L'importance de la bionique dans notre vie. Bionique moderne

Les formes les plus parfaites, tant du point de vue de la beauté que du point de vue de l'organisation et du fonctionnement, ont été créées par la nature elle-même et se sont développées dans le processus d'évolution. L'humanité a depuis longtemps emprunté des structures, des éléments, des constructions à la nature pour résoudre ses problèmes technologiques. Actuellement, la civilisation technogénique est en train de conquérir de vastes territoires de la nature, les formes rectangulaires, l'acier, le verre et le béton dominent autour, et nous vivons dans la soi-disant jungle urbaine.

Et chaque année, le besoin humain d'un cadre de vie naturel et harmonieux rempli d'air, de verdure et d'éléments naturels devient de plus en plus tangible. Par conséquent, les questions environnementales deviennent de plus en plus pertinentes dans la planification urbaine et. Dans cet article, nous nous familiariserons avec des exemples de bionique - une tendance moderne intéressante en architecture et en design d'intérieur.

Exemples de bionique en architecture. Approche scientifique et artistique

La bionique est avant tout une direction scientifique, puis une direction créative. Appliqué à l'architecture, cela signifie utiliser les principes et les méthodes d'organisation des organismes vivants et des formes créées par les organismes vivants dans la conception et la construction des bâtiments. Le premier architecte à travailler dans le style de la bionique fut A. Gaudí. Le monde admire encore ses célèbres œuvres (Casa Batlló, Casa Mila, Temple de la Sagrada Familia, Parc Guell, etc.).

Maison de Mila Antoni Gaudi à Barcelone
Opéra national de Pékin

La bionique moderne est basée sur de nouvelles méthodes utilisant la modélisation mathématique et une large gamme de logiciels de calcul et de visualisation 3D. Sa tâche principale est d'étudier les lois de formation des tissus d'organismes vivants, leur structure, leurs propriétés physiques, leurs caractéristiques de conception afin de traduire ces connaissances en architecture. Les systèmes vivants sont un exemple de structures qui fonctionnent sur la base des principes garantissant une fiabilité optimale, formant une forme optimale tout en économisant de l'énergie et des matériaux. Ce sont ces principes qui forment la base de la bionique. Des exemples célèbres de bionique sont présentés sur le site.

Opéra de Sydney
Complexe de natation à Pékin

Voici quelques-unes des plus grandes structures basées sur la bionique dans le monde entier:

• Tour Eiffel à Paris (reprend la forme du tibia)
• Stade Swallow's Nest à Pékin (la structure métallique externe reprend la forme d'un nid d'oiseau)
• Gratte-ciel Aqua à Chicago (ressemble à un écoulement d'eau qui tombe, la forme du bâtiment ressemble également à une structure pliée de dépôts de calcaire le long des rives des Grands Lacs)
• Immeuble résidentiel "Nautilus" ou "Shell" à Naukalpan (sa conception est tirée de la structure naturelle - la coquille d'une palourde)
• Opéra de Sydney (imite les pétales de lotus qui s'ouvrent sur l'eau)
• Complexe de baignade à Pékin (la construction de la façade se compose de "bulles d'eau", répète le réseau cristallin, il permet d'accumuler l'énergie solaire utilisée pour les besoins du bâtiment)
• Opéra national de Pékin (imite une goutte d'eau)

La bionique inclut également la création de nouveaux matériaux pour la construction, dont la structure est suggérée par les lois de la nature. Aujourd'hui, il existe déjà de nombreux exemples de bionique, chacun se distinguant par l'étonnante force de sa structure. Ainsi, il est possible d'obtenir de nouvelles opportunités supplémentaires pour la construction de structures de différentes tailles.

Sculpture Cloud Gate à Chicago
Exemples de bionique en design d'intérieur

Caractéristiques du design d'intérieur dans le style de la bionique avec des exemples

Le style bionique est également venu au design d'intérieur: à la fois dans les locaux d'habitation et dans les locaux du secteur tertiaire, à des fins sociales et culturelles. Des exemples de bionique peuvent être vus dans les parcs modernes, les bibliothèques, les centres commerciaux, les restaurants, les centres d'exposition, etc. Quelle est la caractéristique de ce style à la mode? Quelles sont ses caractéristiques? Comme dans le cas de l'architecture, la bionique de l'intérieur utilise des formes naturelles dans l'organisation de l'espace, dans l'aménagement des locaux, dans la conception de meubles et accessoires, dans le décor.

Les concepteurs puisent leurs idées dans les structures familières de la faune:

• La cire et le nid d'abeilles sont à la base de la création de designs inhabituels à l'intérieur: murs et cloisons, éléments de mobilier, décor, éléments de panneaux de murs et de plafonds, ouvertures de fenêtres, etc.
• La toile d'araignée est un matériau maillé exceptionnellement léger et économique. Il est souvent utilisé comme base dans la conception de cloisons, la conception de meubles et d'appareils d'éclairage, de hamacs.
• Les escaliers externes ou internes peuvent être réalisés sous la forme de structures en spirale ou inhabituelles créées à partir de matériaux naturels combinés qui répètent les formes naturelles fluides. Dans la conception des escaliers, les artistes bioniques partent le plus souvent de formes végétales.
• Les verres colorés sont utilisés dans les exemples bioniques pour créer un éclairage intéressant.
• Dans les maisons en bois, les troncs d'arbres peuvent être utilisés comme colonnes de support. En général, le bois est l'un des matériaux intérieurs les plus courants dans le style bionique. La laine, le cuir, le lin, le bambou, le coton, etc. sont également utilisés.
• Les surfaces miroir et brillantes sont extraites de la surface de l'eau et s'adaptent harmonieusement.
• Une excellente solution est l'utilisation de la perforation afin de réduire le poids des structures individuelles. Les structures en os poreux sont souvent utilisées pour créer des meubles intéressants, tout en économisant de la matière, créant l'illusion de légèreté et de légèreté.

Les luminaires suivent également des structures biologiques. Les lampes qui imitent une cascade, des arbres et des fleurs incandescents, des nuages, des corps célestes, la vie marine, etc. sont belles et originales.Les exemples de bioniques utilisent souvent des matériaux naturels respectueux de l'environnement. Les lignes douces et les couleurs naturelles sont considérées comme des caractéristiques de cette tendance. Il s'agit d'une tentative de créer une atmosphère proche de la nature naturelle, sans éliminer les commodités qu'une personne a acquises avec le développement de la technologie. L'électronique est intégrée à la conception de manière à ce qu'elle ne soit pas visible.

Le gratte-ciel Aqua à Chicago est un exemple de bionique dans la décoration intérieure Swallow's Nest Stadium à Pékin

Dans des exemples de bionique à l'intérieur, vous pouvez considérer des aquariums, des designs inhabituels intéressants et des formes uniques qui, comme dans la nature, ne se répètent pas. Nous pouvons dire qu'en bionique, il n'y a pas de limites claires et de zonage de l'espace, certaines pièces "coulent" en douceur dans d'autres. Les éléments naturels ne s'appliquent pas nécessairement à tout l'intérieur. Actuellement, les projets avec des éléments individuels de bionique sont très courants - des meubles qui répètent la structure du corps, la structure des plantes et d'autres éléments de la faune, des inserts organiques, un décor à partir de matériaux naturels.

Il convient de noter que la caractéristique clé de la bionique en architecture et en design d'intérieur est l'imitation de formes naturelles, en tenant compte des connaissances scientifiques à leur sujet. La création d'un cadre de vie respectueux de l'environnement et favorable aux humains à l'aide de nouvelles technologies écoénergétiques peut être une direction idéale pour le développement urbain. Par conséquent, la bionique est un nouveau domaine en pleine croissance qui capte l'esprit des architectes et des designers.

Glazkova Nastya

Depuis des temps immémoriaux, la pensée humaine cherche une réponse à la question: une personne peut-elle réaliser la même chose que la nature vivante? Sera-t-il capable, par exemple, de voler comme un oiseau ou de nager sous l'eau comme un poisson? Au début, une personne ne pouvait qu'en rêver, mais bientôt les inventeurs ont commencé à appliquer les particularités de l'organisation des organismes vivants dans leurs conceptions.

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Aperçu:

1. Introduction …………………………………… 2
2. Qu'est-ce que "Bionics"? ............................... 4
3. Brevets fauniques ………………… 9
4. Bionique architecturale ………………… .16
5. Neurobionique …………………………… 29
6. Bionique technique …………………… ... 37
7. Conclusion ………………………………… 39
8. Littérature ………………………………… .40

Oiseau - agissant selon la loi mathématique

outil humain pour faire

Avec tous ses mouvements ...

Léonard de Vinci.

Depuis des temps immémoriaux, la pensée humaine cherche une réponse à la question: une personne peut-elle réaliser la même chose que la nature vivante? Peut-il, par exemple, voler comme un oiseau ou nager sous l'eau comme un poisson? Au début, une personne ne pouvait qu'en rêver, mais bientôt les inventeurs ont commencé à appliquer les particularités de l'organisation des organismes vivants dans leurs conceptions.

Un autre grand philosophe matérialiste grec Démocrite (environ 460-370 avant JC) a écrit:

«Nous avons appris les choses les plus importantes des animaux par imitation. Nous sommes étudiants de l'araignée en tissage et confection, étudiants de l'hirondelle dans la construction d'habitations ... "

Après avoir lu la déclaration de Démocrite, je me suis demandé ce que l'homme avait pris de la nature pour améliorer sa vie.

Un trait caractéristique de la science moderne est l'interpénétration intense des idées, des approches théoriques et des méthodes inhérentes à différentes disciplines. Cela s'applique particulièrement à la physique, à la chimie, à la biologie et aux mathématiques. Ainsi, les méthodes de recherche physique sont largement utilisées dans l'étude de la nature vivante, et l'originalité de cet objet donne lieu à de nouvelles méthodes plus avancées de recherche physique.

Par exemple:

• Tout le monde sait qu'une libellule est capable de planer dans les airs, de se déplacer latéralement ou brusquement vers l'arrière. Et elle effectue toutes les manœuvres à grande vitesse. Cependant, peu de gens savent que la portance d'une libellule est trois fois supérieure à celle d'un avion moderne. En utilisant les caractéristiques aérodynamiques de la libellule, les scientifiques pensent qu'il est possible d'améliorer considérablement l'efficacité et la sécurité des avions. Les avions conçus en pensant aux libellules pourront effectuer des virages plus raides et être moins sensibles aux rafales de vent, qui, malheureusement, provoquent encore des accidents.
• Le serpent à sonnette détecte-t-il une différence de température égale à un millième de degré?
• ... Certains poissons ressentent une cent milliardième part de substance odorante dans un litre d'eau? C'est comme attraper la présence de 30 g d'une telle substance dans toute la mer d'Aral.
• ... Les rats sentent-ils les radiations?
• ... Certains types de microbes réagissent-ils même à un léger changement de rayonnement?
• ... Le cafard noir commun voit-il des radiations?
• ... Un moustique développe-t-il une pression spécifique allant jusqu'à 1 milliard de kg / cm2 lorsqu'il est mordu? La comparaison avec un poids de 16 kg, qui a une base de 4 cm2 et donne une pression spécifique de seulement 4 kg / cm2, montre à quel point la «force anti-moustique» est grande.
• … Les poissons des grands fonds enregistrent-ils des changements de densité de courant inférieurs à cent milliardième d'ampère?
• ... Le poisson du Nil, Mormyrus, «sent-il» son chemin dans l'eau à l'aide d'ondes électromagnétiques?

Une liste incroyable, n'est-ce pas? Et cela peut être continué de plus en plus avec des exemples non moins étonnants. Ayant appris tout cela, une personne pourrait-elle passer par une idée tentante - créer de ses propres mains ce que la nature a déjà créé?

Ma tâche de recherche:Découvrez comment les humains utilisent les inventions «naturelles» des animaux et des plantes pour créer des dispositifs artificiels au profit des humains.

Qu'est-ce que Bionics?

Léonard de Vinci est considéré comme le géniteur de la bionique.

Ses dessins et schéma d'avion

Étaient basés sur la structure de l'aile de l'oiseau

Dessins de Léonard de Vinci.

À notre époque, d'après les dessins de Léonard de Vinci, l'ornithoptère a été modélisé à plusieurs reprises.

En 1960, le premier colloque sur la bionique se tient à Daytona (USA), ce qui confirme officiellement la naissance d'une nouvelle science et le nom proposé par l'ingénieur américain Jack Steele.

Biologie + Electronique \u003d Bionique.

Bionique (du mot grec «bion» - un élément de vie, littéralement - vivant), une science à la frontière entre la biologie et la technologie, résolvant des problèmes d'ingénierie basés sur la modélisation de la structure et de l'activité vitale des organismes.

La devise de Bionics: "Les prototypes vivants sont la clé de la nouvelle technologie"

Bionique il y a un symbole: scalpel croisé, fer à souder et signe intégral. Cette union de biologiste, technicien et mathématicien donne l'espoir que la sciencebionique pénètre là où personne n'a encore pénétré, et voit ce que personne n'a encore vu.

Brevets fauniques.

Il est connu que les plantes sont des "filtres verts" qui purifient l'air et l'eau des impuretés nocives. Ils reconstituent l'atmosphère en oxygène, humidifient et ionisent l'air et réduisent le nombre de microbes.

Le chlorophytum est un conditionneur naturel.

Des purificateurs d'air électriques domestiques et industriels ont été créés, dont la fonction est similaire aux filtres verts naturels.

L'étude des caractéristiques hydrodynamiques de la structure des baleines et des dauphins a contribué à créer une peau spéciale de la partie sous-marine des navires, ce qui permet une augmentation de la vitesse de 20 à 25% avec la même puissance moteur. Cette peau s'appellelaminflo et, comme la peau d'un dauphin, elle n'est pas mouillée et a une structure élastique-élastique, qui élimine les tourbillons turbulents et fournit un glissement avec une résistance minimale.

Les arbres sont de puissantes pompes végétales. La pression racinaire et la transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles), ainsi que la force d'adhérence entre les molécules d'eau et les parois des vaisseaux, sont d'une grande importance pour le mouvement de l'eau.

Comme un arbre se fournit avec ses racines en nutriments et en humidité, les gens essaient d'extraire les minéraux de la terre.

La méthode hydrométallurgique est simple et économique par rapport à la méthode au feu (dans les hauts fourneaux). Le carbonate de sodium est pompé dans le gisement de minerai d'uranium. Ensuite, à travers des tuyaux, comme une plante avec des racines, une pompe est aspirée hors de la mine un mélange liquide contenant de l'uranium. Après décantation, l'uranium est obtenu sous une forme plus pure que celle extraite par d'autres méthodes. L'uranium est également extrait des minerais de cuivre, dans lesquels il est contenu en très petites quantités.

L'hydrométallurgie est utilisée dans le traitement des minerais complexes et des concentrés de minerai.

Bionique architecturale.

La faune cesse d'être un phénomène mystérieux. L'une des principales généralisations de la biologie moderne est que tous les phénomènes de la vie obéissent aux lois de la physique et de la chimie et peuvent être expliqués à l'aide de ces lois à différents niveaux: moléculaire, lors de la formation de cristaux, la formation de tissus mécaniques (structurels) et de squelettes de soutien, le système général formes et liens écologiques. La nature vivante et l'architecture se développent dans les mêmes conditions biophysiques que les sphères terrestre et spatiale et obéissent aux lois de la gravité, de l'inertie, de la thermodynamique. Leurs formes sont déterminées par un effet similaire des facteurs de température et d'humidité, du régime d'insolation, de la nature cyclique des phénomènes météorologiques, etc. L'activité de construction des organismes vivants, comme en architecture, est associée à la création de matériaux de construction et à un certain ordre (technologie) de travail.

L'architecture, qui au cours de son développement est devenue un grand phénomène social, vise en même temps à satisfaire les besoins non seulement sociaux, mais aussi biologiques de l'homme. Et ici, à travers l'étude de l'organisation biologique de l'homme, l'architecture reçoit des impulsions spéciales de mise en forme, dont la signification augmente dans les conditions de la révolution scientifique et technologique, de la croissance des besoins pour l'économie de l'énergie sociale et de l'intensification du travail humain.

L'expérience de l'architecture mondiale des trois dernières décennies confirme que la bionique architecturale est capable de résoudre une grande variété de problèmes architecturaux, à la fois dans leur interprétation séparée et dans un complexe. Celles-ci comprennent: la clarification des questions théoriques générales de l'architecture concernant les aspects fondamentaux de son développement; améliorer la théorie des systèmes; d'autres directions de différenciation de la structure fonctionnelle des formes architecturales et de l'espace architectural; approfondissement des techniques de composition - tectonique, proportions, équilibre, symétrie, rythmes, lumière, couleur, etc. résoudre le problème de la création d'un microclimat favorabledans bâtiments et autres formations architecturales; rationalisation des structures existantes et introduction de nouvelles formes constructives; développement de l'industrialisation de la production sur la base de l'unification, de la standardisation et de l'assemblage d'éléments architecturaux et structurels; création de matériaux de construction dotés de nouvelles propriétés structurelles et d'isolation thermique complexes efficaces; la poursuite du développement de la technologie pour la production de structures et l'organisation de la production de l'annonce des bâtiments; amélioration de la méthode de conception expérimentale sur des modèles physiques, etc.

Ainsi, les résultats des recherches menées dans le domaine de la bionique architecturale sont utiles pour résoudre les problèmes d'amélioration sociale et esthétique de l'architecture dans ses branches typologiques les plus diverses: dans les complexes résidentiels, dans les bâtiments et structures publics et industriels, dans l'urbanisme. Bien sûr, rien de tout cela ne signifie qu'elledans capable de résoudre tous ces problèmes jusqu'au bout. Non, il ne remplace ni n'exclut les méthodes existantes et n'est prêt qu'à les aider à progresser. En même temps, cela peut avoir un impact révolutionnaire dans certains domaines. La bionique architecturale acquiert donc une grande importance dans le développement ultérieur non seulement de la pratique, mais aussi de la science architecturale.

CONTEXTE HISTORIQUE DU DÉVELOPPEMENT DE LA BIONIQUE ARCHITECTURALE

Il est intéressant de retracer comment les prérequis historiques pour la formation de la théorie et de la pratique de la bionique architecturale se sont formés, confirmant sa légitimité, l'inévitabilité du développement et en même temps éclairant la formation de ces directions qui se sont développées à notre époque.

Tout au long de l'histoire, l'homme, dans ses activités d'architecture et de construction, s'est tourné consciemment ou intuitivement vers la nature vivante, ce qui l'a aidé à résoudre une variété de problèmes.

Cabane indienne d'Amérique du Sud et termitière; nid d'oiseau tisserand; Maison africaine en adobe

Bien sûr, l'homme n'a pas commencé par l'imitation. Très probablement, nous pouvons parler des formes organiques inhérentes à l'activité de construction de main-d'œuvre. L'homme, comme on le sait, s'est progressivement développé des primates les plus anciens des mammifères à l'état d '«homo sapiens». Mais, apparemment, le retrait progressif de l'homme dans le temps de ses ancêtres animaux, le développement indépendant de la branche humaine, la formation de l'activité selon le principe du «moi-même» a lissé l'immédiateté organique d'origine animale et l'a transférée au niveau d'une imitation plus ou moins significative de la nature vivante, de la construction activité des organismes vivants.

La conception des chapiteaux des colonnes des temples de l'Égypte ancienne par analogie avec les formes de fleurs de lotus et de papyrus: de se concentrer sur le côté décoratif(1-4) avant le développement tectonique(5-6)

Architecture folklorique japonaise. Vue en coupe d'un bâtiment ressemblant à une épicéa

Une représentation figurative de l'espace de la nature vivante à l'intérieur d'une cathédrale gothique: la cathédrale d'Amiens (France) et l'allée en forêt (photo Y. Lebedev)

Unité des formes d'architecture et de la nature environnante. Monastère Savvino-Storozhevsky près de Zvenigorod près de Moscou (XU-HUM siècles) (photo de Y. Lebedev)

Tour de radio et de télévision à Moscou, 1922 Ing. V.G. Choukhov. Vue générale et vue intérieure (photo de L.V. Kuchinsky)

Les bioniciens pensent de cette façon. Lorsqu'ils sont confrontés à un problème d'ingénierie ou de conception, ils recherchent une solution dans une «base scientifique» de taille illimitée qui appartient aux animaux et aux plantes.

Gustave Eiffel, qui en 1889 a construit un plan pour la tour Eiffel, a fait à peu près la même chose. Cette structure est considérée comme l'un des premiers exemples évidents de l'utilisation de la bionique en ingénierie.

La conception de la tour Eiffel est basée sur les travaux scientifiques du professeur suisse d'anatomie Hermann Von Meyer. 40 ans avant la construction du miracle de l'ingénierie parisienne, le professeur a examiné la structure osseuse de la tête fémorale à l'endroit où elle se plie et pénètre dans l'articulation sous un angle. Et l'os, pour une raison quelconque, ne se brise pas sous le poids du corps.

Von Meyer a découvert que la tête de l'os est recouverte d'un réseau complexe de minuscules os, à travers lesquels la charge est étonnamment redistribuée à travers l'os. Ce réseau avait une structure géométrique stricte, que le professeur a documentée.

En 1866, l'ingénieur suisse Carl Cullman a donné les bases théoriques de la découverte de von Meyer, et 20 ans plus tard, la répartition naturelle de la charge à l'aide d'étriers courbes a été utilisée par Eiffel.

Un exemple frappant de la bionique de l'architecture et de la construction est une analogie complète de la structure des tiges de céréales et des immeubles de grande hauteur modernes. Les tiges des plantes céréalières sont capables de supporter de lourdes charges et en même temps de ne pas se briser sous le poids de l'inflorescence. Si le vent les plie au sol, ils retrouvent rapidement leur position verticale. Quel est le secret? Il s'avère que leur structure est similaire à la conception des cheminées d'usine modernes de grande hauteur - l'une des dernières réalisations en ingénierie. Les deux constructions sont creuses. Les brins sclérenchymateux de la tige de la plante jouent le rôle de renforcement longitudinal. Les entre-nœuds des tiges sont des anneaux de rigidité. Des vides verticaux ovales sont situés le long des parois de la tige. Les parois des tuyaux ont la même conception. Le rôle du renfort en spirale situé du côté extérieur du tuyau dans la tige des plantes céréalières est joué par une peau fine. Cependant, les ingénieurs sont arrivés à leur solution constructive par eux-mêmes, sans «regarder» dans la nature. L'identité du bâtiment a été révélée plus tard.

Ce processus d'utilisation des lois de mise en forme de la nature vivante a changé sa nature et ses limites en fonction de facteurs objectifs et subjectifs.

Il y a trois étapes chronologiques qui précèdent la moderne et correspondent à des changements dans l'essence de ce processus.

La première étape - la plus ancienne, qui approfondit l'histoire peut être considérée comme l'étape de l'utilisation spontanée de moyens constructifs et fonctionnels-spatiaux de la nature vivante et des résultats des activités de «construction» d'animaux, d'oiseaux et d'insectes dans la création d'abris-nids, huttes, dolmens ou «bâtiments publics» il pourrait y avoir des menhirs, des cromlechs, etc. Il est difficile de dire à quel point les formes empruntées à la nature ont été interprétées esthétiquement. Sans doute, une seule chose: ils étaient avant tout fonctionnels (à leur niveau et à leur manière). Parallèlement à la fonction, la forme naturelle a été introduite mécaniquement dans les structures artificielles, donc de nombreuses structures humaines anciennes - nids, huttes, etc. - il est souvent difficile de distinguer des bâtiments des animaux ou des insectes, tels que les termites.

La deuxième étape - depuis le début de la formation de l'architecture en tant qu'art et jusqu'à environ le milieu du 19ème siècle. Malgré la longue durée de cette période dans le temps, toutes ses étapes intermédiaires possibles sont unies par une seule base - le principe de l'imitation de la nature. Cela signifiait principalement l'utilisation de formes de la nature à des fins picturales et décoratives et la copie des formes extérieures de la nature. Un exemple est les colonnes des temples égyptiens de Louxor et de Karnak; Chapiteaux de colonnes corinthiennes et ioniques des temples grecs; Palais Renaissance et palais du classicisme; méthodes figuratives et artistiques de façonnage dans les églises russes; les chapiteaux des colonnes et leur structure entière comme une imitation du motif de la forêt dans les cathédrales gothiques; Architecture folklorique japonaise, etc.

En parlant de cette période, on ne peut nier également l'interprétation de certains principes constructifs-tectoniques de la nature vivante. Par exemple, la tectonique des colonnes avec la périodicité de leurs diamètres en hauteur interprète la tectonique d'un tronc d'arbre; les flûtes des colonnes sont similaires aux tiges cannelées des plantes rencontrées, ce qui leur confère une résistance supplémentaire. La logique de la transition d'une forme à une autre dans les nœuds structurels des ordres des temples grecs reprend, en substance, les principes du changement de formes le long de la verticale d'une tige végétale, d'un tronc d'arbre, de squelettes d'animaux; les nervures des revêtements des temples gothiques remplissent la même fonction constructive que les nervures (veines) d'une feuille verte d'un arbre, etc.

La tectonique naturelle dans les formes architecturales n'est pas toujours présente spontanément, comme en témoignent les déclarations de Vitruve, Alberti, Palladio et d'autres, mais les réflexions exprimées concernant les solutions constructives, pour la plupart en raison de capacités techniques limitées, n'ont pas pu être mises en œuvre. Il était plus facile de fabriquer une forme naturelle de pierre ou d'argile à des fins artistiques que de créer un système constructif similaire au système naturel.

La troisième étape - la fin du XIXe - le début du XXe siècle, trouve son expression dans l'architecture «moderne». À ce stade, les principes naturels se manifestent simultanément, bien qu'à des degrés divers, dans des solutions fonctionnelles, structurelles, constructives et décoratives.

Le développement rapide de la biologie et les succès sans précédent de la technologie de la construction (par exemple, l'invention du béton armé et le début de l'utilisation intensive des structures métalliques, de la céramique, etc.) ont eu une grande influence sur l'utilisation des ressources naturelles à ce stade.

C'est dans l'architecture de la modernité, comme l'ont montré les dernières études de la modernité russe, que le développement fonctionnel et structurel des formes architecturales a commencé sur le principe de l'adaptabilité aux tâches fonctionnellement compliquées de l'architecture et de l'environnement. C'est l'Art nouveau qui a ouvert la voie aux interprétations les plus variées des formes architecturales, non liées par un système rigide établi, comme le classique. Ici aussi, volontairement ou non, s'est incarné le principe naturel de la diversité des formes avec leur unité «stylistique». C'est dans la modernité que de nouvelles structures spatiales ressemblant à des structures naturelles ont trouvé leur application. Et enfin, l'utilisation de bioformes à des fins décoratives.

Les réalisations de la biologie au XIXe-début du XXe siècle, les principes systémiques complexes du développement de la nature vivante se reflétaient dans un champ d'activité aussi vaste que l'urbanisme. Cela implique une tentative de mettre en pratique la théorie de la «cité-jardin» d'E. Howard en Angleterre, en Allemagne / Russie, etc. La croissance des villes industrielles nous a fait réfléchir au problème de la sauvegarde des zones urbaines, à leur formation systématique, à la recherche de mesures pour éviter le chaos, à la solution des problèmes, aux transports, au placement des centres publics, etc. Et là aussi, ce ne fut pas sans tentatives de faire appel à la faune. À la fin du XIXe - début du XXe siècle. de nombreuses propositions similaires ont été faites: T. Fritsch - une ville se développant comme une coquille de mollusque dans une spirale, 1896; projets de Sant Elia, E. Gleden et autres.

Les architectes espagnols célèbres M.R. Server et H. Plose, adhérents actifs de la bionique, ont commencé la recherche sur les «structures dynamiques» en 1985 et ont organisé en 1991 la «Société pour le soutien de l'innovation en architecture». Un groupe sous leur direction, qui comprenait des architectes, des ingénieurs, des concepteurs, des biologistes et des psychologues, a développé le projet "Vertical Bionic Tower City". Dans 15 ans, une ville-tour devrait apparaître à Shanghai (selon les prévisions des scientifiques, dans 20 ans le nombre de Shanghai pourrait atteindre 30 millions de personnes). La ville-tour est conçue pour 100 mille personnes, le projet est basé sur le "principe de la construction des arbres".

La tour de la ville aura la forme d'un cyprès d'une hauteur de 1128 m avec une circonférence à la base de 133 par 100 m, et à son point le plus large 166 par 133 m. La tour aura 300 étages, et ils seront situés dans 12 blocs verticaux de 80 étages. Entre les blocs, il y a des chapes, qui jouent le rôle de structure de support pour chaque niveau de bloc. À l'intérieur des quartiers, il y a des maisons de différentes hauteurs avec des jardins verticaux. Cette conception élaborée est similaire à la structure des branches et de la couronne entière d'un cyprès. La tour reposera sur une fondation sur pieux selon le principe de l'accordéon, qui ne s'approfondit pas, mais se développe dans toutes les directions à mesure qu'elle grimpe - de la même manière que le système racinaire d'un arbre se développe. Les vibrations du vent des étages supérieurs sont minimisées: l'air passe facilement à travers la structure de la tour. Pour le revêtement de la tour, une matière plastique spéciale sera utilisée, imitant la surface poreuse de la peau. Si la construction réussit, il est prévu de construire plusieurs autres bâtiments de la ville.

Neurobionique.

Les principaux domaines de la neurobionique sont l'étude du système nerveux de l'homme et de l'animal et la modélisation des cellules nerveuses-neurones et des réseaux neuronaux. Cela permet d'améliorer et de développer la technologie électronique et informatique.

Le système nerveux des organismes vivants présente un certain nombre d'avantages par rapport aux analogues les plus modernes inventés par l'homme:

1) Une perception très parfaite et flexible des informations externes, quelle que soit la forme sous laquelle elles proviennent (par exemple, de l'écriture manuscrite, de la police, de la couleur du texte, des dessins, du timbre et d'autres caractéristiques de la voix, etc.).

2) Fiabilité élevée, dépassant considérablement la fiabilité des systèmes techniques (ces derniers échouent lorsqu'une ou plusieurs pièces sont cassées dans la chaîne; lorsque des millions de cellules nerveuses parmi les milliards qui composent le cerveau meurent, le système reste opérationnel).

3) Miniature des éléments du système nerveux: avec le nombre d'éléments10 10 - 10 11 volume du cerveau humain 1,5dm 3. Un dispositif à transistor avec le même nombre d'éléments prendrait un volume de plusieurs centaines, voire des milliersm 3.

4) Économie de travail: la consommation d'énergie par le cerveau humain ne dépasse pas plusieurs dizainesmar

5 ) Un haut degré d'auto-organisation du système nerveux, une adaptation rapide aux nouvelles situations, aux changements des programmes d'activités.

Les tentatives de modélisation du système nerveux des humains et des animaux ont commencé par la construction d'analogues de neurones et de leurs réseaux. Différents types de neurones artificiels ont été développés. Des "réseaux de neurones" artificiels ont été créés, capables de s'auto-organiser, c'est-à-dire de retourner à des états stables lorsqu'ils sont sortis de l'équilibre. Étude demémoire et d'autres propriétés du système nerveux - le principal moyen de créer des machines «pensantes» pour l'automatisation de processus complexes de production et de gestion. L'étude des mécanismes qui assurent la fiabilité du système nerveux est très importante pour la technologie, car la résolution de ce problème technique principal fournira la clé pour assurer la fiabilité d'un certain nombre de systèmes techniques (par exemple, des équipements aéronautiques contenant10 5 éléments électroniques).

Recherche sur les systèmes d'analyseurs. Chaqueanalyseur l'animal et l'homme, percevant divers stimuli (lumière, son, etc.), se compose d'un récepteur (ou organe sensoriel), de voies et du centre du cerveau. Ce sont des formations très complexes et sensibles, inégalées parmi les dispositifs techniques. Des capteurs miniatures et fiables qui ne sont pas inférieurs en sensibilité, par exemple, l'œil, qui réagit à des quanta uniques de lumière, l'organe sensible à la température d'un serpent à sonnette, qui distingue les changements de température de 0,001 ° C, ou l'organe électrique du poisson, qui détecte les potentiels en fractions de microvolt, pourraient accélérer considérablement le taux progrès technique et recherche.

Grâce à l'analyseur le plus important - le visuel - la plupart des informations pénètrent dans le cerveau humain. Du point de vue de l'ingénierie, les caractéristiques suivantes de l'analyseur visuel sont intéressantes: une large gamme de sensibilité - des quanta simples aux flux lumineux intenses; changement de clarté de la vision du centre vers la périphérie; suivi continu des objets en mouvement; adaptation à une image statique (pour visualiser un objet stationnaire, l'œil effectue de petits mouvements oscillatoires avec une fréquence de 1-150hz). A des fins techniques, le développement d'une rétine artificielle est intéressant. (La rétine est une formation très complexe; par exemple, l'œil humain a 108 photorécepteurs liés au cerveau par 106 cellules ganglionnaires.) L'une des variantes de la rétine artificielle (similaire à la rétine de l'œil de grenouille) se compose de 3 couches: la première comprend 1800 cellules photoréceptrices, la seconde - "neurones" qui perçoivent les signaux positifs et inhibiteurs des photorécepteurs et déterminent le contraste de l'image; la troisième couche contient 650 «cellules» de cinq types différents. Ces études permettent de créer des dispositifs de repérage pour une reconnaissance automatique. L'étude de la sensation de profondeur de l'espace en voyant d'un seul œil (vision monoculaire) a permis de créer un déterminant de la profondeur de l'espace pour l'analyse des photographies aériennes.

Des travaux sont en cours pour imiter l'analyseur auditif des humains et des animaux. Cet analyseur est également très sensible - les personnes ayant une audition aiguë perçoivent le son lorsque la pression fluctue dans le conduit auditif d'environ 10μn / m 2 (0,0001 dyne / cm 2). Il est également techniquement intéressant d'étudier le mécanisme de transfert d'informations de l'oreille vers la région auditive du cerveau. Ils étudient les organes de l'odorat des animaux afin de créer un «nez artificiel» - un appareil électronique pour analyser de petites concentrations de substances odorantes dans l'air ou l'eau [certains poissons ressentent la concentration d'une substance dans plusieursmg / m 3 (μg / l )]. De nombreux organismes ont des systèmes analytiques que les humains n'ont pas. Ainsi, par exemple, une sauterelle sur le 12ème segment des antennes a un tubercule qui perçoit le rayonnement infrarouge, les requins et les rayons ont des canaux sur la tête et à l'avant du corps, qui perçoivent les changements de température de 0,1 ° C. Les escargots et les fourmis sont sensibles aux radiations radioactives. Les poissons, apparemment, perçoivent des courants errants provoqués par l'électrification de l'air (ceci est démontré par le départ des poissons à une profondeur avant un orage). Les moustiques se déplacent le long de chemins fermés dans un champ magnétique artificiel. Certains animaux sont doués pour détecter les vibrations infra et ultrasonores. Certaines méduses réagissent aux vibrations infrasonores qui se produisent avant une tempête. Les chauves-souris émettent des vibrations ultrasonores de l'ordre de 45 à 90kHz mais les papillons de nuit dont ils se nourrissent ont des organes sensibles à ces ondes. Les hiboux ont également un "récepteur à ultrasons" pour détecter les chauves-souris.

L'appareil est probablement prometteur non seulement des analogues techniques des organes sensoriels des animaux, mais également des systèmes techniques avec des éléments biologiquement sensibles (par exemple, les yeux d'une abeille - pour détecter les rayons ultraviolets et les yeux d'un cafard - pour détecter les rayons infrarouges).

Les soi-disant sont d'une grande importance dans la conception technique.perceptrons - Systèmes «d'auto-apprentissage» qui remplissent les fonctions logiques d'identification et de classification. Ils correspondent aux centres cérébraux où les informations reçues sont traitées. La plupart des études sont consacrées à la reconnaissance d'images visuelles, sonores ou autres, c'est-à-dire à la formation d'un signal ou d'un code qui correspond uniquement à un objet. La reconnaissance doit être effectuée indépendamment des modifications de l'image (par exemple, sa luminosité, sa couleur, etc.) tout en conservant sa valeur de base. De tels dispositifs cognitifs auto-organisés fonctionnent sans programmation préalable, avec un entraînement progressif par un opérateur humain; il présente des images, signale les erreurs, renforce les réactions correctes. Le dispositif d'entrée du perceptron est son champ récepteur de perception; lors de la reconnaissance d'objets visuels, il s'agit d'un ensemble de photocellules.

Après une période "d'apprentissage", le perceptron peut prendre des décisions indépendantes. Sur la base de perceptrons, des dispositifs sont créés pour lire et reconnaître du texte, des dessins, analyser des oscillogrammes, des radiographies, etc.

L'étude des systèmes de détection, de navigation et d'orientation chez les oiseaux, les poissons et autres animaux est également l'une des tâches importantes de la bionique. systèmes de détection et d'analyse miniatures et précis qui aident les animaux à naviguer, à trouver des proies, à migrer des milliers dekm, peut aider à améliorer les instruments utilisés dans l'aviation, les affaires maritimes, etc. Une localisation ultrasonique a été trouvée chez des chauves-souris et un certain nombre d'animaux marins (poissons, dauphins). Les tortues de mer sont connues pour nager dans la mer pendant plusieurs millierskm et revenez toujours pondre des œufs au même endroit sur le rivage. On pense qu'ils ont deux systèmes: l'orientation à longue distance par les étoiles et l'orientation à courte distance par l'odeur (chimie des eaux côtières). Le mâle du petit papillon paon nocturne recherche la femelle à une distance allant jusqu'à 10km. Les abeilles et les guêpes sont bien orientées par le soleil. L'étude de ces systèmes de détection nombreux et variés a beaucoup à offrir à la technologie.

Par exemple, la société américaine Orbital Research, développeur de systèmes de navigation, a commencé à travailler sur un système de capteurs intuitifs qui évitera les collisions entre les voitures au sol et les aéronefs en l'air.

Pour concevoir un tel système, les scientifiques ont incité le comportement des cafards au moment où ils tentent d'attraper. Le système nerveux des cafards surveille en permanence tout, même les plus petits changements qui se produisent à proximité, et lorsqu'un danger survient, il réagit rapidement, clairement et, surtout, correctement. Un modèle fonctionnel d'une voiture radiocommandée avec des "cerveaux de cafards" a déjà été créé.

Des scientifiques de l'Université nationale australienne ont étudié en détail le vol d'une libellule. Ils ont conclu que «malgré leur très petit cerveau, ces insectes sont capables de manœuvres aériennes rapides et précises qui nécessitent de la stabilité et de la prévention des collisions». Ils veulent utiliser de nouveaux véhicules volants conçus en «image et ressemblance» pour étudier les atmosphères des planètes du système solaire.

Et voici quelques autres idées uniques que la nature «jette». Il s'avère que les toiles d'araignées sont cinq fois plus résistantes que l'acier et 30% plus résistantes que le nylon. Les scientifiques proposent de fabriquer des ceintures de sécurité, des fils en apesanteur, des tissus pare-balles, des fils médicaux, des pneus de voiture et même des ligaments artificiels à partir du nouveau matériau, "emprunté" aux araignées, car la toile d'araignée n'est pratiquement pas rejetée par le corps, car elle a une base principalement protéique et possède des propriétés uniques : il est inhabituellement solide, léger, ne se détériore pas longtemps sous l'influence de l'environnement, n'est presque pas susceptible d'être endommagé par des micro-organismes et des champignons. Mais comme obtenir des toiles d'araignées naturelles en quantité appropriée est assez problématique, la génétique de la société canadienne de biotechnologie Nexia a implanté les gènes responsables de la synthèse des toiles d'araignées chez les araignées chez les chèvres nigérianes. Et ils ont commencé à donner du lait contenant les mêmes protéines que la toile d'araignée. Les matières premières sont extraites du lait pour fabriquer des fils et de la soie extra-résistante est tissée.

À leur tour, des scientifiques de Bell Laboratories, un centre de recherche pour Lucent Technologies, ont découvert que les cristaux de calcite qui forment le squelette des étoiles de mer de classe ophiur (queues de serpent) ont des fonctions uniques: ils servent non seulement de coquille pour les ophiuras, mais agissent également comme récepteurs optiques d'un composé. yeux. L'étude de ce nouveau biomatériau pourrait aider à améliorer la conception d'éléments optiques pour les réseaux de télécommunications, selon les scientifiques. "C'est un excellent exemple de ce que nous pouvons apprendre de la nature sous nos yeux", a déclaré le vice-président des laboratoires Bella, Federico Capasso. "Ces petits cristaux de calcite sont des microlentilles presque parfaites, bien meilleures que ce que nous pouvons fabriquer aujourd'hui."

Et voici un exemple d'un autre invertébré. Dans l'un des laboratoires du US Department of Energy, ils étudient le mélange produit par les mollusques bivalves afin de bien adhérer au fond des navires. Sur la base de la recherche, une nouvelle colle est en cours de fabrication qui aidera à coller les plaques métalliques oxydées à partir desquelles d'importants assemblages informatiques sont assemblés, ou même à remplacer les sutures chirurgicales sur le corps humain après la chirurgie. Cependant, il faut 10 000 crustacés pour fabriquer seulement 1 gramme de colle protéinée. À cet égard, les scientifiques envisagent la prochaine étape de leur recherche - l'implantation du gène de mollusque souhaité dans une plante.

Au centre de nanotechnologie de Manchester, les scientifiques travaillaient sur une «tâche» posée par un groupe de lézards (geckos) organisé de manière primitive et pouvant se déplacer sur presque toutes les surfaces. Les résultats de la recherche ont montré que sur les pattes du gecko, il y avait un certain nombre de poils de kératine d'environ 200 nm. Les forces capillaires aident le gecko à ramper sur les surfaces humides et les forces de van der Waals sur les surfaces sèches. Chaque cheveu se lie à la surface avec une force de 10-7 H. En raison de la densité élevée de poils sur les pattes du gecko, la force de liaison est considérablement augmentée.

L'équipe de Manchester a décidé de poursuivre ses recherches en essayant de construire le même réseau de nanofibres. Il est possible que la production en série de "pattes de gecko" soit possible à l'aide de technologies moins coûteuses, comme par exemple la lithographie par faisceau d'électrons. Si vous portez votre attention sur d'autres vertébrés - les baleines et les dauphins, vous constaterez qu'ils sont "emballés" dans des tissus comme un caoutchouc très élastique, qui consiste en un réseau complexe de fibres de collagène. Cette découverte permet de démarrer la production de son analogue synthétique. Si vous mettez des navires de mer et des sous-marins dans ce merveilleux matériau, leur rationalisation augmentera, la consommation de carburant diminuera et la stabilité augmentera.

Mais pour les JO de 2004, un nouveau costume "requin" Fastskin FSII de la société américaine Speedo a été spécialement créé. Sa surface est tapissée de centaines de petites dents. Cette "peau" a été espionnée sur un requin et calculée en plus sur un ordinateur. Il réduit la friction de l'eau, qui, selon la société, atteint 29% de la résistance totale, contre 8 à 10% comme on le pensait auparavant.Membrana.ru. Le résultat est une réduction de 4% de la résistance totale au mouvement et une augmentation correspondante de la vitesse de déplacement dans l'eau. Pour les sports professionnels, ce gain peut être critique.

Les militaires ne sont pas restés à l'écart non plus. Par exemple, le professeur Howie Chosett utilise de l'argent militaire pour développer un robot à roues ressemblant à une trompe d'éléphant, la marine américaine finance la création de robots de homard et la Defense Advanced Research Agency paie pour la construction d'insectes mécaniques.

Bionique technique.

L'étude des caractéristiques hydrodynamiques de la structure des baleines et des dauphins a contribué à créer une peau spéciale de la partie sous-marine des navires, ce qui permet une augmentation de la vitesse de 20 à 25% avec la même puissance de moteur. Cette doublure s'appelle laminflo et, semblable à la peau d'un dauphin, n'est pas mouillée et possède une structure élastique-élastique, qui élimine les tourbillons turbulents et offre un glissement avec une résistance minimale. Le même exemple se retrouve dans l'histoire de l'aviation. Pendant longtemps, le flottement a été un problème dans l'aviation à grande vitesse - des vibrations d'ailes qui se produisent soudainement et violemment à une certaine vitesse. Ces vibrations ont provoqué la désagrégation de l'avion dans les airs en quelques secondes. Après de nombreux accidents, les concepteurs ont trouvé une issue - ils ont commencé à fabriquer les ailes avec un épaississement à la fin. Après un certain temps, des épaississements similaires ont été trouvés aux extrémités des ailes de la libellule. En biologie, ces épaississements sont appelés ptérostigmes. De nouveaux principes de vol, de mouvement sans roues, de construction de roulements, etc. sont en cours de développement sur la base de l'étude du vol des oiseaux et des insectes, du mouvement des animaux sauteurs et de la structure des articulations.

Le nouveau circuit imprimé créé au Centre de recherche Xerox (Palo Alto) ne comporte aucune pièce mobile (il se compose de 144 jeux de 4 buses chacun)

Dans l'AirJet, les développeurs ont copié le comportement d'un troupeau de termites, où chaque termite prend des décisions indépendantes, mais en même temps le troupeau se dirige vers un objectif commun, par exemple, construire un nid.

Le circuit imprimé conçu par Palo Alto est équipé de plusieurs jets d'air, dont chacun fonctionne indépendamment, sans commandes du processeur central, mais en même temps, ils contribuent à la tâche globale de déplacement du papier. Il n'y a pas de pièces mobiles dans l'appareil, ce qui permet de réduire le coût de production. Chaque circuit imprimé contient 144 jeux de 4 buses orientées dans des directions différentes, ainsi que 32 000 capteurs optiques et microcontrôleurs.

Mais les adeptes les plus dévoués de la bionique sont les ingénieurs qui conçoivent des robots. Aujourd'hui, parmi les développeurs, le point de vue est très populaire que dans le futur, les robots ne pourront fonctionner efficacement que s'ils sont aussi similaires que possible aux humains. Les scientifiques et les ingénieurs supposent qu'ils devront fonctionner dans des conditions urbaines et domestiques, c'est-à-dire dans un intérieur «humain» - avec des escaliers, des portes et d'autres obstacles d'une taille spécifique. Par conséquent, au minimum, ils doivent correspondre à une personne en taille et selon les principes du mouvement. En d'autres termes, le robot doit avoir des jambes (les roues, les chenilles, etc. ne sont pas adaptées à la ville). Mais qui peut copier le dessin des pattes, sinon des animaux?

Les scientifiques de l'Université de Stanford ont avancé le plus loin dans la création de robots bipèdes bipèdes. Ils expérimentent depuis près de trois ans un robot miniature à six pattes, un hexapode, construit à partir de l'étude du système de locomotion d'un cafard.

Un robot miniature d'environ 17 cm de long à six pattes (hexapode) de l'Université de Stanford tourne déjà à une vitesse de 55 cm / s

Le premier hexapode a été construit le 25 janvier 2000. Maintenant, la structure fonctionne très vite - à une vitesse de 55 cm (plus de trois de ses propres longueurs) par seconde - et surmonte tout aussi bien les obstacles.

Conclusion.

La nature offre des possibilités infinies aux ingénieurs et aux scientifiques d'emprunter des technologies et des idées. Auparavant, les gens n'étaient pas en mesure de voir ce qui se trouvait littéralement devant leur nez, mais les moyens techniques modernes et la simulation informatique aident à comprendre au moins un peu comment le monde environnant fonctionne et à essayer d'en copier certains détails pour leurs propres besoins.

Dans le passé, l'attitude de l'homme envers la nature était consumériste. La technologie a exploité et détruit les ressources naturelles. Mais progressivement, les gens ont commencé à traiter la nature plus attentivement, essayant d'examiner de près ses méthodes afin de les utiliser raisonnablement dans la technologie. Ces méthodes peuvent servir de modèle pour le développement de produits industriels respectueux de l'environnement.

La nature en tant que norme est bionique.

Bibliographie.

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3. Secrets de la bionique. I.I.Garmash, Kiev, 1985.

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Ressources Internet

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http: //www.bestreferat.rureferat-42944.html

http://referat.ru/pub/item/9920

http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html

RÉSUMÉ SUR LE SUJET :

Terminé:

Sagidullin A.S.

Konovalova O.S.

Saint-Pétersbourg 2007

Introduction 3

Premières applications de la bionique 4

Exemples classiques:

Structure externe de la feuille 5 Structure interne de la tige d'une plante herbacée 5 Répartition des fruits et des graines 5 Caractéristiques de la famille des céréales 6 Classe des insectes. Ordre des diptères 7 Structure et fonctions des régions cérébrales 7

Nature intelligente 9

Découvertes modernes:

Squelette d'éponges de haute mer 10 Volées de termites, au profit de la société 11 Robots qui courent et sautent 11

Conclusion 12

Annexe 13

Références 19

Ressources Internet 19

introduction

0 3 0 1 Bionique (du grec biōn - élément de vie, littéralement - vivant) - science appliquée sur

application des principes, propriétés, fonctions et structures de la nature vivante dans les dispositifs et systèmes techniques. L'idée d'utiliser les connaissances sur la faune pour résoudre des problèmes d'ingénierie appartient à Léonard de Vinci, qui a essayé de construire un avion aux ailes battantes comme des oiseaux: un ornithoptère.

L'étude des modèles de formation des organismes pour la construction d'objets artificiels à leur ressemblance est généralement attribuée uniquement au domaine de la bionique [une nouvelle direction scientifique de la fin des années 50 du XXe siècle. L'émergence de cette science est une conséquence du développement de la cybernétique, de la biophysique, de la biochimie, de la biologie spatiale, de la psychologie de l'ingénieur, etc. Colloque à Daytona (USA) en septembre 1960. a donné le nom à une nouvelle science - la bionique. Le slogan du symposium: "Prototypes vivants - la clé des nouvelles technologies" définit bien les perspectives de développement de la bionique pendant de nombreuses années.] En fait, les principes de construction de bioformes, biostructures, biofonctions en vue de leur utilisation dans la création de systèmes techniques ou d'objets architecturaux sont étudiés non pas par une, mais par plusieurs sciences biophysiques ...

Distinguer:

La bionique biologique, qui étudie les processus se produisant dans les systèmes biologiques; -la bionique théorique, qui construit des modèles mathématiques de ces processus; -bionique technique, utilisant des modèles bioniques théoriques pour résoudre

tâches d'ingénierie.

La bionique est étroitement liée à la biologie, la physique, la chimie, la cybernétique et l'ingénierie: électronique, navigation, communications, affaires maritimes et autres.

L'émergence de la cybernétique, qui prend en compte les principes généraux de contrôle et de communication dans les organismes vivants et les machines, est devenue une incitation à une étude plus large de la structure et des fonctions des systèmes vivants afin de clarifier leurs points communs avec les systèmes techniques, ainsi que d'utiliser les informations obtenues sur les organismes vivants pour créer de nouveaux dispositifs, mécanismes, matériaux, etc.

Les principaux domaines de travail en bionique couvrent les problèmes suivants:

F 0 E 0 étude du système nerveux de l'homme et de l'animal et modélisation des cellules nerveuses

(neurones) et réseaux de neurones pour l'amélioration de la technologie informatique et le développement de nouveaux éléments et dispositifs pour l'automatisation et la télémécanique (neurobionique);

F 0 E 0 étude des organes sensoriels et autres systèmes de perception des organismes vivants

l'objectif du développement de nouveaux capteurs et systèmes de détection; F 0 E 0 étude des principes d'orientation, de localisation et de navigation chez divers animaux pour

utiliser ces principes dans la technologie; F 0 E 0 étude des caractéristiques morphologiques, physiologiques et biochimiques du vivant

organismes pour l'avancement de nouvelles idées techniques et scientifiques.

Premières applications de la bionique

Presque tous les problèmes technologiques auxquels sont confrontés les concepteurs ou les ingénieurs ont longtemps été résolus avec succès par d'autres êtres vivants. Par exemple, les fabricants de boissons gazeuses recherchent constamment de nouvelles façons de conditionner leurs produits. Dans le même temps, un pommier ordinaire a depuis longtemps résolu ce problème. Une pomme est à 97% d'eau, emballée non pas dans du carton de bois, mais dans une peau comestible, suffisamment savoureuse pour attirer les animaux qui mangent les fruits et distribuent les céréales.

Les bioniciens pensent de cette façon. Face à un problème d'ingénierie ou de conception, ils recherchent une solution dans une «base scientifique» illimitée qui appartient aux animaux et aux plantes.

Gustave Eiffel a fait à peu près la même chose, qui en 1889 a construit un dessin de la tour Eiffel. Cette structure est considérée comme l'un des premiers exemples évidents de l'utilisation de la bionique en ingénierie.

La conception de la tour Eiffel est basée sur les travaux scientifiques du professeur suisse d'anatomie Hermann Von Meyer. 40 ans avant la construction du miracle de l'ingénierie parisienne, le professeur a examiné la structure osseuse de la tête fémorale à l'endroit où elle se plie et pénètre dans l'articulation sous un angle. Et pour une raison quelconque, l'os ne se brise pas sous le poids du corps. Von Meyer a découvert que la tête de l'os est recouverte d'un réseau complexe de minuscules os, à travers lesquels la charge est étonnamment redistribuée dans tout l'os. Ce réseau avait une structure géométrique stricte, que le professeur a documentée (annexe Fig. №1).

En 1866, l'ingénieur suisse Carl Cullman résume les bases théoriques de la découverte de von Meyer, et 20 ans plus tard, la distribution naturelle de la charge à l'aide d'étriers courbes est utilisée par Eiffel (Fig. Annexe 2).

Un autre emprunt célèbre a été fait par l'ingénieur suisse Georges de Mestral en 1955. Il se promenait souvent avec son chien et remarquait que certaines plantes étranges adhéraient constamment à sa fourrure. Fatigué de nettoyer constamment le chien, l'ingénieur a décidé de découvrir la raison pour laquelle les mauvaises herbes collent au pelage. Après avoir étudié le phénomène, de Mestral a déterminé que c'était possible grâce aux petits crochets sur le cocklebur (c'est le nom de cette mauvaise herbe). En conséquence, l'ingénieur a pris conscience de l'importance de cette découverte et huit ans plus tard, il a breveté le Velcro confortable, largement utilisé aujourd'hui dans la fabrication de vêtements non seulement militaires, mais aussi civils (Fig. Annexe 3).

Exemples classiques

"Structure externe de la feuille"

Faisons attention à leur architectonique, le but des différentes veines. Semblable à la structure de la feuille, des bases en bois pour les toits des bâtiments résidentiels sont construites. Le long de

ont la poutre principale, et les transversales sont fixées perpendiculairement. Des planches y sont placées et la toiture est fixée aux planches.

Les nervures longitudinales de la feuille ont un tissu dur et sont maintenues ensemble par des membranes en croissant transversal 0 0 1 F du même tissu. Cette structure crée une base solide pour

la position de la peau translucide et fine des feuilles. L'arche de la salle principale a été construite à l'image de la structure d'une feuille d'arbre (Fig. Annexe 4-a, b)

Exposition de Turin (Italie) (Fig. Annexe n ° 4-c). Dans la structure de l'arc, des nervures longitudinales courbes 0 0 1 F et des diaphragmes transversaux ondulés créent la rigidité nécessaire et

stabilité, permettant de couvrir l'espace avec une portée de 98 m sans appuis.0 0 1 F Les structures de construction créées par une personne répondent à ses exigences et

ainsi que les structures naturelles, ils résistent à l'influence externe des changements climatiques et météorologiques.

"Structure interne de la tige de plante herbacée" 0 0 1 FU de coupes transversales de tige de plante herbacée - une structure différente de celle

0 0 1 F ligneux. Par exemple, dans une coupe transversale, la tige d'une plante à nez duveteux (appendice

figure. N ° 5 -b) a la forme d'un cercle. La tige de la boule gonflée est creuse et contient des cavités d'air 2.0 0 1 F destinées à la circulation de l'air. Les cordons de sclérène 1 donnent de la force à la plante

lorsqu'il est exposé à des charges de vent. Skin 3 protège la tige des conditions atmosphériques et climatiques. La moelle de la tige pousse plus vite que la peau. Ce dernier, pour ainsi dire, limite sa croissance. Le noyau est étiré, la peau est comprimée. En conséquence, dans la structure de la tige

0 0 1 F des tensions internes sont générées. Cela donne de l'élasticité à la tige.

Les bioniciens, qui étudient les schémas de formation de la nature, créent des structures de construction originales et économiques. Tuyau d'usine (annexe Fig. N ° 5-c) sur

0 0 1 F en section transversale est de structure similaire à la tige d'un nez bouffi. Le renfort longitudinal 1 lui donne

0 0 1 La résistance F est similaire aux cordes dans la tige, les vides 2 facilitent les constructions. Rond central

0 0 1 F trou dans la coupe - cheminée, raccords en spirale 3. Pour la fabrication du tuyau, la construction

0 0 1 F, emprunté à la nature, utilise moins de matériaux de construction que si

0 0 1 Le fond était monolithique, moins de travail physique a été dépensé. Résistance au vent

les charges d'un tel tuyau ne sont pas pires que leur homologue naturel.

"Distribution de fruits et de graines" 0 0 1 F Un échantillon pour la forme des ailes de l'avion autrichien "Taube" (Fig. Annexe 6-a)

même à l'aube de la construction aéronautique, la graine volante de la liane Zenonia a servi de (Annexe Fig. 6 -b). Il ressemble à une graine de citrouille aux extrémités incurvées. En raison de sa faible masse, la graine a

0 0 1 F excellentes performances de vol. C'est cette circonstance qui a attiré l'attention.

l'inventeur Etrich de Bohême. En 1904, il construit son premier planeur sans empennage. L'envergure est de 6 m. Le planeur pouvait porter une charge utile de 25 kg. En 0 01 F au cours des années suivantes, Etrich, empruntant des analogies naturelles, créa de nouveaux modèles de planeurs,

0 0 1 F Amélioré, améliorant les performances de vol.

Le pollen des plantes céréalières a deux coquilles remplies d'air dont la densité est inférieure à la densité de l'air environnant. Cela crée de la flottabilité pour le pollen et parcourt donc de longues distances dans l'air.

0 0 1 F Le principe de l'ascenseur mis en œuvre dans la nature a été utilisé par l'homme dans la première

véhicules volants créés par lui: une montgolfière dans un aérostat 0 0 1 F, un dirigeable. Le volant qui tombe au badminton ressemble à un fruit de parachute de pissenlit.

0 0 1 F Il est possible que lui ou un parachute de fruits similaire ait donné à Léonard de Vinci l'idée d'un parachute.

"Caractéristiques de la famille des céréales"

Lors de l'étude de la famille des céréales, il faut faire particulièrement attention à la structure végétative 0 0 1 F

0 0 1 Pour les orgues. Beaucoup d'entre eux, par exemple la tige, peuvent présenter un intérêt pratique pour les bionistes.

0 0 1 F Une caractéristique importante des céréales est la structure de la tige, qui leur permet de survivre

avec une telle croissance massive dans les champs. Avec un léger souffle de brise, le blé se calme légèrement 0 0 1 F. Dans un vent fort, la tige se plie, l'oreille se plie bas. Le vent s'est calmé, et

la tige se redressa. La hauteur du blé est de 200 à 300 fois le diamètre de sa tige. Secret 0 0 1 F de la préservation de la souplesse et de la résistance de la plante dans sa structure. La tige de blé a un entre-nœud

creux, et les nœuds sont remplis de tissu. En raison de cette structure, la tige se plie, mais ne se brise pas. 0 0 1 F La tour de télévision Ostankino a été construite sur ce principe (Annexe

0 0 1 Fr. N ° 5-a), conçu par l'ingénieur N. V. Nikitin. Dans sa forme et étiré

0 0 1 F Périphériques de haubans en acier, cachés dans l'épaisseur du béton et serrant les tambours individuels

0 0 1 Pour le tronc de la tour, les principes constructifs de la structure de la tige de la plante et du tronc d'arbre ont été reflétés.

0 0 1 F Sa base est épaissie, son sommet est pointu. Sa hauteur totale est de 540 m 74 cm.

0 0 1 F la plus haute structure du monde. Poids 55 mille tonnes. Par vent fort, la tour peut

0 0 1 F se balancer comme une tige de blé jusqu'à 10 m de sa verticale normale

0 0 1 Position F, tout en maintenant la force. Il résiste à 15 vents et tremblements de terre de

0 0 1 F8. La fiabilité est calculée sur 300 ans.

0 0 1 F Dans les villes de notre pays, des immeubles résidentiels à plusieurs étages sont en cours de construction, ressemblant à

0 0 1 F épi de maïs. Ils sont pratiques pour une utilisation à l'intérieur et esthétiques à l'extérieur, c'est-à-dire un matériau

expédient et socio-artistique.

Depuis l'Antiquité, le bambou est utilisé comme matériau de construction. Ponts sur les rivières 0 0 1 F

0 0 1 F accroché à des cordes en bambou torsadé. Pont sur câbles de hêtre fumé d'un diamètre de 10 cm,

construit en Chine il y a plus de mille ans, il est toujours suspendu aujourd'hui. 0 0 1 F Le bambou est utilisé depuis longtemps pour les toits, les corniches et les tuyaux de descente. Au Vietnam du

0 0 1 F Les panneaux de bambou pressés multicouches forment les murs, les plafonds et

partitions. 0 0 1 F Avec son énorme hauteur (jusqu'à 40 m), le bambou conserve sa stabilité et sa résistance. Qui a tenu

0 0 1 Canne en hêtre Fbam en main, il sait à quel point elle est légère, flexible et résistante. Même les gros poissons

ne le brisera pas. 0 0 1 F Les architectes japonais, lors de la conception d'un gratte-ciel construit à Tokyo, ont appliqué

0 0 1 F quelques principes de la structure d'un tronc de bambou flexible et solide. Dans des conditions de fréquent

les bâtiments sismiques doivent être stables et durables. Le projet prévoyait la construction d'une ossature rigide du bâtiment à partir d'un matériau composite. Ce matériau a une structure inégale. C'est un réseau de fibres de graphite, de verre ou plus complexes immergées dans du plastique, comme des fibres dans une tige de bambou. Souterrain

0 0 1 Par saccades, le haut, quarante-troisième étage, peut dévier de la verticale, comme la tige de n'importe quel bambou,

plus de 70 cm, cependant, la stabilité et la résistance du bâtiment sont préservées.

«Insectes de classe. Détachement Diptera "

Faisons attention à la présence de chimiorécepteurs sur les pattes d'une mouche domestique - une sorte de capteurs biologiques miniatures. La mouche en a quatre types: certains analysent la composition de l'eau, d'autres déterminent le sucre, d'autres examinent divers sels et le quatrième indique la présence d'aliments protéinés. Les mêmes récepteurs se retrouvent dans sa trompe. Grâce à eux, la mouche sait toujours que

0 0 1 C'est sous ses pieds: de la nourriture, une boisson ou quelque chose de non comestible. Le proboscis de la mouche est automatiquement

répond aux indications des récepteurs cutanés. Il s'est allongé - et la mouche commence à boire ou à manger. En redressant la trompe, on peut juger quelles substances et à quelles concentrations elle capte

0 0 1 F insecte. L'analyse des substances est effectuée en quelques secondes. Alors la nature

0 0 1 F a acquis les méthodes d'analyse chimique les plus avancées. Les physiciens et les chimistes peuvent

0 0 1 F les utiliser en comprenant parfaitement les méthodes utilisées par la mouche.

Dans le laboratoire de géophysique de l'Institut de transfert de chaleur et de transfert de masse de l'Académie des sciences du BSSR, une substance collante avec la viscosité de la vaseline a été créée à partir de la poudre de silice 0 0 1 F. Si tu le mets sur le volant

dans un champ électromagnétique - il se solidifie instantanément. La roue est solidement collée à la surface d'appui 0 0 1 F. Lorsque le champ magnétique est supprimé, la substance acquiert l'ancien visqueux

etat. Les ingénieurs ont créé un robot marcheur (annexe Fig. 7). Il recherche les défauts sur 0 0 1 F d'une surface métallique. Six jambes 4 sont attachées au corps 5 et chacune d'elles a deux

entraînement (moteur à engrenages). L'un pour le mouvement horizontal, l'autre pour le mouvement vertical 0 0 1 F. La jambe se termine par un bump mak avec un 3 pad imbibé de gomme

substance. Il est acheminé du réservoir vers les supports de pieds creux. Les six jambes du robot sont combinées en deux groupes 0 0 1 F, trois dans chacun. Le robot marche simultanément avec un groupe de jambes, et l'autre est collé à

surface de support. Alternativement, 0 0 1 F courant électrique est appliqué aux chaussures de l'un ou l'autre groupe de jambes - et les coussinets de pied sont collés à la surface de support.

0 0 1 F Le robot a un œil - une caméra 1, un tuyau 2 avec un câble électrique et un tube pour fournir un

air aux entraînements pneumatiques.

"La structure et les fonctions des parties du cerveau"

Découvrir les principes du cerveau, qui sont encore largement un mystère, signifie trouver la clé pour concevoir les ordinateurs du futur. Nouvelle science - la neurocybernétique traite

0 0 1 F en construisant un cerveau artificiel. Le premier ordinateur a été chargé d'effectuer l'arithmétique

0 0 1 F opérations. Avec le développement de la technologie informatique, les ordinateurs ont commencé à être plus complexes

0 0 1 F opérations, travailler plus vite, sa taille a été réduite (tab. Page 8).

Paramètres Cerveau humain Ordinateur Support de données Excitation nerveuse Courant électrique Vitesse d'entrée - Longueur inférieure à 1 bit / s - Formations de plus de 106 bit / s en mémoire Durée de fonctionnement Toute la vie Des milliards d'opérations en

deuxième Avantages Se concentrer exclusivement Se concentrer moins

fonctions complexes complexes dans des fonctions dans un volume beaucoup plus grand et extrêmement petit. le volume. Faible degré De perfectionnement élevé de l'électronité des processus neuronaux physiologiques dans un neurone

La dépendance dépendra. Ne dépend pas du passage des caractéristiques individuelles et de l'état émotionnel. Capacité de mémoire 107 bits théoriques maximum dans un mode donné

maman 108-1010 bits par flic à vie

Type de mémoire Mixte Mixte Caractéristiques de pa- Mémorisation osmotique- Mémorisation mécaniquement mécanique Type de traitement Parallèle Informations séquentielles échelonnées Filtrage des informations- Très efficace Mauvaise information Durée de stockage des informations- Non-constante Information constante en mémoire Récupération des informations nécessaires formation: récemment introduit Rapide Rapide il y a longtemps Lent rapide Lorsqu'il est endommagé Fonctionne ne fonctionne pas Perception de l'information Sur de nombreux canaux: par

forme, couleur, de - Un canal

nuance du sujet, par police, écriture, odeur, toucher, timbre de voix, intonation, dessin, etc.

Poids 1,2-1,3 kg 3 à 10 fois plus que le cerveau humain

Nature intelligente

La principale différence entre les structures d'ingénierie humaine et celles créées par la nature est l'incroyable efficacité énergétique de ces dernières. S'améliorant et évoluant au fil des millions d'années, les organismes vivants ont appris à vivre, à se déplacer et à se reproduire en utilisant le minimum d'énergie. Ce phénomène est basé sur le métabolisme unique des animaux et sur l'échange optimal d'énergie entre différentes formes de vie. Ainsi, en empruntant des solutions d'ingénierie à la nature, on peut augmenter considérablement l'efficacité énergétique des technologies modernes.

Les matériaux naturels sont très bon marché et abondants, et leur «qualité» est bien meilleure que ceux fabriqués par l'homme. Ainsi, le matériau du bois est beaucoup plus résistant que les meilleurs échantillons de composite céramique que les humains peuvent développer. Dans le même temps, une personne utilise des procédés énergivores plutôt «stupides» pour obtenir certaines substances super fortes, et la nature les rend beaucoup plus intelligentes et efficaces. Pour cela, les substances naturelles environnantes (sucres, acides aminés, sels) sont utilisées, mais avec l'utilisation de «savoir-faire» - des solutions de conception et d'ingénierie originales, des catalyseurs organiques ultra-efficaces, qui dans de nombreux cas ne sont pas encore compris par l'homme. Bionics, à son tour, s'occupe de l'étude et de la copie des savoir-faire naturels.

La conception de structures naturelles ne peut pas non plus être comparée aux tentatives humaines de concevoir quelque chose qui prétend être naturel. La forme d'un objet biologique (par exemple, un arbre adulte) est généralement créée à la suite d'un processus d'adaptation à long terme, en tenant compte de l'impact à long terme de facteurs à la fois amicaux (par exemple, le soutien d'autres arbres de la forêt) et agressifs. Les processus de croissance et de développement impliquent une régulation interactive au niveau cellulaire. Tout cela ensemble assure une durabilité incroyable du produit tout au long du cycle de vie. Une telle adaptabilité dans le processus de mise en forme conduit à la création d'une structure adaptative unique, appelée en bionique système intelligent ... Dans le même temps, notre industrie n'a pas encore accès aux technologies pour créer des systèmes intelligents qui interagissent avec l'environnement et peuvent s'adapter en modifiant leurs propriétés. Les scientifiques tentent actuellement de concevoir des systèmes avec au moins une adaptabilité minimale à l'environnement. Par exemple, les voitures modernes sont équipées de nombreux capteurs qui mesurent la charge sur des composants individuels et peuvent, par exemple, modifier automatiquement la pression des pneus. Cependant, les développeurs et la science ne sont qu'au début de ce long voyage.

Les perspectives des systèmes intelligents sont fascinantes. Un système intelligent idéal sera capable d'améliorer indépendamment sa propre conception et de changer sa forme de diverses manières, par exemple en ajoutant du matériau manquant à certaines parties de la structure, en modifiant la composition chimique des unités individuelles, etc. Mais les gens auront-ils suffisamment d'observation et d'intelligence pour apprendre de la nature?

Découvertes modernes

La bionique moderne est largement associée au développement de nouveaux matériaux qui copient les matériaux naturels. Le même Kevlar est apparu grâce au travail conjoint de biologistes-généticiens et d'ingénieurs, spécialistes des matériaux.

Actuellement, certains scientifiques tentent de trouver des analogues d'organes du corps humain afin de créer, par exemple, une oreille artificielle (elle est déjà en vente aux États-Unis) ou un œil artificiel (en cours de développement).

Squelette d'éponge de mer profonde

D'autres développeurs se concentrent sur l'étude des organismes naturels. Par exemple, des chercheurs de Bell Labs (Lucent Corporation) ont récemment découvert des fibres optiques de haute qualité dans le corps d'éponges de haute mer du genre Euplectellas. Des chercheurs de Bell Labs, une division de Lucent Technologies, ont découvert que les éponges de haute mer contiennent des fibres très proches des propriétés des fibres les plus modernes utilisées dans les réseaux de télécommunications. De plus, à certains égards, les fibres naturelles peuvent être meilleures que les fibres artificielles(Annexe Fig. N ° 8) .

Selon la classification généralement acceptée aujourd'hui, les éponges forment un type indépendant d'invertébrés primitifs. Ils mènent un style de vie absolument immobile. L'éponge du genre Euplectella vit dans les mers tropicales. Il atteint une longueur de 15 à 20 cm et son cadre intérieur en forme de maille est formé par des tiges cylindriques de dioxyde de silicium transparent. À la base de l'éponge se trouve un faisceau de fibres, qui a la forme d'une sorte de couronne. La longueur de ces fibres est de 5 à 18 cm, l'épaisseur est comme un cheveu humain. Au cours des recherches sur ces fibres, il s'est avéré qu'elles étaient constituées de plusieurs couches concentriques clairement définies avec des propriétés optiques différentes. La partie centrale du cylindre est constituée de dioxyde de silicium pur et autour d'elle se trouvent des cylindres contenant une quantité notable de matière organique.

Les scientifiques ont été étonnés de voir à quel point les structures des fibres optiques naturelles étaient proches de ces échantillons qui avaient été développés dans les laboratoires pendant de nombreuses années. Bien que la transparence dans la partie centrale de la fibre soit légèrement inférieure à celle des meilleurs échantillons artificiels, les fibres naturelles sont plus résistantes aux contraintes mécaniques, notamment lors de la rupture et de la flexion. Ce sont ces propriétés mécaniques qui rendent vulnérables les réseaux optiques de transmission d'informations - si la fibre optique se fissure ou se casse, elle doit être remplacée, et c'est une opération très coûteuse. Les scientifiques des Bell Labs citent le fait suivant, démontrant la résistance et la flexibilité extrêmement élevées des fibres optiques naturelles: elles peuvent être nouées et en même temps elles ne perdent pas leurs propriétés optiques. De telles actions avec des fibres optiques artificielles conduiront inévitablement à la rupture ou au moins à la formation de fissures internes, ce qui signifie finalement également la perte des propriétés fonctionnelles du matériau.

Les scientifiques ne savent pas encore comment une telle création de la nature peut être reproduite en laboratoire. Le fait est que la fibre optique moderne est produite dans des fours à partir de fusion à très haute température, et les éponges de mer, naturellement, en cours de développement la synthétisent par dépôt chimique à la température de l'eau de mer. S'il est possible de simuler ce processus, il sera, entre autres, également économiquement rentable. Selon les résultats des tests, il s'est avéré que le matériau du squelette de ces éponges de 20 centimètres peut transmettre un signal numérique pas pire que les câbles de communication modernes, tandis que la fibre naturelle est beaucoup plus résistante que l'homme en raison de la présence d'une coque organique. La deuxième caractéristique qui a surpris les scientifiques est la capacité de former une telle substance à des températures d'environ zéro degré Celsius, alors que les plantes Lucent utilisent un traitement à haute température à cette fin. Les scientifiques réfléchissent maintenant à la manière d'augmenter la longueur du nouveau matériau, car les squelettes d'éponges de mer ne dépassent pas 15 cm.

Des troupeaux de termites, pour le bien de la société

En plus de développer de nouveaux matériaux, les scientifiques font constamment état de découvertes technologiques basées sur le «potentiel intellectuel» de la nature. Par exemple, en octobre 2003, le centre de recherche Xerox de Palo Alto a développé une nouvelle technologie d'alimentation pour les copieurs et les imprimantes.

Dans l'AirJet, les développeurs ont copié le comportement d'un troupeau de termites, où chaque termite prend des décisions indépendantes, mais en même temps le troupeau se dirige vers un objectif commun, par exemple, construire un nid.

Le circuit imprimé conçu par Palo Alto est équipé de plusieurs jets d'air, dont chacun fonctionne indépendamment, sans commandes du processeur central, mais en même temps, ils contribuent à la tâche globale de déplacement du papier. Il n'y a pas de pièces mobiles dans l'appareil, ce qui permet de réduire le coût de production. Chaque circuit imprimé contient 144 jeux de 4 buses, dirigées dans des directions différentes, ainsi que 32 000 capteurs optiques et microcontrôleurs (Fig. 9 annexe).

Robots qui courent et sautent

Mais les adeptes les plus dévoués de la bionique sont les ingénieurs qui conçoivent des robots. Aujourd'hui, parmi les développeurs, le point de vue est très populaire que dans le futur les robots (pour plus de détails sur la robotique, voir ici) ne pourront fonctionner efficacement que s'ils sont aussi similaires que possible aux humains. Les scientifiques et les ingénieurs supposent qu'ils devront fonctionner dans des conditions urbaines et domestiques, c'est-à-dire dans un intérieur «humain» - avec des escaliers, des portes et d'autres obstacles d'une taille spécifique. Par conséquent, au minimum, ils doivent correspondre à une personne en taille et selon les principes du mouvement. En d'autres termes, le robot doit avoir des jambes (les roues, les chenilles, etc. ne sont pas adaptées à la ville). Mais qui peut copier le dessin des pattes, sinon des animaux?

Les scientifiques de l'Université de Stanford ont avancé le plus loin dans la création de robots bipèdes bipèdes. Ils expérimentent depuis près de trois ans un robot miniature à six pattes, un hexapode, construit à partir de l'étude du système de locomotion d'un cafard.

Le premier hexapode a été construit le 25 janvier 2000 (annexe Fig. №10). Désormais, la structure tourne très vite - à une vitesse de 55 cm (plus de trois de ses propres longueurs) par seconde - et surmonte tout aussi bien les obstacles.

Stanford a également développé un monopode de saut à une jambe à taille humaine, capable de maintenir un équilibre instable tout en sautant constamment. Comme vous le savez, une personne se déplace en «tombant» d'une jambe à l'autre et passe la plupart du temps sur une jambe. À l'avenir, les scientifiques de Stanford espèrent créer un robot à deux pattes avec un système de marche humain (annexe Fig. 11).

Conclusion

Le concept de la bionique n'est en aucun cas nouveau. Par exemple, il y a 3000 ans, les Chinois ont essayé d'adopter la méthode de fabrication de la soie à partir d'insectes. Mais à la fin du XXe siècle, la bionique a trouvé un second souffle, les technologies modernes permettent de copier des structures naturelles miniatures avec une précision sans précédent. Ainsi, il y a quelques années, les scientifiques ont pu analyser l'ADN des araignées et créer un analogue artificiel d'une toile ressemblant à de la soie - le Kevlar. Dans ce document, j'ai répertorié plusieurs domaines prometteurs de la bionique moderne et donné les cas les plus célèbres d'emprunt à la nature.

Au cours de la dernière décennie, la bionique a reçu une impulsion significative pour de nouveaux développements. Cela est dû au fait que les technologies modernes passent à l'échelle giga et nanométrique et permettent de copier des structures naturelles miniatures avec une précision sans précédent. La bionique moderne est principalement associée au développement de nouveaux matériaux qui copient les analogues naturels, la robotique et les organes artificiels.

La nature offre des possibilités infinies aux ingénieurs et aux scientifiques d'emprunter des technologies et des idées. Auparavant, les gens n'étaient pas en mesure de voir ce qui se trouvait littéralement devant leur nez, mais les moyens techniques modernes et la simulation informatique aident à comprendre au moins un peu comment le monde environnant fonctionne et à essayer d'en copier certains détails pour leurs propres besoins.

application

Structure osseuse de la tête fémoraleFigure: N ° 1 Fig. N ° 10

Un monopode à taille humaine est capable de maintenir un équilibre instable, en sautant constamment (Université de Stanford) Fig. N ° 11

Bibliographie

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Kraizmer L.P., Sochivko V.P., Bionika, 2e éd., M., 1968.

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Bionique(du grec. biоn - un élément de vie, littéralement - vivant), une science à la frontière entre la biologie et la technologie, résolvant des problèmes d'ingénierie basée sur la modélisation de la structure et de l'activité vitale des organismes.

La science de la bionique est née assez récemment (en 1960), dont le but est d'aider les humains à adopter les «secrets» de la faune. La nature a créé des mécanismes vivants exceptionnellement parfaits. Les scientifiques sont attirés par la vitesse et le principe de mouvement des dauphins, baleines, calamars, araignées, taupes, kangourous, l'art des oiseaux et insectes volants, les particularités des organes de vision des mouches, des grenouilles, des organes auditifs des méduses, les «secrets» des échosondeurs de chauves-souris, les radars thermiques des serpents à sonnettes, etc. etc.

Bionics a trouvé des applications dans des domaines d'activité tels que la construction aéronautique et navale, l'astronautique, la construction mécanique, l'architecture, l'instrumentation de navigation, l'exploitation minière, etc.

La bionique dans la construction et l'industrie

Considérons quelques réalisations spécifiques de la bionique qui ont déjà été réalisées à des fins pratiques.

Les pingouins se déplacent en glissant sur la neige, poussant avec des palmes. La motoneige a été conçue de la même manière. à l'Institut polytechnique de Gorky. Couché dans la neige avec un fond large, il ne forme pas de piste, ne glisse pas et ne se coince pas.

Les constructeurs navals du monde entier ont remarqué depuis longtemps la forme d'une tête de baleine en forme de poire, qui est plus adaptée aux mouvements dans l'eau que le nez en forme de couteau des navires modernes. Comparé aux navires conventionnels, le bateau à vapeur baleine s'est avéré plus économique.

Des formes en forme de cône se trouvent dans les structures des couronnes et des troncs d'arbres, des champignons. C'est la forme qu'ont les mineurs de charbon. C'est la forme optimale pour résister aux charges de vent et à la gravité. Les architectes utilisent souvent une structure en forme de cône (tour de télévision Ostankino.)

Les structures créées par la nature sont bien plus parfaites que ce que l'homme peut faire jusqu'à présent.

Le monde des animaux vivant sous terre est riche et varié. Les vers de terre et les taupes ont des dispositifs étonnants avec lesquels ils font des passages souterrains.

Ils présentent un grand intérêt pour la création d'unités de fouille souterraine. Par exemple, un modèle original a été développé, qui, se déplaçant sous terre comme une taupe, perce un tunnel aux parois lisses et denses.

Les bioniques ont pris le principe de la structure du membre postérieur des amphibiens. Incarner cela dans un objet tel que des ailerons.

Ce ne sont là que quelques exemples de la manière dont les humains appliquent des modèles biologiques. Mais les animaux ont aussi de nombreuses autres propriétés qui sont utilisées ou peuvent l'être par l'homme: vision ultrasonique des chauves-souris, écholocation des dauphins (à une distance de 20-30 m, un dauphin indique indéniablement l'endroit où est tombée une pastille d'un diamètre de 4 mm).

1. La bionique en tant que science - histoire du développement, définitions, essence
2. Analogues des formes naturelles en médecine
3. Les principes de la bionique au service de la médecine
Conclusion
Bibliographie

1. La bionique en tant que science - histoire du développement, définitions, essence

La date officielle de naissance de l'une des nouvelles sciences qui ont émergé au XXe siècle moderne, la bionique, est considérée comme le 13 septembre 1960 - le jour d'ouverture du premier symposium national américain sur le thème «Prototypes vivants de systèmes artificiels - la clé des nouvelles technologies». Cependant, il va sans dire que la tenue d'un tel symposium n'est devenue possible que parce qu'à ce moment-là, une grande quantité de données sur les principes d'organisation et de fonctionnement des systèmes vivants avait été accumulée, ainsi que des opportunités d'utilisation pratique des connaissances acquises pour résoudre un certain nombre de problèmes techniques urgents.
Nom " bionique"Provient de la racine grecque ancienne" bion "- un élément de vie, une cellule de vie ou, plus précisément, des éléments d'un système biologique.
Immédiatement, un emblème et une devise sont apparus, portant une image symbolique de l'essence scientifique de la bionique - pour synthétiser les connaissances accumulées dans diverses sciences. Inhérent au XXe siècle. le processus intensif de séparation, la fragmentation des disciplines scientifiques, l'extrême degré de concrétisation des buts et objectifs des sciences individuelles ont conduit à l'émergence de plus d'un millier et demi de branches de connaissances. Pendant une période assez longue, une telle différenciation des connaissances a contribué au développement réussi de la plupart des branches de la science et de la technologie, mais à l'heure actuelle, la spécialisation étroite des scientifiques rend difficile la connaissance et il est urgent d'intégrer les résultats de la recherche scientifique sur la base de principes globaux et unifiés.
La première tentative d'une nouvelle unification a été la cybernétique, dont le principal principe d'intégration était l'universalité des méthodes de gestion du vivant et de l'inanimé et de leurs connexions.
Bionique à bien des égards, elle est une suite logique de la cybernétique, mais elle élimine les contradictions résultant de la spécialisation des sciences et de leur séparation, et intègre des informations hétérogènes selon l'unité de la nature vivante, ou un principe biologique. Par conséquent, l'emblème de la bionique est un scalpel et un fer à souder reliés par un signe intégral, et la devise est «Les prototypes vivants sont la clé de la nouvelle technologie».
Il n'y a toujours pas de consensus sur le contenu de la bionique - peut-être la plus populaire des jeunes sciences qui ont émergé au XXe siècle. De nombreux experts considèrent la bionique comme une nouvelle branche de la cybernétique, d'autres l'attribuent aux sciences biologiques, mais, apparemment, ceux qui distinguent la bionique comme une science indépendante ont tout à fait raison.
En nous tournant vers la définition la mieux établie, nous pouvons dire que bionique est une science qui étudie les principes de la construction et du fonctionnement des systèmes biologiques et de leurs éléments et l'application des connaissances acquises pour l'amélioration radicale de l'existant et de la création de machines, d'instruments, d'appareils, de structures de bâtiments et de processus technologiques fondamentalement nouveaux. La bionique peut également être appelée la science de la construction de dispositifs techniques, dont les caractéristiques sont aussi proches que possible des caractéristiques des systèmes vivants.
Comme la plupart des sciences, la structure de la bionique est hétérogène. Actuellement, il est courant de distinguer trois domaines méthodologiques de la bionique: biologique, mathématique (théorique) et technique.
Bionique biologique est basé sur les branches les plus différentes de la biologie et de la médecine, utilise leurs réalisations pour identifier certains principes de la nature vivante, qui peuvent être utilisés comme base pour résoudre divers problèmes d'ingénierie.
Le contenu de la bionique théorique est le développement d'un appareil mathématique pour la modélisation biologique, ainsi que des modèles mathématiques de phénomènes et processus se produisant dans les organismes vivants, les systèmes vivants ou même dans les sociétés d'organismes.
Le domaine d'activité de la bionique technique est la mise en œuvre de modèles mathématiques ou d'autres aspects de l'activité des organismes vivants, souvent obtenus au cours de recherches en bionique biologique et théorique, afin d'améliorer l'existant et de créer des moyens et des systèmes techniques totalement nouveaux qui dépassent dans leurs caractéristiques techniques déjà créées précédemment et fonctionnent en biologie. principe.
Au cours de l'évolution à long terme, la nature a créé sur Terre d'innombrables organismes vivants, dont beaucoup peuvent à juste titre être attribués à des «systèmes d'ingénierie vivants», fonctionnant de manière très précise, scientifiquement et économiquement, caractérisés par une précision étonnante, une opportunité, la capacité de répondre aux changements les plus subtils de nombreux facteurs externes. l'environnement, de se souvenir et de prendre en compte ces changements, d'y répondre par diverses réactions adaptatives.
Considérez l'application des méthodes et des solutions de la bionique en médecine - cette branche des sciences biologiques, que chaque personne rencontre plus d'une fois dans sa vie.
Bon nombre des «inventions» de la nature dans les temps anciens ont contribué à résoudre un certain nombre de problèmes techniques. Ainsi, par exemple, lors de la chirurgie oculaire, les médecins arabes ont reçu il y a plusieurs centaines d'années une idée de la réfraction des rayons lumineux lors de la transition d'un milieu transparent à un autre. L'étude du cristallin a incité les médecins de l'Antiquité à utiliser des lentilles en cristal ou en verre pour agrandir l'image, puis pour corriger la vision.
Lorsque, au cours d'un de ses voyages, Gerald Darell a été contraint d'accepter un pari dont le sens était de nommer quatre inventions exceptionnelles et de prouver que le principe qui y était énoncé était utilisé par les animaux avant que les humains n'y pensent, l'une des inventions était l'utilisation de l'anesthésie par les guêpes. Lorsque les guêpes de la route préparent de la nourriture pour les futures larves, elles utilisent des méthodes que tout médecin peut appeler des méthodes d'anesthésie par conduction - une morsure avec injection d'une substance neuroplégique (nerveuse paralytique) dans la zone des gros troncs nerveux paralyse complètement, mais ne tue pas une araignée immobile dans un nid de tremble jusqu'à l'apparition des larves de la couvée, pour lesquelles cette nourriture a été préparée.

2. Analogues des formes naturelles en médecine

De nombreux instruments médicaux ont un prototype parmi les représentants du monde vivant. L'aiguille de scarificateur, qui sert à la collecte de sang périphérique (par exemple, dans le but d'effectuer un test sanguin général, prescrit à plusieurs reprises à chacun de nous par des médecins de tous profils), est conçue selon le principe qui répète complètement la structure de la dent incisive d'une chauve-souris, dont la morsure, d'une part, diffère indolore, et d'autre part, il est toujours accompagné de saignements suffisamment sévères.
La seringue à piston familière à tout le monde imite à bien des égards l'appareil de succion du sang des insectes - un moustique et une puce, avec une piqûre dont tout le monde est assuré d'être familier. L'aiguille utilisée lors de l'opération chirurgicale, utilisée pour suturer les organes internes et les tissus d'une personne, n'a pas changé depuis plusieurs siècles sa forme d'origine - la forme des os de côtes des gros poissons, et le scalpel répète toujours la forme d'une feuille de roseau avec son tranchant naturel.
Mais ce ne sont là que les exemples les plus simples qui nous sont parvenus littéralement depuis des temps immémoriaux, et le développement moderne de la bionique concerne une variété de technologies médicales hautement développées. Un exemple typique est la technologie moderne de reconstruction et de construction de l'émail dentaire, qui est l'une des «baleines» de la dentisterie moderne et la technologie de l'extension des ongles et des cheveux utilisée en cosmétologie. La base de ces technologies est le principe de la construction d'éponges de mer, ainsi que la technique de nidification des martinets-martinets. Ces deux principes de construction sont basés sur des techniques de polymérisation chimique et de photopolymérisation.

3. Les principes de la bionique au service de la médecine

Une réalisation tout aussi importante de la bionique en médecine est l'utilisation des biocourants. Quand à la fin du XVIIIe siècle. le physiologiste italien Luigi Galvani, à la suite d'expériences sur l'anatomie des grenouilles, a découvert des biocourants qui se produisent dans les muscles pendant le mouvement; l'utilisation future des biocourants semblait limitée à la grue. Cependant, les résultats de la recherche moderne confirment exactement le contraire. Le cerveau, commandant les mouvements du bras, continue d'envoyer des biocourants aux muscles du bras - un signal électrique faible - même lorsque le segment inférieur du bras est amputé. Bien sûr, il n'y a pas de mouvement dans ce cas, car les impulsions, tombant dans la terminaison nerveuse du muscle tronqué du moignon, ne donnent que la sensation de certains mouvements, et le substrat matériel des mouvements (muscle) est absent.
Le premier modèle d'une main artificielle, contrôlée par un biopotentiel, a été fabriqué en 1957. Il avait un entraînement électromagnétique et un système très encombrant pour amplifier et convertir les signaux bioélectriques prélevés sur n'importe quel muscle. La première main artificielle ne perçoit que des signaux généraux tels que «serrer les doigts», «desserrer les doigts» et l'alternance la plus simple de ces commandes, sans percevoir des signaux de type régulateur, indiquant avec quelle force le mouvement doit être effectué. Une tentative de dire bonjour à une personne avec une telle «main de fer» aboutirait inévitablement à une blessure.
L'amélioration des prothèses contrôlées par les biocourants allait vraiment "à pas de géant", et déjà à l'été 1960, les participants au 1er Congrès international de la Fédération sur le contrôle automatique, tenu à Moscou, ont vu comment un garçon qui n'avait pas de main prenait un morceau de craie avec une main artificielle et écrivait sur le tableau clairement et clairement: "Bonjour aux participants du Congrès." Les biocourants contrôlaient la main de la prothèse, qui se serrait et se desserrait clairement. La clarté des mouvements a été obtenue, suffisante pour le bon fonctionnement de la prothèse, et le prochain objectif des scientifiques était la formation de rétroaction, la capacité de sentir la prothèse.
Un peu plus tard, lors d'une conférence bionique à Bakou, une maquette d'une main a été démontrée avec des capteurs sensibles à la pression fixés au bout des doigts, en caoutchouc conducteur ou en fil fin. Sous l'influence de la pression sur les capteurs, leurs signaux modifient la fréquence de vibration du buzzer, qui est attaché à la main près du nerf qui va au cerveau. À l'heure actuelle, les plus prometteurs sont les capteurs utilisant des vibrations osseuses et des stimuli électro-osseux, cependant, pour affiner les paramètres des signaux, ainsi que la conception des éléments agissants, un temps considérable est encore nécessaire, rempli d'expériences et de travaux de recherche.
Un autre aspect de l'utilisation des biocourants en médecine est leur utilisation dans le traitement de la parésie et de la paralysie, la correction d'un certain nombre de conditions pathologiques pendant la grossesse et éventuellement pour soulager l'état des patientes atteintes de poliomyélite et de paralysie cérébrale infantile, pour lesquelles il n'existe actuellement aucun traitement adéquat.
Les opérations les plus étendues et les plus complexes sur le cœur et le cerveau sont devenues possibles grâce à l'introduction dans la pratique médicale de la méthode de l'hypothermie contrôlée (c'est-à-dire l'hypothermie délibérée du corps opéré pour ralentir les processus métaboliques dans les tissus et les organes). Mais peu de gens savent que c'est l'hypothermie qui est à la base de l'animation suspendue et de la parobiose - un état d'hibernation profonde - pour de nombreux insectes et quelques petits rongeurs en période hivernale défavorable. Chez ces animaux, l'hypothermie vise également à ralentir les processus métaboliques dans les organes et les tissus, ce qui conduit à une consommation de substrats énergétiques plus faible qu'à l'état actif.
La méthode de locomotion de certains protozoaires est devenue le prototype pour la création d'une sonde gastro-intestinale automatique, qui est la perspective la plus intéressante et la plus prometteuse d'études instrumentales en gastroscopie.
Revenant à la prothèse des membres, il convient de noter qu'un autre type de prothèse moderne, utilisé principalement pour les prothèses des membres inférieurs, ou plutôt les prothèses à base de silicone, contient également en son sein un principe naturel - le principe de la structure hydraulique des pattes d'araignée marchant, dont les mouvements sont basés sur transition de l'état d'un colloïde biologique selon le type "gel-sol".
Dans une certaine mesure, les progrès de la bionique dans le domaine de la médecine reposent sur la structure de la personne elle-même. Ainsi, les films de perfusion appliqués sur des surfaces de brûlure étendues et servant à prévenir l'infection de la plaie imitent presque complètement la structure des couches superficielles de la peau humaine intacte, qui a des propriétés bactéricides et se caractérise par une semi-perméabilité.
Les réalisations de la bionique à bien des égards donnent l'espoir d'une certaine amélioration de l'état ou d'une compensation presque complète de la qualité de vie des patients, dont la situation était auparavant considérée comme pratiquement sans espoir.
L'une des premières étapes de cette voie est la création d'aides auditives. La perte auditive est importante et dangereuse pour une personne et conduit à une invalidité complète ou presque complète. Ce problème reste l'un des problèmes extrêmement complexes et pratiquement insolubles en médecine.
Relativement récemment, de nombreuses personnes sourdes ont eu une réelle opportunité d'entendre à l'aide d'un appareil créé sur la base de la dernière découverte des physiologistes: les vibrations basse fréquence perçues par l'oreille humaine peuvent être perçues par le nerf vivant de la dent et transmises au cerveau. Les ingénieurs radio ont créé ce qu'on appelle la «dent radio» - un système avec lequel des personnes inconnues auparavant peuvent entendre. Pour établir un tel dispositif, la présence d'un seul nerf dentaire vivant est nécessaire, et l'absence totale de nerfs dentaires vivants n'est pas typique même pour une cavité buccale totalement affectée.
La conception de l'appareil peut être décrite approximativement comme suit: un microphone miniature, qui peut être porté au poignet comme une montre, est connecté au même émetteur miniature qui convertit le son en signaux radio qui sont captés par un récepteur monté dans une dent. Le récepteur est une fine couche d'alliage semi-conducteur appliqué aux terminaisons nerveuses libres situées dans le canal. Cet alliage semi-conducteur forme un élément piézoélectrique recouvert d'une couche d'or ou d'argent sur le dessus, qui sert d'antenne. En apparence, cette conception n'est pratiquement pas différente des obturations et des couronnes métallisées, qui sont habituelles en dentisterie orthopédique moderne.
Le signal de l'émetteur radio, reçu par une telle antenne, entre dans l'élément piézoélectrique; des vibrations se produisent dans l'élément piézoélectrique, qui, excitant les terminaisons nerveuses libres de la dent, sont transmises sous forme d'influx nerveux aux centres auditifs corticaux et sous-corticaux du cerveau. Ainsi, une personne qui jusqu'à ce moment vivait dans un monde sans sons commence à entendre. Bien sûr, dans la vraie vie pour une personne équipée d'un tel appareil, un nombre important de restrictions subsistent, par exemple, dans l'utilisation des téléphones portables, ainsi que lors du travail avec des soi-disant générateurs de bruit, mais que signifient ces restrictions par rapport à une surdité complète, qui ne donne pas à une personne une réadaptation sociale complète? ...
Récemment, dans un certain nombre de pays, les études de l'identification dite quasi-auditive se sont généralisées, dans le but de créer des dispositifs simulant une prothèse auditive. Plusieurs appareils auditifs ont déjà été développés et testés. Ainsi, à l'Université de Leiden, dans le cadre d'études sur le mécanisme de perception des sons par l'homme, un modèle électronique de l'oreille (sous la forme d'un système de filtre) a été développé qui reproduit les caractéristiques de fréquence de l'oreille. La modélisation a permis d'affiner le modèle auditif et, en particulier, de combiner des phénomènes tels que la perception du timbre et des sons dans leur dynamique.
Le modèle des scientifiques américains W. Caldwell, E. Glener, J. Stewart est conçu pour analyser la dépendance de l'intensité du son de différentes fréquences dans les sons prononcés par une personne à temps afin d'identifier les signes par lesquels une personne identifie des sons, des phonèmes et des mots prononcés par différentes personnes. Ces études peuvent servir à la fois à des fins médicales en termes de création d'aides auditives plus avancées et à l'amélioration de la technologie informatique.

Conclusion

Ainsi, déjà à partir de quelques exemples, on peut conclure que la bionique joue un rôle important dans le monde scientifique moderne, et pas seulement en tant que science abstraite, non dépourvue d'une petite valeur appliquée, mais en tant que base de base de la technologie et de la technologie modernes. La nature perfectionne ses compétences en ingénierie depuis d'innombrables années, ce qui explique le raffinement détaillé, voire miniature, des fonctions et des formes des objets naturels. Une personne possède des compétences en ingénierie relativement récemment, ce qui signifie que son attrait pour les objets naturels est fondamentalement correct et promet de nombreuses choses intéressantes et inattendues à l'avenir, et détermine donc le développement de l'une des nouvelles sciences - la bionique.

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