В начале этого года впервые со времен распада Советского Союза в российском научном мире была поднята достаточно футуристическая тема – бионика. Люди, наблюдая за окружающей природой, извлекали из нее идеи, помогавшие создавать полезные устройства. Наблюдения за окружающим миром позволили изобрести колесо, нож и другие инструменты, ускорившие эволюцию.
Врачи с Ближнего Востока придумали использовать хрусталь для увеличения изображения, копируя хрусталик глаза. Русский ученый, создатель аэродинамики Николай Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц. В определенном смысле такой подход можно назвать бионикой. Еще одним адептом этой науки считается Леонардо да Винчи, его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы, по этим его проектам неоднократно пытались создать летательный аппарат тяжелее воздуха – орнитоптер. У бионики время от времени случаются как взлеты, так и падения. Даже в греческой мифологии можно найти следы ироничного отношения к возможности копирования природы, весьма поучительна легенда, когда Икар поднялся к солнцу на крыльях, сделанных из перьев и воска, он тут же упал в море, так как палящие солнечные лучи растопили воск.
Тем не менее человечество периодически обращается к исследованию природных процессов. Недолгая история бионики как науки начинается с военных исследований, когда в 1951 году в научно-исследовательском отделе военно-морского министерства США заявили, что приступили к изучению живых организмов как биологических моделей с целью найти какие-то новые принципы для разработки механических и электронных систем для флота. Спустя девять лет термин «бионика» был официально принят на первом конгрессе ученых, работающих над проблемой использования аналогов формы живого в промышленной сфере. Тогда же было дано определение бионике как прикладной науке о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы.
Сегодня ученые говорят, что природа открывает перед инженерами и учеными безграничные возможности по заимствованию технологий и идей. Почему этого не делали раньше? Оказывается, до сего времени люди были не способны увидеть того, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогают разобраться в том, как устроен окружающий мир, и пытаются скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. После того как бионика получила официальное признание как самостоятельная область знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура. Изучая биологические системы, бионика ищет оптимальные решения инженерных проблем. Причем это позволяет не только заниматься коренным усовершенствованием существующих, но и созданием принципиально новых машин, аппаратов, приборов, строительных конструкций и технологических процессов, копируя их с живых систем.
Основная идея бионики заключается в том, что живые прототипы являются ключом к созданию новой техники. Также эта наука изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Так, изучение дельфинов позволило создать специальное покрытие, уменьшающее сопротивление воды при движении судна. Большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных строительных технологий перспективным направлением считается создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков, ракушки которых состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая ткань трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не распространяется дальше. Такая технология может быть использована и в военной сфере, например, для создания современных инженерных сооружений.
Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике – это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме «человек – машина». Так, например, на основании изучения глаза лягушки разработана и проходит испытание модель электронного глаза для систем слежения за целью. Это направление считается быстро развивающейся областью, здесь в ближайшее время ожидают весьма значительных научных прорывов.
РОБОТЫ БУДУТ ДВИГАТЬСЯ КАК ТАРАКАНЫ
Но самые яростные сторонники бионики – это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если им удастся достигнуть максимальной схожести с людьми или животными. Ученые и инженеры считают, что раз роботам приходится действовать в человеческой среде, то они как минимум обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения.
В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стэнфордского университета. Первый гексапод был сконструирован в 2000 году, модель успешно преодолевает препятствия – бегает со скоростью почти два километра в час. Здесь также разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. В перспективе ученые из Стэнфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы. Также американские ученые уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.
Ни для кого не секрет, что военные ведомства очень интересуются этими технологиями для усиления человеческих способностей и использования их в военных целях. К примеру, Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA, отвечающее за разработку новых технологий для использования в вооруженных силах, неоднократно устраивало конкурсы на проведение подобных исследований. По мнению зарубежных специалистов, военно-прикладное значение науки бионики огромно. На ее основе могут быть созданы радиолокационные, гидроакустические и навигационные системы, обладающие такими же удивительными способностями, которые в настоящее время доступны лишь живым организмам.
У советских ученых в этой области были определенные успехи, к примеру, дизельная подводная лодка класса «Варшавянка» до сих пор остается самой малошумной и высокоманевренной дизельной лодкой в мире, при этом она развивает высокую подводную скорость при относительно небольшом расходе топлива. Главное ее отличие от других субмарин своего времени – она имеет каплевидную форму корпуса; утверждалось, что такой формы удалось достичь за счет изучения особенностей строения морских млекопитающих.
Работы по бионике в СССР активно велись до начала 1990-х, например, ученые проводили исследования слухового анализатора и пытались изобрести гидролокатор, который преобразует обнаруженные сонаром дельфина подводные цели в сигнал на монитор оператора. Однако в конце 1980-х годов большинство проектов посчитали нецелесообразными и закрыли. По всей видимости, в последнее время было решено вернуться к этим разработкам, в начале этого года вновь заговорили о том, что сегодня бионические системы представляют широкий интерес для российских ученых.
Периодически появляются сообщения, что в России создаются различные системы, которые предлагают ученые, работающие в области бионики, например, сверхмалые летательные роботы – по форме напоминающие насекомых. Разрабатываются аппараты, которые передвигаются, используя принципы движения пресмыкающихся. Появились сообщения, что в настоящее время проводятся исследования по созданию сверхминиатюрных гибридных биороботов на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-информационных систем. В ближайшее время ученые приступят к созданию подводного бионического робота, разработаны мини-роботы медицинского назначения, синтезированы искусственные мускулы на основе электроактивных полимеров. В ведущих институтах страны началась подготовка специалистов для этих областей науки.
Директор Центра анализа мировой торговли оружием Игорь Коротченко рассказал «Совершенно секретно», что достижения бионики, несомненно, заслуживают определенного внимания, но нужно следить, чтобы эти идеи не выродились в научную фантастику, а имели бы реальную отдачу с точки зрения создания соответствующих технологий и технических систем.
Тем временем в мире уже широко используются некоторые открытия ученых-биоников, например, баки с горючим и трубопроводы военных самолетов имеют покрытие, затягивающее пробоины и ликвидирующее утечку. Также инженеры придумали самовылечивающиеся провода, запрятанное в двухслойную оболочку провода вещество при разрыве жилы вызывает интенсивный рост металлических кристаллов. Кристаллы заполняют место разрыва, и контакт восстанавливается. Такие провода, несомненно, будут востребованы в военной авиации и при создании новых образцов бронетехники.
Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Так искусственно созданные волокна кевлара, которые появись благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам. Этот материал в пять раз прочнее стали, сегодня используется для изготовления средств индивидуальной бронезащиты. Сейчас американские ученые ищут другой материал для использования его в касках и бронежелетах, так, группа исследователей из Университета штата Калифорния планирует создать бронежилет нового поколения – толщиной в миллиметр и практически невесомый, взяв за основу панцирь рака-богомола.
ЧЕРЕЗ ДЕСЯТЬ ЛЕТ ПОЯВЯТСЯ ИСКУССТВЕННЫЕ НОСЫ
Особо перспективные проекты, создаваемые учеными, Пентагон стремится адаптировать под свои нужды, а зачастую и сам выступает генератором идей. В начале 2004 года военные выделили двум робототехническим компаниям 2,25 миллиона долларов на разработку опытного образца механической собаки, проект получил название Big Dog. Робот должен переносить на себе боеприпасы, продукты и прочий полезный для солдат груз весом 180 килограммов на расстояние до 32 килограммов. Однако разработчики столкнулись с целым рядом проблем – от двигателя до вопросов энергопитания.
Есть перспективные идеи, но пока всего лишь на уровне теории. Например, чтобы сэкономить энергию, предлагается достичь такого же коннекта между телом и компьютерным процессором, как тело животного достигает гармонии с мозгом. Исследователи признаются, что находятся только в начале пути, когда сложности вызывает даже такая примитивная задача, как научить четвероногого робота не падать, когда он натыкается на препятствие. Подробной информации об искусственном четвероногом носильщике американцы раскрывать не торопятся. По всей видимости, проект застопорился, поскольку первый прототип должен был появиться в 2006 году, затем сроки отодвинули до 2014 года.
Кстати, затея с роботами-собаками – это лишь часть масштабного исследования армии США, в ходе которого машины военного назначения пытаются строить по образу и подобию животных, птиц, насекомых и других представителей фауны копировать живую природу. На деньги военных разрабатывает колесного робота с подобием хобота слона, военно-морские силы США финансируют создание роботов-лобстеров, а Агентство передовых оборонных разработок DARPA оплачивает строительство механических насекомых.
С 1990-х годов прошлого века Пентагон пытается получить в свое распоряжение искусственные носы. Программа по разработке этого устройства называется RealNose. Это устройство, которое должно вынюхивать взрывчатку и отравляющий газ на большом расстоянии или в малых концентрациях, решено создать по принципу рецепторов собачьего носа. По оптимистичным оценкам, искусственные носы могут попасть в список солдатского снаряжения в течение ближайших десяти лет.
Сразу в нескольких американских университетах успешно разрабатываются технологии, благодаря которым любой солдат сможет стать Человеком-пауком и перемещаться по отвесной стене без вспомогательных средств. Технология заимствована у живой природы, у ящерицы геккона, на лапах которой расположены миллионы тончайших волосков с миниатюрными чашечками на конце, которые и удерживают ящерицу на вертикальной поверхности. В обозримом будущем планируется провести испытания искусственного материала, имитирующего подошву лапки пресмыкающегося, в ходе которых солдат с грузом общим весом около 100 килограммов должен будет взобраться по стене на высоту 7–8 метров.
В 2009 году группа исследователей из Чикагского университета и компании iRobot представила ранний прототип робота ChemBot. Создавали его по заказу военных. Это робот-слизняк, или жидкий робот, умеет менять свою форму за счет изменения текучести материала. Слизняк, умещающийся на ладони, должен стать суперразведчиком, поскольку может проникнуть на тот или иной объект через любую щель или трещину в стене, не превышающей по размеру замочную скважину.
Уже несколько лет по заказу DARPA компания Aerovironment разрабатывает нанодроны – сверхмалые роботизированные летательные аппараты, которые имеют размеры и вес, сопоставимые с колибри, похожи на эту птицу внешне, и даже используют аналогичную технику полета. Сегодня аппарат достигает скорости 18 километров в час, способен держаться в воздухе восемь минут, противостоять легким порывам ветра. Оператор может управлять работают колибри, даже если тот находится вне зоны прямой видимости – по передаваемой им видеоинформации. В 2011 году нанодрон-колибри был признан одним из 50 лучших изобретений года. Очевидно, если эти роботизированные устройства доведут до ума, то, скорее всего, роботы «колибри» и «слизняк» поступят на службу в разведку.
Возможно, что в соревнование с американскими учеными в области бионики в ближайшее время вступят и китайцы. В конце прошлого года ученые из Поднебесной продемонстрировали, созданный ими опытный образец экзоскелета, который может стать основой перспективного костюма для военнослужащего Народно-освободительной армии Китая. В главном госпитале Нанкинского военного округа КНР, на базе которого был разработан новый экзоскелет, прошли его испытания. В ходе тестирования опытной модели неподготовленному человеку предлагалось перенести на несколько десятков метров 35-килограммовый ящик с боеприпасами, преодолев ряд препятствий.
Создатели экзоскелета подчеркивают, что при его проектировании были применены принципы бионики, это позволило добиться высокой степени интеграции между системой управления модулями костюма и человеком. По их словам, основные части тела солдата при помощи чувствительных датчиков подключены к центральной системе управления модулями экзоскелета. Это позволяет механической части костюма быстро повторять движения человека. Китайские ученые полагают, что в будущем они усовершенствуют устройство костюма, сделав его более подвижным и быстрым. Разработчики не уточняют характеристик данной модели, но утверждают, что он создан в военных целях. В дальнейшем планируется на базе экзоскелета создать унифицированную боевую экипировку с интегрированной системой боевого управления, защиты, связи.
Источник