Біоніка – наука майбутнього

Біоніка – наука майбутнього

Поняття біоніки

Біоніка (від грец. Biфn - елемент життя, буквально - що живе) - прикладна наука про застосування в технічних пристроях і системах принципів організації, властивостей, функцій і структур живої природи, тобто форми живого в природі і їх промислові аналоги.

Предмет біоніки відомий під різними назвами: наприклад, в Америці зазвичай використовується термін «биоміметика», але іноді говорять про біогенезу. Суть цього перспективного науково-технологічного напрямку полягає в тому, щоб запозичити у природи цінні ідеї та реалізовувати їх у вигляді оригінальних конструкторських і дизайнерських рішень, а також нових інформаційних технологій.

В останнє десятиліття біоніка отримала значний імпульс до нового розвитку. Це пов'язано з тим, що сучасні технології переходять на гіга- і нанорівень і дозволяють копіювати мініатюрні природні конструкції з небувалою раніше точністю. Сучасна біоніка в основному пов'язана з розробкою нових матеріалів, які копіюють природні аналоги, робототехнікою і штучними органами.

Розумна природа

Головна відмінність людських інженерних конструкцій від тих, що створила природа, складається в неймовірною енергоефективності останніх. Вдосконалюючись і еволюціонуючи протягом мільйонів років, живі організми навчилися жити, пересуватися і розмножуватися з використанням мінімальної кількості енергії. Цей феномен заснований на унікальному метаболізмі тварин і на оптимальному обміні енергією між різними формами життя. Таким чином, запозичуючи у природи інженерні рішення, можна істотно підвищити енергоефективність сучасних технологій.

Природні матеріали найдешевші і поширені у величезній кількості, а їх «якість» значно краще тих, що зроблених людиною. Так, матеріал оленячого рогу значно міцніше найкращих зразків керамічного композиту, які вдається розробити людям. При цьому людина використовує досить неефективні енергоємні процеси для отримання тих чи інших надміцних речовин, а природа робить їх набагато більш інтелектуальними і ефективними способами. Для цього використовуються навколишні натуральні речовини (цукру, амінокислоти, солі), але із застосуванням «ноу-хау» - оригінальних дизайнерських і інженерних рішень, надефективних органічних каталізаторів, які в багатьох випадках поки не доступні розумінню людини. Біоніка, в свою чергу, займається вивченням і копіюванням природних «ноу-хау».

Дизайн природних конструкцій теж не йде ні в яке порівняння зі спробами людини сконструювати щось схоже на природну ефективність. Форма біологічного об'єкта (наприклад, дорослого дерева) зазвичай створюється в результаті тривалого адаптивного процесу, з урахуванням багаторічного впливу як дружніх (наприклад, підтримка з боку інших дерев в лісі), так і агресивних чинників. Процеси зростання і розвитку включають інтерактивне регулювання на клітинному рівні. Все це в сукупності забезпечує неймовірну міцність виробу протягом усього життєвого циклу. Така адаптивність в процесі формоутворення призводить до створення унікальної адаптивної структури, званої в біоніці інтелектуальною системою. У той же час нашої промисловості поки недоступні технології створення інтелектуальних систем, які взаємодіють з навколишнім середовищем і можуть пристосовуватися, змінюючи свої властивості.

В англомовній і перекладній літературі частіше вживається термін биоміметика (від лат. Bios - життя, і mimesis - наслідування) в значенні - підхід до створення технологічних пристроїв, при якому ідея і основні елементи пристрою запозичуються з живої природи. Одним з вдалих прикладів биоміметики є широко поширена "липучка", прототипом якої стали плоди рослини реп'яхи, що чіплялися за шерсть собаки швейцарського інженера Жоржа де Местраль.

Види біоніки

Розрізняють такі види біоніки:

• біологічну біоніку, що вивчає процеси, що відбуваються в біологічних системах;
• теоретичну біоніку, яка будує математичні моделі цих процесів;
• технічну біоніку, яка застосовує моделі теоретичної біоніки для вирішення інженерних завдань.

Тисячоліттями люди жили серед живої природи, мільйонів відтінків кольорів, незліченної різноманіття форм, але останнім часом чоловік, майже насильно занурений в жорстке урбаністичне середовище, навчився захоплюватися естетикою металу і асфальту, синтетичними ароматами міста та сизим смогом. Ці та інші явища стали джерелом натхнення фотографів, художників і модельєрів, а також дизайнерів, завдяки яким хай-тек кілька років залишався на піку інтер'єрної моди. Проте, ми страждаємо, часом неусвідомлено, від нестачі чистих яскравих фарб і химерних форм живих рослин. Частково заповнити хоча б у себе вдома брак природної краси допомагають елементи інтер'єру в стилі біоніка.

Ідея застосування знань про живу природу для вирішення інженерних завдань належить Леонардо да Вінчі, який намагався побудувати літальний апарат з махають крилами, як у птахів: орнітоптер.

Поява кібернетики, що розглядає загальні принципи управління і зв'язку в живих організмах і машинах, стало стимулом для більш широкого вивчення будови і функцій живих систем з метою з'ясування їх спільності з технічними системами, а також використання отриманих відомостей про живі організми для створення нових приладів, механізмів, матеріалів і т.п.

Біоніка як наука

У 1960 в Дайтоні (США) відбувся перший симпозіум з біоніки, який офіційно закріпив народження нової науки.

Біоніка тісно пов'язана з біологією, фізикою, хімією, кібернетикою і інженерними науками: електронікою, навігацією, зв'язком, морською справою та іншими.

Біоніка - це наука, що вивчає принципи організації і функціонування біологічних систем на молекулярному, клітинному і популяційному рівнях.

Біоніка - наука міждисциплінарна, "наука-перехрестя", в ній відбиваються особливості науково-технічної революції в формі інтеграції різних за своїм призначенням і методам наук.

Біоніка синтезує знання в біології і кібернетиці, фізиці і радіотехніці, математики та електроніці, ботаніки та архітектури, біохімії і механіці, психології та біофізики і т.д.

Біоніка з'єднує різнорідні знання відповідно до законів єдності живої природи.

Біонічний підхід, покладений в основу створення концепт-проекту "Апельсин", перегукується з ідеями, висунутими свого часу основоположниками "Російського Авангарду".

У XX столітті "біонічні ідеї" отримали розвиток в авангардних проектах багатьох діячів різних видів мистецтва. У 1916 році класик Казимир Малевич відзначив: "Предмети зникли, як дим; в ім'я нової художньої культури мистецтво прагне і до автономії творіння - до пріоритету форм природи". А в 1920-і роки Лазар Хідекель, учень Шагала і Малевича, автор першого в історії архітектурно-екологічного маніфесту "АЕРО", написав: "Зароджується нова, більш висока цивілізація, де майбутня архітектура повинна ґрунтуватися на своїх законах, які не руйнують природне середовище , а вступають в благотворний просторове взаємодія з навколишньою природою ".

Так, наприклад, гнучкість, властиву людського тіла, стали використовувати не тільки художники і архітектори, а й авангардисти сценічного мистецтва, вибудовуючи з акторів живі декорації до своїх спектаклів. Звернення до природних витоків знайшло яскраве вираження в акторській школі знаменитого режисера Всеволода Мейєрхольда. Його актори проходили спеціальне навчання в експериментальній майстерні, де основним предметом була біомеханіка. Мейєрхольд прагнув надати видовищу геометричну точність форми, акробатичну легкість і спритність, спортивну виправку. Ці ж біомеханічні принципи мистецтва він продовжував розвивати в своєму журналі "Любов до трьох апельсинів", де в ряді статей багато уваги приділялося ідеї виховання актора, впевнено володіє своїм тілом, голосом, здатного в потрібному темпі і ритмі виконати будь-яке

Архітектурна біоніка

У світовій архітектурній практиці за минулі 40 років використання закономірностей формоутворення живої природи набуло нової якості і отримало назву архітектурно-біонічного процесу і стало одним з напрямків архітектури хай-тека.

Архітектурно-біонічна практика породила нові, незвичні архітектурні форми, доцільні в функціонально-утилітарному відношенні і оригінальні за своїми естетичними якостями. Це не могло не викликати до них інтересу з боку архітекторів та інженерів.

Біоніка походить від грецького слова, що означає "елемент життя". Воно послужило основою назви напряму в науці, що займається вивченням можливості використання в техніці певних біологічних систем і процесів.

Архітектурна біоніка подібна до технічної біонікою; проте, вона настільки специфічна, що утворює самостійну галузь і вирішує не тільки технічні, але головним чином архітектурні проблеми.

Найбільш складним етапом освоєння в архітектурі природних форм є час від середини XIX і до початку XX в. На ньому позначилися бурхливий розвиток біології і небувалі успіхи в порівнянні з попереднім періодом будівельної техніки (наприклад, винахід залізобетону і початок інтенсивного застосування скла і металевих конструкцій). Досліджуючи цей етап, необхідно звернути особливу увагу на появу такої значної за своєю силою течії в архітектурі, як "органічна архітектура". Напрямок "органічної архітектури" - напрямок функціоналізму.

В ім'я економії людина у виробничій діяльності завжди використовує будь-які представилися можливості. З прогресом ця вимога все більше загострюється. Сучасна наука дозволила заглибитися в закони розвитку живої природи, а техніка дала можливість моделювати живі структури. В результаті в архітектурі в кінці 40-х років з'явилися форми, які відтворюють на свідомої наукової і технічної основі конструктивні структури живої природи.

Велику роль в 90-і роки зіграло несподіване стрімке вторгнення в наше життя комп'ютерних технологій. Культурні довгострокові наслідки цього "тихого перевороту" поки ще важко передбачити, але в напрямку їх прояснення рухається думка представників нового покоління. Завдяки комп'ютеру можливо описати складний біологічний об'єкт, наприклад, людський скелет на звичному для архітектора мовою робочого креслення.

Від функцій до форми і до закономірностей формоутворення - такий основний шлях архітектурної біоніки.

Важливим моментом, що зіграв свою роль в зверненні архітекторів і конструкторів до живої природи, стало впровадження в практику просторових конструктивних систем, вигідних в економічному відношенні, але складних у сенсі їх математичного розрахунку. Прообразами цих систем у багатьох випадках були структурні форми природи. Такі форми почали успішно застосовуватися в різних типологічних областях архітектури, в будівництві великопрольотних і висотних споруд, створенні швидко трансформуються конструкцій, стандартизації елементів будівель і споруд і т.д.

Використання конструктивних систем природи проклало дорогу іншим напрямкам архітектурної біоніки. В першу чергу це стосується природних засобів "ізоляції", які можуть бути застосовані в організації сприятливого мікроклімату для людини в будівлях, а також в містах.

Архітектурна біоніка покликана не тільки вирішувати функціональні питання архітектури, але відкривати перспективи в пошуках синтезу функції і естетичної форми архітектури, вчити архітекторів мислити синтетичними формами і системами.

Підводячи підсумок історичних передумов архітектурної біоніки, можна сказати, що Архітектурна біоніка як теорія і практика склалася в процесі еволюції специфічної зв'язку архітектури і живої природи і що це явище не випадкове, а історично закономірне.

Специфічна риса сучасного етапу освоєння форм живої природи в архітектурі полягає в тому, що зараз освоюються не просто формальні сторони живої природи, а встановлюються глибокі зв'язки між законами розвитку живої природи та архітектури. На сучасному етапі архітекторами використовуються не зовнішні форми живої природи, а лише ті властивості і характеристики форми, які є виразом функцій того чи іншого організму, аналогічні функціонально-утилітарних сторін архітектури.

Розвиток біоніки

В останні роки біоніка підтверджує, що більшість людських винаходів вже "запатентовано" природою. Такий винахід XX століття, як застібки "блискавка" і "липучки", було зроблено на основі будови пера птиці. Борідки пера різних порядків, оснащені гачками, забезпечують надійне зчеплення. Відомі іспанські архітектори М.Р. Сервера і Х. Плоз, активні прихильники біоніки, з 1985 р почали дослідження "динамічних структур", а в 1991 р організували "Товариство підтримки інновацій в архітектурі". Група під їх керівництвом, до складу якої увійшли архітектори, інженери, дизайнери, біологи і психологи, розробила проект "Вертикальний біонічний місто-вежа". Через 15 років в Шанхаї повинен з'явитися місто-вежа (за прогнозами вчених, через 20 років чисельність Шанхая може досягти 30 млн чоловік). Місто-вежа розрахований на 100 тисяч осіб, в основу проекту покладено "принцип конструкції дерева".

Вежа-місто буде мати форму кипариса висотою 1228 м з обхватом біля основи 133 на 100 м, а в найширшій точці 166 на 133 м. У вежі буде 300 поверхів, і розташовані вони будуть в 12 вертикальних кварталах по 80 поверхів (12 x 80 = 960; 960! = 300). Між кварталами - перекриття-стяжки, які грають роль несучої конструкції для кожного рівня-кварталу. Усередині кварталів - різновисокі будинку з вертикальними садами. Ця ретельно продумана конструкція аналогічна будові гілок і всієї крони кипариса. Стояти вежа буде на пальовій фундаменті за принципом гармошки, яка не заглиблюється, а розвивається в усі сторони під час набору висоти - аналогічно тому, як розвивається коренева система дерева. Вітрові коливання верхніх поверхів зведені до мінімуму: повітря легко проходить крізь конструкцію вежі. Для облицювання вежі буде використаний спеціальний пластичний матеріал, що імітує пористу поверхню шкіри. Якщо будівництво пройде успішно, планується побудувати ще кілька таких будинків-міст.

В архітектурно-будівельної біоніки велика увага приділяється новим будівельним технологіям. Наприклад, в області розробок ефективних і безвідходних будівельних технологій перспективним напрямком є ​​створення шаруватих конструкцій. Ідея запозичена у глибоководних молюсків. Їх міцні мушлі, наприклад у широко поширеного "морського вуха", складаються з чергуються жорстких і м'яких платівок. Коли жорстка пластинка тріскається, то деформація поглинається м'яким шаром і тріщина не йде далі. Така технологія може бути використана і для покриття автомобілів.

Біоформи в інтер'єрі

Біоніка - порівняно новий напрям. Багатьом здається, що становлення цієї течії почалося з винаходу нових матеріалів, вироблених завдяки сучасним продуктам органічної хімії - полімерів. Нові матеріали мають високу міцність, пластичність і одночасно дуже легкі, причому їх властивостями досить легко управляти, отримуючи потрібний матеріал. Зокрема теплопровідність у полімерів може бути як абсолютною, так і навпаки. Є ряд полімерів, які взагалі не пропускають тепла, і є найсильнішими теплоізоляторами, зокрема на багатьох нових кухонних електроплитках вже стоять скла, які практично не нагріваються від тепла духовки - це все новітні розробки в галузі органічної хімії. З вуглецю планують робити навіть напівпровідники, які незабаром повинні будуть замінити застарілі кремнієві процесори в наших комп'ютерах, підвищивши їх функціональність і довговічність в кілька сот разів. Однак при всіх чудодійні властивості полімерів не можна сказати, що саме вони були причиною виникнення нової течії.

Біонічні форми, природні стилізації можуть бути застосовані як до всієї предметної середовищі інтер'єру в цілому, так і до окремих предметів дизайну. Перше враження про біонічних світильниках - вони вибиваються з ряду геометрично правильних форм.

Так, якщо взяти будь-яку класичну люстру в стилі модерн або класика, з кришталевими підвісками, кованими елементами, - побіжного погляду вистачає, щоб побачити в її підставі чітку геометрію і обов'язково - симетрію. У біоніці цього немає. Її область - незвичайні форми, нелогічні лінії.

Такі роботи можна розглядати годинами, намагаючись вгадати, що за образи заховані в них: заплуталася в мережах золота рибка або сховався в густій ​​траві крихітний жучок-світлячок. У біоніці, як і в хай-теке, часто саме з'єднання жорстких матеріалів - скла, металу - народжує дивно теплі і живі картини.Але природа - це не тільки квіти, плоди і листя. Це і шум моря і різні морські створення. Цю тему детально відтворює в своїх виробах ізраїльська компанія Aqua Creations.

 Її дизайнерів надихає підводний світ теплих морів: медузи, актинії, корали, водорості, молюски, черепашки - чиї тільки обриси не побачиш в світильниках. Тільки уявіть: увійшовши до свого житла, ви відчуваєте себе зануреним у чудовий світ, наповнений світлом фантастичною лампи. У цьому світлі постають химерні силуети і здається, що підводне середовище живе і рухається за своїми законами.

Висновок

Біоніка має багаті історичні передумови і сьогодні відіграє значну роль в дизайні, як одне з найсучасніших і перспективних напрямків дизайну, що дає практичні необмежені можливості для створення предметного середовища інтер'єрів, самих інтер'єрів і архітектурних споруд.

Біонічні форми проникли в наше повсякденне життя і ще довгий час будуть грати в ній значну роль. Вивчення природи людством ще далеко не закінчено, але ми вже отримали у природи безцінні знання про раціональне будові і формоутворенні, що, безумовно, доводить актуальність і перспективність вивчення дисципліни в усіх її аспектах.

Список використаної літератури

1. Моделювання в біології, пер. з англ., під ред. Н.А. Бернштейна, М., 1963.

2. www.ru. wikipedia.org.

3. www.artodocs.ru.

4. www.tepldom.com.

5. antrakt. ng.ru.

6. www.gigart.ru.