Біоніка - техніка, скопійована у природи.

Мухи і акули подають приклад, а люди йому слідують: запозичення ідей у ??природи допомагає вченим вирішувати складні технологічні проблеми. За допомогою біоніки виникають плоскі камери, більш швидкі та потужні комп'ютери, досконала спортивна екіпіровка. Почнемо з наочного прикладу: на Олімпіаді в Пекіні німецькі плавці навряд чи отримають медаль.

І не тому, що погано плавають, а тому що носять неправильні костюми. Міжнародна спортивна еліта робить ставку на австралійського виробника Speedo, але німецькі плавці пов'язані договором з Adidas і не можуть відмовитися від його костюмів, а тому майже не мають шансів на Олімпійських іграх.

Дійсно: перемогу або поразка часто визначає плавальний костюм. З лютого по березень ті, хто одягав новий Fastskin LZR Racer від Speedo, поставили 38 світових рекордів з тих 40, що взагалі були зроблені з плавання за цей час. Тепер LZR Racer вважається найшвидшим плавальним костюмом у світі.

Уражені чемпіони зізнаються, що в басейні в них було почуття, ніби вони пливуть вниз з гори. Секрет успіху LZR Racer в тому, що цей костюм розвивався протягом мільйонів років: еволюція зробила за Speedo їх роботу. Технологи скопіювали свій топ-продукт у природи й удосконалили його за допомогою комп'ютера.

Біоніка - не новомодна еко-тенденція

Приблизно з середини минулого століття людина систематично досліджує природу, щоб перенести її конструктивні форми в технічну сферу. Ця наука називається біоніка, штучним словом, створеним з «біологія» і «техніка». Це зовсім не альтернативна техніка, викликана нинішньої «біо-хвилею».

Швидше біоніка - це дисципліна, в рамках якої орієнтуються на біологію інженери використовують на благо людей створені протягом мільйонів років еволюції механізми оптимізації, що економить людині час на винахід та експерименти.

Механізми оптимізації копіюються з рослин і комах, але іноді і з людини. Наприклад, кожні півтора року число транзисторів на комп'ютерному чіпі подвоюється, а це значить, що разом з обчислювальною потужністю зростає і віддача тепла. Технологи систем охолодження практично зіткнулися з межею своїх можливостей.

руйнівний енергобаланс комп'ютера

Тоді фахівці порівняли комп'ютер з людиною і з'ясували, що енергобаланс машини просто руйнівний: вона в 100.000 разів менше енергоефективна в порівнянні з тілом людини. Логічно, що фахівці IBM, що працювали над цією проблемою, взяли за приклад людини, щоб «відучити» комп'ютер від розтрачання електрики.

Була розвинена система охолодження, яка копіює циркуляцію крові в людському організмі. Кров тече через аорту в артерії, а звідти надходить в капіляри і розтікається по всьому тілу. Ця система оптимізує так званий транспорт маси. Кров повинна доставляти м'язам кисень і цукор, які перетворюються в енергію. Завдяки своїй ієрархічній структурі кровотік здійснює транспортну функцію у вищій мірі ефективно.

Охолодження чіпів з допомогою техніки кровотоку

Технологи IBM перенесли будова системи кровотоку на охолодження процесорів: завдяки ієрархічній структурі можна переносити не тільки масу, але й термічну енергію, тепло. При охолодженні необхідно максимально збільшити площу поверхні, що вступають у контакт з водою. При цьому слід максимізувати швидкість рідини, але мінімізувати тиск, так щоб скоротити кількість енергії, необхідної для приведення системи охолодження в дію.

Для цього фахівці побудували систему таким чином: вона нагадує систему артерій і капілярів. Величезна кількість водних «капілярів» забезпечує доступ води до максимальної площі чіпа, при цьому швидкість води в них досить велика, а тиск навпаки.

Нова технологія дозволила підвищити ефективність системи охолодження на 40%, а також принесла ряд додаткових переваг. Приміром, нагріту на чіпі воду можна використовувати в інших цілях, зокрема, для опалення приміщень: прототип такої батареї вже готовий. Інженери IBM говорять, що їх розробка може бути запущена в серійне виробництво через пару років, і порівнюють її з Формулою-1: спочатку нові технології випробовуються на дорогий унікальній техніці, а вже потім, коли проект зарекомендував себе, запускаються в масове виробництво.

Скоро комп'ютери будуть думати як мозок людини

У IBM вважають, що протягом найближчих десяти років біоніка буде розвиватися та зміцнюватися, поки не займе свою нішу в епоху сучасної технології. Рушійною силою тут виступає різко зросла популярність енергозбереження.

У ході еволюції енергетичний баланс кожної живої істоти оптимізувався на основі природного відбору. Зрозуміло, що організм, який досягав тих же результатів при вдвічі меншому споживанні їжі, мав незаперечну перевагу.

Тепер і техніка починає підкорятися цим правилам і править у бік оптимізації енергоспоживання.


Біоніка ввійшла не тільки в hardware (хардвер), але і в програмне забезпечення. За основу принципових змін передбачається узяти людський мозок, в якому процеси відбуваються паралельно.

Перші елементи біоніки з'явилися в першій половині 20-го століття. Приміром, у 1920 році австрієць Рауль Франс, взявши за основу коробочку макового квітки, створив сільничку. У 1951 році швейцарець Жорж де Местраль запитав себе, чому реп'ях тримається на собачої шерсті, і глянув на нього в мікроскоп. Так з'явилися застібки-липучки.

Камери спостереження та тропічна риба-кузовок

Але не завжди і не все так просто. Приміром, у 70-х роках ученим знадобилося кілька років і растровий електронний мікроскоп, щоб зрозуміти, чому листя лотоса ніколи не брудняться. Після декількох років додаткових досліджень і експериментів відкриті водовідштовхувальні мікро-та наноструктури були перенесені в технічну сферу. Так виникли незабрудню-вальною фарби для фасадів та самоочисне скло, що застосовується на камерах спостереження за дорожнім рухом.

Три роки тому корпорація Mercedes Benz розробила біонічної транспортний засіб, скопійоване з тропічної риби-Кузовков. Незважаючи на свою чемоданообразную форму, машина має вкрай низький опір повітря.

Сьогодні біоніка вже не розмінюється на дрібниці. Це усталена наука, яка отримує вигоду від все більш швидких комп'ютерів і розширювальних можливостей мікротехніки: тепер вчені можуть досліджувати навіть найдрібніші структури рослинного і тваринного світу.

Акуляча шкіра надихає хай-тек

Саме на підставі таких спостережень і виникли нові плавальні костюми від Speedo. Їх зразком стала шкіра акули, яка в ході еволюції стала складатися з особливих рифлених лусочок. Завдяки їм акуляча шкіра стала такою гладкою, що риба вагою майже в тонну вільно ковзає у воді, майже не зустрічаючи опору середовища. Відповідно до цього зразком плавальні костюми були оснащені тисячами штучних лусочок.

Це мало приголомшливий ефект: спортсмени, одягали їх, пропливали 100-метрівку у середньому на 1,5 секунди швидше, ніж їх настільки ж сильні конкуренти в звичайних костюмах. Але акулячих костюмів вже не вистачає, щоб ставити рекорди: вони занадто товсті і дуже важкі. У дослідницькій лабораторії Speedo був створений новий синтетичний матеріал, ще більш гладкий, ніж акуляча шкіра, і при цьому абсолютно тонкий. Зрештою, біоніка - це не сліпе копіювання механізмів природи.

Аналіз поведінки потоків

Так виник костюм LZR Racer. Він був розроблений дослідниками з англійського університету Ноттінгема за допомогою комп'ютерної моделі: інженер потоків ЕРВ Морван ввів в комп'ютер параметри тіла 400 плавців і провів аналіз поведінки водних потоків. Він дізнався, на які ділянки тіла вода має найбільший тиск і де виникають гальмують ефекти.

Після цього дизайнери Speedo змогли встановити на проблемних зонах особливо гладкі матеріали. Приклад плавального костюма показовий для біоніки, тому що до цих пір вона лише трохи проникла у повсякденне життя. Сьогодні знання цієї науки служать, перш за все, для створення високотехнологічних продуктів, які будуть запущені в серійне виробництво, в кращому разі, через кілька років.

Невидимі плоскі камери

Як, наприклад, розроблені в інституті прикладної оптики і тонкої механіки в Єні суперплоскі камери. Скопійовані з фасеточних очей комах плоскі об'єктиви мають товщину 0,2 міліметра. Дослідникам знадобилося три роки, щоб скопіювати створені за мільйони років еволюції фасеткові очі мухи.

При цьому вчені повністю орієнтувалися на природний зразок: око комахи складається з окремих лінз, від сотень до десятків тисяч на залежно від розміру ока. Кожна з цих лінз переносить одержуваний світло на приналежний їй одній рецептор, а вже в мозку мухи з багатьох окремих зображень складається єдина картинка. Йенской продукт теж складається з численних палочкообразниє мікролінз, які передають світло на сенсори CCD або CMOS, встановлені у всіх цифрових камерах.

Правда, для цифрових камер суперплоскі об'єктиви не підходять: їх розширення обмежена, оскільки кожного пікселя зображення потрібна окрема лінза. Зате значний інтерес до нової розробки проявила автомобільна промисловість.

За допомогою плоских камер можна здійснити величезну кількість заходів безпеки, наприклад, встановити детектор сну, який включає тривогу, коли водій починає «клювати носом ». Або сенсори, які реєструють становище людини в кріслі: якщо водій або пасажир сидить, нахилившись вперед або вбік, відповідне положення надається та напрямку викиду подушки безпеки. Мегапіскелі дозволу тут ні до чого, зате завдяки своїм розмірам плоскі камери можуть запросто впроваджуватися в інтер'єр автомобіля.


Ілля Яковлєв
штат