Результаты бионических исследований в технических устройствах

Первым обратил внимание на нестационарный движитель еще  в 20-е годы, когда не существовало само понятие бионики, наш соотечественник известный художник и талантливый изобретатель Петр Васильевич Митурич, предложивший использовать в качестве движителя гибкий корпус самого судна, совершающий волнообразные движения. Как указано в свидетельстве на изобретение № 33418 от 8 января 1930 г., движитель представлял собой

"приводимые  во вращение изогнутые стержни,  расположенные внутри эластичного  корпуса, в целях сообщения  этому корпусу при помощи шатунов,  связанных со стержнями, волнообразного движения".

Идея была столь необычна, что специалисты поторопились отнести  ее к области фантазии. Хотя Митурич  построил модель и испытал ее в  Сокольническом пруду в Москве, они  говорили: 
“Мы, судостроители, боремся с гибкостью судов, а вы ищите в ней какие-то динамические возможности. Смело до безумия, но фантастично и неактуально.”

 
 
Модель подводного судна с волновым движителем

 

Прошло около 40 лет, и  к идее волнового движителя обратились два американских студента, построившие действующую модель подводной лодки без гребного винта и рулей. Эластичная оболочка обтягивает корпус, разделенный на 17 равных частей, каждая из которых снабжена парой магнитных колец. Пара состоит из внутреннего кольца, магнитная сила которого зависит от подаваемого электрического тока, и внешнего, являющегося постоянным магнитом. Внутренние кольца закреплены на корпусе, а внешние – на внутренней стороне эластичной оболочки. При изменении тока, питающего электромагнит внутреннего кольца, изменяется сила притяжения к нему внешнего кольца. Оболочка сокращается за счет изменения параметров тока во всех 17 электромагнитных кольцах, искусственный хвост совершает волнообразные движения, и модель бесшумно движется со скоростью около 2 уз. Ну, а если судну нужно всплыть или повернуть? Для этих целей кольца разделены на четыре сектора, при этом к каждому сектору внутренних колец подводиться автономное электропитание. Подавая ток к двум секторам, можно вызвать волнообразное движение только одной стороны корпуса и модель поворачивается. При подаче питания на нижние или верхние секторы она, соответственно, всплывает или погружается.

Общий принцип движение модели тот же, что и предложенный Митуричем, но конструктивное решение иное и более рациональное. Так ведь за прошедшие с той поры десятилетия во всех областях науки и техники был, достигнут огромный процесс. Например, благодаря развитию химии удалось создать эластичный и прочный материал для оболочки. Достижения в электротехнике позволили сделать электромагнитный движительный комплекс. П. В. Митурич был первым, а первым всегда намного труднее.

Конечно, при создании подобной подводной лодки проблем  будет в изобилии. Но, несмотря на ожидаемые трудности, этой идеей заинтересовалось военно-морское ведомство США, согласившееся финансировать проектно-изыскательские работы.

Однако не следует  переоценивать возможности бионики. Ведь совершенные биологические  системы появились в результате естественного отбора, осуществлявшегося по принципу: отбирать все лучшее из уже существующего. Но до настоящего времени все еще сохранились примитивные системы, о чем не следует забывать, рассчитывая использовать изобретения природы в качестве прототипов, ключей к более совершенной технике.

Учимся водить... у летучих  мышей.

 Разработчики автомобильных  сервисных систем нынче тоже  в полной мере используют принципы  бионики. В частности, парковочные  радары работают по тому же  принципу, который позволяет летучим  мышам уверенно лавировать в полной темноте, никогда не натыкаясь на препятствия. 
Эта особенность долго оставалась загадкой. Разгадать ее позволил опыт, ставший классическим - в комнате натянули тонкие нити, и мышь... тотчас запуталась в них. Выяснилось, что зверек "видит" ушами - летучая мышь посылает высокочастотный ультразвуковой сигнал и улавливает его отражение от препятствий. Естественно, нити звук не отражали. Так был дан толчок разработке сонаров - ультразвуковых локаторов, которые используются во многих областях техники, а в последнее время и для оснащения автомашин. 
На некоторых моделях мировых автомобильных компаний сейчас устанавливаются парковочные радары, позволяющие успешно сдавать машину назад, не прибегая к помощи зеркал заднего вида(как известно, в них левое и правое меняется местами, поэтому этот способ парковки очень неудобен для водителей-новичков). Наконец, даже те водители, которые уверенно ездят на задней передаче, при парковке не застрахованы от мелких повреждений. 
 Cейчас нынешние сонары сделаны по тому же принципу, что и у летучих мышей. Ультразвукой сигнал посылается от сонара, затем, отразившись от препятствия, "возвращается" обратно. Автоматика определяет расстояние до барьера и высвечивает обработанную информацию на панель управления. Данные устройства уже получили свое распространение на некоторых новейших моделях немецких и американских автомобилей. 
  Наверняка, парковочные радары приобретут особую популярность у представительниц слабого пола и начинающих водителей - ведь, как известно, первый опыт парковки задним ходом может обернуться для них разбитым фонарем или помятым бампером. Сегодня, благодаря летучим мышам, они избавлены от этих "радостей".

Когда мы полетим как  стрекозы и мухи?

 

    Хорошо  бы сконструировать летательный  аппарат, который бы имел весьма экономически бесшумный двигатель, мог взлетать и садиться без разбега, с одинаковой легкостью летать в любом направлении  и зависать в воздухе неподвижно, за минуту одолевать не менее чем десять тысяч длин своего корпуса и обладать дальностью полета в несколько тысяч километров... 
    Но такой аппарат уже есть, он имеется у мух и стрекоз. Муха, как и многие другие насекомые, обладает уникальными летными качествами. Даже птицы - эти прирожденные летуны - не способны проделывать те фигуры высшего пилотажа, без труда выполняемые мухами, стрекозами, бабочками...А уж о самолетах и говорить не приходится. Сравните: гиперзвуковой перехватчик пролетает в минуту не более 5 - 6 тыс. длин своего корпуса, стрекоза же - свыше 100 тыс.! Полет насекомых - чрезвычайно сложный процесс. Он таит в себе множество загадок; некоторые из них решены лишь недавно, другие ещё только ждут своих первооткрывателей. 
    До недавнего времени считалось, что во время полета крылья насекомых погружены в слой воздуха, который как бы сглаживает их поверхность. Теперь эту точку зрения приходится пересматривать: результаты исследований говорят о том, что на крыльях насекомых пограничный слой воздуха отсутствует. Оказывается, что сложный рельеф крыла насекомых делает поток воздуха более упорядоченным. 
    Благодаря работе мышц и нервов крылья насекомого выписывают в полете сложные фигуры. Это позволяет насекомым двигаться в перед и назад, неподвижно зависать в воздухе или лететь боком. А каков двигатель у насекомого! Целый день висеть не уставая в воздухе, развивать скорость до 150 км. ч. покрывать в сутки расстояние 1200 км. Сколько бы горючего потребовали на это современные авиационные моторы! Бабочки же , стрекозы, мухи обходятся лишь несколькими каплями нектара и крохами с нашего стола. 
    И наконец, ещё одна придумка природы, на которую стоит обратить внимание конструкторам летательных аппаратов - мушиное "шасси". Оно на много совершеннее колесного шасси современных самолетов. Муха может приземляться не только на горизонтальную, но и на вертикальную поверхность. Сейчас мы можем только мечтать о полетах с такими же возможностями, как и у насекомых. А может, пора уж переходить к созданию мухолетов и стрекозокрылов? Ведь такую идею ещё в 1960 годы предложил инженер В.Филлипов из Северодвинска.

Летать как птицы..

 

    Авиации более ста лет. За это время  конструктры и изобретатели успели придумать все мыслимое... и немыслимое! Конечно, остались некоторые научные и технические проблемы, однако совершенно новых аппаратов в скором будующем не предвидется. 
    Люди уже побывали в космосе, послали аппараты на Луну, Марс, Венеру...Но как же наши пернатые друзья? Им мы уподобиться так и не смогли. Для полета необходимы подъемная и толкающая силы. У дирижаблей и аэростатов подъемная сила создается горячим воздухом, водородом, гелием, у вертолетов - несущим винтом, у самолетов - крылом, а тяга - двигателем. А если обе силы образуются подвижными крыльями, как у птиц?...очевидно подразумевается махолет. 
    Первые упоминания, о аппарате с движущимися, как у птицы крыльями, встречаются в легендах и мифах древности. Например, знаменитая легенда об Икаре. Построить такой махолет впервые попытался Леонардо да Винчи, но его постройка так и не смогла взлететь. В наше время, благодаря достижениям науки и техники, идея создание махокрыла стала реальна! Удачные попытки создания махолета были предприняты в Советском Союзе, но ограничились лишь неудачными опытными образцами. 
    Так на что же будет похож будующий махолет - на птицу, стекозу, или аэроплан? На земле это будет обычный планер, с высокими аэродинамическими качествами, для длительного парящего полета. Зато после взлета особенности машины станут явными для всех, ведь ее крылья начнут взмахивать, а точнее, плавно покачиваться. Заметим, что большинство птиц умеет прекрасно парить, и основной чертой полета махокрыла будет продолжительный и плавный полет.  
    Никто не возьмется предсказывать судьбу не созданной машины, но, несомненно, махолет станет по настоящему бесшумным и экологически чистым моторным летательным аппаратом. Будующие машины станут маневреннее самолетов, а по взлетно-посадочным характеристикам превзойдут вертолеты и автожиры. Поэтому они наверняка заинтересуют спортсменов и туристов, станут популярны у любителей экстримальных ощущений, потом начнутся состязания на летное мастерство, вроде воздушного слалома. Так возможно совершенствование модели махолета, и создание его обновленных модификаций.Так авиация получит универсал - самолет, планер, махолет в одном устройстве. Но, к сожелению, удачная модель махолета, так и не создана, и поэтому людям остается только смотреть .

 

 

 

 

Глава 3 . Разработка технических устройств, основанных на бионических принцыпах.

3.1.Первые  примеры бионики.

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 (Hermann Von Meyer). 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Костная структура головки бедренной  кости

Основание Эйфелевой  башни напоминает костную структуру  головки бедренной кости

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.

В 1866 году швейцарский  инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

Плод дурнишника прицепился к рубашке

Другое знаменитое заимствование  сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) 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.

 

3.2.Современная  бионика.

 

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

В настоящее время  некоторые ученые пытаются найти  аналоги органов человеческого  тела, чтобы создать, например, искусственное  ухо (оно уже поступило в продажу  в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Скелет глубоководных  губок рода Euplectellas построен из высококачественного  оптоволокна 

Другие разработчики концентрируются на изучении природных  организмов. Например, исследователи  из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного.

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.