הודעה של ביוניקה. ביוניקה - מדע בהשראת הטבע

איך מגלים תגליות, איך נוצרות המצאות שונות - במילה אחת, הכל, מה מניע את האנושות קדימהכמובן שצריך ידע, כישרון, התמדה ויכולת עבודה. אבל זה לא הכל.

מדען אמיתי מובחן על ידי התבוננות חדה בשילוב עם כוחו של דמיון יצירתי. השילוב של תכונות אלה מאפשר ליצור אנלוגים תעשייתיים של מבנים טבעיים.

לפי פטנטים של הטבע

מאז שנות ה-60 של המאה העשרים, הופיע מונח חדש - ביוניקה, מדע שמשתמש בידע על חיות בר כדי לפתור בעיות טכניות.בקושי ניתן להפריז בחשיבותו של מדע זה. הרי הטבע יוצר את יצירותיו ביעילות מירבית.

הדוגמה הפשוטה ביותר ליצירת אנלוגי כזה מעשה ידי אדם הם סקוטש ורוכסנים המשמשים כמחברים על מעילים, נעליים וכו'. אבל המצאה פשוטה אך נוחה מאוד זו הושאלה מהטבע. קוצי ברדוק נדבקים בקלות לחומרים שונים, יוצרים חיבור חזק למדי, וברגע על השיער, גורמים לצרות רבות.

מדענים למדו מספר עצום של רעיונות מעניינים על ידי חקר החיים הימיים:

• אז, מושחז על ידי האבולוציה של המילניום, הוא שימש אב טיפוס לתכנון של צוללות וכלי שיט ימיים. והמחקר איפשר ליצור חומר למפו ייחודי לחלוטין. המעטפת של החלק התת-ימי של ספינות העשויות מחומר זה מגבירה את מהירותן ב-15-20%.

• כנראה פגשתם, משוטחים במי ים, בדומה לג'לי. במחקר זה של הים העמוק, מדענים מצאו בה הרבה דברים מעניינים. האם אתה יודע איך מדוזה זזה? היא דוחפת מים מהמחושים שלה בכוח וכך מתקדמת. על אותו עיקרון. גזי ליבון בורחים מהזרבובית שלו במהירות רבה, ודוחפים את הרקטה לכיוון ההפוך.

• אבל המדוזה הכינה הפתעה נוספת לאנשים. מסתבר שאנשים אלו מסוגלים "לשמוע" את רעש הסערה המתקרבת. ולפני הסערה הם הולכים רחוק אל הים, כדי לא להיזרק לחוף על ידי גלי הים. מדענים הצליחו לחקור תכונה זו של מדוזה. הודות לתגלית זו נוצר מכשיר Medusa Ear, אשר שימש אנשים באופן אמין מאוד מאז. זה מאפשר לך לחזות את התקרבות של סערה אפילו 12-15 שעות לפני שהיא מתחילה. במהלך הזמן הזה, מלחים ודייגים יכולים להתכונן לפגישה עם הגורמים המשתוללים. תודה, מדוזה!
• במאגרי ברזיל חי דג בעל ארבע עיניים. למעשה, יש לה רק שתי עיניים, אבל כל אחת מהן מחולקת לשני חלקים. החצי העליון עוקב אחר המצב מעל פני המים, והחצי התחתון מאפשר לך להגן על עצמך מפני טורפים שפולשים ליופי בעל עיני החרק הזה. אותו עיקרון עומד בבסיס המשקפיים הביפוקאליים. העדשות שלהם מורכבות משני חצאים בעלי כוחות אופטיים שונים. החלק העליון משמש לראייה למרחק, החלק התחתון מיועד לקריאה.
• החוקר הצרפתי המדהים של הים העמוק, ז'אק-איב קוסטו, צפה בעניין בברק, שגרר בדאגה בועת אוויר לתוך המים. זה נתן למדען את הרעיון ליצור אקוולונג.

רשימת הפטנטים שהושאלו מחיים ימיים רחוקה מלהיות מוצתה, אך עדיין עלינו להכיר המצאות מעניינות שהאנושות ריגלה אחר ציפורים וחרקים מעופפים.

כשהם צופים בזווית מהירות או נשרים מלכותיים הצופים בטרף שלהם מגובה, אנשים חלמו לעלות בשלווה גם מעל הקרקע. שרטט טיסות ואף פיתח מכונת טיסה שלא נועדה לעלות לאוויר.

עם זאת, רעיונות שהושאלו מהטבע עדיין שימשו את ממציאי המטוסים:

• עיצוב כנף המטוס קרוב ככל האפשר לצורת הכנפיים של ציפורים גדולות.
• במשך זמן רב התמודדו בודקי מטוסים מהירים עם תופעת הרפרוף - הרטט החזק ביותר. ניתן היה להיפטר ממנו עקב עיבוי הקצה המוביל של כנפי המטוס. התברר שהטבע כבר מצא פתרון הנדסי מוכן לבעיה הזו מזמן - יש עיבוי דומה בכנפי שפיריות.
• השפירית "העניקה השראה" למעצבים ליצור מסוק.
• זה אמור להשתמש בשפירית חיה בתור מזל"ט. לגבה יצורף "תרמיל" עם מערכת בקרה ופאנלים סולאריים לחשמל. בדרך זו ניתן יהיה לנהל חרקים, לכוון אותם להאבקה טובה יותר של יבולים. זה לא נכלל בשימוש שלהם למעקב אחר אדם.
• יכולתם של העטלפים לנווט באמצעות אולטרסאונד שימשה אב טיפוס לאקו. היא מאפשרת ללמוד את הטופוגרפיה של קרקעית הים, לחפש ספינות טבועות, למצוא מקומות הצטברות של דגים מסחריים וכו', אפילו ניתן היה לתכנן מקל לעיוורים, בו מותקנים מקור אולטרסאונד ומקלט, שמאוד משפר את איכות חייהם.
• היא סיפקה סיוע רב ערך למדע. במחקר של אחד האיברים המסתוריים שלו (haltere), מדענים יצרו על פי העיקרון הזה מכשיר ניווט חשוב מאוד - גירוסקופ רוטט.

• החרק הלא מושך הזה "עורר" רעיון מעניין נוסף. עיני הזבוב מאפשרות לו לצלם מספר תמונות של אותו אובייקט בבת אחת. זה מאפשר לה לקבוע את מהירות התנועה שלו במידה רבה של דיוק. לפי עיקרון זה, מדענים יצרו מכשיר, שאותו כינו "עין הזבוב". הוא משמש כעת לקביעת המהירות של מטוסי נוסעים.
• במשך אלפי שנים נעשה שימוש ביכולת המושחזת של בעלי חיים להסוות את עצמם ולשנות צבע כדי להתאים לצבע הסביבה בפיתוח חומר - זיקית. הדחפים החשמליים המופעלים עליו מאפשרים ליצור עליו תמונה כוזבת. ציוד צבאי המכוסה בחומר כזה הופך לבלתי נראה לרחפנים, מכיוון שהוא מתמזג עם השטח.
• מסתבר שהרעיון של נשק בינארי שאול מחיפושית ההפצצה. הטבע סיפק לו נשק מקורי להגנה עצמית. שתי בלוטות, הפועלות באופן אוטונומי, מייצרות שני חומרים בלתי מזיקים שחרק כועס זורק בו זמנית מהבטן. בנקודת החיבור שלהם, הטמפרטורה מגיעה ל-100 מעלות צלזיוס! קליעים בינאריים מצוידים בתא המחולק על ידי מחיצה לשני חלקים. הם מכילים שני חומרים שאינם מהווים כל סכנה בבידוד. אבל כשהם מתפוצצים, הם מתאחדים ויוצרים את הגז הרעל החזק ביותר.
• המסע במסדרונות ספריית הפטנטים של הטבע מתקרב לסיומו. אבל בואו נפתח תיקיה נוספת, שקודם לכן הייתה שכותרתה "סודי ביותר".

העתיד של הביוניקה

בשנים האחרונות, צץ סעיף נפרד בתחום הביוניקה - נוירוביוניקה.הוא חוקר את קווי הדמיון בין מחשבים למערכת העצבים של בעלי חיים. אחת המשימות החשובות ביותר של מדע זה היא להפוך את השליטה בטכנולוגיית המחשב לאמינה וגמישה כמו מערכת העצבים.

ההצלחות הראשונות שלה כוללות יצירת שלדים חיצוניים וביו-פרוטזות שהעמידו אנשים משותקים על רגליהם. השלב הבא הוא לשלוט במכשירים הללו בכוח המחשבה. סביר להניח שהנוירוביוניקה תהפוך לבסיס ליצירת בינה מלאכותית.

אם הודעה זו הייתה שימושית עבורך, אשמח לראותך

צור מודל ב ביוניקה- זה חצי מהקרב. כדי לפתור בעיה מעשית ספציפית, יש צורך לא רק לבדוק את זמינותם של מאפייני המודל המעניינים לתרגל, אלא גם לפתח שיטות לחישוב מאפיינים טכניים קבועים מראש של המכשיר, ולפתח שיטות סינתזה המבטיחות השגת האינדיקטורים הנדרשים במשימה.

וכל כך הרבה ביונידגמים, לפני שהם מקבלים התגלמות טכנית, מתחילים את חייהם במחשב. נבנה תיאור מתמטי של המודל. על פיו מורכבת תוכנת מחשב - דגם ביוני. במודל ממוחשב שכזה, ניתן לעבד פרמטרים שונים בזמן קצר ולבטל פגמים בתכנון.

נכון, מבוסס על תוכנה דוּגמָנוּת, ככלל, לנתח את הדינמיקה של תפקוד המודל; באשר לבנייה הטכנית המיוחדת של הדגם, עבודות כאלה הן ללא ספק חשובות, אך עומס היעד שלהן שונה. העיקר בהם הוא למצוא את הבסיס הטוב ביותר שעליו ניתן לשחזר את המאפיינים הדרושים של המודל בצורה היעילה והמדויקת ביותר. הצטבר ב ביוניקהניסיון מעשי דוּגמָנוּתלמערכות מורכבות ביותר יש חשיבות מדעית כללית. מספר עצום של שיטות היוריסטיות שלה, שהן הכרחיות בהחלט בעבודות מסוג זה, כבר נמצאות בשימוש נרחב לפתרון בעיות חשובות בפיזיקה ניסיונית וטכנית, בעיות כלכליות, בעיות בתכנון של מערכות תקשורת מסועפות רב-שלביות, וכן הלאה.

כיום, לביוניקה יש כמה כיוונים.

ביוניקה אדריכלית ובניין חוקרת את חוקי היווצרות ומבנה של רקמות חיות, מנתחת את המערכות המבניות של אורגניזמים חיים על עיקרון של חיסכון בחומר, אנרגיה והבטחת אמינות. נוירוביוניקה חוקרת את תפקוד המוח, חוקרת את מנגנוני הזיכרון. איברי החישה של בעלי חיים ומנגנוני התגובה הפנימיים לסביבה הן בבעלי חיים והן בצמחים נחקרים באופן אינטנסיבי.

דוגמה חיה לביוניקה אדריכלית ובנייה היא אנלוגיה מלאה של המבנה של גבעולי דגנים ובניינים רבי קומות מודרניים. גבעולים של צמחי דגנים מסוגלים לעמוד בעומסים כבדים ובו בזמן לא להישבר תחת משקל התפרחת. אם הרוח מכופפת אותם לקרקע, הם משחזרים במהירות את מיקומם האנכי. מה הסוד? מסתבר שהמבנה שלהם דומה לתכנון של צינורות מפעל רבי קומות מודרניים - אחד ההישגים האחרונים של ההנדסה. שני העיצובים חלולים. גדילי Sclerenchyma של גזע הצמח ממלאים את התפקיד של חיזוק אורכי. הפנימיות של הגבעולים הן טבעות מקשות. לאורך קירות הגבעול יש חללים אנכיים סגלגלים. לקירות הצינור יש את אותו פתרון עיצובי. את התפקיד של אבזור הספירלה הממוקם בצד החיצוני של הצינור בגזע של צמחי דגנים ממלא עור דק. עם זאת, המהנדסים הגיעו לפתרון הקונסטרוקטיבי שלהם בכוחות עצמם, מבלי "להסתכל" אל הטבע. זהות המבנה נחשפה מאוחר יותר.

בשנים האחרונות, הביוניקה אישרה שרוב ההמצאות האנושיות כבר "מוכשרות בפטנט" מטבען. המצאה כזו של המאה העשרים, כמו רוכסנים וסקוטש, נעשתה על בסיס מבנה של נוצת ציפור. דוקרני נוצות בסדרים שונים, מצוידים בווים, מספקים אחיזה אמינה.

האדריכלים הספרדים המפורסמים M. R. Cervera ו-J. Ploz, חסידים פעילים של ביוניקה, החלו במחקר על "מבנים דינמיים" בשנת 1985, ובשנת 1991 ארגנו את "החברה לתמיכה בחידושים באדריכלות". קבוצה בראשותם, שכללה אדריכלים, מהנדסים, מעצבים, ביולוגים ופסיכולוגים, פיתחה את הפרויקט "Vertical Bionic Tower City". בעוד 15 שנה אמורה להופיע עיר מגדל בשנחאי (לפי מדענים, בעוד 20 שנה אוכלוסיית שנגחאי יכולה להגיע ל-30 מיליון איש). עיר המגדל מיועדת ל-100 אלף איש, הפרויקט מבוסס על "עקרון בניית עץ".

המגדל-עיר יהיה בצורת ברוש ​​בגובה 1128 מ' עם היקפו בבסיס של 133 על 100 מ', ובנקודה הרחבה ביותר 166 על 133 מ'. למגדל יהיו 300 קומות, והם ימוקמו ב 12 בלוקים אנכיים של 80 קומות. בין הרבעים יש מגהזי תקרה, הממלאים תפקיד של מבנה תומך לכל רובע מפלס. בתוך הרבעים - בתים בגבהים שונים עם גינות אנכיות. עיצוב זה מחושב בקפידה דומה למבנה הענפים ולכל עטרת הברוש. המגדל יעמוד על תשתית ערימה על פי עקרון האקורדיון, שאינו מעמיק, אלא מתפתח לכל עבר תוך כדי הטיפוס - בדומה לאופן שבו מתפתחת מערכת השורשים של עץ. תנודות הרוח של הקומות העליונות ממוזערות: אוויר עובר בקלות דרך מבנה המגדל. לפנייה אל המגדל ישמש חומר פלסטי מיוחד המחקה את פני השטח הנקבוביים של העור. אם הבנייה תצליח, מתוכנן לבנות עוד כמה ערי בנייה כאלה.

בביוניקה אדריכלית ובניין, מוקדשת תשומת לב רבה לטכנולוגיות בנייה חדשות. למשל, בתחום פיתוח טכנולוגיות בניה יעילות וללא פסולת, כיוון מבטיח הוא יצירת מבנים שכבות. הרעיון שאול מרכיכות בים עמוק. הקונכיות החזקות שלהם, כמו אלו של האבלון הנפוצות, מורכבות מלוחות קשים ורכים לסירוגין. כאשר צלחת קשיחה נסדקת, העיוות נספג בשכבה הרכה והסדק אינו ממשיך הלאה. טכנולוגיה זו יכולה לשמש גם לכיסוי מכוניות.

התחומים העיקריים של הנוירוביוניקה הם חקר מערכת העצבים של בני אדם ובעלי חיים ומידול של תאי עצב-נוירונים ורשתות עצביות. זה מאפשר לשפר ולפתח את הטכנולוגיה האלקטרונית והממוחשבת.

למערכת העצבים של אורגניזמים חיים יש מספר יתרונות על פני האנלוגים המודרניים ביותר שהומצאו על ידי האדם:

תפיסה גמישה של מידע חיצוני, ללא קשר לצורה בה הוא מגיע (כתב יד, גופן, צבע, גוון וכו').

אמינות גבוהה: מערכות טכניות מתקלקלות אם חלק אחד או יותר מתקלקל, והמוח נשאר מתפקד גם אם כמה מאות אלפי תאים מתים.

מִינִיאָטוּרָה. לדוגמה, מכשיר טרנזיסטור עם אותו מספר אלמנטים כמו המוח האנושי יתפוס נפח של כ-1000 מ"ק, בעוד שהמוח שלנו תופס נפח של 1.5 דמ"ק.

כלכלה של צריכת אנרגיה - ההבדל פשוט ברור.

מידה גבוהה של ארגון עצמי - הסתגלות מהירה למצבים חדשים, לשינויים בתכניות הפעילות.

מגדל אייפל ושוקה

לרגל 100 שנה למהפכה הצרפתית, אורגנה בפריז תערוכה עולמית. בשטח תערוכה זו תוכנן להקים מגדל שיסמל הן את גדולתה של המהפכה הצרפתית והן את ההישגים האחרונים של הטכנולוגיה. יותר מ-700 פרויקטים הוגשו לתחרות, הפרויקט של מהנדס הגשרים אלכסנדר גוסטב אייפל הוכר כטוב ביותר. בסוף המאה ה-19, המגדל, שנקרא על שם יוצרו, הכה את העולם כולו בפרוכות וביופי שלו. המגדל בגובה 300 מטר הפך למעין סמל של פריז. היו שמועות שהמגדל נבנה לפי ציורים של מדען ערבי אלמוני. ורק לאחר יותר מחצי מאה, ביולוגים ומהנדסים גילו תגלית בלתי צפויה: העיצוב של מגדל אייפל חוזר בדיוק על מבנה השוקה, שעומד בקלות את משקל גוף האדם. אפילו הזוויות בין משטחי המיסב תואמות. זו עוד דוגמה מובהקת ביוניקהבִּפְעוּלָה.

ביוניקה בחיי אדם

אומרים שפעם במאה נולד גאון על כדור הארץ. לאונרדו דה וינצ'י היה כזה גאון. האמן, הפסל, המתמטיקאי, המהנדס והאנטומי הגדול ביותר לאונרדו דה וינצ'י ביקש למצוא את האמת, לדעת ולתאר אותה.

"לקחתי את הטבע בתור המנטור שלי, המורה של כל המורים."

מדוע לקח המדען הדגול הזה את הטבע כמורה שלו?

חיים בצורתם הפרימיטיבית ביותר התעוררו על פני כדור הארץ לפני כ-2 מיליארד שנים. הברירה הטבעית חסרת הרחמים נמשכה מיליוני מאות שנים, וכתוצאה מכך שרדו החזקים והמושלמים ביותר. שאלו את המיטב מהטבע כדי להעצים את האדם תחילה והציעו את ליאונרדו דה וינצ'י. בשנת 1485 הוא יצר כלי טיס מכני - אורניתופטל, שאת העיקרון שלו העתיק מציפורים. ולמרות שאז אדם לא הצליח ללמוד איך לעוף, אבל זה הניח את הבסיס למדע חדש - ביוניקה. ביוניקה היא סימביוזה של ביולוגיה וטכנולוגיה.

אם ההיסטוריה של כדור הארץ - 4.5 מיליארד שנים - מוצגת כיום אחד, אז מתברר שאדם סביר הופיע על הפלנטה לפני פחות מדקה. פשוטו כמשמעו חלפו שברירי שנייה, והוא כבר דמיין את עצמו יוצר וכבר לא יכול ליצור גרוע מהטבע. עד לאחרונה, כשהמציאו משהו חדש, אנשים לא הבינו שהוא כבר קיים. אתה רק צריך לראות ולהגיש בקשה. 99% מהגילויים המדעיים שהאדם ריגל אחר הטבע. לכל מה שמקיף אותנו יש את המקבילה הטבעית שלו.

ביוניקה(מ Βίον - חַי ) - מיושם על היישום במכשירים ומערכות טכניים של עקרונות הארגון, המאפיינים, הפונקציות והמבנים . במילים פשוטות, ביוניקה היא חיבור ו . תאריך הלידה של ביוניקס: 13 בספטמבר 1960.לביוניקה יש סמל: אזמל מוצלב, מלחם וסימן אינטגרלי. האיחוד הזה של ביולוגיה, טכנולוגיה ומתמטיקה מאפשר לנו לקוות שמדע הביוניקה יחדור למקום שבו אף אחד עדיין לא חדר, ויראה את מה שאף אחד עדיין לא ראה.

האדם תמיד חלם לכבוש את השמים. אבל זה היה זמין רק לציפורים. והציפורים הן שנתנו לאנשים את רעיון הטיסה.

חלומות לטוס והיישום שלהם בפועל הם דברים שונים מאוד. ולמרות הרעיונות הנועזים, כמו אלה של ליאונרדו דה וינצ'י, האנושות תישאר כבולה לכדור הארץ עוד מאות שנים רבות. חקר הציפורים, מבנה כנפיהן וזנבן, הוביל לכך שהאדם המציא את המטוס. מבנה העין האנושית הניח את התשתית לעדשת הצילום, מבנה התפרחת החמנייה – לפאנלים סולאריים. סירק את התפרחות של ברדוק ושיער של כלב ינשוף לאחר טיול, המעצב המפורסם המציא מחברי סקוטש. חרקים נתנו למדענים את הרעיון של מסוקים. דגים הובילו ליצירת צוללות. תאגיד מרצדסבנץ פיתחה רכב ביוני שהועתק מדג גוף טרופי. למרות צורת המזוודה, למכונה התנגדות אוויר נמוכה במיוחד.

אנו מתמודדים כל יום עם המצאות ביוניות מבלי לדעת זאת. לרוב, העקרונות שאומצו מהטבע נמצאים באדריכלות. לדוגמה, בעיצוב מגדל אייפל המפורסם טמון מבנה עצם הירך האנושית. על ראש העצם ישנן נקודות התייחסות רבות, הודות להן, העומס על המפרק מופץ באופן שווה. זה מאפשר לעצם הירך המעוקלת לתמוך במשקל גוף גדול. את אותן נקודות התייחסות ניתן למצוא בבסיס מגדל אייפל. העיצוב שלו נחשב לאמת מידה אדריכלית לקיימות.

למגדל אחר, Ostankinskaya, יש גם אנלוגי טבעי. ניתן לזהות את הצללית הדקה שלה. אב הטיפוס של מגדל אוסטנקינו הוא גבעול חיטה. יכולתו לא להישבר תחת משקל התפרחת היוותה את הבסיס למגדל.

אדריכלים פונים יותר ויותר לעקרונות התפקוד של אורגניזמים חיים. כדי להבין איך זה עובד, המעצב צריך ללמוד ביולוגיה. דגים, ציפורים, צמחים ואפילו גוף האדם הופכים לאבות טיפוס טבעיים של מבנים אדריכליים.

ביוניקה לא עומדת במקום. המדע הזה יוצר מהפכה של ממש. תצפית רגילה, דוגמנות מסוגלת להרבה.המקצוע העתידי שלי קשור בהנדסת מכונות. תעשיית ההנדסה היא הרובוטית ביותר. לראשונה יישומו המעשירובוטים תעשייתייםקיבל הודות למהנדסים האמריקאים ד.דבול וד.אנגלברג בסוף שנות ה-50 ותחילת שנות ה-60 של המאה העשרים. הם משמשים לביצוע תהליכים טכנולוגיים שונים על מנת להגביר את היעילות של המיזם.

העיצוב של הרובוט עשוי להכיל מניפולטור אחד או יותר, בעוד שלמניפולטור עצמו עשוי להיות כושר עומס שונה, דיוק מיקום, דרגת חופש שונה. בעת יצירת רובוט תעשייתי, נעשה שימוש פעיל במודלים ביונים. המניפולטור של רובוט תעשייתי מורכב ממספר מסוים של קישורים (צירים) הנעים המחוברים זה לזה. זה מסודר על העיקרון של גפיים פרוקי רגליים. ככל שיותר צירים, כך העיצוב של הרובוט תכליתי יותר.המיקום והגמישות של חיבור הצירים של הרובוט נעשו בקפידה לפי המודל האנושי (חיבור המפרקים). הצירים של המניפולטור נשלטים על ידי חיישנים. הם דומים לאיברי החישה ומגיבים לאור, ממוקמים בחלל

הטבע עדיין שומר על תעלומות רבות, ההרמוניה של יצירותיו תמיד הפתיעה ותמשיך להפתיע את העולם האנושי. אבל השאלה היא: "האם יהיה לנו זמן להשתמש ב"פטנטים של חיות הבר" הנותרים? בהתחשב בקצב היעלמותם של צמחים ובעלי חיים מעל פני כדור הארץ, והסטטיסטיקה קובעת ללא מוצא: מדי שנה - מין אחד של בעלי חיים ויומי - מין צמחים אחד, השאלה שנשאלת נשמעת מדאיגה מאוד. בהקשר זה, שימור מינים נדירים ובסכנת הכחדה של בעלי חיים וצמחים, שמירה על הסביבה בתנאים נוחים לחיי כל החיים על פני כדור הארץ היא בעיה דחופה וערובה להמשך התפתחות האנושות.

גלזקובה נסטיה

מאז ומתמיד, המחשבה האנושית חיפשה תשובה לשאלה: האם אדם יכול להשיג את אותו הדבר שהטבע החי השיג? האם הוא יכול למשל לעוף כמו ציפור או לשחות מתחת למים כמו דג? בהתחלה, אדם יכול היה רק ​​לחלום על זה, אבל עד מהרה הממציאים החלו ליישם את תכונות הארגון של אורגניזמים חיים בעיצוביהם.

הורד:

תצוגה מקדימה:

1. מבוא …………………………………………2
2. מה זה "ביוניקה"?................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ 4
3. פטנטים על חיות בר …………………9
4. ביוניקה אדריכלית………………….16
5. נוירוביוניקה………………………………… 29
6. ביוניקה טכנית…………………………………37
7. מסקנה………………………………………39
8. ספרות………………………………….40

ציפור - פועלת לפי חוק מתמטי

כלי שבכוחו של האדם לעשות

עם כל המהלכים שלו...

לאונרדו דה וינצ'י.

מאז ומתמיד, המחשבה האנושית חיפשה תשובה לשאלה: האם אדם יכול להשיג את אותו הדבר שהטבע החי השיג? האם הוא יכול למשל לעוף כמו ציפור או לשחות מתחת למים כמו דג? בהתחלה, אדם יכול היה רק ​​לחלום על זה, אבל עד מהרה הממציאים החלו ליישם את תכונות הארגון של אורגניזמים חיים בעיצוביהם.

פילוסוף יווני מרכזי אחר, המטריאליסט דמוקריטוס (בסביבות 460-370 לפנה"ס) כתב:

"מבעלי חיים למדנו את הדברים החשובים ביותר על ידי חיקוי. אנחנו שוליות העכביש באריגה וחייטות, חניכי הסנונית בבניית מגורים...”.

לאחר שקראתי את ההצהרה של דמוקריטוס, חשבתי על מה שלקח אדם מהטבע כדי לשפר את חייו.

מאפיין אופייני למדע המודרני הוא החדירה האינטנסיבית של רעיונות, גישות תיאורטיות ושיטות הטבועות בדיסציפלינות שונות. זה נכון במיוחד לפיזיקה, כימיה, ביולוגיה ומתמטיקה. לפיכך, שיטות מחקר פיזיקליות נמצאות בשימוש נרחב בחקר הטבע החי, וייחודו של אובייקט זה מביא לחיים שיטות חדשות ומתקדמות יותר של מחקר פיזיקלי.

לדוגמה:

• כולם יודעים ששפירית מסוגלת לרחף באוויר, לנוע הצידה או לנוע אחורה בחדות. והיא עושה את כל התמרונים במהירות גבוהה. עם זאת, מעטים יודעים שכוח ההרמה של שפירית גדול פי שלושה מזה של מטוס מודרני. באמצעות תכונות האווירודינמיות של השפירית, מדענים מאמינים שניתן לשפר משמעותית את היעילות והבטיחות של כלי טיס. מטוסים שתוכננו עם יכולות שפירית יוכלו לבצע פניות הדוקות יותר ולהיות פחות רגישים למשבי הרוח שלמרבה הצער עדיין גורמים להתרסקות.
• האם נחש רעשן מזהה הבדל בטמפרטורה השווה לאלף המעלה?
• ...יש דגים שמרגישים מאה מיליארד מחומר ריח בליטר אחד של מים? זה כמו לזהות נוכחות של 30 גרם של חומר כזה בכל ים אראל.
• ...חולדות חשות קרינה?
• ...סוגים מסוימים של חיידקים מגיבים אפילו לשינוי קל בקרינה?
• ...האם תיקן שחור רגיל רואה קרינה?
• ... יתוש מפתח לחץ ספציפי של עד 1 מיליארד ק"ג / סמ"ר בעת עקיצתו? השוואה למשקל של 16 ק"ג עם בסיס של 4 ס"מ ולחץ ספציפי של 4 ק"ג/ס"מ בלבד מראה עד כמה גדול "כוח היתושים".
• … דגי ים עמוק קולטים שינוי בצפיפות הזרם של פחות ממאה מיליארדית האמפר?
• ... המורמירוס של דג הנילוס משתמש בתנודות אלקטרומגנטיות כדי "לחוש" את דרכו במים?

האין זו רשימה מדהימה? ואפשר להמשיך אותו שוב ושוב עם דוגמאות לא פחות ממדהימות. לאחר שלמד את כל זה, האם אדם יכול לעבור על רעיון מפתה - ליצור במו ידיו את מה שהטבע כבר יצר?

מטרת המחקר שלי:גלה כיצד האדם משתמש בהמצאות ה"טבעיות" של בעלי חיים וצמחים כדי ליצור מכשירים מלאכותיים לטובת האדם.

מה זה "ביוניקה"?

האב של הביוניקה הוא לאונרדו דה וינצ'י.

הציורים שלו ותכנית המטוסים שלו

התבססו על מבנה כנפי הציפורים

ציורים מאת ליאונרדו דה וינצ'י.

בזמננו, על פי הרישומים של ליאונרדו דה וינצ'י, עוצבה האורניתופטר שוב ושוב.

בשנת 1960 התקיים יום העיון הראשון בנושא ביוניקה בדייטונה (ארה"ב), אשר קבע את הולדתו של מדע חדש והשם שהוצע על ידי המהנדס האמריקאי ג'ק סטיל.

ביולוגיה + אלקטרוניקה = ביוניקה.

ביוניקה (מהמילה היוונית "ביון" - מרכיב של חיים, מילולית - חיים), מדע הגובל בין ביולוגיה לטכנולוגיה, פתרון בעיות הנדסיות על בסיס מודלים של מבנה וחיים של אורגניזמים.

המוטו של ביוניקה: "אב-טיפוס חיים הם המפתח לטכנולוגיה חדשה"

ביוניקה יש סמל: אזמל מוצלב, מלחם ושלט אינטגרלי. האיחוד הזה של ביולוג, טכנאי ומתמטיקאי מאפשר לנו לקוות שהמדע הזהביוניקה חודר למקום שבו אף אחד עדיין לא חדר, ולראות מה שאף אחד עוד לא ראה.

פטנטים על חיות בר.

ידוע שצמחים הם "מסננים ירוקים" המטהרים אוויר ומים מזיהומים מזיקים. הם ממלאים את האטמוספירה בחמצן, מרטיבים ומייננים את האוויר, מפחיתים את מספר החיידקים.

כלורופיטום הוא מרכך טבעי.

נוצרו מנקי אוויר חשמליים ביתיים ותעשייתיים, הדומים בתפקודם למסננים ירוקים טבעיים.

חקר המאפיינים ההידרודינמיים של מבנה הלווייתנים והדולפינים סייע ליצור עור מיוחד לחלק התת-ימי של הספינות, המספק עלייה במהירות ב-20-25% עם אותו כוח מנוע. כיסוי זה נקרא laminflo ובדומה לעור של דולפין, הוא אינו נרטב ובעל מבנה אלסטי-אלסטי, המבטל מערבולות סוערות ומספק החלקה בהתנגדות מינימלית.

עצים הם משאבות צמחים חזקות. לתנועת המים יש חשיבות רבה ללחץ השורשים והטרנספירציה (אידוי מים על ידי עלים), וכן לכוח ההיצמדות בין מולקולות המים לדפנות כלי הדם.

כפי שעץ מספק לעצמו חומרי הזנה ולחות דרך שורשיו, כך אנשים מנסים להפיק מינרלים מהאדמה.

השיטה ההידרומטלורגית פשוטה וחסכונית בהשוואה לשיטת האש (בתנור פיצוץ). נתרן פחמתי נשאב לתוך מרבצי עפרות אורניום. ואז התערובת הנוזלית המכילה אורניום נשאבת מהפיר דרך צינורות, כמו צמח עם שורשים. לאחר השקיעה, אורניום מתקבל בצורה טהורה יותר מאשר מכרה בדרכים אחרות. אורניום מופק גם מעפרות נחושת, שבהן הוא מצוי בכמויות קטנות מאוד.

הידרומטלורגיה משמשת בעיבוד של עפרות מורכבות ותרכיזי עפרות.

ביוניקה אדריכלית.

הטבע החי מפסיק להיות תופעה מסתורית. אחת ההכללות העיקריות של הביולוגיה המודרנית היא שכל תופעות החיים מצייתות לחוקי הפיזיקה והכימיה וניתן להסבירן באמצעות חוקים אלו ברמות שונות: מולקולרית, במהלך היווצרות גבישים, היווצרות רקמות מכניות (מבניות) ותומכות. שלדים, צורות המערכת הכללית וקשרים אקולוגיים. הטבע והארכיטקטורה החיים מתפתחים באותם תנאים ביופיזיים של כדור הארץ והחלל ומצייתים לחוקי הכבידה, האינרציה, התרמודינמיקה. צורותיהם נקבעות על ידי פעולה דומה של גורמי טמפרטורה ולחות, משטר הבידוד, האופי המחזורי של תופעות מטאורולוגיות וכו'. פעילות הבנייה של אורגניזמים חיים, כמו גם באדריכלות, קשורה ליצירת חומרי בניין וסדר מסוים (טכנולוגיה) של עבודה.

האדריכלות, שבמהלך התפתחותה הפכה לתופעה חברתית גדולה, מכוונת במקביל לספק לא רק צרכים חברתיים, אלא גם ביולוגיים. והנה, באמצעות חקר הארגון הביולוגי של האדם, האדריכלות מקבלת דחפים מיוחדים לעיצוב, שחשיבותם גוברת בתנאי המהפכה המדעית והטכנולוגית, הדרישות ההולכות וגוברות לחיסכון באנרגיה הציבורית ובהתעצמות העבודה האנושית.

הניסיון של האדריכלות העולמית בשלושת העשורים האחרונים מאשר שהביוניקה האדריכלית מסוגלת לפתור מגוון רחב של סוגיות אדריכליות, הן בפרשנות הנפרדת שלהן והן בשילוב. אלה כוללים: הבהרת הסוגיות התיאורטיות הכלליות של האדריכלות הנוגעות להיבטים הבסיסיים של התפתחותה; שיפור תורת המערכות; כיווני בידול נוספים של המבנה הפונקציונלי של צורות אדריכליות וחלל אדריכלי; העמקת טכניקות קומפוזיציה - טקטוניקה, פרופורציות, איזון, סימטריה, מקצבים, אור, צבע וכו'; פתרון לבעיה של יצירת מיקרו אקלים נוח v מבנים ותצורות אדריכליות אחרות; רציונליזציה של מבנים קיימים והכנסת צורות מבניות חדשות; פיתוח תיעוש של ייצור על בסיס איחוד, סטנדרטיזציה וייצור טרומי של אלמנטים אדריכליים ומבניים; יצירת חומרי בניין עם תכונות מבניות ובידוד חום מורכבות חדשות; פיתוח נוסף של הטכנולוגיה לייצור מבנים וארגון ייצור ההכרזה על מבנים; שיפור המתודולוגיה של עיצוב ניסוי על מודלים פיזיקליים וכו'.

לפיכך, תוצאות המחקר שנעשו בתחום הביוניקה האדריכלית מתבררות כשימושיות בפתרון בעיות השיפור החברתי והאסתטי של האדריכלות במגזרים הטיפולוגיים המגוונים ביותר שלה: במתחמי מגורים, במבנים ומבנים ציבוריים ותעשייתיים, בעירוניים. תִכנוּן. כמובן, זה לא אומר שהיא v מסוגל לפתור את כל הבעיות הללו עד הסוף. לא, זה לא מחליף או שולל שיטות קיימות והוא מוכן רק לעזור להתקדמותן. עם זאת, באזורים מסוימים יכולה להיות לכך השפעה מהפכנית. לביוניקה אדריכלית, אם כן, יש חשיבות רבה בפיתוח נוסף של לא רק בפועל, אלא גם של מדע האדריכלות.

רקע היסטורי לפיתוח של ביוניקה ארכיטקטונית

מעניין להתחקות אחר כיצד נוצרו התנאים המוקדמים ההיסטוריים להיווצרות התיאוריה והפרקטיקה של הביוניקה האדריכלית, המאשרים את הלגיטימיות שלה, את הבלתי נמנעת של הפיתוח ובו בזמן שופכים אור על היווצרותם של כיווניה שפותחו. בזמננו.

לאורך ההיסטוריה, האדם בפעילות האדריכלית והבנייה שלו פנה במודע או אינטואיטיבי לחיות בר, מה שעזר לו לפתור מגוון בעיות.

בקתה אינדיאנית דרום אמריקאית ותלולית טרמיטים; אורג קן ציפורים; בית אדוב אפריקאי

כמובן, האדם לא התחיל בחיקוי. סביר להניח, אנחנו יכולים לדבר על צורות של פעילות בניית עבודה הטבועות בו אורגנית. האדם, כידוע, התפתח בהדרגה מהפרימטים היונקים העתיקים ביותר למצב של "הומו סאפיינס". אבל, ככל הנראה, ההרחקה ההדרגתית של האדם בזמן מאבותיו החיות, ההתפתחות העצמאית של הענף האנושי, היווצרות הפעילות על פי העיקרון "אני עצמי" החליקה את המיידיות האורגנית של מקור החי והעבירה אותה לרמה של חיקוי משמעותי יותר או פחות של הטבע החי, בניית פעילויות של אורגניזמים חיים.

עיצוב כותרות העמודים של מקדשי מצרים העתיקה באנלוגיה לצורות של פרחי לוטוס ופפירוס: מהתמקדות בצד הדקורטיבי(1-4) לפני התפתחות טקטונית(5-6)

אדריכלות עממית יפנית. חתך בניין הדומה לאשוח

ייצוג פיגורטיבי של מרחב חיות בר בחלק הפנימי של קתדרלה גותית: הקתדרלה באמיין (צרפת) וסמטה ביער (צילום: יו. לבדב)

האחדות של צורות האדריכלות והטבע שמסביב. מנזר Savvino-Storozhevsky ליד Zvenigorod ליד מוסקבה (מאות XV-XUM) (צילום של יו. לבדב)

מגדל רדיו וטלוויזיה במוסקבה, 1922. אינג. V.G. שוכוב. מבט כללי ומבט פנימי (צילום: L.V. Kuchinsky)

ביוניקה חושבים כך. כאשר מתמודדים עם בעיה הנדסית או עיצובית, הם מחפשים פתרון ב"בסיס המדע" בגודל בלתי מוגבל ששייך לבעלי חיים ולצמחים.

גוסטב אייפל, שב-1889 בנה ציור של מגדל אייפל, עשה משהו דומה. מבנה זה נחשב לאחת הדוגמאות הברורות המוקדמות ביותר לשימוש בביוניקה בהנדסה.

העיצוב של מגדל אייפל מבוסס על עבודתו המדעית של הפרופסור השוויצרי לאנטומיה הרמן פון מאייר. ארבעים שנה לפני בניית הנס ההנדסי הפריזאי, חקר הפרופסור את מבנה העצם של ראש הירך בנקודה שבה הוא מתכופף ונכנס בזווית למפרק. ויחד עם זאת, משום מה, העצם לא נשברת תחת משקל הגוף.

פון מאייר גילה שראש העצם מכוסה ברשת סבוכה של עצמות מיניאטוריות, שבזכותן העומס מתחלק מחדש בצורה מדהימה על העצם. לרשת זו היה מבנה גיאומטרי קפדני, אותו תיעד הפרופסור.

בשנת 1866, המהנדס השוויצרי קרל קולמן סיפק בסיס תיאורטי לתגליתו של פון מאייר, ו-20 שנה מאוחר יותר, חלוקת עומסים טבעית באמצעות קליפרים מעוקלים שימשה את אייפל.

דוגמה חיה לביוניקה אדריכלית ובנייה היא אנלוגיה מלאה של המבנה של גבעולי דגנים ובניינים רבי קומות מודרניים. גבעולים של צמחי דגנים מסוגלים לעמוד בעומסים כבדים ובו בזמן לא להישבר תחת משקל התפרחת. אם הרוח מכופפת אותם לקרקע, הם משחזרים במהירות את מיקומם האנכי. מה הסוד? מסתבר שהמבנה שלהם דומה לתכנון של צינורות מפעל רבי קומות מודרניים - אחד ההישגים האחרונים של ההנדסה. שני העיצובים חלולים. גדילי Sclerenchyma של גזע הצמח ממלאים את התפקיד של חיזוק אורכי. הפנימיות של הגבעולים הן טבעות מקשות. לאורך קירות הגבעול יש חללים אנכיים סגלגלים. לקירות הצינור יש את אותו פתרון עיצובי. את התפקיד של אבזור הספירלה הממוקם בצד החיצוני של הצינור בגזע של צמחי דגנים ממלא עור דק. עם זאת, המהנדסים הגיעו לפתרון הקונסטרוקטיבי שלהם בכוחות עצמם, מבלי "להסתכל" אל הטבע. זהות המבנה נחשפה מאוחר יותר.

תהליך זה של שימוש בחוקי עיצוב הטבע החי שינה את אופיו ואת גבולותיו בהתאם לגורמים אובייקטיביים וסובייקטיביים.

ניתן לייחד שלושה שלבים כרונולוגיים הקודמים למודרני והמתאימים לשינויים במהות תהליך זה.

השלב הראשון - העתיק ביותר, החוזר למעמקי ההיסטוריה, יכול להיחשב כשלב של שימוש ספונטני באמצעים בונים ופונקציונליים-מרחביים של חיות בר ותוצאות פעילות "הבנייה" של בעלי חיים, ציפורים וחרקים. יצירת מקלטי קן, צריפים, דולמנים או "מבני ציבור", שיכולים להיות מניירים, קרומלכים וכו'. קשה לומר באיזו מידה הובנו בצורה אסתטית הצורות השאולות מהטבע. ללא ספק, רק דבר אחד: הם היו, מעל הכל, פונקציונליים (ברמתם ובדרכם). יחד עם הפונקציה, הצורה הטבעית הוכנסה באופן מכני גם למבנים מלאכותיים, ולכן מבנים אנושיים עתיקים רבים - קנים, צריפים וכו'. - לעתים קרובות קשה להבחין בין בעלי חיים או חרקים מבניינים, כגון טרמיטים.

השלב השני - מתחילת היווצרות האדריכלות כאמנות ועד לאמצע המאה ה-19 בערך. למרות אורכה הרב של תקופה זו בזמן, כל צעדי הביניים האפשריים שלה מאוחדים על ידי בסיס אחד - עקרון החיקוי של הטבע. המשמעות הייתה בעיקר שימוש בצורות הטבע למטרות ציוריות ודקורטיביות והעתקה של צורות הטבע החיצוניות. דוגמה לכך היא עמודי המקדשים המצריים בלוקסור ובקרנק; כותרות קורינתיות ויוניות של עמודים של מקדשים יווניים; ארמונות רנסנס וארמונות קלאסיציזם; שיטות פיגורטיביות ואמנותיות לעיצוב בכנסיות רוסיות; כותרות העמודים וכל מבנהם כחיקוי למוטיב היער בקתדרלות הגותיות; אדריכלות יפנית עממית וכו'.

אם כבר מדברים על תקופה זו, אי אפשר להכחיש את הפרשנות של כמה עקרונות בונים-טקטוניים של הטבע החי. לדוגמה, טקטוניקת העמודים, עם המחזוריות של קטריה לאורך הגובה, מפרשת את הטקטוניקה של גזע עץ; חלילי העמודים דומים לגבעולים המחורצים של צמחים שנתקלים בהם, ומעניקים להם חוזק נוסף. ההיגיון של המעבר מצורה אחת לאחרת ביחידות הקונסטרוקטיביות של סדרים של מקדשים יווניים חוזר, בעצם, על העקרונות של שינוי צורות לאורך האנכי של גזע צמחי, גזע עץ, שלדי בעלי חיים; צלעות הכיסויים של המקדשים הגותיים ממלאות את אותה פונקציה בונה כמו העצבים (ורידים) של עלה ירוק של עץ וכו'.

טקטוניקה טבעית בצורות ארכיטקטוניות לא תמיד נוכחת באופן ספונטני, כפי שמעידים הצהרותיהם של ויטרוביוס, אלברטי, פלדיו ואחרים. אך את המחשבות שהובעו לגבי פתרונות קונסטרוקטיביים, לרוב, בשל יכולות טכניות מוגבלות, לא ניתן היה ליישם בפועל . היה קל יותר ליצור מאבן או חימר צורה דומה לטבע, למטרות אמנותיות, מאשר ליצור מערכת בונה הדומה לטבעית.

השלב השלישי - סוף ה-19 - תחילת המאה ה-20, שמצא את ביטויו באדריכלות ה"מודרנית". בשלב זה, עקרונות טבעיים בו זמנית, אם כי בדרגות שונות, באו לידי ביטוי בפתרונות פונקציונליים-מבניים, קונסטרוקטיביים ודקורטיביים.

להתפתחות המהירה של הביולוגיה ולהצלחה חסרת התקדים של טכנולוגיית הבנייה (למשל, המצאת בטון מזוין ותחילת השימוש האינטנסיבי במבני מתכת, קרמיקה וכו') הייתה השפעה רבה על השימוש במשאבי הטבע בשלב זה. .

באדריכלות המודרנית, כפי שהוכיחו מחקרים עדכניים על המודרניות הרוסית, ההתפתחות הפונקציונלית והמבניה של צורות אדריכליות החלה על עיקרון הסתגלות למשימות המורכבות יותר ויותר של אדריכלות וסביבה. הארט נובו הוא זה שפתח את הדרך לפרשנויות המגוונות ביותר של צורות אדריכליות, שאינן מחוברות בשום מערכת נוקשה מבוססת, בדומה לזו הקלאסית. גם כאן, מרצון או בעל כורחו, התגלם העיקרון הטבעי של מגוון הצורות באחדותן ה"סגנונית". בארט נובו מצאו מבנים מרחביים חדשים, המזכירים מבנים טבעיים, את יישומם. ולבסוף, השימוש בביופורמים למטרות דקורטיביות.

הישגי הביולוגיה במאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20, העקרונות המורכבים והמערכתיים של התפתחות חיות הבר, באו לידי ביטוי גם בתחום פעילות רחב כל כך כמו תכנון עירוני. היא מרמזת על ניסיון ליישם את התיאוריה של "עיר הגנים" מאת א' הווארד באנגליה, גרמניה/רוסיה וכו'. צמיחת ערי התעשייה גרמה לנו לחשוב על בעיית הצלת אזורים עירוניים, היווצרותם השיטתית, חיפוש אחר אמצעים למניעת כאוס, פתרון בעיות תחבורה, הצבת מרכזים ציבוריים וכו'. וגם כאן היו ניסיונות לפנות אל חיות הבר. בסוף ה- XIX - תחילת המאה ה- XX. הצעות דומות רבות הועלו: T. Fritsch - עיר המתפתחת כמו קונכיית רכיכה בספירלה, 1896; פרויקטים של Sant Elia, E. Gleden ואחרים.

האדריכלים הספרדים המפורסמים M.R. סררה וה.פלוז, חסידים פעילים של ביוניקה, החלו במחקר על "מבנים דינמיים" ב-1985, וב-1991 ארגנו את "החברה לתמיכה בחידושים באדריכלות". קבוצה בראשותם, שכללה אדריכלים, מהנדסים, מעצבים, ביולוגים ופסיכולוגים, פיתחה את הפרויקט "Vertical Bionic Tower City". בעוד 15 שנה אמורה להופיע עיר מגדל בשנחאי (לפי מדענים, בעוד 20 שנה אוכלוסיית שנגחאי יכולה להגיע ל-30 מיליון איש). עיר המגדל מיועדת ל-100 אלף איש, הפרויקט מבוסס על "עקרון בניית עץ".

מגדל העיר יהיה בצורת ברוש ​​בגובה 1128 מ' עם היקפו בבסיס של 133 על 100 מ', ובנקודה הרחבה ביותר 166 על 133 מ'. למגדל יהיו 300 קומות, והם ימוקמו ב-12 בלוקים אנכיים של 80 קומות. בין הרבעים יש מגהזי תקרה, הממלאים תפקיד של מבנה תומך לכל רובע מפלס. בתוך הרבעים - בתים בגבהים שונים עם גינות אנכיות. עיצוב זה מחושב בקפידה דומה למבנה הענפים ולכל עטרת הברוש. המגדל יעמוד על תשתית ערימה על פי עקרון האקורדיון, שאינו מעמיק, אלא מתפתח לכל עבר תוך כדי הטיפוס - בדומה לאופן שבו מתפתחת מערכת השורשים של עץ. תנודות הרוח של הקומות העליונות ממוזערות: אוויר עובר בקלות דרך מבנה המגדל. לפנייה אל המגדל ישמש חומר פלסטי מיוחד המחקה את פני השטח הנקבוביים של העור. אם הבנייה תצליח, מתוכנן לבנות עוד כמה ערי בנייה כאלה.

נוירוביוניקה.

התחומים העיקריים של הנוירוביוניקה הם חקר מערכת העצבים של בני אדם ובעלי חיים ומידול של תאי עצב-נוירונים ורשתות עצביות. זה מאפשר לשפר ולפתח את הטכנולוגיה האלקטרונית והממוחשבת.

למערכת העצבים של אורגניזמים חיים יש מספר יתרונות על פני האנלוגים המודרניים ביותר שהומצאו על ידי האדם:

1) תפיסה מושלמת וגמישה מאוד של מידע חיצוני, ללא קשר לצורה בה הוא מגיע (למשל, מכתב יד, גופן, צבע טקסט, ציורים, גוון ושאר מאפייני הקול וכו').

2) אמינות גבוהה, העולה משמעותית על מהימנות המערכות הטכניות (האחרונות נכשלות כאשר חלק אחד או יותר נשברים במעגל; כאשר מיליוני תאי עצב מתוך המיליארדים המרכיבים את המוח מתים, המערכת נשארת פעילה).

3) אלמנטים מיניאטוריים של מערכת העצבים: עם מספר היסודות 10 10 - 10 11 נפח המוח האנושי 1.5 dm 3. מכשיר טרנזיסטור עם אותו מספר אלמנטים יתפוס נפח של כמה מאות, או אפילו אלפיםמ 3.

4) יעילות העבודה: צריכת האנרגיה של המוח האנושי אינה עולה על כמה עשרותיום שלישי.

5 ) מידה גבוהה של ארגון עצמי של מערכת העצבים, הסתגלות מהירה למצבים חדשים, לשינויים בתוכניות פעילות.

ניסיונות להדגים את מערכת העצבים של בני אדם ובעלי חיים החלו בבניית אנלוגים של נוירונים ורשתותיהם. פותחו סוגים שונים של נוירונים מלאכותיים. נוצרו "רשתות עצבים" מלאכותיות המסוגלות להתארגנות עצמית, כלומר לחזור למצבים יציבים כשהן יוצאות מאיזון. לימודיזיכרון ומאפיינים נוספים של מערכת העצבים - הדרך העיקרית ליצור מכונות "חשיבה" לאוטומציה של תהליכי ייצור וניהול מורכבים. חקר המנגנונים המבטיחים את מהימנות מערכת העצבים חשובה מאוד לטכנולוגיה, משום. הפתרון של בעיה טכנית ראשית זו יספק את המפתח להבטחת האמינות של מספר מערכות טכניות (לדוגמה, ציוד מטוסים המכילים 10 5 אלמנטים אלקטרוניים).

מחקר של מערכות מנתח. כל אחדמנתח בעלי חיים ובני אדם, התופסים גירויים שונים (אור, קול וכו'), מורכבים מקולטן (או איבר חישה), מסלולים ומרכז מוח. אלו תצורות מורכבות ורגישות מאוד, שאין דומה לה בין מכשירים טכניים. חיישנים מיניאטוריים ואמינים, שאינם נחותים ברגישות, למשל, לעין, המגיבה לכמות בודדת של אור, לאיבר הרגיש לטמפרטורה של נחש רעשן, המבחין בשינויי טמפרטורה של 0.001 מעלות צלזיוס, או לאיבר החשמלי של דגים, אשר קולטים פוטנציאלים בשברירי מיקרו-וולט, יכולים להאיץ משמעותית את ההתקדמות הטכנית התנועתית ואת המחקר המדעי.

דרך המנתח החשוב ביותר - חזותי - רוב המידע נכנס למוח האנושי. מנקודת מבט הנדסית, התכונות הבאות של המנתח החזותי מעוררות עניין: מגוון רחב של רגישות - מקוונטות בודדות ועד לשטפי אור עזים; שינוי בהירות הראייה מהמרכז לפריפריה; מעקב רציף אחר עצמים נעים; התאמה לתמונה סטטית (כדי לצפות באובייקט נייח, העין עושה תנועות תנודות קטנות בתדירות של 1-150הרץ). למטרות טכניות, יש עניין בפיתוח של רשתית מלאכותית. (הרשתית היא מבנה מורכב מאוד; לדוגמה, לעין האנושית יש 10 8 קולטנים המתקשרים עם המוח דרך 10 6 תאי גנגליון.) אחת הווריאציות של הרשתית המלאכותית (בדומה לרשתית של עין צפרדע) מורכבת מ-3 שכבות: הראשונה כוללת 1800 תאים קולטנים, השנייה - "נוירונים" הקולטים אותות חיוביים ומעכבים מקולטני פוטו לקבוע את הניגודיות של התמונה; בשכבה השלישית יש 650 "תאים" מחמישה סוגים שונים. מחקרים אלו מאפשרים ליצור מכשירי מעקב לזיהוי אוטומטי. חקר תחושת עומק החלל בראייה בעין אחת (ראייה חד-נוקולרית) אפשר ליצור קביעה של עומק החלל לניתוח תצלומי אוויר.

מתבצעת עבודה לחיקוי מנתח השמיעה של בני אדם ובעלי חיים. מנתח זה גם רגיש מאוד - אנשים עם שמיעה חריפה קולטים קול כאשר הלחץ בתעלת האוזן משתנה בערך 10מיקרון / מ"ר (0.0001 דין / ס"מ 2). מעניין גם מבחינה טכנית לחקור את מנגנון העברת המידע מהאוזן לאזור השמיעה של המוח. הם חוקרים את איברי הריח של בעלי חיים על מנת ליצור "אף מלאכותי" - מכשיר אלקטרוני לניתוח ריכוזים נמוכים של חומרים ריחניים באוויר או במים [יש דגים שמרגישים ריכוז של חומר בכמהמ"ג/מ"ק (מק"ג/ליטר )]. לאורגניזמים רבים יש מערכות מנתח כאלה שאין לבני אדם. כך, למשל, לחגב בקטע ה-12 של האנטנות יש פקעת הקולטת קרינת אינפרא אדום, לכרישים ולקרניים יש תעלות על הראש ובקדמת הגוף הקולטות שינויים בטמפרטורה ב-0.1 מעלות צלזיוס. חלזונות ונמלים רגישים לקרינה רדיואקטיבית. דגים, ככל הנראה, קולטים זרמים תועים עקב חשמול האוויר (על כך מעיד יציאת דגים לעומק לפני סופת רעמים). יתושים נעים בשבילים סגורים בתוך שדה מגנטי מלאכותי. יש בעלי חיים שמרגישים טוב רעידות אינפרא וקוליות. חלק מהמדוזות מגיבות לתנודות אינפרא-קוליות המתרחשות לפני סערה. עטלפים פולטים רעידות קוליות בטווח של 45-90 kHz אבל לעשים שהם ניזונים מהם יש איברים הרגישים לגלים האלה. לינשופים יש גם "מקלט אולטרסאונד" לזיהוי עטלפים.

סביר להניח שהמכשיר הוא לא רק אנלוגים טכניים של איברי חישה של בעלי חיים, אלא גם מערכות טכניות עם אלמנטים רגישים ביולוגית (למשל, עיניה של דבורה - לגילוי קרניים אולטרה סגולות ועיניים של ג'וק - לזיהוי קרני אינפרא אדום) .

חשיבות רבה בעיצוב טכני הם מה שנקרא.פרספטרונים - מערכות "למידה עצמית" המבצעות את הפונקציות הלוגיות של זיהוי וסיווג. הם תואמים למרכזי המוח שבהם מתרחש עיבוד המידע המתקבל. רוב המחקר מוקדש לזיהוי של תמונות חזותיות, קוליות או אחרות, כלומר, היווצרות אות או קוד התואמים באופן ייחודי לאובייקט. יש לבצע זיהוי ללא קשר לשינויים בתמונה (למשל בהירות שלה, צבע וכו') תוך שמירה על ערכה העיקרי. מכשירי קוגניציה מארגנים עצמיים כאלה פועלים ללא תכנות מוקדם עם הכשרה הדרגתית המבוצעת על ידי מפעיל אנושי; הוא מציג תמונות, מסמן שגיאות, מחזק תגובות נכונות. התקן הקלט של הפרספטרון הוא שדה התפיסה שלו, הקולטן; כאשר מזהים אובייקטים ויזואליים, זוהי קבוצה של תאי צילום.

לאחר תקופה של "למידה" יכול הפרספטרון לקבל החלטות עצמאיות. על בסיס פרספטרונים נוצרים מכשירים לקריאה וזיהוי של טקסט, ציורים, ניתוח אוסצילוגרמות, צילומי רנטגן וכו'.

חקר מערכות הזיהוי, הניווט וההתמצאות בציפורים, דגים ובעלי חיים אחרים היא גם אחת המשימות החשובות של הביוניקה. מערכות תפיסה וניתוח מיניאטוריות ומדויקות המסייעות לבעלי חיים לנווט, למצוא טרף, לנדוד אלפיק"מ, יכול לעזור לשפר את המכשירים המשמשים בתעופה, ענייני ים וכו'. טווח קולי נמצא בעטלפים ובמספר בעלי חיים ימיים (דגים, דולפינים). ידוע כי צבי ים שוחים כמה אלפי מטרים לתוך הים.ק"מ וחוזרים להטיל ביצים תמיד לאותו מקום על החוף. מאמינים שיש להם שתי מערכות: התמצאות ארוכת טווח לפי הכוכבים והתמצאות קצרת טווח לפי ריח (הכימיה של מי החוף). זכר פרפר עין טווס לילי קטן מחפש נקבה במרחק של עד 10ק"מ. דבורים וצרעות מכוונות היטב על ידי השמש. למחקר של מערכות זיהוי רבות ומגוונות אלה יש הרבה מה להציע לטכנולוגיה.

אז, החברה האמריקאית Orbital Research, מפתחת מערכות ניווט, החלה לעבוד על מערכת חושית אינטואיטיבית שתסייע למנוע התנגשויות בין מכוניות על הקרקע למטוסים באוויר.

כדי לעצב מערכת כזו, מדענים התבקשו מהתנהגותם של ג'וקים ברגע שהם מנסים לתפוס אותם. מערכת העצבים של ג'וקים מנטרת כל הזמן הכל, אפילו השינויים הקטנים ביותר המתרחשים בקרבת מקום, וכאשר מתעוררת סכנה, היא מגיבה במהירות, ברורה והכי חשוב, נכונה. כבר נוצר דגם עובד של מכונית מבוקרת רדיו עם "מוח ג'וקים".

מדענים מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה חקרו בפירוט את מעוף שפירית. הם הגיעו למסקנה ש"למרות המוח הקטן מאוד שלהם, החרקים הללו מסוגלים לבצע תמרונים אוויריים מהירים ומדויקים הדורשים יציבות והימנעות מהתנגשות". הם רוצים להשתמש במטוסים חדשים שתוכננו ב"דמות ודמיון" כדי לחקור את האטמוספרות של כוכבי הלכת של מערכת השמש.

והנה עוד כמה רעיונות ייחודיים שהטבע "מקיא". כפי שהתברר, הרשת חזקה פי חמישה מפלדה וב-30% יותר אלסטית מניילון. מהחומר החדש, "הושאל" מעכבישים, מדענים מציעים לייצר חגורות בטיחות, חוטים חסרי משקל, בדים חסיני כדורים, חוטים רפואיים, צמיגי רכב ואפילו רצועות מלאכותיות, מכיוון שחלבון הרשת כמעט ולא נדחה על ידי הגוף, מכיוון שיש לו בעיקר בסיס חלבוני ובעל תכונות ייחודיות. : הוא חזק במיוחד, קל, אינו קורס תחת השפעת הסביבה במשך זמן רב, כמעט ואינו רגיש לנזק על ידי מיקרואורגניזמים ופטריות. אבל מכיוון שדי בעייתי להשיג רשת טבעית בכמות המתאימה, הגנטיקאים של חברת הביוטכנולוגיה הקנדית Nexia השתילו את הגנים האחראים לסינתזה של הרשת בעכבישים לעזים ניגריות. והם התחילו לתת חלב המכיל את אותם חלבונים כמו הרשת. חומרי גלם מופקים מחלב לקבלת חוטים ונרקם משי כבד.

בתורם, מדענים ממעבדות בל, מרכז מחקר של לוסנט טכנולוגיות, גילו שלגבישי קלציט היוצרים את השלד של כוכבי הים מקבוצת הכוכבים השבירים (זנב נחש) יש תפקידים ייחודיים: הם לא רק משמשים כקונכיות לכוכבים שבירים, אלא גם לבצע את הפונקציות של קולטנים אופטיים עבור העיניים המורכבות. לדברי מדענים, המחקר של חומר ביולוגי חדש זה יכול לתרום לשיפור העיצוב של אלמנטים אופטיים עבור רשתות טלקומוניקציה. "לנגד עינינו היא דוגמה מצוינת למה שאנחנו יכולים ללמוד מהטבע", אמר סגן נשיא בלה לאבס פדריקו קפאסו, "גבישי הקלציט הקטנים האלה הם מיקרו-עדשות כמעט מושלמות, הרבה יותר טובות ממה שאנחנו יכולים לייצר היום".

והנה דוגמה שאפשר לקחת מחסר חוליות אחר. באחת המעבדות של משרד האנרגיה האמריקני, הם חוקרים את התערובת שמייצרות רכיכות שני מסתיים כדי להיצמד בחוזקה לתחתית הספינות. על סמך מחקר, נוצר דבק חדש שיסייע להדביק לוחות מתכת מחומצנים מהם מורכבים רכיבי מחשב חשובים, או אפילו להחליף תפרים ניתוחיים בגוף האדם לאחר הניתוח. עם זאת, נדרשים 10,000 רכיכות כדי לייצר רק גרם אחד של דבק חלבון. בהקשר זה, מדענים שוקלים את השלב הבא במחקר שלהם - השתלת גן הרכיכות הרצוי בצמח.

במרכז הננוטכנולוגיה במנצ'סטר, מדענים עבדו על "בעיה" שהוגדרה על ידי קבוצה מאורגנת פרימיטיבית של לטאות (שממיות), שיכולות לנוע כמעט על כל משטח. תוצאות המחקר הראו כי על כפות השממית יש מספר שערות קרטין בגודל של כ-200 ננומטר. כוחות נימיים עוזרים לשממית לזחול על משטחים רטובים, בעוד שכוחות ואן דר ואלס עוזרים לה לזחול על משטחים יבשים. כל שערה קשורה לפני השטח בכוח של 10-7 נ' עקב הצפיפות הגבוהה של שערות על רגלי השממית, חוזק החיבור גדל מאוד.

צוות מנצ'סטר החליט להמשיך במחקר על ידי ניסיון לבנות את אותו מערך של ננו-סיבים. ייתכן שייצור המוני של "רגלי שממית" אפשרי בעזרת טכנולוגיות לא כל כך יקרות, כמו למשל ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים. אם תפנו את תשומת לבכם לבעלי חוליות אחרים – לווייתנים ודולפינים, תגלו שהם "ארוזים" ברקמה כמו גומי אלסטי מאוד, המורכב מרשת מורכבת של סיבי קולגן. גילוי זה מאפשר להתחיל בייצור של מקבילו הסינטטי. אם תשימו את החומר הנפלא הזה על ספינות ים וצוללות, אז ההתייעלות שלהם תגדל, צריכת הדלק תפחת והיציבות תגדל.

אבל לאולימפיאדת 2004 נוצרה במיוחד חליפת "כריש" חדשה Fastskin FSII של חברת Speedo האמריקאית. פני השטח שלו מרופדים במאות שיניים זעירות. "עור" זה ריגל אחר כריש וחושב בנוסף במחשב. זה מפחית את החיכוך נגד מים, שלטענת החברה מגיע ל-29% מסך ההתנגדות, ולא 8-10%, כפי שחשבו בעבר, מדווחיםMembrana.ru. כתוצאה מכך - הפחתה של 4% בהתנגדות הכוללת לתנועה ועלייה מקבילה במהירות התנועה במים. עבור ספורט מקצועי, הניצחון הזה יכול להיות קריטי.

גם הצבא לא עמד מהצד. לדוגמה, פרופסור האווי חוזט מפתח רובוט על גלגלים בדמות חדק פיל בכסף של הצבא, הצי האמריקני מממן יצירת רובוטים לובסטרים, וסוכנות המחקר המתקדם של ההגנה משלמת עבור בניית חרקים מכניים. .

ביוניקה טכנית.

חקר המאפיינים ההידרודינמיים של מבנה הלווייתנים והדולפינים סייע ליצור עור מיוחד לחלק התת-ימי של הספינות, המספק עלייה במהירות ב-20-25% עם אותו כוח מנוע. עור זה נקרא laminflo ובדומה לעור של דולפין, הוא אינו נרטב ובעל מבנה אלסטי-אלסטי, המבטל מערבולות סוערות ומעניק החלקה בהתנגדות מינימלית. את אותה דוגמה אפשר לתת מההיסטוריה של התעופה. במשך תקופה ארוכה, בעיית התעופה המהירה הייתה רפרוף - רעידות פתאומיות ואלימות של הכנפיים המתרחשות במהירות מסוימת. בגלל התנודות הללו, המטוס התפרק באוויר תוך מספר שניות. לאחר תאונות רבות, המעצבים מצאו מוצא - הכנפיים החלו להיעשות עם עיבוי בקצה. לאחר זמן מה נמצאו עיבויים דומים בקצות כנפי השפירית. בביולוגיה, עיבויים אלו נקראים פטרוסטיגמות. עקרונות חדשים של מעוף, תנועה ללא גלגלים, בניית מיסבים וכו', מפותחים על בסיס חקר תעופה של ציפורים וחרקים, תנועת בעלי חיים קופצים ומבנה המפרקים.

נוצר במרכז המחקר Xerox בפאלו אלטו, המעגל המודפס החדש אינו מכיל חלקים נעים (הוא מורכב מ-144 סטים של 4 חרירים כל אחד)

במכשיר ה-AirJet המפתחים העתיקו התנהגות של נחיל טרמיטים, כאשר כל טרמיט מקבל החלטות עצמאיות, אך במקביל הנחיל נע לעבר מטרה משותפת, כמו בניית קן.

המעגל המודפס עוצב בפאלו אלטו ומצויד בחרירי אוויר רבים, שכל אחד מהם פועל באופן עצמאי, ללא פקודות מהמעבד המרכזי, אך יחד עם זאת הם תורמים למשימה הכוללת של קידום הנייר. אין חלקים נעים במכשיר, מה שמאפשר להוזיל את עלות הייצור. כל מעגל מודפס מכיל 144 סטים של 4 חרירים המכוונים לכיוונים שונים, כמו גם 32,000 חיישנים אופטיים ומיקרו-בקרים.

אבל החסידים המסורים ביותר של הביוניקה הם מהנדסים העוסקים בבניית רובוטים. כיום, ישנה נקודת מבט פופולרית מאוד בקרב מפתחים שבעתיד רובוטים יוכלו לפעול ביעילות רק אם הם דומים ככל האפשר לאנשים. מדענים ומהנדסים יוצאים מהעובדה שהם יצטרכו לתפקד בתנאים עירוניים וביתיים, כלומר בפנים "אנושיים" - עם מדרגות, דלתות ומכשולים אחרים בגודל מסוים. לכן, לכל הפחות, עליהם להתאים לאדם בגודלו ומבחינת עקרונות התנועה. במילים אחרות, הרובוט חייב להיות בעל רגליים (גלגלים, זחלים וכו' אינם מתאימים לעיר). אבל ממי להעתיק את עיצוב הרגליים, אם לא מבעלי חיים?

מדענים מאוניברסיטת סטנפורד התקדמו הכי רחוק בכיוון של יצירת רובוטים דו-פדלים זקופים. הם מתנסים כבר כמעט שלוש שנים ברובוט מיניאטורי בעל שש רגליים, משושה, שנבנה ממחקר של מערכת התנועה של ג'וק.

רובוט מיניאטורי, באורך של כ-17 ס"מ, בעל שש רגליים (הקסאפוד) מאוניברסיטת סטנפורד כבר פועל במהירות של 55 ס"מ לשנייה.

המשושה הראשון תוכנן ב-25 בינואר 2000. כעת העיצוב רץ מהר מאוד - במהירות של 55 ס"מ (יותר משלושה אורכים עצמיים) בשנייה - וגם מתגבר בהצלחה על מכשולים.

סיכום.

הטבע פותח הזדמנויות אינסופיות למהנדסים ולמדענים לשאול טכנולוגיות ורעיונות. בעבר, אנשים לא היו מסוגלים לראות מה יש ממש מול האף שלהם, אבל כלים טכניים מודרניים ומודלים ממוחשבים עוזרים להבין לפחות קצת איך העולם עובד ולנסות להעתיק ממנו כמה פרטים לצרכים שלך.

בעבר, היחס של האדם לטבע היה צרכני. הטכנולוגיה ניצלה והרסה את משאבי הטבע. אבל בהדרגה אנשים החלו להתייחס לטבע ביתר זהירות, וניסו לבחון מקרוב את שיטותיו כדי להשתמש בהן בחוכמה בטכנולוגיה. שיטות אלו יכולות לשמש מודל לפיתוח מוצרים תעשייתיים ידידותיים לסביבה.

הטבע כסטנדרט - זה ביוניקה.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה.

1. ביוניקה בבית הספר. Ts.N Feodosievich, G.I. איבנוביץ', קייב, 1990.

2. כלים חיים. יו.ג. סימבקוב, מ., 1986.

3. סודות הביוניקה. I.I.Garmash, קייב, 1985.

4. דוגמנות בביולוגיה, טרנס. מאנגלית, ed. נ.א. ברנשטיין, מ., 1963.

5. סוגיות של ביוניקה. ישב. רח', בהתאמה. ed. M. G. Gaaze-Rapoport, M., 1967.

7. L. P. Kraizmer and V. P. Sochivko, Bionika, 2nd ed., M., 1968.

משאבי אינטרנט

http://www.studik.ru

http://www.BankReferatov.ru

http://www.bestreferat.rureferat-42944.html

http://referat.ru/pub/item/9920

http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html

ביוניקה הוא מדע החוקר חיות בר כדי להשתמש בידע שנצבר בפעילויות אנושיות מעשיות. בעיות של ביוניקה: חקר הסדירות של המבנה והתפקוד של חלקים בודדים של אורגניזמים חיים (מערכת עצבים, מנתחים, כנפיים, עור) על מנת ליצור על בסיס זה סוג חדש של מחשבים, מאתרים, מטוסים, מכשירי שחייה, וכו.; חקר הביו-אנרגטיקה ליצירת מנועים חסכוניים כמו שריר; חקר תהליכי הביוסינתזה של חומרים במטרה לפתח את ענפי הכימיה המתאימים. ביוניקה קשורה קשר הדוק לדיסציפלינות טכניות (אלקטרוניקה, תקשורת, עניינים ימיים וכו') ומדעי הטבע (רפואה), כמו גם עם קיברנטיקה (ראה).

ביוניקה (באנגלית bionics, מ-bion - יצור חי, אורגניזם; ביוונית Bioo - אני חי) הוא מדע החוקר חיות בר על מנת להשתמש בידע שנצבר בפעילויות אנושיות מעשיות.

המונח ביוניקה הופיע לראשונה בשנת 1960, כאשר מומחים מתחומים שונים התאספו בסימפוזיון בדייטונה (ארה"ב) הציגו את הסיסמה: "אבטיפוס חיים הם המפתח לטכנולוגיה חדשה". ביוניקה הייתה מעין גשר שחיבר בין ביולוגיה למתמטיקה, פיזיקה, כימיה וטכנולוגיה. אחת המטרות החשובות ביותר של הביוניקה היא לבסס אנלוגיות בין התהליכים הפיזיקוכימיים והאינפורמטיביים שנתקלים בטכנולוגיה לבין התהליכים המקבילים בטבע החי. מומחה ביוני נמשך לכל מגוון ה"רעיונות הטכניים" שפותחו על ידי הטבע החי במשך מיליוני שנים רבות של אבולוציה. מקום מיוחד בין משימות הביוניקה תופס על ידי פיתוח ועיצוב מערכות בקרה ותקשורת המבוססות על שימוש בידע מהביולוגיה. זוהי ביוניקה במובן הצר של המילה. לביוניקה יש חשיבות רבה לקיברנטיקה, רדיו אלקטרוניקה, אווירונאוטיקה, ביולוגיה, רפואה, כימיה, מדעי החומרים, בנייה ואדריכלות וכו'. המשימות של הביוניקה כוללות גם פיתוח שיטות ביולוגיות של כרייה, טכנולוגיות לייצור חומרים מורכבים של כימיה אורגנית, חומרי בניין וציפויים המשתמשים בחיות בר. ביוניקה מלמדת את אמנות ההעתקה הרציונלית של הטבע החי, מציאת תנאים טכניים לשימוש מתאים בחפצים, תהליכים ותופעות ביולוגיות.

אחת הדרכים האפשריות כאן היא מידול פונקציונלי (מתמטי או תוכנה), המורכב מלימוד דיאגרמת הבלוק של התהליך, פונקציות האובייקט, המאפיינים המספריים של פונקציות אלו, מטרתן ושינויים לאורך זמן. גישה זו מאפשרת ללמוד את תהליך העניין באמצעים מתמטיים, ולבצע את היישום הטכני של המודל כאשר, עקרונית, יעילותו נקבעה ונותרה לבדוק את האפשרויות הכלכליות, האנרגטיות והאחרות של בניית כזה. דגם המשתמש באמצעים הטכניים הזמינים. ישנה דרך נוספת - מודלים פיזיקו-כימיים, כאשר מומחה בתחום הביוניקה חוקר תהליכים ביוכימיים וביופיזיים על מנת לחקור את עקרונות הטרנספורמציה (כולל פירוק וסינתזה) של חומרים המתרחשים באורגניזם חי. נתיב זה יותר מכל צמוד לבעיות כימיות וטכנולוגיות ופותח הזדמנויות חדשות בפיתוח האנרגיה והכימיה הפולימרית. הגישה השלישית שפיתחה ביוניקה היא שימוש ישיר במערכות חיות ובמנגנונים ביולוגיים במערכות טכניות. גישה זו נקראת בדרך כלל שיטת המודלים ההפוכים, שכן במקרה זה מומחה ביוני מחפש את האפשרויות והתנאים להתאמת מערכות חיים לפתרון בעיות הנדסיות גרידא, במילים אחרות, הוא מנסה לדמות מכשיר טכני או תהליך על אובייקט ביולוגי. ביוניקה, שהופיעה בתגובה לדרישות הפרקטיקה, שימשה תחילתו של מחקר המבוסס על יישום ידע ביולוגי בכל תחומי הטכנולוגיה. התוצאה העיקרית שלו היא הקמת הדרכים הראשונות לפיתוח טכני גדול יותר של הביולוגיה.