Біологічні секрети для техносвіту

Біологічні секрети для техносвіту

274 10 хвилин хв. читання
30.05.2018

... або Як природа допомагає творити інженерам

Коли ми житимемо у «розумних» вежах-містах, схожих на кипарис? Як допомагають гекони медичній галузі? Що спільного між дельфіном та сонаром або пінгвіном та полярним всюдиходом? Що є в роботів від комах і ссавців?.. Відколи людина вийшла наперед в еволюційному ланцюзі й очолила його, вона вже не переставала — і не перестає — шукати відповіді та натхнення у природі: там стільки нерозгаданих ще секретів та рішень уже для сучасного техносвіту, в якому ми живемо. І всі ці таємниці не дають спокійно спати біонікам.

 

Реп’яхи, собака і космос

Очевидно, люди захотіли в небо, дивлячись на птахів. Дістатися глибин океану, наслідуючи риб… Знання про живу природу для вирішення інженерних задач використовував ще Леонардо да Вінчі: згадаймо його орнітоптер — літальний апарат із крилами, як у птахів. Хоча й до знаменитого італійця були мрійники зі своїми «птахами» та іншими винаходами, натхненними природою, але термін «біоніка» з’явився лише 60 років тому (є дві інтерпретації: від давньогрецького βίος, тобто життя, або ж від поєднання biology + electronics). Офіційно старт новій науці дав симпозіум у США у 1960-му — гаслом «Живі прототипи — ключ до нової техніки». Популяризації біонічних ідей у той період посприяли американські науково-фантастичні фільми The Six Million Dollar Man та The Bionic Woman.

Що таке біоніка, добре ілюструє історія Жоржа де Містраля. Якби швейцарський інженер не пішов гуляти зі своїм псом, а той не набрав на шерсть реп’яхів, хтозна, чи була б нині у нас клейка або ж контактна стрічка (запатентована 1955 року). Та сама, яка часто є на нашому одязі, сумках, взутті (зокрема кросівках), яку використовують у медицині (на бандажах, тонометрах), яку полюблять аквалангісти, гірськолижники і космонавти (її застосовують на космічних скафандрах і на літальних апаратах, для фіксації на стіні предметів в умовах невагомості). Стрічка працює за принципом зчіплювання квітів реп’яха, які мають колючки: на одній частині стрічки —  мікрогачки, на іншій — мікропетлі.

Так само, як де Містраль придивлявся до будови реп’яхів, біоніка (або біоміметика чи біомімікрія) вивчає процеси, закономірності, явища живої природи з метою застосування їхніх принципів в інженерних системах і технологіях. Корисні, дієві властивості біологічних об’єктів науковці намагаються перенести у техніку й технології, для вдосконалення вже існуючих штучних механізмів, приладів, матеріалів або ж створення нових. Так, вони мізкують, наприклад, що за супернавігаційна система дозволяє лелеці білому здолати величезну відстань, полетіти на зиму до Африки, а потім повернутися назад, до колишнього місця гніздування? Завдяки чому орлам та яструбам вдається з висоти 3 км детально проскановувати велику площу і помічати навіть дрібну здобич? Або що то за купа детекторів — затемнення, контрастності та інші — в очах жаби, завдяки яким та умудряється бачити простір довкола майже на 360 ͦ, відтак помічати найменші зміни й легко ідентифікувати потенційну вечерю чи ворога? Як? Як їм це вдається? І як це можна використати нам, людям?

Виникнення й становлення біоніки пов’язане зокрема з кібернетикою, що вивчає загальні принципи керування та зв’язку у складних системах різного роду (в машинах, живих організмах, суспільстві), закони одержання, зберігання, передавання й перетворення інформації у таких системах. Біоніка розвивається передовсім у країнах, котрі є технологічними лідерами. В Україні є певні напрацювання, починаючи ще з радянського періоду. Наприклад, у напрямі гідробіоніки, щодо маневреності плавальних технічних засобів, новацій в галузі суднобудування тощо (Інститут гідромеханіки НАНУ) або ж у галузі біоенергетики рослин (Інститут фізіології рослин і генетики НАНУ), зокрема в дослідженні механізмів фотосинтезу, структурно-функціональних властивостей рослинних клітин, що забезпечують стійкість до радіаційного впливу.

image

Вчитися у дерев і птахів

Природа для біоніків — вчитель, а будь-яке живе створіння — як дерево чи птах — варте уваги й часто наслідування, адже це оптимізована з погляду виживання, функціонування й пристосування система. Біоніків цікавлять як організми цілісно, так і різні рівні їхньої організації (популяції, системи, органи, тканини, аж до клітин, біомолекул). Так само є різні предмети наукового інтересу: особливості будови й  функціонування окремих органів чи систем, біоенергетичні процеси тощо. Науковці прагнуть встановити зв'язок, паралелі між процесами у природі та фізико-хімічними й інформаційними процесами у системах, які створила і продовжує створювати людина.

Загалом у біоніці виокремлюють кілька напрямів. Перший — інформаційно-аналізаторний — розвивається найактивніше, пов’язаний із дослідженням діяльності аналізаторів (зорового, слухового, дотикового тощо), закономірностей збору, обробки й використання інформації, а також здатності організму оперативно реагувати на зміни ззовні. Знання про рецептори, аналізатори, нейрони та їхні мережі, нервову систему тварин дозволяють розробляти й моделювати системи розпізнавання, адаптації, реагування тощо. Так, дані про здатність кажанів орієнтуватися у просторі, полювати завдяки локаторам і ультразвуковим сигналам можуть бути використані при конструюванні нових видів технічних локаторів, а властивість деяких морських мешканців, як скат, створювати навколо себе електричне поле — у розробленні аналізаторних засобів для орієнтування під водою, захисту підводних човнів.

Другий напрям біоніки зосереджує увагу на можливості технічного застосування особливостей структури та будови біосистем, механічних, хімічних, енергетичних процесів у них. Наприклад, вивчення конструкції тулуба китоподібних з точки зору гідродинамічних особливостей застосовують у кораблебудуванні, а спосіб  пересування пінгвінів — у конструкції полярного всюдихода. Ще один керунок — вивчення біохімічних та біофізичних процесів у живій природі з точки зору ККД, аналіз процесів теплообміну й термодинаміки, принципів перетворення (синтез, розкладання) речовин в організмах. Тут результати цікаві для галузі хімічних технологій, енергетики, машинобудування.

image

Від кенгуру до BionicKangaroo

Біоніку можна назвати містком — між світами живого й штучного, між природничими науками (фізіологія, анатомія, гістологія, біофізика, біохімія, зоологія, ботаніка, загальна біологія) й технічними дисциплінами (технічна кібернетика, молекулярна фізика, радіо- й  мікроелектроніка, механіка, теорія автоматичного регулювання тощо). На рівні досліджень в біоніці виокремлюють кілька етапів: вивчення, аналіз даних, розроблення гіпотези, її перевірка шляхом моделювання, що є тут чи не основним методом. Так, функціональний підхід передбачає спершу математичне або програмне моделювання, що полягає у вивченні структурної схеми процесу, функцій об'єкта, числових характеристик цих функцій й залежно від результату — можливість технічного втілення моделі. Фізико-хімічне моделювання дає змогу вивчати біохімічні і біофізичні процеси з метою дослідження принципів перетворення речовин у живому організмі. І є ще безпосереднє використання біологічних систем і механізмів у технічних системах.

Звісно, не йдеться про банальне копіювання: у природному світі є немало обмежень (скажімо, здатність більшості живих організмів функціонувати в доволі вузьких температурних межах), та й дослідників цікавлять радше закладені в живих організмах алгоритми й закономірності, які можна взяти за основу та вдосконалити, імплементуючи в технічних засобах. Проте якщо за чутливістю й швидкістю дії технічні інформаційно-управлінські системи мають перевагу над біологічними, то за габаритами, рівнем енергозатратності й надійності, гнучкості й високої адаптивності, вмінням орієнтуватися у просторі часто поступаються їм. Біоніків цікавлять саме ці, сильні сторони представників флори та фауни. Наприклад, здатність дельфінів завдяки гідролокаторам і передачі акустичних сигналів орієнтуватися під водою: відлуння несе їм інформацію про їжу, відстані, перешкоди, небезпеки. Так, за принципами ехолокації працюють гідроакустичні підводні пристрої (як сонар), котрі використовують для пошукових і дослідницьких робіт.

Результати біонічних досліджень мають широкий спектр застосування:  радіоелектроніка, авіація, ракетно-космічна галузь, медицина, хімія, матеріалознавство, будівництво й архітектура, машинобудування, нанотехнології, енергетика тощо. Вони можуть придатися навіть у бізнесі: у стратегуванні, проектуванні тощо. Проте біоніка — то не тільки радари, сонари, гіпотрони і т. д., а й багато чого буденного. Це, скажімо, брудо- й водовідштовхуючі покриття — таке рішення підказали листки індійського лотоса, що завдяки своїй структурі майже не змочуються водою. Або «розумний одяг», що реагує на зміну температури та відповідно змінює форму: створений за зразком соснових шишок, відкриває щілини (як шишка), коли жарко, і закриває, коли холодно. А от ідея медичних клеїв — поєднання клейковини й нановолосинок — від геконів, які без проблем пересуваються вертикальними поверхнями. Різні тварини й комахи є зразками в галузі інформатики й робототехніки (розроблення штучних нейронів, нейронних мереж тощо). Так, далеко не тільки ззовні BionicKangaroo дуже подібний на свій біологічний прототип, а Robofly — на маленьку летючу комаху.

image

Архітектура, що дихає, дбає, адаптується

Однією зі сфер, де біоніка активно розвивається, є архітектура й будівництво. Зважаючи на ріст населення планети, зменшення ресурсів, потребу раціональної взаємодії з навколишнім середовищем дехто вважає архітектурну біоніку наукою майбутнього. Та все почалось не вчора й не сьогодні. До природи приглядався ще Вітрувій у Давньому Римі, потім да Вінчі та інші допитливі уми. В біотеці або ж архітектурній біоніці (елементи якої з’явились вже у 1920-х) виразність конструкцій досягається запозиченням природних форм. Погляньмо на біоморфні криволінійні форми, спроектовані Сантьяго Калатравою або Норманом Фостером. Однак суть не лише в зовнішньому наслідуванні рослин, а у використанні їхніх закономірностей для вирішення завдань формоутворення, конструювання, безпечності, практичності.

Рослини багато вчать. Поздовжня арматура в основі висотних будівель — як структура стебел — забезпечує стійкість від вітрів. Або погляньмо на південноамериканське водяне латаття: товсті прожилки, поперечні діафрагми забезпечують надійність і міцність — це рішення в основі багатьох архпроектів. Та піком тут нині вважають Bionic Tower. Це вертикальне місто-вежу, задумане іспанськими архітекторами, взявся реалізовувати Китай, у Шанхаї. Вежа висотою понад кілометр, на 300 поверхів, на 100 тис. осіб, за задумом авторів, імітує природні структури, що дозволить протистояти стихіям, як повінь чи ураган. Об’єкт має бути розташований на штучному плоскому острові, а той — на штучному озері — для амортизації підземних поштовхів. Пропорційний розвиток основ міста, механізм набору висоти, спеціальний повітропроникний шар зовнішніх поверхонь, схожий на кору дерева, — все це змальовано з рослин, зокрема кипариса.

Ми йдемо до майбутнього, де наші будинки як енергетично самодостатні системи самі генерують і раціонально використовують енергію. Ймовірно, вони будуть не тільки «розумними» — увімкнуть підігрів, коли на вулиці схолодніє абощо, а зможуть за потреби ремонтувати себе, змінюватися. Це зокрема засвідчує обчислювальна або ж параметрична архітектура, яку вивчають та втілюють вже й в Україні. Вона  динамічна адаптивна, здатна до самоорганізації: роботизовані модулі з відповідними детекторами й аналізаторами рухаються й можуть трансформувати простір відповідно до ваших потреб, скажімо, сформувати перегородку або навіс від сонця, якщо припікає. Це — результат поєднання архітектурних рішень та сучасних технологій і штучного інтелекту, але й також певних біонічних напрацювань.

 

Змінюючи, так часто негативно, природний світ, людство паралельно продовжує бути учнем цього дивовижного та мудрого вчителя: результати бувають різні, проте з нами і   далі лишається захоплення й азарт піднятися вище, пірнути глибше, летіти довше. Можливо, втілити ці прагнення допоможе філософія біоніки.

 


Ілюстрації з ресурсу unsplash.com

Лучяно Барізоне та Лорен Віссо розмовляють про чуттєвість кінематографістів та художність документалістики

«Ми стадні тварини і залишаємося ними тому, що в стаді маємо більшу силу. Поодинці ми мало чого варті. Ні як поодинокий хуліган, ні як поодинокий чернець, ні як поодинокий солдат. У всякому разі, у більшості випадків. Тому ми об’єднуємося наперекір всьому неоліберальному прагненню до індивідуалізму».