Бионика в жизни человека

Говорят, что раз в столетие на Земле рождается гений. Таким гением был Леонардо да Винчи. Величайший художник, скульптор, математик, инженер и анатом Леонардо да Винчи стремился найти истину, познать и описать ее.

«В наставницы себе я взял природу – учительницу всех учителей».

Почему этот великий ученый в учителя себе взял природу?

Жизнь в самой примитивной форме возникла на Земле около 2 млрд. лет назад. Миллионы столетий длился беспощадный естественный отбор, в результате которого выжили самые сильные и совершенные. Позаимствовать самое лучшее у природы, чтобы расширить возможности человека первым и предложил Леонардо да Винчи. В 1485 году он создал механический летательный аппарат – орнитоптель, принцип работы которого он скопировал у птиц. И хоть тогда человеку не удалось научиться летать, но это положило начало новой науке – бионики. Бионика – это симбиоз биологии и техники.

Если историю Земли – 4,5 млрд. лет − представить как один день, то получится, что человек разумный появился на планете меньше минуты назад. Миновали буквально доли секунды, а он уже возомнил себя творцом и уже может создавать не хуже природы. До недавнего времени, изобретая новое, человек не догадывался, что это уже существует. Надо только увидеть и применить. 99% научных открытий человек подсмотрел у природы. Все, что нас окружает имеет свой природный аналог.

Био́ника (от Βίον - живущее ) - прикладная о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур . Проще говоря, бионика - это соединение и . Дата рождения бионики: 13 сентября 1960 года. У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.

Человек всегда мечтал покорить небо. Но оно было доступно только птицам. И именно птицы подарили людям идею полета.

Мечты о полетах и их реальное воплощение – это очень разные вещи. И не смотря на смелые идеи, такие как у Леонардо да Винчи, человечество еще долгие века оставалось бы приковано к земле. Изучение птиц, строения их крыльев и хвоста, привело к тому, что человек изобрел самолет. Строение глаза человека положило начало фотообъективу, строение соцветия подсолнуха – солнечным батареям. Вычесывая соцветия репейника и шерсти совей собаки после прогулки, знаменитый дизайнер изобрел застежки-липучки. Насекомые подсказали ученым идею о вертолетах. Рыбы натолкнули на создание подводных лодок. Корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.

Мы сталкиваемся каждый день с бионическими изобретениями даже не подозревая об этом. Чаще всего принципы, принятые у природы, встречаются в архитектуре. Например, в конструкции знаменитой Эйфелевой башни лежит строение бедренной кости человека. На головке кости имеется множество опорных точек, благодаря им, нагрузка на сустав распределяется равномерно. Это позволяет изогнутой бедренной кости выдерживать большой вес тела. Такие же опорные точки можно найти и в основании Эйфелевой башни. Ее конструкция считается архитектурным эталоном устойчивости.

Природный аналог есть и у другой башни – Останкинской. Ее стройный силуэт узнаваем. Прототипом Останкинской башни является стебель пшеницы. Его способность не ломаться под тяжестью соцветия и легли в основу башни.

Архитекторы все чаще обращаются к принципам функционирования живых организмов. Чтобы понять, как это работает, конструктору приходится изучать биологию. Природными прототипами архитектурных конструкций становятся рыбы, птицы, растения и даже человеческое тело.

Бионика не стоит на месте. Эта наука творит настоящую революцию. Обычное наблюдение, моделирование способно на многое. Моя будущая профессия связана с машиностроением. Машиностроительная отрасль является наиболее роботизированной. Впервые своё практическое применение промышленные роботы получили благодаря американским инженерам Д. Деволу и Д. Энгельбергу в конце 50-х начале 60-х годов ХХ века. Их используют для выполнения разных технологических процессов с целью повышения эффективности деятельности предприятия.

В конструкции робот может содержать один или несколько манипуляторов, при этом сам манипулятор может обладать различной грузоподъемностью, точностью позиционирования, степенью свободы. При создании промышленного робота активно используют бионические модели. Манипулятор промышленного робота состоит из определенного количества подвижных соединенных друг с другом звеньев (осей). Он устроен по принципу конечностей членистоногих. Чем больше осей, тем более универсальная конструкция у робота. Расположение и гибкость соединения осей робота были тщательно сделаны по человеческому образцу (соединение суставов). Регулирование осей манипулятора происходит с помощью датчиков. Они аналогичны органам чувств и реагируют на свет, положение в пространстве

Природа хранит ещё множество загадок, гармония её творений всегда удивляла и будет удивлять мир человека. Но вот вопрос: «Успеем ли мы воспользоваться оставшимися «патентами живой природы»? Учитывая темпы, с которыми растения и животные исчезают с лика земли, а статистика неумолимо констатирует: ежегодно – один вид животных и ежедневно – один вид растений, − поставленный вопрос звучит очень тревожно. В связи с этим сохранение редких и исчезающих видов животных и растений, поддержание окружающей среды в условиях, благоприятных для жизни всего живого на Земле, − насущная проблема, и залог дальнейшего развития человечества.

Самые совершенные формы, как с точки зрения красоты, так и с точки зрения организации и функционирования, созданы самой природой и развились в процессе эволюции. Человечество с давних пор заимствовало у природы структуры, элементы, построения для решения своих технологических задач. В настоящее время техногенная цивилизация отвоевывает у природы все большие территории, вокруг доминируют прямоугольные формы, сталь, стекло и бетон, а мы живем в так называемых городских джунглях.

И с каждым годом все более ощутимой становится потребность человека в естественной гармоничной среде обитания, наполненной воздухом, зеленью, природными элементами. Поэтому экологическая тематика становится все более актуальной в градостроительстве и . В данной статье мы познакомимся с примерами бионики — интересного современного направления в архитектуре и дизайне интерьеров.

Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход

Бионика – это направление в первую очередь научное, а потом уже творческое. Применительно к архитектуре оно означает использование принципов и методов организации живых организмов и форм, созданных живыми организмами, при проектировании и строительстве зданий. Первым архитектором, работающим в стиле бионики,был А. Гауди. Его знаменитыми работами до сих пор восхищается мир (Дом Бальо, Дом Мила, Храм Святого Семейства, Парк Гуэля и др.).

Дом Мила Антонио Гауди в Барселоне
Национальный оперный театр в Пекине

Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Знаменитые примеры бионики представлены на сайте.

Оперный театр в Сиднее
Плавательный комплекс в Пекине

Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире:

• Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости)
• Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда)
• Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер)
• Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры – раковины моллюска)
• Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде)
• Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания)
• Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды)

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов.

Скульптура Облачные ворота в Чикаго
Примеры бионики в дизайне интерьера

Особенности дизайна интерьеров в стиле бионики с примерами

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера:как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы:

• Воск и пчелиные соты – основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т.д.
• Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
• Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
• Цветные стекла и используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
• В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево – один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
• Из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
• Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д.Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза.

Небоскреб Aqua в Чикаго пример бионики в дизайне интерьера стадион Ласточкино гнездо в Пекине

В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики – мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов.

Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров.

Нельзя сказать, когда именно родилась наука бионика, ведь человечество всегда черпало вдохновение в природе, известно, к примеру, что еще около 3 тысяч лет назад были предприняты попытки копирования создания шелка, как это делают насекомые. Конечно, такие попытки разработками назвать никак нельзя, только после того как появились современные технологии, человеку представилась вполне реальная возможность выполнять копирование природных идей, воспроизводить искусственно за несколько часов все то, что рождается в естественных условиях годами. К примеру, ученые умеют выращивать синтетические камни, которые по красоте и чистоте не уступают природным, в частности как аналог алмазам.

Самое известное наглядное воплощение бионики – Эйфелева башня в Париже. Это сооружение было основано на изучении бедренной кости, которая, как выяснилось, состояла из мелких косточек. Именно они помогают идеально распределить вес, поэтому бедренная головка может выдерживать большую нагрузку. Этот же принцип использовался при создании Эйфелевой башни.

Пожалуй, самый известный « » бионики, сделавший огромный вклад в ее развитие - Леонардо да Винчи. К примеру, он наблюдал за полетом стрекозы, а потом пытался перенести ее движения при создании летательного аппарата.

Значимость бионики для других научных сфер

Бионику как науку принимают не все, считая ее знанием, рожденным на стыке нескольких дисциплин, при этом понятие самой бионики широко, оно охватывает несколько научных направлений. В частности, это генная инженерия, дизайн, медицинская и биологическая электроника.

Можно было бы говорить о ее исключительно прикладном характере, но современное программное обеспечение дает возможность моделировать и воплощать в реальность всевозможные природные решения, а потому изучение и сопоставление природных явлений с человеческими возможностями все более актуально. При создании современных роботехников инженеры все чаще обращаются за помощью к ученым-бионикам. Ведь именно роботы позволят в дальнейшем значительно облегчить жизнь человека, а для этого они должны уметь правильно передвигаться, думать, прогнозировать, анализировать и пр. Так, ученые со Стэндфордского университет создали робота, основываясь на наблюдениях за тараканами, их изобретение не только проворно и органично, но и весьма функционально. В недалеком будущем этот робот может стать незаменимым помощником для тех, кто не может передвигаться самостоятельно.

С помощью бионики удастся в дальнейшем будущем создавать колоссальные технологические разработки. Теперь человеку потребуется для создания аналога природных явлений всего лишь несколько лет, в то время как сама природа будет тратить на это тысячелетия.

Как делаются открытия, как создаются различные изобретения - словом всё, что продвигает человечество вперед? Безусловно, для этого необходимы знания, талант, настойчивость и умение трудиться. Но и это ещё не всё.

Настоящего учёного отличает острая наблюдательность, соединённая с силой творческого воображения. Сочетание этих качеств и позволяет создавать промышленные аналоги природных структур.

По патентам природы

Начиная с 60-х годов XX столетия, появился новый термин - бионика, наука, использующая знания о живой природе для решения технических задач. Значимость этой науки трудно переоценить. Ведь природа создаёт свои творения с максимальной эффективностью.

Простейшим примером создания такого рукотворного аналога являются липучки и молнии, используемые в качестве застёжки на куртках обуви и т. д. А ведь и это простое, но очень удобное изобретение человек позаимствовал у природы. Колючки репейника легко прилипают к различным материалам, образуя достаточно прочное соединение, а, попав на волосы, доставляют немало неприятностей.

Огромное число интереснейших идей учёные почерпнули, изучая морских обитателей:

• Так, отточенная тысячелетней эволюцией послужила прототипом для конструирования подводных лодок и морских судов. А изучение позволила создать совершенно уникальный материал ламинфо. Обшивка подводной части судов, выполненная из этого материала, увеличивает их быстроходность на 15–20%.

• Вы, наверное, встречали, распластанное в морской воде, похожее на холодец . Изучая эту обитательницу морских глубин, учёные нашли у неё много интересного. Знаете, как передвигается медуза? Она с силой выталкивает из своих щупалец воду и таким образом продвигается вперед. по такому же принципу. Из её сопла с огромной скоростью вырываются раскалённые газы, толкая ракету в противоположную сторону.

• Но медуза приготовила для людей ещё один сюрприз. Оказывается, эти особы умеют «слышать» шум приближающегося шторма. И перед бурей уходят далеко в море, чтобы не быть выброшенными на берег морскими волнами. Ученым удалось изучить эту особенность медуз. Благодаря этому открытию был создан прибор «Ухо медузы», который с тех пор очень надежно служит людям. Он позволяет предсказывать приближение шторма и за 12-15 часов до его начала. За это время моряки и рыбаки могут подготовиться к встрече с разбушевавшейся стихией. Спасибо тебе, медуза!
• В водоемах Бразилии обитает рыбка–четырёхглазка. Собственно, глаз у неё всего два, но каждый из них разделен на две части. Верхняя половинка следит за ситуацией над поверхностью воды, а нижняя позволяет оберегаться от хищников, посягающих на эту пучеглазую красавицу. Этот же принцип лежит в основе бифокальных очков. Их линзы состоят из двух половинок, имеющих разную оптическую силу. Верхняя часть служит для зрения вдаль, нижняя - для чтения.
• Замечательный французский исследователь морских глубин Жак–Ив Кусто с интересом наблюдал за жучком, который озабоченно тянул за собой в воду пузырек с воздухом. Это и послужило ученому идеей для создания акваланга.

Перечень патентов, позаимствованных у морских обитателей, далеко не исчерпан, но нам предстоит ещё познакомиться с интересными изобретениями, которые человечество подсмотрело у птиц и летающих насекомых.

Провожая взглядом стремительных стрижей или величавых орлов, с высоты высматривающих свою добычу, люди мечтали вот также спокойно воспарить над землей. зарисовывал полёты и , и даже разработал летательную машину, которой не суждено было подняться в воздух.

Однако, идеи, позаимствованные у природы, всё же были использованы изобретателями летательных аппаратов:

• Конструкция крыла самолёта максимально приближена к форме крыльев крупных птиц.
• Долгое время испытатели скоростных самолётов сталкивались с явлением флаттера - сильнейшей вибрации. Избавиться от него удалось за счёт утолщения передней кромки крыльев самолёта. Оказалась, что готовое инженерное решение этой проблемы уже давно придумала природа - подобное утолщение есть на крыльях стрекоз.
• Стрекоза «вдохновила» конструкторов на создание вертолёта.
• Предполагается использование живой стрекозы в качестве беспилотника. На спину к ней будет прикрепляться «рюкзачок» с управляющей системой и солнечными батареями для питания. Таким образом можно будет управлять насекомыми, направляя их для лучшего опыления сельскохозяйственных культур. Не исключено их применение для слежения за человеком.
• Способность летучих мышей ориентироваться с помощью ультразвука послужило прообразом эхолокации. Она позволяет изучать рельеф морского дна, отыскивать затонувшие корабли, обнаруживать места скопления промысловой рыбы и т. д. Удалось даже сконструировать трость для незрячих людей, в которой вмонтирован источник и приёмник ультразвука, что в значительной степени улучшает качество их жизни.
• Неоценимую помощь для науки оказала . Изучая один из её загадочных органов (жужжальце) учёные создали на этом принципе очень важный навигационный прибор - вибрационный гироскоп.

• Это непривлекательное насекомое «подсказало» ещё одну интересную идею. Глаза мухи позволяют ей получать сразу множество изображений одного и того же объекта. Это позволяет ей с большой степенью точности определять скорость его движения. По этому принципу учёными был создан прибор, который так и назвали «глаз мухи». Он теперь используется для определения скорости авиалайнеров.
• Тысячелетиями отточенное умение животных маскироваться и менять окраску под цвет окружающей среды использовали при разработке материала - хамелеона. Подаваемые на него электрические импульсы, позволяют формировать на нем ложную картинку. Военная техника, покрытая таким материалом, становиться невидимой для беспилотников, так как сливается с ландшафтом местности.
• Оказывается, идея бинарного оружия позаимствована у жука бомбардира. Природа снабдила его оригинальным оружием для самозащиты. Две железы, работая автономно, вырабатывают два безобидных вещества, которые разгневанный жучок одновременно выбрасывает из брюшка. В точке их соединения температура достигает 100 °C! Бинарные снаряды снабжены камерой разделенной перегородкой на две части. В них содержатся два вещества, не представляющие в отдельности никакой опасности. Но при взрыве они соединяются, образуя сильнейший отравляющий газ.
• Путешествие по залам патентной библиотеки природы приближается к концу. Но откроем еще одну папку, на которой ранее значился гриф «Совершенно секретно».

Будущее бионики

Последние годы в бионике выделился отдельный раздел - нейробионика. Он изучает сходство между ЭВМ и нервной системой животных. Одна из важнейших задач этой науки - сделать управление вычислительной техникой столь же надежным и гибким как нервная система.

К её первым успехам относится создание экзоскелетов и биопротезов, которые ставят на ноги парализованных людей. Следующий шаг - управление этими устройствами силой мысли. Вполне вероятно, что нейробионика станет основой для создания искусственного интеллекта.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность
2. Аналоги природных форм в медицине
3. Принципы бионики на службе у медицины
Заключение
Список литературы

1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность

Формальной датой рождения одной из новых наук, возникшей в современном нам ХХ в., бионики, принято считать 13 сентября 1960 г. - день открытия первого американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем - ключ к новой технике». Однако, само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.
Название «бионика » происходит от древнегреческого корня «bion» - элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы.
Сразу же возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение научной сути бионики, - синтезировать накопленные в различных науках знания. Присущий ХХ в. интенсивный процесс разъединения, дробления научных дисциплин, крайняя степень конкретизации целей и задач отдельных наук привели к возникновению более полутора тысяч отраслей знаний. В течение достаточно длительного отрезка времени такая дифференциация знаний способствовала успешному развитию большинства отраслей науки и техники, но в настоящее время узкая специализация ученых затрудняет познание, и появляется настоятельная потребность в интеграции результатов научных исследований на основе единых, всеобъемлющих принципов.
Первой попыткой к новому объединению явилась кибернетика, основным интеграционным принципом которой стала всеобщность методов управления живым и неживым и их связи.
Бионика же во многом является логическим продолжением кибернетики, но она устраняет противоречия, ставшие результатом специализации наук и их разобщения, и интегрирует разнородные сведения в соответствии с единством живой природы, или биологическим принципом. Поэтому эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом - «Живые прототипы - ключ к новой технике».
Единого мнения о содержании бионики - едва ли не самой популярной из молодых наук, возникших в ХХ в., - до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку.
Обращаясь к наиболее устоявшемуся определению, можно сказать, что бионика - это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Бионику также можно назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых максимально приближены к характеристикам живых систем.
Как и у большинства наук, структура бионики неоднородна. В настоящее время принято выделять три методологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое.
Биологическая бионика базируется на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.
Содержанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.
Сферой деятельности технической бионики является реализация математических моделей или иных сторон деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.
В процессе продолжительной эволюции природа создала на Земле бесчисленное множество живых организмов, многие из которых по праву могут быть отнесены к «живым инженерным системам», функционирующим очень точно, научно и экономично, отличающимся поразительной точностью, целесообразностью, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.
Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине - той отрасли биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь.
Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения.
Когда в одном из свои странствий Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на пари, смыслом которого было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать, что заложенный в них принцип использовали животные до того, как до этого додумался человек, одним из изобретений было названо использование осами анестезии. При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они применяют методы, которые любой врач может назвать методами проводниковой анестезии - укус с впрыскиванием нейроплегического (нервнопаралитического) вещества в область крупных нервных стволов полностью парализует, но не умерщвляет паука, который недвижимо лежит в осином гнезде вплоть до появления из кладки личинок, для которых и заготавливалась эта пища.

2. Аналоги природных форм в медицине

Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой - всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением.
Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых - комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы - формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.
Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.

3. Принципы бионики на службе у медицины

Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков представлялось кране ограниченным. Однако результаты современных исследований утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам руки биотоки - слабый электрический сигнал - и тогда, когда нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к. импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений (мышцы) отсутствует.
Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалом, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и весьма громоздкую систему усиления и преобразования снимаемых с какой-либо мышцы биоэлектрических сигналов. Первая искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа «сжать пальцы», «разжать пальцы» и простейшее чередование этих команд, без восприятия сигналов регулирующего типа, сообщающих, с какой силой должно производиться движение. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой «железной рукой», неизбежно заканчивалась бы травмой.
Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине «семимильными шагами», и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам конгресса». Кистью протеза, которая четко сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений, достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых было становление обратной связи, возможности ощущать протез.
Чуть позже, на конференции по бионике, проходившей в Баку, был продемонстрирован макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев, созданными из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием давления на датчики сигналы от них изменяют частоту вибраций зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг. В настоящее время наиболее перспективными представляются датчики с использованием костно-вибрационных и электрокостных раздражений, однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необходимо еще значительное время, заполненное экспериментами и научно-исследовательской работой.
Другим аспектом применения биотоков в медицине является их использование в лечении парезов и параличей, коррекции ряда патологических состояний при беременности, а возможно, и для облегчения состояния больных полиомиелитом и детским церебральным параличом, сколько-нибудь адекватного лечения которых в настоящее время не существует.
Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой гипотермии (т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для замедления обменных процессов в тканях и органах). Но мало кто знает, что именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза - состояния глубокой спячки - многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном состоянии, потребление энергетических субстратов.
Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания автоматического желудочно-кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии.
Возвращаясь к протезированию конечностей, следует отметить, что еще один современный тип протезов, применяющихся в основном для протезирования нижних конечностей, а точнее - протезы на силиконовой основе, также содержит в основе своей природный принцип - принцип гидравлического строения ходильных ножек паука, движения которых основаны на переходе состояния биологического коллоида по типу «гель-золь».
В какой-то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся полупроницаемостью.
Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное.
Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины.
Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых-физиологов: низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый «радиозуб» - систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного-единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости.
Конструкцию аппарата можно описать приблизительно следующим образом: миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же миниатюрным передатчиком, преобразующим звук в радиосигналы, которые улавливает приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой полупроводникового сплава, наложенного на свободные нервные окончания, находящиеся в зубном канале. Этот полупроводниковый сплав образует пьезоэлектрический элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который служит антенной. По внешнему виду такая конструкция практически ничем не отличается от привычных в современной ортопедической стоматологии металлизированных пломб и коронок.
Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации.
В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике.
Модель американских ученых В. Колдуэлла, Э. Гленера, Дж. Стюарта предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произносящиеся разными людьми. Эти исследования могут послужить как для медицинских целей в плане создания более совершенных слуховых аппаратов, так и для совершенствования компьютерной техники.

Заключение

Таким образом, уже из нескольких примеров можно сделать вывод о значительной роли бионики в современном научном мире, причем не просто как абстрактной науки, не лишенной небольшого прикладного значения, а как базисной основы современной техники и технологий. Природа оттачивала свое инженерное мастерство неисчислимое количество лет, что и объясняет детальную, даже миниатюрную отточенность функций и форм природных объектов. Человек обладает инженерным мастерством сравнительно недавно, значит, его обращение к природным объектам принципиально верное и сулит в будущем много интересного и неожиданного, а следовательно обусловливает развитие одной из новых наук - бионики.

Список литературы

1. Березин Ф. Б. Психологическая и психофизическая адаптация человека. Л.: Наука, 1988.
2. Джеральд Дарелл. По всему свету. Зеленая серия. М.: Армадо-пресс, 2001.
3. Венчиков А. И. Биотоки. М.: Медиз, 1962.
4. Матюхин В. А., Разумов А. Н. Экологическая физиология человека и восстановительная медицина. М.: ГОЭТАР «Медицина», 1999.
5. Пуговкина Н. А. Общая биология. М.: «просвещение», 1990.
6. История медицины: Сборник очерков. Изд-во Волгоград. мед. акад., 1994.
7. Удивительное в мире животных /под ред. Константинова А. С., Лариной Н. И. Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1970.