Другими словами, человек, набравшись какого-никакого опыта, решает опереться только на самые надежные и проверенные принципы. Рассмотрим несколько интересных примеров.

Уровень развития современных нанотехнологий позволил ученым реализовать технологию NanoForceGripper. Она базируется на принципе работы ящерицы-геккона, который, как известно, может прилепиться к любой твердой поверхности. Подобные нанотехнологии используются в изготовлении нано-ковриков для автомобилей или для изготовления специальных корпусов для смартфонов и планшетов.

1.3. Современные открытия

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время существуют технологические открытия, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В новой печатной схеме AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

---

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стэндфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стэндфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/с.

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.

Монопод ростом с человека способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая (Стэндфордский университет).

В Стэнфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стэнфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы.

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

---

Следующее открытие в бионике -Плод дурнишника прицепился к рубашке:

Данное знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды.

Глава 2. Основные направления бионики



В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития. Основными направлениями бионики считаются следующие.

• 
  Изучение и моделирование нейронов, нейронных сетей нервных центров, принципов организации мозга с целью их использования в технических системах.
  
• 
  Изучение принципов повышения надежности биологических систем, их резервирования и способности к адаптации.
  
• 
  Изучение органов зрения, слуха и обоняния с целью их моделирования.
  
• 
  Изучение систем навигации, локации, ориентации и стабилизации движения у животных в целях создания принципиально новых технических устройств.
  
• 
  Изучение методов кодирования, передачи и обмена информацией в биологических системах на уровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярном уровне с целью создания новых средств связи.
  
• 
  Разработка методов изучения психофизиологических возможностей и способностей человека, оптимальных методов обучения и тренировки, облегчения работы человека-оператора, контроля и прогнозирования его состояния (бионические аспекты проблемы «человек–машина»).
  
• 
  Изучение гидродинамических свойств рыб и китообразных, аэродинамических характеристик насекомых и птиц, рыхлящих и землеройных приспособлений животных с последующим моделированием в авиа и судостроении, робототехнике.
  
• 
  Получение энергии в технических системах по аналогии с биологическими, в том числе непосредственно от биологических систем.
  
• 
  Разработка биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологиях производства сложных органических веществ.
  

---

Глава 3. Примеры бионического проектирования машиностроительных изделий

1. Инструмент для лезвийной обработки и разделительных операций

Мандибулы или жвалы грызущего ротового аппарата насекомых стали прототипами бионической конструкции зуба для пил (рис. 1). Кроме них примером стали кузнечики и саранча, которые непосредственно употребляют в пищу те самые растения, которые необходимо разделить. Подобные пилы применяют для разделения стеблей конопли, бамбука, тростника, кукурузы и других видов прочных материалов растительного происхождения.

(рис.1)

2. 
   Станкостроение
   

Основной проблемой формообразующих (прессы, автоматы) и обрабатывающих (станки с ЧПУ) машин является жёсткость конструкции, которая должна не только противостоять механическим нагрузкам, но и не создавать избыточные вибрации в процессе работы. Так, для пятикоординатных обрабатывающих центров, выполненных по компоновке «Верхний Гентри» с подвижной поперечной траверсой (поперечина) и жёсткими крепёжными плитами (рабочий стол), было предложено решение, основанное на структурах, встречающихся в природе: жилкование листов и строение стеблей растений (рис. 2). Для пятиосевого шлифовального станка при проектировании основной колонны к описанным выше аналогам был добавлен структурный аналог грудной клетки скелета человека (рис. 3).



Рис. 2. Пятикоординатный обрабатывающий центр (а), подвижная поперечина (б), рабочий стол (в), природный аналог — растение семейства кувшинковых — виктория амазонская (регия), жилкование листа.



Рис. 3. Снижение веса элементов шлифовального станка: эскиз станка с указанием степеней свободы (а), оптимизируемый элемент (б) и природные аналоги при проведении оптимизации.



Рис. 4. Топологическая оптимизация (ТО) поперечины пресса: конечно-­элементный анализ конструкции станины пресса с исходной и оптимизированной поперечиной, показано поле перемещений в вертикальном направлении (а), ТО в программах/решателях NX Nastran, Tosca и Frustum (б, в, г соответственно).

---

Эти решения позволили повысить устойчивость всей конструкции машины к частотам первой моды, соответствующей направлению обработки материала детали, снизить вес конструкции и сохранить её жёсткость.

Выводы

Имеющийся во всём мире интерес к пересмотру подходов конструирования деталей машин, производственного оборудования и транспортных средств приводит к появлению новых решений, ассоциированных с конкретной областью реальной эксплуатации детали. Применение современного компьютеризированного оборудования, совмещение традиционных и новых технологий заготовительного производства позволяет достичь новых результатов.

Список литературы

1. 
   http://biologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000004/st001.shtml
   
2. 
   https://bio.1sept.ru/article.php?ID=200501103
   
3. 
   https://ritm-magazine.com/en/node/13391
   
4. 
   https://moluch.ru/archive/90/18343/
   
5. 
   Л. Жерарден. Бионика. Пер. с фр. М. Н. Ковалевой. Под ред. В. И. Гусельникова. М.: Мир. 1971. С. 232.
   
6. 
   А. Гийо, Ж.-А. Мейе. Бионика. Когда наука имитирует природу. Пер. с фр. М.: Техносфера. 2013. С. 280.
   
7. 
   W. Nachtigall, A. Wisser. Bionics by Examples, Springer International Publishing Switzerland 2015. Р. 325.
   

Видео ресурсы:

1. 
   Бионика. Видеоурок: [Электронный ресурс] // InternetUrok/ru. URL: https://interneturok.ru/lesson/biology/11-klass/vzaimodeystvie-cheloveka-i-prirody/bionika (Дата обращения: 14.08.2021).
   
2. 
   Использование знаний, полученных на занятиях по дисциплине «Бионика», в специальности. Бионика: определение и основные понятия [Электронный ресурс] // Яндекс. URL: https://yandex.ru/video/preview/?filmId=10570900078070837082&from=tabbar&reqid=1606063277393352-1620869683420666899500154-man2-6001&suggest_reqid=350466586158566627533286421407186&text=биотехнология+для+машиностроения(Дата обращения: 14.08.2021).
   
3. 
   Строительная бионика. Конструкции и тектонические формы высотных сооружений. Тектоника в природе и технике [Электронный ресурс] // Яндекс. URL: https://yandex.ru/video/preview/?filmId=17775453578994317949&from=tabbar&parent-reqid=1612674050106744-50037864298963235400274-prestable-app-host-sas-web-yp-144&text=строительная+бионика (Дата обращения: 14.08.2021)
   
4. 
   Бионика. Способы передвижения [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=o8Rx4JUjHyM (Дата обращения: 14.08.2021)
   
5. 
   Бионика. Насекомые [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=wBiOvn-a6qQ(Дата обращения: 14.08.2021)
   
6. 
   Бионика. Власть паутины [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=qa0GRv41550(Дата обращения: 14.08.2021)
   
7. 
   Бионика. Невидимые [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=S3TFAOk2NnA (Дата обращения: 14.08.2021)
   
8. 
   Бионика. Подводный мир [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=cpxWAyz2BgM(Дата обращения: 14.08.2021)
   
9. 
   Бионика. Рожденные ползать [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=zCHtDhZiI7k (Дата обращения: 14.08.2021)
   
10. 
    Бионика. Растения [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=5cl_vmiVbxQ (Дата обращения: 14.08.2021)
    
11. 
    Бионика. Живые радары [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=cS7BldXTMmM (Дата обращения: 14.08.2021)
    
12. 
    Бионика. Выше неба [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=MHqaKJoHkRY (Дата обращения: 14.08.2021)
    
13. 
    Бионика. Дельфины [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=N45qXoXvzek (Дата обращения: 14.08.2021)
    
14. 
    Бионика. Загадки зрения [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=IZZr9CPPM0w (Дата обращения: 14.08.2021)
    
15. 
    Бионика. Инстинкты [Электронный ресурс] // youtube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=msBXB7ZKqCQ (Дата обращения: 14.08.2021)
    
16. 
    Биомеханика как научная дисциплина — Андрей Цатурян - поиск Яндекса по видео (yandex.ru)
    
17. 
    Основы биомеханики - поиск Яндекса по видео (yandex.ru)
    

---

Смотрите также файлы

• План лекции Классификация синдромов.pdf

• Муниципальное общеобразовательное учреждение Сусанинская средняя общеобразовательная школа Школа Минпросвещения России новые возможности для повышения качества образования.ppt

• Магистрант Таырыптары.docx

• Возрастная анатомия, физиология и гигиена (ДО, СпДО, 2 часть).docx

• Урок как форма организации обучения.pdf