Трудове навчання (технічні види праці). 9 клас. Терещук

§ 9. Основи проектної діяльності. Біоніка

Пригадайте

• Що таке проектування?
• Які методи використовують під час створення нових речей?
• Як ви розумієте термін «біоформа» у проектуванні й виготовленні речей?
• Як біоформу можна використовувати у проектуванні виробів?

Що таке біоніка

Засновник корпорації Apple Стів Джобс стверджував: «Інновації XXI століття з’являться зі сфери перетину біології та технології. Починається нова епоха — точно так само, як починалася цифрова доба в той час, коли мені було стільки ж років, скільки моєму синові». Саме такою інноваційною наукою, яка досліджує дивовижні функції живих організмів і застосовує їх для створення технологій та речей, є біоніка.

Офіційним народженням біоніки вважають 13 вересня 1960 року, коли у місті Дайтоні (США) відбувся симпозіум з використання знань про живі організми для вдосконалення технічних систем. Гаслом біоніки у техніці став вислів: «Живі прототипи — ключ до нової техніки!». Втім, за великим рахунком, біоніку можна вважати найдавнішою наукою, адже людина завжди — свідомо чи несвідомо — наслідувала природу, вчилася у неї.

Біоніка (грец. bion — комірка життя) — наука про створення пристроїв, приладів, механізмів або технологій, ідею та основні елементи яких запозичують із живої природи.

Біоміметика відкриває нову епоху, засновану не на тому, що ми можемо взяти у природи, а на тому, чого ми можемо вчитися у неї.

Жанін Баню, біолог і еколог

В англомовній літературі більше поширений термін біоміметика (грец. bios — життя і mimesis — наслідування).

Чому вчених приваблюють живі організми і природні конструкції? По-перше, вони енергоефективні. Живі організми здатні до життєдіяльності за споживання мінімальної кількості енергії, що пояснюється унікальним метаболізмом тварин і обміном енергією між різними формами життя. Запозичуючи у природи інженерні рішення, можна істотно підвищити енергоефективність сучасних технологій.

По-друге, вони якісні. Наприклад, матеріал оленячого рогу значно міцніший від найкращих зразків керамічного композиту, які вдається розробити людям.

По-третє, їхній дизайн досконалий, оскільки створювався самою природою.

По-четверте, вчені вивчають адаптивність живих організмів. Форма біологічного об’єкта зазвичай створюється в результаті тривалої адаптації, з урахуванням багаторічного впливу як дружніх, так і агресивних чинників. Процеси росту й розвитку передбачають регулювання на клітинному рівні.

Класичним прикладом запозичення конструкторських ідей у природи є Ейфелева вежа (рис. 9.1, в).

1848 року швейцарський професор анатомії Герман фон Маєр досліджував кісткову структуру головки стегнової кістки. Він виявив, що губчаста тканина заповнює порожнину стегнової кістки не суцільно, а у вигляді сітки: існують численні мікроскопічні опорні точки, по яких навантаження розподіляється на головку стегнової кістки, а потім на всю кістку. Ця сітка мала чітку геометричну структуру.

1868 року швейцарський інженер Карл Кульман описав це явище за допомогою математичних формул. Через 20 років природний розподіл навантаження використав інженер Олександр Гюстав Ейфель, перед яким стояло завдання спроектувати споруду, яка була б високою, міцною, легкою, долала силу вітру.

Конструкція Ейфелевої вежі повторює будову стегнової кістки людини, яка витримує навантаження усього тіла. Кути між тримальними поверхнями вежі збігаються з кутами балок губчастої тканини. Губчаста тканина тверда і вирівняна в тих місцях, де навантаження найсильніше, й атрофована там, де його немає. Відтворивши таку структуру, Ейфель використав мінімум матеріалів (вага вежі — 9700 т за висоти 312 м). Водночас вежа достатньо стійка до зовнішніх впливів: завдяки кутам зовнішніх ліній вежі вітри спрямовуються переважно згори донизу — до її більш міцної основи, а не навпаки (навіть за сильного вітру відхилення башти від вертикалі не перевищувало 12-15 см).

Рис. 9.1: а — губчаста тканина стегнової кістки; б — структура розподілу навантажень у стегновій кістці (рисунок зі спільної публікації інженера К. Кульмана та анатома Дж. Вольфа); в — Ейфелева вежа

Вважають, що ідея використання знань про живу природу для розв’язання інженерних задач належить Леонардо да Вінчі, який під час конструювання своїх винаходів звертався до форм живої природи. Однак його літальний апарат з рухомими крилами, орнітоптер (рис. 9.2), не полетів, адже в ті часи ще не були відкриті закони аеродинаміки.

Це доводить, що біоніка є не просто зовнішнім копіюванням, а поетапним дослідженням. Спочатку вчені досліджують, як діє той чи той орган, його будову, перебіг процесів (наприклад, аналізатори тварин, нейронні мережі тощо). Далі — виражають усе це мовою математики, моделюють — і аж потім намагаються відтворити в об’єктах, технологіях тощо (вдосконалити обчислювальну техніку, створювати різноманітні автоматизовані пристрої та ін.).

Рис. 9.2. Орнітоптер Леонардо да Вінчі

З огляду на це виокремлюють три напрями, за якими розвивається біоніка як наука:

• біологічна біоніка (досліджує процеси в живих організмах як у біологічних системах);
• теоретична біоніка (описує ці процеси за допомогою математичного моделювання);
• технічна біоніка (втілює створені моделі в технічних пристроях і виробах).

Біоніка як синтез різних галузей знань

Біоніка об’єднує знання з різних наук та галузей людської діяльності — біології, математики, фізики, хімії, кібернетики, медицини тощо. Сьогодні основні напрями робіт з біоніки охоплюють такі проблеми:

• Вивчення нервової системи людини і тварин та моделювання нейронів і нейронних мереж для подальшого вдосконалення обчислювальної техніки і розробки нових елементів та пристроїв автоматики й телемеханіки.

Приклад. Якщо ви шукаєте зображення за допомогою пошукової системи Google, дивитеся відео, які рекомендує YouTube, вдаєтеся до машинного перекладу, — то ви використовуєте нейронні мережі. Структура нейронної мережі прийшла в програмування з біології. Завдяки такій структурі машина отримує можливість не тільки аналізувати і запам’ятовувати різну інформацію, а й учитися. Нейронні мережі використовують для вирішення складних завдань, які потребують аналітичних обчислень, подібних до тих, що виконує людський мозок. Найпоширенішими застосуваннями нейронних мереж є класифікація, передбачення, розпізнавання.

Рис. 9.3. Робот-маніпулятор фірми Festo. Робоча зона промислового маніпулятора імітує хобот слона

• Дослідження органів чуття й інших сприймальних систем живих організмів з метою розробки нових датчиків і систем виявлення.

Приклад. Очі сарани надихнули вчених на створення комп’ютеризованих систем, що дають змогу мобільному роботу уникати зіткнень з об’єктами, які наближаються. При цьому не потрібні складні радари й інфрачервоні датчики. Дослідники намагаються застосувати такі технології до автомобілів, оснащуючи їх точними і швидкими системами попередження, що знижують ризик ДТП.

• Вивчення принципів орієнтації, локації та навігації у різних тварин для використання їх у техніці.

Приклад. За результатами досліджень поведінкових моделей риб створено робокари, які можуть рухатися в групі, не стикаючись один з одним. Ці розробки — важливий етап до створення автомобілів, що унеможливлюють зіткнення, сприяють руху без заторів на дорогах.

• Дослідження морфологічних, фізіологічних, біохімічних особливостей живих організмів для розробки нових технічних і наукових ідей.

Рис. 9.4. Застібка «Велкро»

Якось швейцарський інженер Жорж де Местраль (1907–1990) звернув увагу на реп’яхи, які він віддирав від шерсті свого собаки та від своїх штанів після прогулянки. Подивившись на реп’ях під мікроскопом, він помітив там безліч гачків. Інженер вирішив створити застібку подібної конструкції. Від ідеї до втілення минуло сім років. Застібка «Велкро» («липучка») (фр. Velcro: velour – оксамит; crochet – гачок) утворюється шляхом прошивання нейлонової тканини при нагріванні, у результаті чого формуються невеликі, але міцні гачки.

Приклад. Застібка «Велкро», що діє за принципом реп’яха (рис. 9.4); матеріали для костюмів для плавців, обшиття для літаків, відправною точкою для яких слугувала шкіра акули, — це хрестоматійні приклади. З розвитком нанотехнологій почався новий етап: розробка нанокомпозитів для створення штучних судин, клапанів серця, очних кришталиків, сухожиль тощо; створення матеріалів із заданими властивостями.

Щоб побачити найвеличніші будови, потрібно просто звернутися до природи, — вважав видатний іспанський архітектор, яскравий і оригінальний представник органічної архітектури в європейському модерні Антоніо Гауді. З дитинства Гауді був спостережливим, закоханим у природу. Це позначилося на його творчості — він віддавав перевагу таким матеріалами, як камінь, кераміка, дерево та коване залізо.

Усього у творчому доробку архітектора 18 споруд, і більшість із них розташовані у Барселоні (Іспанія). Саме завдяки Гауді це місто стало відомим на весь світ.

Особливість стилю Гауді полягає в тому, що органічні, природні форми (хмар, дерев, скель, тварин) стали головним джерелом натхнення при вирішенні як художньо-оформлювальних, так і конструктивних завдань.

Рис. 9.5. Будинок Міла у Барселоні

Рис. 9.6. Будинок Бальо у Барселоні

Будинок Бальо був реконструкцією старої будівлі. Дах нагадує за структурою спину дракона і схожий на риб’ячу луску, балкони мають форму очей, будинок практично без гострих кутів.

Творчим натхненням для Гауді у створенні цієї споруди були скелі острова Мальти.

Рис. 9.7. Храм Святого Сімейства у Барселоні

Найамбітнішою роботою архітектора став храм Святого Сімейства (рис. 9.7). Гауді взяв на себе керівництво проектом у 1883 році, а закінчити будівництво мають у 2026 році, через сто років після його смерті.

Інтер’єр храму навіяний ідеєю лісу. Колони, схожі на дерева, розгалужуються ближче до даху, підтримуючи його, а закріплене на них зелене й золоте скло відбиває світло з вікон. Величезні кольорові вітражі, крізь які проникає сонячне світло, підсилюють відчуття, ніби ви стоїте на лісовій галявині.

Як біоніка допомагає створювати інтер'єр приміщення

Від функцій — до форми і до закономірностей формотворення — основний принцип біоніки в інтер’єрі.

Біоніка як метод створення предметного середовища дотримується основного правила природи: між формою і функціональністю будь-якого предмета існує реальний зв’язок. Тобто форма, будова предмета, створеного природою, насамперед зумовлена тим, як функціонує цей предмет.

У створенні інтер’єру приміщення можна визначити такі біонічні принципи:

1. Природні обриси предметів та деталей інтер’єру.

У природі не існує ідеально прямих і рівних ліній, гострих кутів чи надмірно загострених виступів. Усі об’єкти, створені природою, мають м’які та плавні обриси. «Людина створила гострі кути, а Господь — коло», — так висловлювався Антоніо Гауді, коли його запитували, чому у його будівлях майже немає кутів. Тому природний інтер’єр завжди характеризується плавними обрисами.

Рис. 9.8. Природні обриси предметів деталей інтер’єру

2. Природні кольори предметів інтер’єру.

Цей принцип є продовженням попереднього і стосується колірного рішення інтер’єру. У природі не існує надмірної насиченості чи різкої контрастності у колірних рішеннях. Колірні рішення різного роду ширм або перегородок у кімнаті мають бути ледве помітними, ніби розчинятись у просторі приміщення. А, наприклад, блискучий сталевий змішувач для води у ванній кімнаті має ніби зливатися зі струменем води, бути її продовженням. Кольори в біонічному стилі — білі та бежеві з м’якими відтінками. Можливі і яскраві включення кольорів, однак такі, що є поширеними у природі: насичений блакитний, жовтий, червоний тощо.

Рис. 9.9. Природні кольори предметів

3. Відсутність чітких зон і обмежень у кімнаті.

Природі властива інтеграція (об’єднання) на противагу поділу і розмежуванню. Одна форма поступово переходить в іншу без чітких кордонів чи зон. Цьому принципу відповідають просторі квартири-студії, в яких зони відпочинку чи робочі зони є умовними або неакцентованими, відділяються неповною стіною чи позначаються лише кольором або формою.

Рис. 9.10. Відсутність зонування

4. Використання у створенні предметів інтер’єру екологічних і природних матеріалів.

Дизайнери, створюючи «природний» предметний інтер’єр, зокрема меблі, часто використовують необроблені природні матеріали, як-от гілки дерев, очерет тощо.

Рис. 9.11. Меблі американського дизайнера Кеннета Кобонп’є

Рис. 9.12. Крісло-гніздо данського дизайнера Ніни Брун

Так, використовуючи техніку лозоплетіння, дизайнер Кеннет Кобонп’є створює меблі з бамбуку й очерету. Спинка крісла має природний вигляд — здається, що з крісла виростає трава (рис. 9.11).

Крісло у формі гнізда (дизайнер Ніна Брун) наслідує природний аналог. Воно виготовлене з тонких березових смужок, має звичні для крісел ніжки і м’яке сидіння (рис. 9.12).

1. Що таке біоніка?

2. У яких напрямах розвивається біоніка?

3. Чи тотожна біоніка імітації природи?

4. Які основні напрями досліджень охоплює біоніка?

5. Назвіть основні принципи, на які спирається біоніка під час створення інтер’єру приміщення.

Поміркуйте

• Доведіть, що у створенні цього крісла австралійський дизайнер Денніс Абалос керувався принципами біоніки.