Bionika u ljudskom životu

Kažu da se jednom u svakom stoljeću na Zemlji rodi genij. Takav genij bio je Leonardo da Vinci. Najveći umjetnik, kipar, matematičar, inženjer i anatom Leonardo da Vinci nastojao je pronaći istinu, spoznati je i opisati.

“Prirodu sam uzeo za mentora, učitelja svih učitelja.”

Zašto je ovaj veliki znanstvenik prirodu uzeo za svog učitelja?

Život u svom najprimitivnijem obliku pojavio se na Zemlji prije otprilike 2 milijarde godina. Nemilosrdna prirodna selekcija trajala je milijunima stoljeća, zahvaljujući kojoj su preživjeli najjači i najsavršeniji. Leonardo da Vinci prvi je predložio posuđivanje najboljeg iz prirode kako bi se proširile ljudske sposobnosti. Godine 1485. stvorio je mehanički leteći stroj - ornitoptel, čiji je princip rada preslikao od ptica. I premda čovjek tada nije uspio naučiti letjeti, to je označilo početak nove znanosti - bionike. Bionika je simbioza biologije i tehnologije.

Ako se povijest Zemlje - 4,5 milijardi godina - predstavi kao jedan dan, onda se ispostavlja da se Homo sapiens pojavio na planetu prije manje od minute. Doslovno je prošao djelić sekunde, a on se već zamišlja kao kreator i ne može više ništa stvoriti. gori od prirode. Sve donedavno, kad su izmišljali nešto novo, ljudi nisu imali pojma da to već postoji. Vi samo trebate vidjeti i primijeniti. 99% znanstvena otkrićačovjek je špijunirao prirodu. Sve što nas okružuje ima svoj prirodni analog.

Bionika(iz Βίον - život ) - primijenjeno na zahtjev u tehnički uređaji i sustavi načela organizacije, svojstava, funkcija i struktura . Jednostavno rečeno, bionika je veza I . Datum rođenja bionike: 13. rujna 1960.Bionika ima simbol: prekriženi skalpel, lemilo i integralni znak. Ovaj spoj biologije, tehnologije i matematike daje nam nadu da će znanost bionike prodrijeti tamo gdje nitko prije nije prodro i vidjeti ono što nitko prije nije vidio.

Čovjek je oduvijek sanjao o osvajanju neba. Ali bio je dostupan samo pticama. A ptice su bile te koje su ljudima dale ideju o letu.

Snovi o letenju i njihova stvarna realizacija vrlo su različite stvari. I unatoč hrabre ideje, poput onih Leonarda da Vincija, čovječanstvo će ostati prikovano za zemlju još mnogo stoljeća. Proučavanje ptica, strukture njihovih krila i repa, dovelo je do izuma aviona. Građa ljudskog oka postavila je temelj za fotografski objektiv, a struktura cvata suncokreta dala je početak solarnim pločama. Dok je nakon šetnje češljao cvatove čička i krzno svog psa, slavni je dizajner izmislio čičak kopče. Insekti su znanstvenicima dali ideju o helikopterima. Ribe su inspirirale stvaranje podmornica. Korporacija MercedesBenz razvila je bionic vozilo, kopiran iz tropske tjelesne ribe. Unatoč obliku kofera, stroj ima izuzetno nizak otpor zraka.

Svaki dan nailazimo na bioničke izume, a da toga nismo ni svjesni. U arhitekturi se najčešće nalaze principi preuzeti iz prirode. Na primjer, u dizajnu poznatih Eiffelov toranj leži struktura ljudske bedrene kosti. Na glavi kosti ima mnogo potpornih točaka, zahvaljujući kojima se opterećenje na zglobu ravnomjerno raspoređuje. To omogućuje oslonac zakrivljenoj bedrenoj kosti velika težina tijela. Iste referentne točke mogu se naći u podnožju Eiffelovog tornja. Njegov dizajn smatra se arhitektonskim mjerilom za održivost.

Drugi toranj, Ostankino, također ima prirodni analog. Nju vitka silueta prepoznatljiv. Prototip Ostankinskog tornja je stabljika pšenice. Njegova sposobnost da se ne slomi pod težinom cvata činila je osnovu tornja.

Arhitekti se sve više okreću principima funkcioniranja živih organizama. Da bi razumio kako to funkcionira, dizajner mora proučiti biologiju. Prirodni prototipovi arhitektonske građevine postaju ribe, ptice, biljke pa čak i ljudsko tijelo.

Bionika ne stoji mirno. Ova znanost stvara pravu revoluciju. Obično promatranje i modeliranje može puno učiniti.Moje buduće zanimanje vezano je za strojarstvo. Strojarska industrija je najrobotiziranija. Po prvi put njegova praktična primjenaindustrijski robotidobio zahvaljujući američkim inženjerima D. Devolu i D. Engelbergu kasnih 50-ih i ranih 60-ih godina XX. stoljeća. Koriste se za izvođenje raznih tehnološki procesi kako bi se povećala učinkovitost poduzeća.

Dizajn robota može sadržavati jedan ili više manipulatora, dok sam manipulator može imati različitu nosivost, točnost pozicioniranja i stupanj slobode. Pri izradi industrijskog robota aktivno se koriste bionički modeli. Manipulator industrijskog robota sastoji se od određenog broja pomičnih karika (osovina) međusobno povezanih. Dizajniran je na principu udova člankonožaca. Što više sjekira, to više univerzalni dizajn kod robota.Raspored i fleksibilnost spoja osi robota pomno su napravljeni prema ljudskom modelu (zglobni spoj). Osi manipulatora podešavaju se pomoću senzora. Slični su osjetilnim organima i reagiraju na svjetlost, položaj u prostoru

Priroda još uvijek čuva mnoge misterije, sklad njezinih kreacija uvijek je iznenađivao i iznenađivat će ljudski svijet. Ali pitanje je: “Hoćemo li imati vremena iskoristiti preostale “patente za divlje životinje”? S obzirom na brzinu kojom biljke i životinje nestaju s lica zemlje, a statistika neumoljivo kaže: godišnje - jedna vrsta životinja i dnevno - jedna vrsta biljaka - postavljeno pitanje zvuči vrlo alarmantno. U tom smislu, očuvanje rijetkih i ugroženih vrsta životinja i biljaka, održavanje okoliš u uvjetima povoljnim za život svega živog na Zemlji, − hitan problem, i ključ daljnjeg razvoja čovječanstva.

Najsavršenije oblike, kako sa stajališta ljepote, tako i sa stajališta organizacije i funkcioniranja, stvorila je sama priroda i razvili su se u procesu evolucije. Čovječanstvo je dugo vremena posuđivalo strukture, elemente i konstrukcije od prirode kako bi riješilo svoje tehnološke probleme. Trenutno tehnogena civilizacija osvaja sve veće teritorije od prirode, a okolnim područjima dominiraju pravokutni oblici, čelika, stakla i betona, a živimo u tzv. urbanoj džungli.

Svake godine potreba čovjeka za prirodnim, skladnim životnim okruženjem ispunjenim zrakom, zelenilom i prirodnim elementima postaje sve opipljivija. Stoga pitanja zaštite okoliša postaju sve aktualnija u urbanističkom planiranju i. U ovom članku ćemo se upoznati s primjerima bionike - zanimljivo modernog smjera u arhitekturi i dizajnu interijera.

Primjeri bionike u arhitekturi. Znanstveni i umjetnički pristup

Bionika je prije svega znanstveni pravac, a potom kreativan. Kada se primijeni na arhitekturu, to znači korištenje principa i metoda organiziranja živih organizama i oblika koje stvaraju živi organizmi u projektiranju i izgradnji zgrada. Prvi arhitekt koji je radio u bioničkom stilu bio je A. Gaudi. Njegovim slavnim djelima i danas se divi svijet (Casa Batllo, Casa Mila, Sagrada Familia, Park Güell itd.).

Casa Mila Antonio Gaudi u Barceloni
Nacionalna operna kuća u Pekingu

Moderna bionika temelji se o novim metodama koje koriste matematičko modeliranje i širok raspon softvera za izračune i 3D vizualizaciju. Njegov glavni zadatak je proučavanje zakona formiranja tkiva živih organizama, njihove strukture, fizička svojstva, značajke dizajna s ciljem pretočenja tog znanja u arhitekturu. Živi sustavi primjeri su struktura koje funkcioniraju na temelju načela osiguravanja optimalne pouzdanosti, formiranja optimalnog oblika uz uštedu energije i materijala. Ovi principi čine osnovu bionike. Na stranici su predstavljeni poznati primjeri bionike.

Sydney Opera House
Plivački kompleks u Pekingu

Evo nekih od najvećih bioničkih struktura u cijelom svijetu:

• Eiffelov toranj u Parizu (ponavlja oblik potkoljenice)
• Stadion Swallow's Nest u Pekingu (vanjski metalna konstrukcija ponavlja oblik ptičjeg gnijezda)
• Aqua neboder u Chicagu (izvana nalikuje struji vode koja pada, a oblik zgrade također nalikuje naboranoj strukturi vapnenačkih naslaga duž obala Velikih jezera)
• Stambena zgrada "Nautilus" ili "Školjka" u Naucalpanu (dizajn je preuzet iz prirodne strukture - školjke mekušaca)
• Sydney Opera House (imitira otvorene latice lotosa na vodi)
• Plivački kompleks u Pekingu (dizajn fasade sastoji se od "vodenih mjehurića", ponavlja kristalnu rešetku, omogućuje vam akumuliranje sunčeve energije koja se koristi za potrebe zgrade)
• Nacionalna opera u Pekingu (imitira kap vode)

Bionika također uključuje stvaranje novih materijala za gradnju, čija je struktura sugerirana zakonima prirode. Danas već postoji mnogo primjera bionike, od kojih se svaki odlikuje nevjerojatnom snagom svoje strukture. Tako je moguće dobiti nove dodatne mogućnosti za izgradnju objekata različitih veličina.

Skulptura Vrata oblaka u Chicagu
Primjeri bionike u dizajnu interijera

Značajke dizajna interijera u bioničkom stilu s primjerima

Bionički stil također je došao u dizajn interijera: kako u stambenim prostorima, tako iu prostorijama uslužnog sektora, društvene i kulturne namjene. Primjeri bionike mogu se vidjeti u modernim parkovima, knjižnicama, trgovački centri, restorani, izložbeni centri itd. Što je karakteristično za ovo moderan stil? Koje su njegove karakteristike? Kao iu slučaju arhitekture, bionika interijera koristi prirodne oblike u organizaciji prostora, u planiranju prostora, u dizajnu namještaja i dodataka te u dekoru.

Dizajneri svoje ideje crpe iz poznatih struktura žive prirode:

• Vosak i saće su osnova za stvaranje neobičnih struktura u interijeru: zidovi i pregrade, elementi namještaja, dekor, zidni elementi i stropne ploče, prozorski otvori itd.
• Paukova mreža je neobično lagan i ekonomičan mrežasti materijal. Često se koristi kao osnova u dizajnu pregrada, dizajnu namještaja i rasvjetna tijela, viseće mreže.
• Vanjska ili unutarnja stubišta mogu biti izrađena u obliku spiralnih ili neobičnih struktura izrađenih od kombiniranih prirodnih materijala koji ponavljaju glatke prirodne oblike. U oblikovanju stepenica bioničari se najčešće oslanjaju na biljne forme.
• Staklo u boji također se koristi u bioničkim primjercima za stvaranje zanimljive rasvjete.
• U drvene kuće Debla drveća mogu se koristiti kao nosivi stupovi. Općenito, drvo je jedan od najčešćih materijala za interijer u bioničkom stilu. Koriste se i vuna, koža, lan, bambus, pamuk itd.
• Zrcalne i sjajne površine preuzete su s površine vode i skladno se uklapaju u nju.
• Izvrsno rješenje je korištenje perforacije za smanjenje težine pojedinačnih struktura. Za stvaranje se često koriste porozne strukture kostiju zanimljiv namještaj, dok štedi materijal, stvarajući iluziju prozračnosti i lakoće.

Lampe također oponašaju biološke strukture. Svjetiljke koje oponašaju vodopad, svjetleće drveće i cvijeće, oblake, nebeska tijela izgledaju lijepo i originalno. morska stvorenja itd. Često se koriste primjeri bionike prirodni materijali, koji su ekološki prihvatljivi. Karakteristične značajke Ovaj smjer se smatra glatkim linijama i prirodnim bojama. Ovo je pokušaj stvaranja atmosfere bliske prirodnoj prirodi, ne eliminirajući pogodnosti koje je čovjek stekao razvojem tehnologije. Elektronika je integrirana u dizajn na takav način da nije uočljiva.

Neboder Aqua u Chicagu primjer je bionike u dizajnu interijera na stadionu Swallow's Nest u Pekingu

U primjerima bionike u interijeru, možete razmotriti akvarije, zanimljive neobični dizajni i jedinstveni oblici koji se, kao u prirodi, ne ponavljaju. Možemo reći da u bionici nema jasne granice i zoniranje prostora, neke sobe glatko "utječu" u druge. Prirodni elementi neće se nužno odnositi na cijeli interijer. Trenutno su vrlo česti projekti s pojedinačnim elementima bionike - namještaj koji prati strukturu tijela, strukturu biljaka i drugih elemenata žive prirode, organski umetci, dekor od prirodnih materijala.

Vrijedno je napomenuti da Glavna značajka bionika u arhitekturi i dizajnu interijera je oponašanje prirodnih oblika, uzimajući u obzir znanstvene spoznaje o njima. Stvaranje ekološki sigurnog životnog okruženja povoljnog za ljude korištenjem novih energetski učinkovite tehnologije mogao postati idealan pravac urbanog razvoja. Stoga je bionika novi smjer koji se brzo razvija i osvaja umove arhitekata i dizajnera.

Nemoguće je točno reći kada je rođena bionička znanost, jer je čovječanstvo oduvijek crpilo ​​inspiraciju iz prirode; poznato je, na primjer, da se prije oko 3 tisuće godina pokušavalo kopirati stvaranje svile, kao što to čine insekti. Naravno, takvi se pokušaji ne mogu nazvati razvojem, tek nakon što su se pojavile moderne tehnologije, osoba je imala vrlo stvarnu priliku kopirati prirodne ideje, umjetno reproducirati u nekoliko sati sve što se godinama rađalo u prirodnim uvjetima. Na primjer, znanstvenici znaju kako uzgajati sintetičko kamenje, koje po ljepoti i čistoći nije niže od prirodnih, posebno kao analog dijamanata.

Najpoznatije vizualno utjelovljenje bionike je Eiffelov toranj u Parizu. Ova se konstrukcija temeljila na proučavanju bedrene kosti, koja se, kako se pokazalo, sastojala od malih kostiju. Pomažu u savršenoj raspodjeli težine, tako da glava bedrene kosti može izdržati veća opterećenja. Isti princip korišten je za izradu Eiffelovog tornja.

Možda najpoznatiji “” bionike, koji je dao veliki doprinos njenom razvoju, je Leonardo da Vinci. Na primjer, promatrao je let vretenca, a zatim pokušao prenijeti njegove pokrete pri stvaranju zrakoplov.

Važnost bionike za druga znanstvena područja

Ne prihvaćaju svi bioniku kao znanost, smatrajući je znanjem rođenim na sjecištu nekoliko disciplina, dok je sam koncept bionike širok, pokriva nekoliko znanstvenih pravaca. Konkretno, ovo Genetski inženjering, dizajn, medicinska i biološka elektronika.

Moglo bi se govoriti o njegovoj isključivo primijenjenoj prirodi, ali modernoj softver omogućuje simulaciju i implementaciju svih vrsta prirodnih rješenja u stvarnost, stoga je proučavanje i usporedba prirodnih fenomena s ljudskim sposobnostima sve relevantnije. Pri stvaranju moderne robotike inženjeri se sve više obraćaju za pomoć bioničkim znanstvenicima. Uostalom, roboti su ti koji će u budućnosti značajno olakšati ljudski život, a za to se moraju moći pravilno kretati, razmišljati, predviđati, analizirati itd. Tako su znanstvenici sa Sveučilišta Stanford napravili robota na temelju promatranja žohara ; njihov izum nije samo okretan i organski, već je i vrlo funkcionalan. U bliskoj budućnosti, ovaj robot bi mogao postati neophodan pomoćnik za one koji se ne mogu samostalno kretati.

Uz pomoć bionike, u budućnosti će biti moguće stvoriti kolosalna tehnološka dostignuća. Sada će čovjeku trebati samo nekoliko godina da stvori analogiju prirodnih pojava, dok će sama priroda na to potrošiti tisućljeća.

Kako nastaju otkrića, kako nastaju razni izumi - ukratko, sve, Što pokreće čovječanstvo naprijed? Naravno, za to je potrebno znanje, talent, upornost i radna sposobnost. Ali to nije sve.

Pravog znanstvenika odlikuje oštroumno zapažanje u kombinaciji sa snagom kreativna mašta. Kombinacija ovih kvaliteta omogućuje stvaranje industrijskih analoga prirodnih struktura.

Prema patentima prirode

Od 60-ih godina XX. stoljeća postoji novi termin- bionika, znanost koja koristi znanja o živoj prirodi za rješavanje tehničkih problema. Značaj ove znanosti ne može se precijeniti. Uostalom, priroda stvara svoje kreacije s maksimalnom učinkovitošću.

Najjednostavniji primjer stvaranja takvog umjetnog analoga je čičak i patentni zatvarači, koji se koriste kao pričvršćivači na jaknama za cipele itd. Ali čovjek je posudio ovaj jednostavan, ali vrlo zgodan izum iz prirode. Bodlje čička lako se lijepe raznih materijala, stvarajući prilično jaku vezu, a kada dođe na kosu, uzrokuju mnogo problema.

Znanstvenici su izvukli ogroman broj zanimljivih ideja proučavajući život u moru:

• Tako je, izbrušen tisućama godina evolucije, poslužio kao prototip za dizajn podmornica i morskih brodova. A studija je omogućila stvaranje potpuno jedinstvenog laminfo materijala. Oblaganje podvodnog dijela brodova od ovog materijala povećava njihovu brzinu za 15-20%.

• Vjerojatno ste vidjeli nekoga kako se raširio morska voda, slično želeu. Proučavajući ovu stanovnicu dubokog mora, znanstvenici su otkrili mnogo zanimljivih stvari o njoj. Znate li kako se kreće meduza? Ona snažno tjera vodu iz svojih pipaka i tako kreće naprijed. po istom principu. Vrući plinovi izbijaju iz njegove mlaznice velikom brzinom, gurajući raketu u suprotnom smjeru.

• Ali meduza je pripremila još jedno iznenađenje za ljude. Ispostavilo se da ti ljudi mogu "čuti" buku oluje koja se približava. A prije oluje odlaze daleko u pučinu kako ih morski valovi ne bi izbacili na obalu. Znanstvenici su uspjeli proučiti ovu značajku meduza. Zahvaljujući ovom otkriću stvoren je uređaj “Uho meduze” koji od tada vrlo pouzdano služi ljudima. Omogućuje vam predviđanje približavanja oluje 12-15 sati prije nego što počne. Za to vrijeme mornari i ribari mogu se pripremiti za susret s bijesnom stihijom. Hvala, meduze!
• Četverooka riba živi u akumulacijama Brazila. Zapravo, ona ima samo dva oka, ali svako od njih je podijeljeno na dva dijela. Gornja polovica prati situaciju iznad površine vode, a donja polovica vam omogućuje da se zaštitite od grabežljivaca koji napadaju ovu ljepoticu s očima. Isti princip je u osnovi bifokalnih naočala. Njihove leće sastoje se od dvije polovice s različitim optičkim jakostima. Gornji dio služi za gledanje na daljinu, donji za čitanje.
• Izvanredni francuski istraživač morskih dubina, Jacques-Yves Cousteau, sa zanimanjem je promatrao bubu koja je zabrinuto povlačila mjehurić zraka u vodu. To je znanstveniku dalo ideju da stvori opremu za ronjenje.

Popis patenata posuđenih iz morskog života daleko je od iscrpljenosti, ali još uvijek se moramo upoznati sa zanimljivim izumima koje je čovječanstvo špijunirao od ptica i letećih insekata.

Gledajući brze brzake ili veličanstvene orlove kako odozgo traže svoj plijen, ljudi su sanjali o mirnom lebdenju iznad zemlje. skicirao letove i, pa čak i razvio leteći stroj, kojemu nije bilo suđeno da poleti.

Međutim, ideje posuđene iz prirode i dalje su koristili izumitelji zrakoplova:

• Dizajn krila zrakoplova je što je moguće bliži obliku krila velikih ptica.
• Dugo su se vremena ispitivači brzih letjelica suočavali s fenomenom fluttera – jake vibracije. Bilo je moguće riješiti ga se podebljavanjem prednjeg ruba krila zrakoplova. Ispostavilo se da je priroda davno smislila gotovo inženjersko rješenje za ovaj problem - slično zadebljanje postoji na krilima vretenaca.
• Vilin konjic je "inspirirao" dizajnere da naprave helikopter.
• Kao dron planira se koristiti živi vilin konjic. "Rukksak" sa sustavom upravljanja i solarni paneli za hranu. Na taj način bit će moguće kontrolirati kukce, usmjeravajući ih na bolje oprašivanje usjeva. Moguće je da se pomoću njih može pratiti osoba.
• Sposobnost šišmiša da se kreću pomoću ultrazvuka poslužila je kao prototip za eholokaciju. Omogućuje vam proučavanje topografije morskog dna, pronalaženje potopljenih brodova, otkrivanje mjesta nakupljanja komercijalne ribe, itd. Bilo je čak moguće dizajnirati štap za slijepi ljudi, u koje su ugrađeni izvor i prijamnik ultrazvuka, što značajno poboljšava njihovu kvalitetu života.
• Pružio neprocjenjivu pomoć znanosti. Proučavajući jedan od njegovih tajanstvenih organa (haltere), znanstvenici su na tom principu stvorili vrlo važan navigacijski uređaj - vibracijski žiroskop.

• Ovaj neatraktivni kukac "sugerirao" je drugog zanimljiva ideja. Oči muhe omogućuju joj da primi mnogo slika istog objekta odjednom. To joj omogućuje da odredi brzinu njegovog kretanja s visokim stupnjem točnosti. Na temelju tog principa znanstvenici su stvorili uređaj koji je nazvan "oko muhe". Sada se koristi za određivanje brzine zrakoplova.
• Tisućama godina, usavršavana sposobnost životinja da se kamufliraju i mijenjaju boju kako bi odgovarala boji okoline, korištena je za razvoj materijala - kameleona. Električni impulsi koji se na njega primjenjuju omogućuju mu stvaranje lažne slike. Vojna oprema prekrivena takvim materijalom postaje nevidljiva dronovima, jer se stapa s terenom.
• Ispostavilo se da je ideja o binarnom oružju posuđena od bube bombardera. Priroda mu je dala originalno oružje za samoobranu. Dvije žlijezde, radeći autonomno, proizvode dvije bezopasne tvari, koje ljuta buba istovremeno izbacuje iz trbuha. Na mjestu njihovog spajanja temperatura doseže 100 °C! Binarni projektili opremljeni su komorom podijeljenom pregradom na dva dijela. Sadrže dvije tvari koje pojedinačno ne predstavljaju nikakvu opasnost. Ali tijekom eksplozije oni se spajaju, stvarajući snažan otrovni plin.
• Putovanje kroz dvorane knjižnice patenata prirode bliži se kraju. No, otvorimo drugu mapu koja je prethodno bila označena kao "Strogo povjerljivo".

Budućnost bionike

Posljednjih godina u bionici se pojavio zaseban odjeljak - neurobionika. Proučava sličnosti između računala i živčani sustavživotinje. Jedan od najvažnijih zadataka ove znanosti je učiniti kontrolu računalne tehnologije pouzdanom i fleksibilnom poput živčanog sustava.

Njezini prvi uspjesi uključuju stvaranje egzoskeleta i bioproteza koje paralizirane ljude postavljaju na noge. Sljedeći korak je upravljanje tim uređajima snagom misli. Vjerojatno će neurobionika postati osnova za stvaranje umjetne inteligencije.

Ako vam je ova poruka bila korisna, bilo bi mi drago da vas vidim

1. Bionika kao znanost - povijest razvoja, definicije, suština
2. Analozi prirodnih oblika u medicini
3. Načela bionike u službi medicine
Zaključak
Bibliografija

1. Bionika kao znanost - povijest razvoja, definicije, suština

Formalnim datumom rođenja jedne od novih znanosti nastalih u modernom dvadesetom stoljeću, bionike, smatra se 13. rujna 1960. - dan otvaranja prvog američkog nacionalnog simpozija na temu “Živi prototipovi umjetnih sustava – ključ za nova tehnologija" No, nije potrebno spominjati da je održavanje ovakvog simpozija postalo moguće samo zato što je do tada prikupljena velika količina podataka o principima organizacije i funkcioniranja živih sustava, a također su se pojavile mogućnosti za praktičnu primjenu stečenih znanja. riješiti niz problema. trenutni problemi tehnologija.
Ime " bionika“ dolazi od starogrčkog korijena “bion” – element života, stanica života ili, točnije, elementi biološkog sustava.
Odmah su se pojavili amblem i moto koji su nosili simboličku sliku znanstvene suštine bionike - sintetizirati znanje akumulirano u različitim znanostima. Svojstveno 20. stoljeću. intenzivan proces razdvajanja i fragmentacije znanstvenih disciplina, ekstremni stupanj specifikacije ciljeva i zadataka pojedinih znanosti doveli su do pojave više od tisuću i pol grana znanja. Dosta dugo je takva diferencijacija znanja pridonosila uspješnom razvoju većine grana znanosti i tehnologije, ali trenutno uska specijalizacija znanstvenika komplicira znanje, te postoji hitna potreba za integracijom rezultata. znanstveno istraživanje na temelju zajedničkih, sveobuhvatnih načela.
Prvi pokušaj novog objedinjavanja bila je kibernetika, čije je glavno integracijsko načelo bila univerzalnost metoda upravljanja živim i neživim bićima i njihovim vezama.
Bionika u mnogočemu je logičan nastavak kibernetike, ali otklanja proturječnosti proizašle iz specijalizacije znanosti i njihove odvojenosti, te integrira heterogene informacije u skladu s jedinstvom žive prirode, odnosno biološkim načelom. Dakle, amblem bionike su skalpel i lemilo, povezani integralnim znakom, a moto je "Živi prototipovi - ključ nove tehnologije."
Još uvijek nema konsenzusa o sadržaju bionike - možda najpopularnije od mladih znanosti koje su se pojavile u dvadesetom stoljeću. Mnogi stručnjaci smatraju bioniku novom granom kibernetike, drugi je pripisuju biološkim znanostima, no očito su najviše u pravu oni koji bioniku izdvajaju kao samostalnu znanost.
Okrećući se najuvriježenijoj definiciji, možemo reći da bionika– je znanost koja proučava principe izgradnje i funkcioniranja bioloških sustava i njihovih elemenata te koristi stečena znanja za radikalno unaprjeđenje postojećih i stvaranje bitno novih strojeva, instrumenata, aparata, građevinske strukture i tehnološkim procesima. Bionika se može nazvati i znanošću o konstruiranju tehničkih uređaja čije su karakteristike što bliže karakteristikama živih sustava.
Kao i većina znanosti, struktura bionike je heterogena. Trenutno je uobičajeno razlikovati tri metodološka područja bionike: biološko, matematičko (teorijsko) i tehničko.
Biološka bionika temelji se na raznim granama biologije i medicine, koristi njihova dostignuća za prepoznavanje određenih principa žive prirode, koji mogu biti temelj za rješavanje određenih inženjerskih problema.
Sadržaj teorijske bionike je razvoj matematičkog aparata za biološko modeliranje, kao i matematičkih modela pojava i procesa koji se odvijaju u živim organizmima, živim sustavima ili čak u društvima organizama.
Područje djelovanja tehničke bionike je implementacija matematičkih modela ili drugih aspekata aktivnosti živih organizama, često dobivenih tijekom istraživanja biološke i teorijske bionike, s ciljem poboljšanja postojećih i stvaranja potpuno novih. tehnička sredstva a sustavi superiorni u svojim Tehničke specifikacije već stvoren ranije i djeluje na biološkom principu.
U procesu duge evolucije, priroda je stvorila bezbroj živih organizama na Zemlji, od kojih se mnogi s pravom mogu svrstati u “žive” inženjerski sustavi“, koji funkcionira vrlo precizno, znanstveno i ekonomično, odlikuje se nevjerojatnom preciznošću, ekspeditivnošću, sposobnošću da odgovori na suptilne promjene u brojnim čimbenicima okoline, pamti i uvažava te promjene, te na njih odgovara nizom adaptivnih reakcija.
Razmotrimo primjenu bioničkih metoda i rješenja u medicini - toj grani bioloških znanosti s kojom se svaki čovjek susreće više puta u životu.
Mnogi "izumi" prirode, čak iu davna vremena, pomogli su u rješavanju niza tehničkih problema. Na primjer, prilikom izvođenja operacija oka, arapski liječnici prije mnogo stotina godina stekli su razumijevanje o lomu svjetlosnih zraka pri prelasku iz jednog prozirnog medija u drugi. Proučavanje očne leće potaknulo je drevne liječnike na razmišljanje o korištenju leća od kristala ili stakla za povećanje slike, a potom i za korekciju vida.
Kad je, na jednom od svojih putovanja, Gerald Darell bio prisiljen pristati na okladu, čiji je smisao bio navesti četiri izvanredna izuma i dokazati da su princip koji je u njihovoj osnovi koristile životinje prije nego što se čovjek toga sjetio, jedan od izuma bio je korištenje anestezije osa. Kada cestovne ose "pripremaju" hranu za buduće ličinke, koriste metode koje svaki liječnik može nazvati metodama provodne anestezije - ugriz s injekcijom neuroplegične (paralitičke) tvari u područje velikih živčanih debla potpuno paralizira, ali ne ubija pauka koji nepomično leži u osinje gnijezdo do pojave ličinki iz legla, za koje je pripremljena ova hrana.

2. Analozi prirodnih oblika u medicini

Puno medicinski instrumenti imaju prototip među predstavnicima živog svijeta. Igla za skarifiranje, koja se koristi za uzimanje periferne krvi (npr. za potrebe obavljanja opće analize krvi, koju svakome od nas u više navrata propisuju liječnici svih profila), dizajnirana je po principu da u potpunosti ponavlja struktura sjekutića zuba šišmiša, čiji je ugriz, s jedne strane, bezbolan, as druge strane uvijek je popraćen prilično jakim krvarenjem.
Poznata klipna štrcaljka na mnogo načina oponaša aparat za sisanje krvi insekata - komaraca i buha, čiji ugriz je zajamčeno poznat svakoj osobi. Igla koja se koristi tijekom operacije koja se koristi za šivanje unutarnji organi i ljudsko tkivo, već nekoliko stoljeća nije promijenilo svoj izvorni oblik – oblik rebarnih kostiju velika riba, a skalpel svojom prirodnom oštricom i dalje prati oblik lista trske.
Ali ovo je samo većina jednostavni primjeri, koji su do nas došli doslovno od pamtivijeka, a suvremeni razvoj bionike tiče se mnogih visokorazvijenih medicinskih tehnologija. Tipičan primjer je Moderna tehnologija rekonstrukcija i produljenje zubne cakline, što je jedan od „kitova“ moderne stomatologije i tehnologija ugradnje noktiju i kose koja se koristi u kozmetologiji. Osnova ovih tehnologija je princip gradnje morskih spužvi, kao i tehnika gradnje gnijezda čičaka. Oba ova principa konstrukcije temelje se na tehnikama kemopolimeriziranja i svjetlosnog otvrdnjavanja.

3. Načela bionike u službi medicine

Jednako relevantno postignuće bionike u medicini je uporaba biostruja. Kada je krajem 18.st. Talijanski fiziolog Luigi Galvani, kao nusprodukt eksperimenata na seciranju žaba, otkrio je biostruje koje nastaju u mišićima tijekom kretanja; buduća upotreba biostruja činila se krajnje ograničenom. Međutim, rezultati suvremenih istraživanja govore upravo suprotno. Mozak, zapovijedajući pokretima šake, nastavlja slati biostruje - slab električni signal - mišićima šake čak i kada je donji segment šake amputiran. Naravno, u ovom slučaju nema pokreta, budući da impulsi, koji ulaze u živčani završetak krnjeg mišića patrljka, daju samo osjećaj određenih pokreta, a materijalni supstrat pokreta (mišići) je odsutan.
Prvi model umjetne šake kojom se upravlja biopotencijalom proizveden je 1957. godine. Imao je elektromagnetski pogon i vrlo glomazan sustav za pojačavanje i pretvaranje bioelektričnih signala uzetih iz bilo kojeg mišića. Prva umjetna ruka percipirala je samo opće signale kao što su "stisni prste", "opusti prste" i najjednostavniju izmjenu ovih naredbi, bez percipiranja signala regulacijskog tipa, koji pokazuju kojom snagom treba napraviti pokret. Pokušaj pozdraviti osobu s takvom "željeznom rukom" neizbježno bi završio ozljedom.
Poboljšanje proteza kontroliranih biostrujama doista je napredovalo velikim koracima, a već u ljeto 1960. sudionici Prvog međunarodnog kongresa Federacije za automatsko upravljanje, održanog u Moskvi, vidjeli su kako je dječak bez ruke uzeo umjetna ruka komadom krede i jasno i jasno napisao na ploči: “Pozdrav sudionicima kongresa.” Protetska šaka, koja se jasno stezala i otpuštala, bila je kontrolirana biostrujama. Postignuta je jasnoća pokreta dovoljna za adekvatno funkcioniranje proteze, a sljedeći cilj znanstvenika bio je formiranje povratne sprege, sposobnost opipa proteze.
Nešto kasnije, na konferenciji o bionici održanoj u Bakuu, demonstriran je model ruke sa senzorima osjetljivim na pritisak montiranim na vrhovima prstiju, izrađenim od vodljive gume ili tanke žice. Pod utjecajem pritiska na senzore, signali iz njih mijenjaju frekvenciju vibracije zujalice, koja je postavljena na ruci blizu živca koji ide u mozak. Trenutačno se čini da najviše obećavaju senzori koji koriste vibracije kostiju i električnu stimulaciju kostiju, međutim, da bi se razjasnili parametri signala, kao i dizajn utjecajnih elemenata, potrebno je još dosta vremena, ispunjeno eksperimentima i istraživačkim radom .
Drugi aspekt primjene biostruja u medicini je njihova primjena u liječenju pareza i paraliza, korekciji niza patoloških stanja tijekom trudnoće, te eventualno za ublažavanje stanja bolesnika s dječjom paralizom i cerebralnom paralizom, za koje ne postoji adekvatno liječenje. trenutno postoji.
Izvođenje opsežnih i složenih operacija na srcu i mozgu postalo je moguće zahvaljujući uvođenju u medicinsku praksu metode kontrolirane hipotermije (tj. svjesnog pothlađenja tijela operirane osobe radi usporavanja metaboličkih procesa u tkivima i organima). . No malo ljudi zna da je upravo hipotermija temelj anabioze i parobioze - stanja dubokog hibernacije - mnogih kukaca i nekih sitnih glodavaca u nepovoljnim zimskim vremenima. Kod ovih životinja hipotermija je također usmjerena na usporavanje metaboličkih procesa u organima i tkivima, uzrokujući manju potrošnju energetskih supstrata nego u aktivnom stanju.
Metoda kretanja nekih protozoa postala je prototip za stvaranje automatske gastrointestinalne sonde, što je najzanimljiviji i najperspektivniji izgled za instrumentalna istraživanja u gastroskopiji.
Vraćajući se na protetiku udova, treba napomenuti da još jedna moderna vrsta proteza, koja se koristi uglavnom za protetiku donjih ekstremiteta, točnije proteze na bazi silikona, također sadrži prirodni princip- princip hidrauličke strukture hodajućih nogu pauka, čiji se pokreti temelje na prijelazu stanja biološkog koloida prema tipu "gel-sol".
Donekle se postignuća bionike u području medicine temelje na strukturi same osobe. Tako perfuzijski filmovi, koji se nanose na velike površine opeklina i služe za sprječavanje infekcije rane, gotovo u potpunosti oponašaju strukturu površinski slojevi netaknuta ljudska koža, koja ima baktericidna svojstva i karakterizirana je polupropusnošću.
Postignuća bionike u mnogočemu obećavaju određeno poboljšanje stanja ili gotovo potpunu nadoknadu kvalitete života za pacijente čija se situacija prije smatrala gotovo bezizlaznom.
Jedan od prvih koraka na tom putu je stvaranje uređaja koji mogu čuti. Gubitak sluha je značajan i opasan za čovjeka i dovodi do potpunog ili gotovo potpunog invaliditeta. Ovaj problem ostaje jedan od izuzetno složenih i praktički nerješivih problema medicine.
Nedavno su mnoge gluhe osobe primile prava prilikačuti pomoću uređaja stvorenog na temelju najnovije otkriće Fiziološki znanstvenici: niskofrekventne vibracije koje percipira ljudsko uho mogu se percipirati živim živcem zuba i prenijeti u mozak. Radio inženjeri su stvorili takozvani "radio zub" - sustav uz pomoć kojeg ljudi koji prije nisu mogli čuti. Za ugradnju takvog uređaja potrebna je prisutnost jednog živog zubnog živca, a potpuni nedostatak živih zubnih živaca nije tipičan čak ni za potpuno zahvaćenu usnu šupljinu.
Dizajn uređaja može se opisati otprilike na sljedeći način: minijaturni mikrofon, koji se može nositi na zapešću poput sata, povezan je s istim minijaturnim odašiljačem, koji pretvara zvuk u radio signale, koje hvata postavljeni prijemnik. u zubu. Prihvatnik je tanki sloj poluvodičke legure nanesen na slobodne živčane završetke koji se nalaze u zubnom kanalu. Ova legura poluvodiča tvori piezoelektrični element, prekriven slojem zlata ili srebra, koji služi kao antena. Po izgled Ovaj dizajn se praktički ne razlikuje od metalnih ispuna i krunica uobičajenih u modernoj ortopedskoj stomatologiji.
Signal radio odašiljača koji prima takva antena ulazi u piezoelektrični element; u piezoelektričnom elementu nastaju vibracije koje se, pobuđujući slobodne živčane završetke u zubu, u obliku živčanih impulsa prenose u kortikalne i subkortikalne slušne centre mozga. Tako osoba koja je do ovog trenutka živjela u svijetu bez zvukova počinje čuti. Naravno, u stvaran život za osobu opremljenu takvim uređajem ostaje značajan broj ograničenja, primjerice u korištenju Mobiteli, kao i kod rada s tzv. generatorima buke, no što ta ograničenja znače u usporedbi s potpunom gluhoćom koja osobi ne omogućuje potpunu socijalnu rehabilitaciju.
U U zadnje vrijeme U nizu zemalja rašireno je istraživanje tzv. kvazi-slušne identifikacije s ciljem stvaranja uređaja koji simuliraju slušni aparat. Neki uređaji koji reproduciraju funkcije slušnih organa već su stvoreni i testirani. Tako je na Sveučilištu u Leidenu, u vezi s istraživanjem mehanizma ljudske percepcije zvukova, razvijen elektronički model uha (u obliku filtarskog sustava) koji reproducira frekvencijske karakteristike uha. Modeliranje je omogućilo razjašnjavanje modela sluha i, posebno, kombiniranje takvih pojava kao što je percepcija boje i zvukova u njihovoj dinamici.
Model američkih znanstvenika W. Caldwella, E. Glenera, J. Stewarta namijenjen je analizi ovisnosti intenziteta zvuka različitih frekvencija u glasovima koje osoba izgovara o vremenu kako bi se identificirali znakovi po kojima osoba prepoznaje zvukove, foneme. i riječi izgovorene razliciti ljudi. Ove studije mogu poslužiti kako u medicinske svrhe u smislu stvaranja naprednijih slušnih pomagala, tako i za poboljšanje računalne tehnologije.

Zaključak

Dakle, iz samo nekoliko primjera možemo zaključiti o značajnoj ulozi bionike u suvremenom znanstvenom svijetu, i to ne samo kao apstraktne znanosti, ne lišene male primijenjene vrijednosti, već kao temeljne osnove moderne tehnike i tehnologije. Priroda je bezbrojnim godinama brusila svoje inženjerske vještine, što objašnjava detaljnu, čak i minijaturnu profinjenost funkcija i oblika prirodnih objekata. Čovjek je stekao inženjerske vještine relativno nedavno, što znači da je njegov pristup prirodnim objektima temeljno ispravan i obećava puno zanimljivih i neočekivanih stvari u budućnosti, te stoga određuje razvoj jedne od novih znanosti - bionike.

Bibliografija

1. Berezin F. B. Psihološka i psihofizička prilagodba osobe. L.: Nauka, 1988.
2. Gerald Darell. Diljem svijeta. Zelena serija. M.: Armado-press, 2001.
3. Venchikov A.I. Biostruje. M.: Mediz, 1962.
4. Matyukhin V. A., Razumov A. N. Ekološka ljudska fiziologija i restorativna medicina. M.: GOETAR "Medicina", 1999.
5. Pugovkina N. A. Opća biologija. M.: “Prosveštenie”, 1990.
6. Povijest medicine: Zbornik eseja. Izdavačka kuća Volgograd. med. akad., 1994. (monografija).
7. Nevjerojatne stvari u životinjskom svijetu / ur. Konstantinova A. S., Larina N. I. Izdavačka kuća Sarat. država Sveučilište, 1970.