Открыть сервисСервис

Бионика как наука и технология

Бионика — прикладная область науки и техники, изучающая принципы строения и функционирования живых организмов для создания технических устройств, материалов и систем, обладающих свойствами, аналогичными биологическим. Бионика находится на стыке биологии, физики, химии, кибернетики, инженерии и медицины; её часто определяют как «инженерную биологию» или «техническое подражание природе». Термин образован от греческого слова βίον («живое») и суффикса -ика, по аналогии с «электроникой» и «кибернетикой».

История

Отдельные попытки заимствовать у природы инженерные решения известны с древности: Леонардо да Винчи изучал анатомию птиц при проектировании летательных аппаратов. Однако как самостоятельное направление бионика оформилась в середине XX века.

Ключевой вехой считается 1960 год, когда в Дейтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, а американский инженер Джек Стил предложил сам термин «bionics». В СССР интерес к направлению возник в те же годы: в 1960-х при Академии наук СССР действовал научный совет по бионике, работы велись в области биомеханики, нейрокибернетики и технической бионики. Значительный вклад внесли советские исследователи в изучение локации летучих мышей, биомеханики движения и моделей нейронов.

Основные направления

Бионику принято делить на несколько крупных направлений.

  • Биологическая бионика изучает живые системы как источник инженерных идей: механику полёта птиц и насекомых, гидродинамику рыб, строение органов чувств.
  • Техническая бионика применяет найденные принципы для создания устройств — от «липких» покрытий до шагающих роботов.
  • Медицинская бионика занимается протезами, имплантатами и искусственными органами, сопрягаемыми с живыми тканями.
  • Нейробионика исследует взаимодействие нервной системы с электронными устройствами, включая нейроинтерфейсы.

Принципы и методы

Методологически бионика работает по схеме «биологический объект — модель — техническое устройство». Исследователь выделяет в живом организме функцию, важную для техники, описывает её математически или физически, а затем воспроизводит в искусственной системе. При этом копирование редко бывает буквальным: чаще речь идёт об аналоге, воспроизводящем принцип, а не форму.

Примеры заимствований

Биологический прототипТехническое решение
Летучая мышь (эхолокация)Гидролокатор, ультразвуковая диагностика
Кожа дельфинаСнижение гидродинамического сопротивления судов
Строение крыла птицыОбтекаемые профили, машущий полёт
Глаз насекомого (фасетка)Мозаичные датчики, широкоугольная оптика
Лапа гекконаСухие адгезивные покрытия
Строение стебля растенийЛёгкие прочные конструкции

Отдельное направление — биомиметика, которую иногда рассматривают как синоним технической бионики или как более широкое понятие, охватывающее также подражание химическим и материаловедческим свойствам живого (например, создание самоочищающихся поверхностей по образцу листа лотоса).

Применение

Бионические принципы используются в робототехнике (шагающие и ползающие роботы, «мягкие» манипуляторы), в авиации и судостроении, в архитектуре (лёгкие пространственные конструкции), в медицине (бионические протезы рук и ног с управлением от мышц и нервов), в сенсорике и в материаловедении. В России разработки в области бионических протезов и экзоскелетов ведут инженерные и медицинские центры, а также университеты.

Значение и ограничения

Бионика позволяет находить нестандартные инженерные решения там, где традиционные подходы исчерпаны, и сокращает путь от идеи до устройства за счёт «подсказок» природы. Вместе с тем прямое копирование ограничено: живые системы оптимизированы под иные условия, материалы и масштабы, поэтому бионические аналоги часто сложнее и дороже классических. Развитие направления связано с прогрессом в микроэлектронике, материаловедении и вычислительном моделировании.

Источники: Большая российская энциклопедия; материалы симпозиумов по бионике; обзоры по биомиметике и биомеханике.

Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru