можуть бути використані у створенні різних споруд - від перекриттів залів до мостів і гребель. Можливо, в майбутньому вони знайдуть застосування і в обладнанні, призначеному для польотів у космос, оскільки в подібних умовах необхідно брати до уваги не тільки міцність конструкції, але і кількість матеріалу, необхідного для його виготовлення.

Порожнині конструкції - не єдина можливість побудови об'єктів. У природі зустрічаються різноманітні форми скелетних елементів - кола та овали, ромби і куби, трикутники, квадрати і багатокутники. Комбінуючи їх, природа створила безліч складних, красивих, легких, міцних і економічних конструкцій. Частини живих організмів нерідко побудовані з елементів подібної форми. Такими є пелюстки квіток, луски насіння злаків, луска риб, панцир броненосців і т. д. Повторюваність однотипних структурних елементів в природі - закономірне явище. Природній відбір зберігає структури найбільш досконалі у функціональному відношенні і найбільш економні по витраті матеріалу. У цьому відношенні хорошим прикладом служить фігура, складена з щільно зімкнутих правильних шестикутників або шестигранників. Вона дуже часто зустрічається в природі: панцири черепах, луска змій, провідні судини рослин містять у своїй структурі шестикутники. Проте серед цих природних шестигранних конструкцій найбільш показовими є бджолині стільники. Це сама економічна і сама ємна форма, єдиним елементом якої є шестигранна призма.

Принцип побудови живих конструкцій з уніфікованих елементів використовується будівельниками при зведенні секційних будинків з однотипних елементів. Конструкція бджолиних сот лягла в основу виготовлення «сотових панелей» для будівництва житлових будинків. Успішно використовують принцип бджолиних будівель і гідробудівники при наведенні гребель і створенні інших гідротехнічних споруд.

Це всього лише невеликий ряд прикладів того, як людина застосовує у будівництві біологічні моделі. Але тварини володіють і багатьма іншими властивостями, які використовуються або можуть бути використані людиною.

Основоположник сучасної аеродинаміки М. Є. Жуковський ретельно вивчив механізм польоту птахів і умови, що дозволяють їм вільно ширяти в повітрі. На основі досліджень польоту птахів з'явилася авіація.

Ще більш досконалими літальними апаратами у живій природі являються комахи. По економічності польоту, відносній швидкості і маневреності вони не мають собі рівних ні в живій природі, ні тим більше в сучасній авіаційній техніці. Метелики адмірали здійснюючи далекі польоти з Європи в Африку, находяться в повітрі протягом багатьох годин. Вони долають такі гігантські відстані завдяки високій економічності роботи свого організму. Метелики витрачають «пального» (жири, вуглеводи та ін.) набагато менше, ніж птахи при далеких перельотах або сучасний літак. Хоча швидкість їхнього польоту, здавалося б, невелика за відношенню до сучасних авіалайнерів (найбільша у бабки - 144 км/год), але якщо порівнювати, скільки разів укладається довжина тіла літуна в польоті за одиницю часу, то виявиться, що відносна швидкість у комах набагато більше. Незрівнянно вищою є маневреність польоту комах. Так, деякі види мух можуть довго зависати в повітрі, а потім миттєво знижуватись і м'яко вертикально сідати навіть на нерівну поверхню. Метелики на льоту зупиняються перед квіткою, щоб зібрати нектар. Бабки, оси, бджоли і метелики-бражники можуть пересуватися в повітрі не тільки вперед, а й назад, вправо, вліво, вгору і вниз. Щоб у польоті не виникали шкідливі коливання, на кінцях крил у швидколітаючих комах є хітинові потовщення. Зараз авіаконструктори застосовують подібні пристосування для крил літаків, тим самим усуваючи небезпеку вібрації машини.

Політ комах - процес складний і багато в чому ще не вивчений. Однак ідея створення літального апарату, в основі якого лежав би принцип польоту комах, чекає свого вирішення. Вивчення здібностей комах до польоту відкриває перед людиною нескінченну різноманітність оригінальних рішень в конструкції літальних апаратів. Там, де вдається розкрити їхні секрети, конструктори прагнуть створити аналогічні системи. Так, наприклад, була виявлена функція жужальців - недорозвинених задніх крил у вигляді булавоподібних придатків, наявних у деяких комах, наприклад у мух. Під час польоту жужальця коливаються в визначеній площині і служать тварині органом, визначаючим відхилення від горизонтального положення - положення рівноваги. На принципі жужальця був створений прилад гіротрон, що застосовується у швидкісних літаках і ракетах для визначення кутового відхилення стабільності польоту.

Довгий час залишалася загадкою здатність летючих мишей літати в повній темряві і ловити комах, не зачіпаючи зустрічні предмети. Лише в наш час було встановлено, що кажани можуть видавати і сприймати звуки з частотою вище 20 тис. Гц, тобто ультразвуки, недоступні слуху людини. Безперервно випускаючи в польоті ультразвукові сигнали і сприймаючи їх відбиття від навколишніх предметів, кажани як би обмацують в темряві навколишній простір. У деяких видів кажанів ультразвук поширюється через рот, у інших видів - через ніздрі. «Приймачем» відбитого звуку служать вуха, які у деяких видів, наприклад вуханів, досягають значних розмірів. За допомогою такого «ультразвукового» бачення кажани здатні виявити в темряві натягнуту проволоку діаметром всього лише 0,05 мм, вловити відлуння, яке в 2 тис. разів слабкіше надсилаємого сигналу, можуть виділити той звук, який їм потрібен, на тлі безлічі звукових перешкод.

Цікаво, що деякі нічні метелики також чутливі до ультразвукових сигналів. Вони сприймають імпульси кажанів на набагато більшій відстані, ніж сама миша, тобто трохи раніше, ніж та може їх виявити, і таким чином уникають небезпеки. Інші метелики самі здатні видавати ультразвукові сигнали, які відлякують кажанів, попереджаючи їх про неїстівність комахи.

Вивчення природних ультразвукових локаторів тільки почалося. Моделювання локаторів по живих зразка відкриває нові перспективи їх використання в якості чутливих елементів різних технічних систем. На основі принципу, що лежить в основі ехолокаторів кажанів, конструюються моделі приладів-локаторів для сліпих та прилади для народного господарства.

Орієнтуватися в просторі тварини можуть і не вдаватись до ехолокаторних систем, тим більше що вони високоефективні на невеликій відстані. Один із прикладів орієнтації на основі інших принципів - здатність до навігації у перелітних птахів і деяких водних тварин.

З настанням осені більша частина птахів покидає свої гніздів'я і відправляється в далеку подорож до місць зимівлі, а навесні знову повертається «додому». Птахи летять групами і поодинці, вдень і вночі, в туман і сильний вітер, часом покриваючи величезні відстані. Так, в далеку Африку відлітають наші горихвістки, мухоловки-пеструхи, ластівки, журавлі, лелеки, качки. Чудові своїми далекими перельотами полярні крячки. Протягом трьох місяців вони досягають Антарктиди, пролітаючи тільки в один кінець близько 16 тис. км.

Здатність до навігації у птахів вроджена. Зозуленя, що виросло в чужому гнізді, не летить в ту сторону, куди кличуть його прийомні батьки, а своїм традиційним зозулиним шляхом, хоча летить вперше. У деяких птахів, наприклад у лелек, молодняк летить зимувати раніше дорослих. Природжений «пташиний компас» вкаже молодому лелеці правильний шлях до незнайомої йому далекої Африки.

Не тільки птахи, але і риби, наприклад лососі, здійснюють подорож з океану в рідні річки. Долаючи перешкоди і пороги, вони пливуть на нерест вгору по річках, прагнучи у що б то не стало потрапити туди, де з'явилися на світ.

Навігаційні здатності мігруючих тварин вражають своєю точністю, проте будову та принцип роботи систем, що забезпечують орієнтацію, поки не розгадано. Вчені припускають, що птахи та інші тварини вдень орієнтуються по Сонцю, а вночі - по зірках. Але оскільки Земля обертається навколо своєї осі і розташування зірок і Сонця безперервно змінюється, для правильного визначення напрямку польоту необхідно знати час. Виявилося, що у птахів є своєрідні біологічні годинники. Птахи добре відчувають і магнітне поле Землі, силові лінії якого, можливо, також служать орієнтиром в польоті.

Інженери-біоніки багатьох країн працюють над виясненням механізму орієнтації тварин, розкриття яких дасть можливість людині створити принципово нові навігаційні прилади.

Не менш цікавим і перспективним для використання виявився прояв електричної активності в живій природі, виявлене в кінці XVIII ст. знаменитими вченими Гальвані і Вольтом на прикладі тварин (жаба). Надалі виявилося, що електрична активність - невід'ємна властивість живої матерії. Електрику генерують нервові, м'язові і залозисті клітини всіх живих істот. Ця здатність найбільш вивчена у риб. В даний час відомо, що близько 300 видів риб здатні створювати і використовувати біоелектричні поля. За силою і характером розрядів такі риби діляться на сильноелектричні і слабоелектричні. До перших відносяться південноамериканські електричні вугри, африканські електричні соми і морські електричні скати. Ці риби генерують дуже сильні розряди: вугри створюють напругу до 600 В, соми - до 350 В. Напруга струму у морських скатів невисока, але сила струму їх розрядів іноді досягає 60 А, що дозволяє їм паралізувати навіть крупну здобич.

Риби другого типу - мешканці мутних, мулистих водойм Африки не випускають окремих розрядів. Вони посилають у воду майже безперервні і ритмічні імпульси високої частоти, створюючи навколо свого тіла електричне поле. Конфігурація цього поля, яку можна представити у вигляді магнітно-силових ліній, залежить від форми самої риби. Якщо в електричне поле потрапляє об'єкт, що відрізняється за своєю електропровідності від води, конфігурація поля зміниться. Риби сприймають ці зміни за допомогою електричних рецепторів, розташованих у більшості в області голови, і визначаючих місцезнаходження об'єкта. Таким чином ці риби здійснюють електричну локацію, що дозволяє на відстані знайти їжу, уникнути зустрічі з ворогами і зіткнення з неживими предметами каламутній воді, де цілком покладатися на зір не приходиться.

Прийоми, за допомогою яких електричні риби ловлять здобич і захищаються від ворогів, підказують людині технічні рішення при розробці установок для промислового електролову або відлякування риб при розведенні у водоймах молюсків і рослин. Виключні перспективи відкриває моделювання електричних систем локації у риб. У сучасній підводній локаційной техніці поки не існує систем пошуку різних об'єктів у водному середовищі, які працювали б за зразком електролокаторів риб. Робота зі створення подібної апаратури ведеться вченими багатьох країн.

Протягом багатьох мільйонів років біологічної еволюції на Землі в процесі природного відбору виникало і вимирало величезна кількість самих різноманітних видів живих організмів. Вивчення існуючих і вимерлих в далекі геологічні епохи видів живих організмів показало, що і в давнину існували форми життя, вивчення організації яких може бути придатним для створення або удосконалення деяких машин і механізмів.

Перерахувати все, чим займається біоніка, нелегко, важко також охарактеризувати всі живі об'єкти, принципи організації яких можуть допомогти людині в рішенні різноманітних науково-технічних завдань. Проте проблеми, так чи інакше пов'язані з біонікою, можна розділити на три групи. До першої належать ті, для рішення яких достатньо наявних знань в області біології. До другої групи належать питання, вирішення яких потрібно шукати, вивчаючи живу природу і вдосконалюючи біологічні знання. І нарешті, є питання і, можливо найцікавіші, які природа поки ще таїть у собі.

Завдання біоніки вирішуються сьогодні силами вчених багатьох спеціальностей: фізиків, хіміків, математиків, кібернетиків та інженерів різних спеціальностей.