Loodus ja inimesed ehitavad samade seaduste järgi, järgides materjali kokkuhoiu põhimõtet ja valides loodavatele süsteemidele optimaalseid konstruktsioonilahendusi (koormuse ümberjaotus, stabiilsus, materjali, energia kokkuhoid).
Teadust, mis uurib elusorganismide ehitust ja toimimist, et kasutada seda inseneriprobleemide lahendamiseks ning uute seadmete ja mehhanismide loomiseks, nimetatakse bioonikaks (kreeka sõnast bios “elu”). Seda terminit kasutati esmakordselt 13. septembril 1960 Daytonas Ameerika riiklikul sümpoosionil “Elavad prototüübid – uue tehnoloogia võti” ja see tähistas uut teaduslikku suunda, mis tekkis bioloogia ja inseneriteaduse ristumiskohas. Leonardo da Vincit peetakse bioonika esiisaks. Tema joonised ja skeemid lennukitest põhinevad linnutiiva ehitusel.
Pikka aega arenes bioonika hüppeliselt. Algul leidsid insenerid ja disainerid probleemile eduka lahenduse ning mõne aja pärast avastati, et elusorganismidel on sarnased disainilahendused ja reeglina optimaalsed.
Tänapäeval on bioonikul mitu suunda. Arhitektuuri- ja ehitusbioonika uurib eluskudede tekke ja struktuuri kujunemise seaduspärasusi, analüüsib elusorganismide struktuurisüsteeme materjali-, energiasäästu ja töökindluse tagamise põhimõttel. Neurobioonika uurib aju talitlust ja mälumehhanisme. Intensiivselt uuritakse loomade meeleelundeid ja sisemisi keskkonnareaktsiooni mehhanisme nii loomadel kui taimedel.
Ilmekas näide arhitektuuri- ja ehitusbioonikast on teraviljavarte ja kaasaegsete kõrghoonete struktuuri täielik analoogia. Teraviljataimede varred taluvad suuri koormusi ilma õisiku raskuse all murdumata. Kui tuul need maapinnale painutab, taastavad nad kiiresti oma vertikaalse asendi. Mis on saladus? Selgub, et nende struktuur sarnaneb tänapäevaste kõrghoonete tehasetorude konstruktsiooniga - üks inseneriteaduse uusimaid saavutusi. Mõlemad konstruktsioonid on õõnsad. Taime varre sklerenhüümi kiud toimivad pikisuunalise tugevdusena. Tüvede sõlmevahed on jäikusrõngad. Varre seintel on ovaalsed vertikaalsed tühimikud. Toruseinad on sama disainilahendusega. Teraviljataimede varre toru välisküljele asetatud spiraaltugevduse rolli täidab õhuke nahk. Konstruktiivse lahenduseni jõudsid insenerid aga ise, loodusesse “vaatamata”. Struktuuri identiteet selgus hiljem.
Viimastel aastatel on bioonika kinnitanud, et enamik inimeste leiutisi on looduse poolt juba “patenteeritud”. 20. sajandi leiutis, nagu tõmblukud ja takjapael, valmistati linnu sulgede struktuuri põhjal. Erinevat sorti konksudega sulghabemed tagavad usaldusväärse haarde.
Kuulsad Hispaania arhitektid M.R. Cervera ja H. Ploz, aktiivsed bioonika pooldajad, alustasid dünaamiliste struktuuride uurimist 1985. aastal ja 1991. aastal korraldasid nad organisatsiooni "Arhitektuuriinnovatsiooni toetamise ühingu". Nende juhitud rühm, kuhu kuulusid arhitektid, insenerid, disainerid, bioloogid ja psühholoogid, töötas välja projekti "Vertical Bionic Tower City". 15 aasta pärast peaks Shanghaisse kerkima tornlinn (teadlaste hinnangul võib 20 aasta pärast Shanghai elanikkond ulatuda 30 miljoni inimeseni). Tornilinn on mõeldud 100 tuhandele inimesele, projekt lähtub “puitehituse põhimõttest”.
Linnatorn saab olema küpressi kujuga kõrgusega 1128 m, ümbermõõduga aluse juures 133 x 100 m ja kõige laiemas kohas 166 x 133 m. Tornil on 300 korrust ja need on asub 12 vertikaalses 80-korruselises plokis. Plokkide vahel on tasanduspõrandad, mis toimivad iga plokitasandi kandekonstruktsioonina. Plokkide sees on erineva kõrgusega majad koos vertikaalsete aedadega. See keerukas disain sarnaneb küpressipuu okste ja kogu võra struktuuriga. Torn hakkab seisma akordioni põhimõttel vaivundamendil, mis ei ole maetud, vaid areneb kõrgust kasvades igas suunas – sarnaselt puu juurestiku arenemisele. Tuule kõikumine ülemistel korrustel on viidud miinimumini: õhk läbib torni konstruktsiooni kergesti. Torni katmiseks kasutatakse spetsiaalset plastmaterjali, mis imiteerib naha poorset pinda. Kui ehitamine õnnestub, on plaanis ehitada veel mitu sellist hoonet-linna.
Arhitektuuri- ja ehitusbioonikas pööratakse suurt tähelepanu uutele ehitustehnoloogiatele. Näiteks tõhusate ja jäätmevabade ehitustehnoloogiate arendamise valdkonnas on perspektiivikas suund kihtkonstruktsioonide loomine. Idee on laenatud süvamere molluskitelt. Nende vastupidavad kestad, näiteks laialt levinud abalooni omad, koosnevad vaheldumisi kõvadest ja pehmetest plaatidest. Kõva plaadi pragunemisel neeldub pehme kiht deformatsiooni ja pragu ei lähe kaugemale. Seda tehnoloogiat saab kasutada ka autode katmiseks.
Neurobioonika peamised valdkonnad on inimeste ja loomade närvisüsteemi uurimine ning närvirakkude-neuronite ja närvivõrkude modelleerimine. See võimaldab täiustada ja arendada elektroonika- ja arvutitehnoloogiat.
Elusorganismide närvisüsteemil on inimese leiutatud kõige kaasaegsemate analoogide ees mitmeid eeliseid:
1. Paindlik välisteabe tajumine, olenemata sellest, millisel kujul see tuleb (käekiri, font, värv, tämber jne).
2. Kõrge töökindlus: tehnilised süsteemid ebaõnnestuvad, kui üks või mitu osa laguneb ja aju jääb tööle isegi siis, kui isegi mitusada tuhat rakku sureb.
3. Kääbus. Näiteks inimese ajuga sama arvu elementidega transistorseade võtaks enda alla umbes 1000 m 3, meie aju aga 1,5 dm 3.
4. Ökonoomne energiatarbimine – erinevus on lihtsalt ilmne.
5. Kõrge iseorganiseerumisaste – kiire kohanemine uute olukordadega ja tegevusprogrammide muutustega.
Eiffeli torn ja sääreluu Prantsuse revolutsiooni 100. aastapäevaks korraldati Pariisis maailmanäitus. Selle näituse territooriumile kavatseti püstitada torn, mis sümboliseeriks nii Prantsuse revolutsiooni suurust kui ka uusimaid tehnoloogilisi saavutusi. Konkursile esitati üle 700 projekti, parimaks tunnistati sillainsener Alexandre Gustave Eiffeli projekt. 19. sajandi lõpul oma looja järgi nime saanud torn hämmastas oma ažuursuse ja iluga kogu maailma. 300-meetrisest tornist on saanud omamoodi Pariisi sümbol. Käisid jutud, et torn ehitati tundmatu araabia teadlase jooniste järgi. Ja alles enam kui pool sajandit hiljem tegid bioloogid ja insenerid ootamatu avastuse: Eiffeli torni konstruktsioon kordab täpselt sääreluu struktuuri, mis suudab kergesti taluda inimkeha raskust. Isegi kandepindade vahelised nurgad langevad kokku. |
Mälumehhanismide uurimine viib "mõtlevate" masinate loomiseni keerukate tootmis- ja juhtimisprotsesside automatiseerimiseks.
Juba ammu on teada, et linnud, kalad ja putukad reageerivad ilmamuutustele väga tundlikult ja täpselt. Pääsukeste madallend ennustab äikesetormi. Kui meduusid kalda lähedale kogunevad, saavad kalurid teada, et nad saavad kala püüda, meri on rahulik. "Biosünoptilised" loomad on loomulikult varustatud ainulaadsete ülitundlike "seadmetega". Bioonika ülesanne pole mitte ainult neid mehhanisme leida, vaid ka mõista nende tegevust ja luua see uuesti elektroonilistes vooluringides, seadmetes ja struktuurides.
Kalade ja lindude keeruka navigatsioonisüsteemi uurimine, mis läbib rände ajal tuhandeid kilomeetreid ja naaseb eksimatult oma kohtadele kudemiseks, talvitumiseks ja tibude kasvatamiseks, aitab kaasa ülitundlike jälgimis-, juhtimis- ja objektituvastussüsteemide arendamisele.
Praegu annavad loomade ja inimeste analüütiliste süsteemide uuringud suure panuse teaduse ja tehnoloogia arengusse. Need süsteemid on nii keerulised ja tundlikud, et tehniliste seadmete seas pole neile veel võrdset. Näiteks lõgismao kuumatundlik organ tuvastab temperatuurimuutused 0,0010C; kalade (kiired, elektriangerjad) elektriorgan tajub potentsiaale 0,01 mikrovolti, paljude ööloomade silmad reageerivad üksikutele valguskvantidele, kalad tajuvad aine kontsentratsiooni muutust vees 1 mg/m3 (=1). µg/l).
Paljudel elusorganismidel on analüütilised süsteemid, mida inimestel ei ole. Näiteks rohutirtsudel on 12. antennisegmendil tuberkuloos, mis tajub infrapunakiirgust. Haidel ja raidel on peas ja keha esiosas kanalid, mis tajuvad 0,10C temperatuurimuutusi. Tigudel, sipelgatel ja termiitidel on seadmed, mis tajuvad radioaktiivset kiirgust. Paljud reageerivad muutustele magnetväljas (peamiselt kaugrände sooritavad linnud ja putukad). On neid, kes tajuvad infra- ja ultrahelivõngeid: öökullid, nahkhiired, delfiinid, vaalad, enamus putukaid jne.Mesilase silmad reageerivad ultraviolettkiirgusele, prussaka - infrapunale jne.
Kosmoses on palju rohkem orienteerumissüsteeme, mille ehitust pole veel uuritud: mesilased ja herilased orienteeruvad hästi päikesele, isasliblikad (näiteks ööpaabulinnu silm, surmapea-kullliblikas jt) leiavad pähe. emane 10 km kaugusel. Merikilpkonnad ja paljud kalad (angerjas, tuur, lõhe) ujuvad oma kodukaldast mitu tuhat kilomeetrit ja naasevad eksimatult munema ja kudema samasse kohta, kust nad alustasid oma eluteekonda. Eeldatakse, et neil on kaks orientatsioonisüsteemi – kauge, tähtede ja päikese järgi ning lähedal, lõhna järgi (rannikuvete keemia).
Miks on loodus praegusel tehnoloogilisel arengutasemel inimesest nii palju ees? Esiteks, selleks, et mõista elussüsteemi ülesehitust ja toimimispõhimõtet, modelleerida ja rakendada konkreetsetes struktuurides ja seadmetes, on vaja universaalseid teadmisi. Ja tänapäeval, pärast pikka teadusdistsipliinide killustumise protsessi, hakkab alles ilmnema vajadus sellise teadmiste korralduse järele, mis võimaldaks neid omaks võtta ja ühtsete universaalsete põhimõtete alusel ühendada.
Ja teiseks, eluslooduses säilib bioloogiliste süsteemide vormide ja struktuuride püsivus nende pideva taastamise kaudu, kuna tegemist on pidevalt hävivate ja taastatavate struktuuridega. Igal rakul on oma jagunemisperiood, oma elutsükkel. Kõigis elusorganismides kompenseerivad lagunemis- ja taastumisprotsessid üksteist ning kogu süsteem on dünaamilises tasakaalus, mis võimaldab kohaneda, ehitades oma struktuure ümber vastavalt muutuvatele tingimustele. Bioloogiliste süsteemide olemasolu peamine tingimus on nende pidev toimimine. Inimese loodud tehnilistel süsteemidel puudub lagunemis- ja taastumisprotsesside sisemine dünaamiline tasakaal ning selles mõttes on nad staatilised. Nende tegevus on tavaliselt perioodiline. See erinevus looduslike ja tehniliste süsteemide vahel on inseneri seisukohalt väga oluline.
Elusüsteemid on palju mitmekesisemad ja keerukamad kui tehnilised struktuurid. Bioloogilisi vorme ei saa nende erakordse keerukuse tõttu sageli arvutada. Me lihtsalt ei tea veel nende kujunemise seaduspärasusi. Elusorganismide struktuuri kujunemise saladusi, neis toimuvate eluprotsesside üksikasju, ülesehitust ja toimimispõhimõtteid saab õppida vaid kõige kaasaegsemate seadmete abil, mis pole alati kättesaadavad. Kuid isegi uusima tehnoloogiaga jääb palju kulisside taha.
Kiirem, kõrgem, tugevam! Vaalade ja delfiinide ehituse hüdrodünaamiliste tunnuste uurimine aitas luua laevade veealuse osa jaoks spetsiaalse plaadistuse, mis tagab sama mootorivõimsuse juures kiiruse tõusu 20–25%. Seda nahka nimetatakse laminfloks ja sarnaselt delfiininahale ei ole see märjaks tehtud ning sellel on elasts-elastne struktuur, mis välistab turbulentse turbulentsi ja tagab libisemise minimaalse takistusega. Sama näite võib tuua ka lennunduse ajaloost. Pikka aega oli kiirlennunduse probleemiks laperdus - tiibade vibratsioon, mis tekib teatud kiirusel ootamatult ja ägedalt. Nende vibratsioonide tõttu lagunes lennuk mõne sekundiga õhus laiali. Pärast arvukaid õnnetusi leidsid disainerid väljapääsu - nad hakkasid valmistama tiibu, mille lõpus oli tihendus. Mõne aja pärast avastati samasugused paksenemised ka kiilitiibade otstes. Bioloogias nimetatakse neid paksenemisi pterostigmadeks. Toetudes lindude ja putukate lennu, hüppavate loomade liikumise ja liigeste ehituse uurimisele, töötatakse välja uued lennuprintsiibid, ratasteta liikumine, laagrite ehitus jne. |
Insener ja loodus ehk mis on bioonika
Bioonika (vanakreeka keelest βίον - elamine) on rakendusteadus eluslooduse organisatsiooni põhimõtete, omaduste, funktsioonide ja struktuuride, st looduses leiduvate elusolendite vormide ja nende tööstuslike analoogide rakendamise kohta tehnilistes seadmetes ja süsteemides. . Lihtsamalt öeldes on bioonika bioloogia ja tehnoloogia kombinatsioon. Bioonika vaatleb bioloogiat ja tehnoloogiat täiesti uuest vaatenurgast, selgitades, millised sarnasused ja erinevused on looduses ja tehnoloogias.
Eristama:
bioloogiline bioonika, bioloogilistes süsteemides toimuvate protsesside uurimine;
teoreetiline bioonika, mis koostab nende protsesside matemaatilisi mudeleid;
tehniline bioonika, mis rakendab inseneriprobleemide lahendamiseks teoreetilisi bioonikamudeleid.
Bioonika on tihedalt seotud bioloogia, füüsika, keemia, küberneetika ja inseneriteadustega: elektroonika, navigatsiooni, side, mereteaduse jt.
Nimi
Nimi bioonika pärineb vanakreeka sõnast bion - "elurakk". Bioonika uurib bioloogilisi süsteeme ja protsesse eesmärgiga rakendada omandatud teadmisi inseneriprobleemide lahendamisel. Bioonika aitab inimestel loodusest leitud ja laenatud ideede põhjal luua originaalseid tehnilisi süsteeme ja tehnoloogilisi protsesse.
Biomimeetikumid
Ingliskeelses ja tõlkekirjanduses kasutatakse terminit biomimetics (vanakreeka keelest βίος - elu ja μίμησις - imitatsioon) sagedamini tehnoloogiliste seadmete loomise käsitluse all, milles on seadme idee ja põhielemendid. laenatud elavast loodusest. Üheks edukaks biomimeetika näiteks on laialt levinud “Velcro”, mille prototüübiks olid Šveitsi inseneri Georges de Mestrali koera karva külge kleepunud takjataime viljad.
Arengu ajalugu
Idee rakendada teadmisi eluslooduse kohta inseneriprobleemide lahendamiseks tuli Leonardo da Vincilt, kes üritas ehitada lindude sarnaselt lehvitavate tiibadega lennukit: ornitopterit.
Elusorganismide ja masinate juhtimise ja suhtlemise üldpõhimõtteid arvestava küberneetika esilekerkimine on saanud tõuke elussüsteemide ehituse ja funktsioonide laiemaks uurimiseks, et selgitada nende ühisosa tehniliste süsteemidega, samuti kasutamist. elusorganismide kohta saadud teavet uute seadmete, mehhanismide, materjalide jms loomiseks.
Peamised töövaldkonnad
Peamised bioonikaga seotud töövaldkonnad hõlmavad järgmisi probleeme:
inimeste ja loomade närvisüsteemi uurimine ning närvirakkude (neuronite) ja närvivõrkude modelleerimine arvutitehnoloogia edasiseks täiustamiseks ning automaatika ja telemehaanika (neurobioonika) uute elementide ja seadmete väljatöötamiseks;
elusorganismide meeleelundite ja muude tajusüsteemide uurimine uute andurite ja tuvastussüsteemide väljatöötamiseks;
orienteerumise, asukoha ja navigatsiooni põhimõtete uurimine erinevatel loomadel nende põhimõtete kasutamiseks tehnoloogias;
elusorganismide morfoloogiliste, füsioloogiliste ja biokeemiliste omaduste uurimine, et esitada uusi tehnilisi ja teaduslikke ideid.
Elusorganismide simulatsioon
Bioonikas mudeli loomine on pool võitu. Konkreetse praktilise probleemi lahendamiseks on vaja mitte ainult kontrollida mudeli praktiseerimist huvitavate omaduste olemasolu, vaid ka välja töötada meetodid seadme etteantud tehniliste omaduste arvutamiseks ja sünteesimeetodite väljatöötamine, mis tagavad saavutamise. probleemis nõutavatest näitajatest.
Seetõttu alustavad paljud bioonilised mudelid enne tehnilise teostuse saamist oma elu arvutis. Koostatakse mudeli matemaatiline kirjeldus. Selle põhjal koostatakse arvutiprogramm - biooniline mudel. Sellist arvutimudelit kasutades saab lühikese ajaga töödelda erinevaid parameetreid ja kõrvaldada disainivead.
Täpselt nii tehakse tavaliselt tarkvaralise modelleerimise põhjal mudeli toimimise dünaamika analüüs; Mudeli tehnilise erikonstruktsiooni osas on selline töö kahtlemata oluline, kuid nende sihtkoormus on erinev. Peamine neis on leida parim eksperimentaalne tehnoloogiline baas, mille alusel saaks mudeli vajalikke omadusi efektiivsemalt ja täpsemalt taasluua. Bioonikas kogunenud ülikeeruliste süsteemide mitteformaliseeritud "häguse" modelleerimise praktilised kogemused on üldteadusliku tähendusega. Suur hulk selle heuristlikke meetodeid, mis on sellistes töödes hädavajalikud, on juba laialt levinud optimaalse juhtimise, eksperimentaalse ja tehnilise füüsika, majandusprobleemide, mitmeastmeliste hargnenud sidesüsteemide projekteerimise jne probleemide lahendamiseks.
Arhitektuuri- ja ehitusbioonika
Arhitektuuri- ja ehitusbioonika uurib elusate kasukate tekke ja struktuuri kujunemise seaduspärasusi, analüüsib elusorganismide struktuurisüsteeme materjali-, energiasäästu ja töökindluse tagamise põhimõttel. Neurobioonika uurib aju talitlust ja mälumehhanisme. Intensiivselt uuritakse loomade meeleelundeid ja sisemisi keskkonnareaktsiooni mehhanisme nii loomadel kui taimedel.
Silmatorkav näide kasuka arhitektuursest bioonikast on teraviljavarte ja kaasaegsete kõrghoonete struktuuri täielik analoogia. Teraviljataimede varred taluvad suuri koormusi ilma õisiku raskuse all murdumata. Kui tuul need maapinnale painutab, taastavad nad kiiresti oma vertikaalse asendi. Nende struktuur sarnaneb kaasaegsete kõrghoonete tehasekorstnate konstruktsiooniga - üks inseneriteaduse uusimaid saavutusi. Mõlemad konstruktsioonid on seest õõnsad. Sklerenhüüm (Sclerenchyma on mehaaniline kude, mida leidub peaaegu kõigi kõrgemate taimede organites.) taimevarre kiud täidavad pikisuunalise tugevdamise rolli. Tüvede sõlmedevahelised (sõlmed) on jäikuse rõngad. Varre seintel on ovaalsed vertikaalsed tühimikud. Toruseinad on sama disainilahendusega. Teraviljataimede varre toru välisküljele asetatud spiraaltugevduse rolli täidab õhuke nahk. Konstruktiivse lahenduseni jõudsid insenerid aga ise, loodusesse “vaatamata”. Struktuuri identiteet selgus hiljem.
Bionics kinnitab, et paljudel inimleiutistel on eluslooduses analooge, näiteks tõmblukud ja Velcro valmistati linnu sule struktuurist lähtuvalt. Erinevat sorti konksudega sulghabemed tagavad usaldusväärse haarde.
Kuulsad Hispaania arhitektid M. R. Cervera ja J. Ploz, aktiivsed bioonika pooldajad, alustasid 1985. aastal „dünaamiliste struktuuride” uurimist ja 1991. aastal korraldasid nad „Arhitektuuriinnovatsiooni toetamise ühingu”. Nende juhitud rühm, kuhu kuulusid arhitektid, insenerid, disainerid, bioloogid ja psühholoogid, töötas välja projekti "Vertical Bionic Tower City". 15 aasta pärast peaks Shanghaisse kerkima tornlinn (teadlaste hinnangul võib 20 aasta pärast Shanghai elanikkond ulatuda 30 miljoni inimeseni). Tornilinn on mõeldud 100 tuhandele inimesele, projekt lähtub “puitehituse põhimõttest”.
Linnatorn saab olema küpressi kujuga kõrgusega 1228 m, ümbermõõduga aluse juures 133 x 100 m ja kõige laiemas kohas 166 x 133 m. Tornil on 300 korrust ja need on asub 12 vertikaalses 80-meetrises plokis. Plokkide vahel on tasanduspõrandad, mis toimivad iga plokitasandi kandekonstruktsioonina. Plokkide sees on erineva kõrgusega majad koos vertikaalsete aedadega. See keerukas disain sarnaneb küpressipuu okste ja kogu võra struktuuriga. Torn hakkab seisma akordioni põhimõttel vaivundamendil, mis ei ole maetud, vaid areneb kõrgust kasvades igas suunas – sarnaselt puu juurestiku arenemisele. Tuule kõikumine ülemistel korrustel on viidud miinimumini: õhk läbib torni konstruktsiooni kergesti. Torni katmiseks kasutatakse spetsiaalset plastmaterjali, mis imiteerib naha poorset pinda. Kui ehitamine õnnestub, on plaanis ehitada veel mitu sellist hoonet-linna.
Arhitektuuri- ja ehitusbioonikas pööratakse suurt tähelepanu uutele ehitustehnoloogiatele. Näiteks tõhusate ja jäätmevabade ehitustehnoloogiate arendamise valdkonnas on perspektiivikas suund kihtkonstruktsioonide loomine. Idee on laenatud süvamere molluskitelt. Nende vastupidavad kestad, näiteks laialt levinud abalooni omad, koosnevad vaheldumisi kõvadest ja pehmetest plaatidest. Kõva plaadi pragunemisel neeldub pehme kiht deformatsiooni ja pragu ei lähe kaugemale. Seda tehnoloogiat saab kasutada ka autode katmiseks.
Neurobioonika
Neurobioonika peamised valdkonnad on inimeste ja loomade närvisüsteemi füsioloogia uurimine ning närvirakkude-neuronite ja närvivõrkude modelleerimine. See võimaldab täiustada ja arendada elektroonika- ja arvutitehnoloogia arhitektuuri. On teooriaid, mis väidavad, et tehisintellekti loomise aluseks saab olema neurobioonika areng.
Arhitektuuri- ja ehitusbioonika uurib eluskudede tekke ja struktuuri kujunemise seaduspärasusi, analüüsib elusorganismide struktuurisüsteeme materjali-, energiasäästu ja töökindluse tagamise põhimõttel. Ilmekas näide arhitektuuri- ja ehitusbioonikast on teraviljavarte ja kaasaegsete kõrghoonete struktuuri täielik analoogia. Teraviljataimede varred taluvad suuri koormusi ilma õisiku raskuse all murdumata. Kui tuul need maapinnale painutab, taastavad nad kiiresti oma vertikaalse asendi. Mis on saladus? Selgub, et nende struktuur sarnaneb tänapäevaste kõrghoonete tehasetorude konstruktsiooniga - üks inseneriteaduse uusimaid saavutusi. Struktuuri identiteet selgus hiljem. Viimastel aastatel on bioonika kinnitanud, et enamik inimeste leiutisi on looduse poolt juba “patenteeritud”.
Soov mugavuse, kvaliteetse, hubase ja kauni eluaseme järele on olnud inimkonnale omane juba pikka aega. Igaüks meist soovib, et ümbritsev ruum resoneeruks meie sisemaailmaga. Nüüd on igaühel meist võimalus ehitada oma ideaalne kodu. Võib-olla tuleb see pööninguga aiamaja, nagu Tšehhovi kangelased. Või äkki suvila koos
Ameerika stiilis terrass. Oluline on see, et see suudab ühendada kõik hämmastava arhitektuuristiili elemendid - "biooniline arhitektuur".
Ebatavaliste arhitektuuristiilide esilekerkimise võlgneme arhitektuurigeeniustele. Talent on alati otsingutel. Tõendeid selle kohta leidub igal sammul üle maailma laiali pillutatud arhitektuurimälestiste näol. Aastate jooksul asendavad stiilid üksteist, igaüks neist on ainulaadne. Modernsus pakub arhitektuurile uut lähenemist. Üks uutest valdkondadest – bioonika – väärib erilist tähelepanu.
Bioonika tähendab kreeka keeles "elamist". Uurinud taimede ja loomade ehitust ja eluviisi, rakendavad arhitektid samu põhimõtteid ka insenertehniliste ehitiste puhul. Seni pole teadlaste seas üksmeelset arvamust selle kohta, millised arhitektide tööd tuleks liigitada “elava arhitektuuri” liikumise alla. Ja veel, Antonio Gaudi võib pidada bioonika rajajaks, kes ehitas esimesed ainulaadsed majad juba 19. sajandil. Üleolev ja arhitektuursetest leidudest tüdinud Euroopa rõõmustas meistri loomingu üle. Ja bioonika sai võimsa tõuke arenguks. Juba 20. sajandi alguses lõi antroposoofia rajaja Rudolf Steiner projekti hämmastava ehitise jaoks, mida nimetatakse Goetheanumiks. Projekt viidi ellu.
Eiffeli torni üldtuntud kujundus (vt postitust Pealisehitused: Eiffeli torn (Pariis)) põhineb Šveitsi anatoomiaprofessori Hermann Von Meyeri teaduslikul tööl. 40 aastat enne Pariisi inseneriime ehitamist uuris professor reieluu pea luu ehitust kohas, kus see paindub ja nurga all liigesesse siseneb. Ja ometi ei murdu luu miskipärast keharaskuse all.
Von Meyer avastas, et luu pea on kaetud keeruka miniatuursete luude võrgustikuga, tänu millele jaotub koormus kogu luus hämmastavalt ümber. Sellel võrgul oli range geomeetriline struktuur, mille professor dokumenteeris.
1866. aastal andis Šveitsi insener Carl Cullman von Meyeri avastusele teoreetilise aluse ja 20 aastat hiljem kasutas Eiffel kõverate nihikute abil loomulikku koormuse jaotust.
Nüüd on paljud maailma pealinnad kaunistatud bioonilises stiilis hoonetega. Siin-seal ilmuvad uued "elavad" struktuurid. Holland ja Austraalia, Hiina ja Jaapan, Kanada ja isegi Venemaa võivad kiidelda biooniliste meistriteostega.
Arhitektuuri- ja ehitusbioonikas pööratakse suurt tähelepanu uutele ehitustehnoloogiatele. Seega on tõhusate ja jäätmevabade ehitustehnoloogiate arendamise vallas perspektiivikas suund kihtkonstruktsioonide loomine. Idee on laenatud süvamere molluskitelt. Nende vastupidavad kestad, näiteks laialt levinud abalooni omad, koosnevad vaheldumisi kõvadest ja pehmetest plaatidest. Kõva plaadi pragunemisel neeldub pehme kiht deformatsiooni ja pragu ei lähe kaugemale.
Bionics püüab maksimeerida iga ruumi otstarvet kodus. Puudub ruumide vahetatavus. Magamistoas tuleb magada, köögis süüa teha ja elutoas külalisi vastu võtta. Iga tuba on kujundatud talle määratud rolli jaoks ja on varustatud selle jaoks suurima mugavusega. Maja ei saa tavalist geomeetrilist kuju. Pigem meenutab see eluslooduse objekti. Seinte ja akende pehmed siledad jooned, mis voolavad üksteise sisse, loovad liikumistunde. Orgaanilise maja sees jääb mulje maagilisest maailmast, kuna see arhitektuuristiil annab valguskülluse kõikidesse tubadesse. Sageli kasutatakse värvilist klaasi, nii et valgus võib olla ebatavalise varjundiga. Üheaegne liikumis- ja rahutunne on ehk orgaanilises stiilis tehtud maja peamine eelis. Erinevate vaatenurkade alt muutub ruum ise peenelt.
See on vaid väike osa sellest, mida võib öelda stiili kohta, mis on loodud inimesele, kes soovib paljastada oma sisemaailma, vaimset ja vaimset potentsiaali. Nüüd võtab arhitektuur selle raske ülesande enda kanda.
Iga planeedi elusolend on täiuslik töösüsteem, mis on kohandatud oma keskkonnaga. Selliste süsteemide elujõulisus on miljonite aastate jooksul toimunud evolutsiooni tulemus. Avaldades elusorganismide ehituse saladusi, võib saada uusi võimalusi hoonete arhitektuuris. Loomulikult tekkis vajadus luua teaduses uus suund, mille põhiolemus on selliste saladuste leidmine ja uurimine. See suund oli bioonika, mis ühendas bioloogia ja tehnoloogia teadmised. Bionics on mõeldud elusaine uurimise tulemuste põhjal inseneriprobleemide lahendamiseks.
Siin on mõned arhitektuuris kasutatavad bioloogilised kujundused:
- ämblikuvõrk on ebatavaliselt kerge ja ökonoomne võrkmaterjal
- kärg, vaha
- sipelgapesa. Selle ehituspõhimõte meenutab inimeste püstitatud hooneid. Seal on keldrid, millest igaühel on oma otstarve
- pehme pesulapp. Selle ebatavaline muster sobib vastupidavate ja samas elegantsete konstruktsioonide tootmiseks, mida saab kasutada näiteks suurte anumatena vee või õli transportimiseks
- rakumembraan. Elusrakku ümbritsev rasvkitaride topeltkudumine on kasutusel juba nn mikroarhitektuuris.
Bioonika ajalugu
Esimesed katsed bioonikat ehituses kasutada tegi Antonio Gaudi. Tema loodud Güelli park on tuntud ka kui "kivisse tardunud loodus". 1921. aastal käsitles Rudolf Steiner Goetheanum bioonika teemat arhitektuuris.
1980. aasta alguseks tunnistati arhitektuuribioonika arhitektuuri uueks iseseisvaks suunaks tänu TsNIELAB-i (Arhitektuuribioonika Keskuuringute ja Eksperimentaaldisaini labori) spetsialistide aastatepikkusele tööle. Selle aja jooksul on ehitatud juba palju biostiilis hooneid. Nende hulka kuuluvad NMB panga juhatuse hoone Hollandis, Sydney ooperimaja Austraalias, SONY pilvelõhkuja Jaapanis, delfiinide maja Peterburis jt.
Kogu maailm ootab pikisilmi tornlinna projekti elluviimist Shanghais. Selle kuju meenutab küpressi kuju, mille kõrgus on 1228 m. Pilvelõhkujal on 300 korrust, mis paiknevad kaheteistkümnes vertikaalses plokis. Selle konstruktsiooni toeks on vaiad, mis raskusjõu mõjul süvenemise asemel akordioni põhimõttel laienevad. Sellise tornilinna ehitamine aitab lahendada Hiina ülerahvastatuse probleemi, kuna see on mõeldud umbes 100 tuhandele elanikule. “Cypress” ehitatakse kõiki arhitektuuribioonika nõudeid arvestades. Selle projekti loojad Kavier Piof ja Rosa Tervera väitsid tagasihoidlikult: "Loodus tegi seda enne meid ja paremini kui me."
Arhitektuuri bioonika ei ole ainult vormide piirjoonte kõverus, väline sarnasus molluskikarpidega, linnukarpidega, kärgede, metsaokstega jne. Esiteks on need inimtegevuse jaoks mugavamad, harmoonilisemad ja usaldusväärsemad ruumid. Arhitektuuribioonika meetod ühendab abstraktse ja konkreetse – matemaatika ja emotsioonide seadused. See loob eeldused teaduse ja kunsti sünteesiks.
Bioonika teie kodus
Millise stiili me oma uude koju või suvilasse valime, sõltub ainult meie kujutlusvõimest ja materiaalsetest võimalustest. Bionics on tõestanud, et arhitektuur ei ole ainult pulgad ja tellised. Bioonilisi elemente saab kasutada igaüks kodus või oma kinnistul.
Interjööris on need ennekõike lambid ja mööbel, mille vormid on laenatud loodusest endast. Muide, saate neid ise teha. Treppide valik (välimine või sisemine) annab palju ruumi kujutlusvõimele. Need võivad olla ruumikujulised, spiraalsed või kombineeritud materjalidest.
Kodu ehitusmaterjalide valimisel on parem eelistada neid, mis pole mitte ainult vastupidavad, vaid hoiavad ka paremini soojust. See võimaldab tulevikus kütteseadmete ja kliimaseadmete energiasäästu.
Saidi maastiku ainulaadseks muutmine pole keeruline. Selleks tuleb lihtsalt pöörata tähelepanu olemasolevatele kividele, okstele, pragudele jne. Kasutades veidi kujutlusvõimet, saate luua alpi liumäe (kõrgmäestiku kliimale omase kividest ja taimestikust koosneva ehitise).
Kui on suur vana puu, ärge kiirustage seda maha võtma. Selle õõnsaid õõnsusi saab kasutada näiteks baarina jookide jaoks või isegi lehtlana lõõgastumiseks. Siin pole konditsioneeri vaja, sest isegi kuumuse korral tagab puu püsiva temperatuuri umbes 22 kraadi.
Nagu praktika näitab, on uurimata looduse saladuste potentsiaal tohutu. Lihtsalt ärge kartke neid uurida, ärge kaitske end looduse eest hoonete seintega, hävitades sellega meie ühist kodu.
Bioonika loosung on: "Loodus teab kõige paremini." Mis teadus see selline on? Nimi ise ja see moto annavad meile mõista, et bioonika on seotud loodusega. Paljud meist puutuvad iga päev kokku bioonikateaduse elementidega ja tulemustega, isegi teadmata.
Kas olete kuulnud sellisest teadusest nagu bioonika?
Bioloogia on populaarne teadmine, mida meile koolis tutvustatakse. Millegipärast arvavad paljud, et bioonika on üks bioloogia alavaldkondi. Tegelikult pole see väide päris täpne. Tõepoolest, selle sõna kitsamas tähenduses on bioonika teadus, mis uurib elusorganisme. Kuid enamasti oleme me harjunud selle õpetusega seostama midagi muud. Rakendusbioonika on teadus, mis ühendab bioloogia ja tehnoloogia.
Bioonilise uurimise subjekt ja objekt
Mida bioonika uurib? Sellele küsimusele vastamiseks peame arvestama õpetuse enda struktuurse jaotusega.
Bioloogiline bioonika uurib loodust sellisena, nagu see on, püüdmata sekkuda. Selle uurimisobjektiks on sees toimuvad protsessid
Teoreetiline bioonika tegeleb nende põhimõtete uurimisega, mida looduses on märgatud, ning loob nende põhjal teoreetilise mudeli, mida edaspidi kasutatakse tehnikas.
Praktiline (tehniline) bioonika on teoreetiliste mudelite rakendamine praktikas. Nii-öelda looduse praktiline tutvustamine tehnilisse maailma.
Kust see kõik alguse sai?
Suurt Leonardo da Vincit nimetatakse bioonika isaks. Selle geeniuse märkmetes võib leida esimesi katseid looduslike mehhanismide tehniliseks rakendamiseks. Da Vinci joonistused illustreerivad tema soovi luua lennuk, mis suudaks tiibu liigutada nagu lendavat lindu. Omal ajal olid sellised ideed populaarseks saamiseks liiga julged. Nad äratasid tähelepanu palju hiljem.
Esimene inimene, kes rakendas arhitektuuris bioonika põhimõtteid, oli Antoni Gaudí i Cournet. Tema nimi on selle teaduse ajalukku kindlalt sisse kirjutatud. Suure Gaudi projekteeritud arhitektuursed ehitised olid oma ehitamise ajal muljetavaldavad ja tekitavad kaasaegsete vaatlejate seas sama rõõmu palju aastaid hiljem.
Järgmisena toetas looduse ja tehnoloogia sümbioosi ideed. Tema eestvedamisel sai alguse biooniliste põhimõtete laialdane kasutamine hoonete projekteerimisel.
Bioonika kui iseseisva teaduse loomine toimus alles 1960. aastal Daytonas toimunud teadussümpoosionil.
Arvutitehnoloogia ja matemaatilise modelleerimise areng võimaldab kaasaegsetel arhitektidel rakendada looduse näpunäiteid arhitektuuris ja muudes tööstusharudes palju kiiremini ja suurema täpsusega.
Tehniliste leiutiste loomulikud prototüübid
Bioonikateaduse lihtsaim näide on hingede leiutamine. Kinnitus on kõigile tuttav, mis põhineb konstruktsiooni ühe osa pöörlemise põhimõttel ümber teise. Seda põhimõtet kasutavad merekarbid oma kahe ventiili juhtimiseks ja vajadusel nende avamiseks või sulgemiseks. Vaikse ookeani hiiglaslikud südakalad ulatuvad 15-20 cm suuruseks, nende karpide ühendamise põhimõte on palja silmaga selgelt nähtav. Selle liigi väikesed esindajad kasutavad ventiilide kinnitamiseks sama meetodit.
Igapäevaelus kasutame sageli mitmesuguseid pintsette. Viha terav ja näpitsa kujuga nokk muutub sellise seadme loomulikuks analoogiks. Need linnud kasutavad õhukest nokat, torkavad selle pehmesse pinnasesse ja eemaldavad väikesed mardikad, ussid jne.
Paljud kaasaegsed seadmed ja seadmed on varustatud iminappadega. Näiteks kasutatakse neid erinevate köögiseadmete jalgade disaini täiustamiseks, et vältida nende libisemist töötamise ajal. Iminappe kasutatakse ka kõrghoonete aknapesurite spetsiaalsete jalanõude varustamiseks, et tagada nende ohutu fikseerimine. Ka see lihtne seade on loodusest laenatud. Puukonn, kelle jalgadel on iminapad, püsib tavatult osavalt taimede siledatel ja libedatel lehtedel ning kaheksajalg vajab neid oma ohvritega tihedaks kontaktiks.
Selliseid näiteid leiate palju. Bioonika on just see teadus, mis aitab inimestel laenata loodusest tehnilisi lahendusi oma leiutisteks.
Kes on enne – loodus või inimesed?
Mõnikord juhtub, et üks või teine inimkonna leiutis on looduse poolt juba ammu “patenteeritud”. Ehk siis leiutajad ei kopeeri midagi luues, vaid mõtlevad ise välja tehnoloogia või toimimispõhimõtte ning hiljem selgub, et see on looduses juba ammu olemas olnud ning selle järele võiks lihtsalt luurata ja omaks võtta. .
See juhtus tavalise takjakinnitusega, mida inimene kasutab riiete kinnitamiseks. On tõestatud, et õhukeste okaste ühendamiseks kasutatakse ka sarnaseid konkse nagu Velcrol.
Tehase korstnate ehitus sarnaneb teravilja õõnsate vartega. Torudes kasutatav pikisuunaline tugevdus on sarnane varres olevate sklerenhüümi kiududega. Terasest jäikusrõngad - vaheseinad. Tüve väliskülje õhuke nahk on torude struktuuris spiraaltugevduse analoog. Vaatamata struktuuri kolossaalsele sarnasusele leiutasid teadlased iseseisvalt just sellise meetodi tehasetorude ehitamiseks ja alles hiljem nägid sellise struktuuri identiteeti looduslike elementidega.
Bioonika ja meditsiin
Bioonika kasutamine meditsiinis võimaldab päästa paljude patsientide elusid. Peatumata käib töö inimkehaga sümbioosis funktsioneerivate tehisorganite loomise nimel.
Esimesena katsetas seda taanlane Dennis Aabo. Ta kaotas poole käe, kuid nüüd on tal meditsiinilise leiutise abil võime tajuda objekte puudutuse teel. Tema protees on ühendatud vigastatud jäseme närvilõpmetega. Kunstlikud sõrmeandurid on võimelised koguma teavet objektide puudutamise kohta ja edastama selle ajju. Disain pole veel lõplikult välja töötatud, see on väga mahukas, mis muudab selle igapäevaelus kasutamise keeruliseks, kuid nüüd võime seda tehnoloogiat nimetada tõeliseks avastuseks.
Kõik sellesuunalised uuringud põhinevad täielikult looduslike protsesside ja mehhanismide kopeerimisel ning nende tehnilisel teostusel. See on meditsiiniline bioonika. Teadlaste ülevaated ütlevad, et nende töö võimaldab peagi välja vahetada kulunud elusorganeid ja kasutada nende asemel mehaanilisi prototüüpe. See on tõesti suurim läbimurre meditsiinis.
Bioonika arhitektuuris
Arhitektuuri- ja ehitusbioonika on bioonikateaduse eriharu, mille ülesandeks on arhitektuuri ja looduse orgaaniline taasühendamine. Viimasel ajal pöördutakse tänapäevaste struktuuride projekteerimisel üha sagedamini elusorganismidelt laenatud biooniliste põhimõtete poole.
Tänapäeval on arhitektuuribioonikast saanud omaette arhitektuuristiil. See sündis vormide lihtsast kopeerimisest ja nüüd on selle teaduse ülesandeks saanud põhimõtete, organisatsiooniliste tunnuste omaksvõtmine ja nende tehniline rakendamine.
Mõnikord nimetatakse seda arhitektuuristiili ökostiiliks. Seda seetõttu, et bioonika põhireeglid on järgmised:
- optimaalsete lahenduste otsimine;
- materjalide säästmise põhimõte;
- maksimaalse keskkonnasõbralikkuse põhimõte;
- energiasäästu põhimõte.
Nagu näete, pole bioonika arhitektuuris mitte ainult muljetavaldavad vormid, vaid ka progressiivsed tehnoloogiad, mis võimaldavad luua tänapäevastele nõuetele vastava struktuuri.
Arhitektuursete biooniliste ehitiste omadused
Varasemale arhitektuuri- ja ehituskogemusele tuginedes võime öelda, et kõik inimstruktuurid on haprad ja lühiealised, kui nad ei kasuta loodusseadusi. Bioonilised hooned on lisaks hämmastavatele vormidele ja julgetele arhitektuursetele lahendustele vastupidavad ning suudavad vastu pidada ebasoodsatele loodusnähtustele ja katastroofidele.
Selles stiilis ehitatud hoonete välisilmes on näha reljeefide, kujundite ja kontuuride elemente, mis on disainiinseneride poolt elu-, loodusobjektidelt oskuslikult kopeeritud ja hoonearhitektide poolt meisterlikult kehastatud.
Kui ühtäkki arhitektuuriobjekti mõtiskledes tundub, et vaatate kunstiteost, on suure tõenäosusega teie ees bioonilises stiilis hoone. Selliste struktuuride näiteid võib näha peaaegu kõigis maailma riikide pealinnades ja suurtes tehnoloogiliselt arenenud linnades.
Disain uueks aastatuhandeks
Veel 90ndatel lõi Hispaania arhitektide meeskond täiesti uuel kontseptsioonil põhineva ehitusprojekti. Tegemist on 300-korruselise hoonega, mille kõrgus ületab 1200 m. Kavas on liikuda mööda seda torni neljasaja vertikaalse ja horisontaalse liftiga, mille kiirus on 15 m/s. Riik, kes nõustus seda projekti sponsoreerima, oli Hiina. Ehituseks valiti rahvarohkeim linn Shanghai. Projekti elluviimine lahendab piirkonna demograafilise probleemi.
Torn saab olema täielikult bioonilise struktuuriga. Arhitektid usuvad, et ainult see tagab konstruktsiooni tugevuse ja vastupidavuse. Konstruktsiooni prototüübiks on küpressipuu. Arhitektuursel kompositsioonil pole mitte ainult puutüvega sarnane silindriline kuju, vaid ka "juured" - uut tüüpi biooniline vundament.
Hoone väliskate on plastikust ja hingavast materjalist, mis imiteerib puukoort. Selle vertikaalse linna kliimaseade on analoogne naha soojust reguleeriva funktsiooniga.
Teadlaste ja arhitektide hinnangul ei jää selline hoone ainsaks omataoliseks. Pärast edukat rakendamist suureneb biooniliste hoonete arv planeedi arhitektuuris ainult.
Bioonilised ehitised meie ümber
Millised kuulsad loomingud on kasutanud bioonikateadust? Selliste struktuuride näiteid on lihtne leida. Võtame näiteks Eiffeli torni loomise protsessi. Pikka aega levisid kuulujutud, et see 300-meetrine Prantsusmaa sümbol on ehitatud tundmatu araabia inseneri jooniste järgi. Hiljem selgus selle täielik analoogia inimese sääreluu struktuuriga.
Lisaks Eiffeli tornile leiate palju biooniliste struktuuride näiteid üle kogu maailma:
- püstitati analoogia põhjal lootoseõiega.
- Pekingi rahvusooperimaja – veetilga imitatsioon.
- Ujumiskompleks Pekingis. Väliselt kordab see veevõre kristallilist struktuuri. Hämmastav disainlahendus ühendab endas ka konstruktsiooni kasuliku võime päikeseenergiat akumuleerida ja seejärel kasutada seda kõigi hoones töötavate elektriseadmete toiteks.
- Aqua pilvelõhkuja näeb välja nagu langeva vee oja. Asub Chicagos.
- Arhitektuuribioonika rajaja Antonio Gaudi maja on üks esimesi bioonikaehitisi. Tänaseni on see säilitanud oma esteetilise väärtuse ja on endiselt üks Barcelona populaarsemaid turismiobjekte.
Teadmised, mida igaüks vajab
Kokkuvõttes võib julgelt öelda: kõik, mida bioonika uurib, on tänapäeva ühiskonna arenguks asjakohane ja vajalik. Igaüks peaks tutvuma bioonika teaduslike põhimõtetega. Ilma selle teaduseta on võimatu ette kujutada tehnilist arengut paljudes inimtegevuse valdkondades. Bioonika on meie tulevik täielikus kooskõlas loodusega.