Природа: пример для подражания

Промышленность уже давно открыла для себя природу как источник идей для инноваций. Сегодня благодаря решениям, подсмотренным в окружающей среде, компании делают свои продукты более эффективными.

Робот-медуза представляет собой прозрачное полушарие и восемь щупалец. Устройство несет в себе два сервомотора, два аккумулятора, систему коммуникаций и управляющее устройство Инженеры компании Festo — одного из мировых лидеров, специализирующихся на технологиях автоматизации, — не так давно разработали настоящую искусственную птицу — робота SmartBird, который умеет летать и повторяет в воздухе движения чайки. Длина данного механизма составляет один метр, размах крыльев — два метра, вес — 450 г. Подброшенный в воздух, он, благодаря правильным с аэродинамической точки зрения изгибам корпуса, может летать, энергично взмахивая крыльями. Направление полета механической птицы определяется оператором, который работает за пультом дистанционного управления. Оптимальные углы поворота крыльев и изгибов корпуса для наилучшего поведения в воздушном потоке рассчитываются компьютером наземной станции управления.

Если у конструкторов всего мира когда-нибудь закончатся идеи, они в первую очередь обратятся к эволюции живых существ с ее неисчерпаемым потенциалом для технического творчества. Этот принцип называется бионикой. Бионика предлагает широкие возможности для создания более эффективных, надежных и совершенных продуктов, а еще — удивительные эксперименты с технологиями на грани техники и природы, примером которых и стал робот-чайка SmartBird. За последние месяцы он превратился в настоящую звезду Интернета. С его помощью специалистам Festo удалось достичь главной цели — заразить широкую общественность и, разумеется, потенциальных партнеров идеями и широкими возможностями бионики. Создать механический аналог серебристой чайки — эта задача стала серьезным вызовом для изобретателей. Им пришлось заниматься моделированием полета птицы и анализировать поведение обтекающих ее корпус потоков воздуха. Но в самую первую очередь они разработали модель весьма важного с аэродинамической точки зрения поворота крыльев чайки при их маховом движении вниз. Два сервомотора, которые поддерживают непрерывную связь по радиоканалу с компьютером наземной станции, приводят в движение
крылья механической птицы. Ученые компании Festo заявляют, что благодаря работе над проектом SmartBird им удалось получить огромное количество сведений о поведении воздушных потоков. «В бионике соединены две точки зрения на одну и ту же проблему, — заявляет Генрих Фронтцек, руководитель направления Bionic Learning Network and Future Concepts. — Биологи описывают природные феномены, а инженеры — проблемы, которые им необходимо решить». Это значит, что либо биологи приходят к разработчикам с какой-либо идеей из живого мира, которую нужно реализовать и можно применять на практике, либо инженеры узнают от биологов о наличии в живом мире решения той или иной технической проблемы. После этого описывается происходящее в живой природе, и это переносится в бионическую модель, которая реализуется затем в действующем образце или модели. Такую действующую модель компания Festo пытается внедрить и найти ей промышленное применение. Может показаться, что это простое решение, в действительности же бионика — это путь многочисленных проб и ошибок. То же самое мы видим и в процессе эволюции, когда происходят многочисленные эксперименты и случаются постоянные неудачи.

Длина робота-чайки, который умеет самостоятельно летать, как настоящая птица, составляет 1 м, размах крыльев — 2 м, а вес — 450 г Защита дисплеев мобильных устройств

Подход с позиций бионики к решению технических проблем никак нельзя назвать новым. Еще Леонардо да Винчи искал ответы на вопросы безопасного взлета и посадки летательных аппаратов, изучая летающие по воздуху семена растений. Однако лишь в последние годы бионика переживает настоящий расцвет — скорее всего, еще и потому, что в сегодняшнем мире с его дефицитом сырья и в связи с грядущим энергетическим кризисом все более важное значение приобретают эффективность и надежность. Архитекторы используют при проектировании систем вентиляции высотных зданий хитрости термитов, и возводят строения с фасадами, раскрывающимися, как цветки на солнце. Специалисты в области информационных технологий изучают поведение косяков рыб и птичьих стай для разработки систем управления потоками автомобилей. Ученые-бионики способны уменьшить расход топлива морских судов благодаря применению искусственной рыбьей слизи и «трюков» водных растений и загибают концы крыльев у самолетов аналогично крыльям птиц. Анализ действия атомных сил между кожей на лапах ящерицы-геккона и поверхностью, с которой она соприкасается, привел к созданию инструментов, которые практически не изнашиваются, и материалов, которые можно наклеивать на дисплеи смартфонов и планшетов.

В нашей повседневной жизни бионика присутствует давно: каждому знакомы и застежкаипучка, и водоотталкивающие материалы, использующие «эффект лотоса». Их можно назвать визитной карточкой бионики. Зато гораздо меньше людей знают, что шасси 98%  автомобилей изготавливаются по принципам, заимствованным из живой природы: их детали пористые, как кости, и разветвленные, как деревья. Бионика давно продолжает свое победное шествие, а научные коллективы из различных стран мира соревнуются в том, чтобы первыми реализовать то или иное явление живой природы. Однако если вы полагаете, что воссоздать по образу и подобию то, что уже создано природой, легко, а выглядеть это будет так же элегантно и красиво, то глубоко заблуждаетесь. Образец компании Festo — это небольшой пластиковый «хобот» с трехпалым захватом, как в каком-нибудь фильме ужасов. Название у данного приспособления тоже звучит страшновато: бионический помощник-манипулятор (Handling assistent). В этой системе воплотились сразу три прекрасные идеи, которые инженеры Festo позаимствовали у природы. Первая из них заключается в конструкции адаптивной системы захвата, которая имеет анатомические характеристики рыбьих плавников. «Эффект плавникового луча» — это имманентная механика сдавливания, которая в связи с анатомическими особенностями обладает эффектом усиления мощности и момента. Проще говоря, если нажать на рыбий плавник пальцем, то он не смещается в направлении давления, а выгибается. Благодаря мягкому усилию плавникового эффекта данный манипулятор способен надежно захватывать предметы неправильной формы — в этом случае отсутствуют области сдавливания, как при обычном захвате, при котором постоянно должна быть  определена геометрия давления.

Бионическая идея номер два — это кинематика движения, как у хобота слона: вместо моторов и исполнительных механизмов сжатый воздух направляет манипулятор в трех измерениях, подобно тому, как работают кольцевые мышцы слоновьего хобота. Бионический манипулятор весит всего 1,5 кг, он эластичен и упруг, подобно резиновому шлангу, и не содержит в конструкции металлических деталей. Положительным побочным эффектом можно считать также и третью бионическую идею: один только внешний вид сразу объяснит любому человеку, как функционирует этот роботизированный хобот, как он движется и какая опасность может от него исходить. «Это идея из «мягкой робототехники», которая ратует за переход от жестких роботов из металла к гибким системам», — объясняет Фронтцек. Подобные машины, в отличие от промышленных роботов, могут применяться в помещениях, где работают люди. Они функционируют как третья рука. Специалисты полагают, что подобные мягкие манипуляторы могут выйти из производственных помещений и будут использоваться в повседневной жизни в качестве помощников для больных и престарелых, управляемые дистанционно, при помощи речевых команд или оснащенные искусственным интеллектом.

Копирование природной системы

Преимущества бионики давно уже распознали и другие конструкторские направления. Их вдохновляют гениальные стратегические решения природы. В процессе эволюции остается лишь то, что по-настоящему эффективно и надежно. Однако сегодня бросается в глаза, что такая отрасль, как информатика, изначально являющаяся оплотом инноваций, кажется, пока не совсем впечатлилась идеями из живого мира. Но все-таки и она в скором времени также будет покорена концепциями бионики. Ведь ее идеи в состоянии не только стирать границы между человеком и машиной, но и оптимизировать коммуникации «умных» машин друг с другом. Как, например, рыбы способны самоорганизовываться в косяки или муравьи — создать своего рода «идеальное общество», так и автомобили будущего, объединенные в беспроводную сеть, могли бы научиться избегать аварий или искать более эффективные маршруты. Исследования подобных проблем находятся пока что на самом начальном этапе.

Сегодня мы еще недостаточно хорошо понимаем сложные природные системы регулирования и управления, чтобы сразу взять и внедрить их в нашу жизнь. Информатика пока что слишком часто стремится просто брать за образцы природные системы (как в случае с нейронными сетями), вместо того чтобы до конца понять, как они функционируют. Важный шаг для более глубокого понимания всех этих явлений — междисциплинарное сотрудничество, считает Райнер Эрб, управляющий компании Biokon. Он наблюдает, как бионика начинает связывать ученых, технических специалистов и творческих работников, которые раньше трудились лишь в границах своей специальности. Бионика живет междисциплинарностью, когда в точках соприкосновения разных научных направлений царит гармония. С помощью проекта Biokon Райнер Эрб хочет создать много таких точек. Как инновационный метод бионика выделяется на фоне других научных подходов. По данным Biokon, кроме компании Festo над реализацией взятых у природы идей работают химический концерн Evonik Degussa, корпорации Bosch и Siemens, а также фирма Rittal, специализирующаяся на токораспределительном оборудовании.

До 10% экономии топлива

Райнер Эрб хочет наглядно продемонстрировать преимущества бионики на примере использования эффекта сальвинии. Salvinia molesta — это папоротник, который за счет большого количества тончайших волосков удерживает у своей поверхности воздушную прослойку и благодаря этому под водой может оставаться совершенно сухим. Принцип работы данного биологического механизма гениально прост, а его реализация в судоходстве сулит небывалые перспективы: если подводную часть корпуса корабля покрыть краской, обладающей аналогичными свойствами, расход топлива для каждого судна снизится на 10%. Для практической реализации этой эффективной краски с уникальной структурой свои усилия объединили специалисты в области теоретической физики и судостроения. Предлагаемый природой потенциал неисчерпаем — ученым только необходимо отыскать подходящий вариант.

Первым шагом в этом направлении являются базы данных, которые представляют естественно-научные познания с точки зрения применимости в бионике. Компания Biokon и Фраунгоферовский институт экономики труда и организации вот уже несколько месяцев работают над реализацией в Интернете подобных систем (BioPat, или BioPs). Если пользователь этих систем задаст в окне поиска «защита от мороза», ему будет предложена научная статья по методам сохранения тепла в мире животных и растений. Следующим шагом могло бы стать создание программных продуктов, которые помогут в понимании и технической реализации примеров из живой природы. Все эти усилия, образцы реализации идей бионики и проекты будущего подчинены одной общей цели — закрепить в сознании ученых, предпринимателей и общественности понятие бионики как нового метода мышления. В свете грядущего энергетического кризиса бионика могла бы стать уже не панацеей, а обязательной сферой деятельности для всех компаний.