Az élőlények speciális mechanizmusai az evolúció millió éve alatt fejlődtek ki. A természetes kiválasztódás során azok az egyedek maradtak életben, akik jobban repültek, úsztak vagy kúsztak, mint mások. Fokozatosan nagyon hatékony adaptációk és mechanizmusok alakultak ki ezeknek a funkcióknak a megvalósítására.
Hosszú ideig az állatok titkai nem voltak hozzáférhetők az emberek számára az elemzési és reprodukciós tökéletlen módszerek miatt. A "térdre" készített másolatok, miután "szemmel" értékelték, nem működtek. Ahogy telt az idő, a tervezők és mérnökök sokféle eszközt hozhattak létre, amelyek megkönnyítik az emberi életet, és nem ismerik az állatok titkait. Ezzel párhuzamosan a biológusok nagy előrelépést tettek az élőlények tanulmányozásában. Annak ellenére, hogy az előbbiek semmilyen módon nem kapcsolódtak az utóbbiakhoz, néha a mérnökök tervezésükben reprodukálták az élő rendszerekben rejlő elveket és mechanizmusokat. A legergonómikusabb és leghatékonyabb megoldásokat keresve az emberek akaratlanul is a természet által "rajzolt" vázlatokhoz érkeztek millió évvel ezelőtt.
E felfedezés után nyilvánvalóvá vált a "vak" veszteséges munka, és a tervezők az állatok tanulmányozásával foglalkoztak. A meglévő technológiák felhasználásával a tudósok teljes mértékben ki tudták vizsgálni és reprodukálni az élő rendszerekben használt szerkezeteket és mechanizmusokat. Bionikának nevezik azt a tudományt, amely az élő rendszerek működési mechanizmusait tanulmányozza, és keresi a módját a felfedezett elvek technikai eszközökben történő alkalmazásának. Ez a szó a görög "bion" -ból származik, amelyet le lehet fordítani "élet egységeként vagy elemeként". Az új tudomány hivatalos születési dátumát 1960 -nak tekintik, ekkor került sor az első bionikai szimpóziumra.
Hagyományosan a bionikának több iránya van. Néhány szakember az élő rendszerekbe épített mechanizmusok tanulmányozására, azok másolására és gyakorlati alkalmazására összpontosít. Kissé félre az orvosi bionika, amely a fejlettebb protézisek létrehozására vagy olyan rendszerek kifejlesztésére összpontosít, amelyek lehetővé teszik például az emberek látásának vagy hallásának helyreállítását.
A bionika teljesen külön területe, amelyet egyes szakértők nem is sorolnak ehhez a tudományhoz, a társas állatok társadalmi viselkedésének vizsgálata. A jövőben azok az elvek, amelyek a hangyák vagy méhek kolóniáin belüli létfontosságú tevékenység szabályozására szolgálnak, hasznosak lehetnek az emberi társadalomban. Újabban a német entomológusok rájöttek, hogyan sikerül a hangyáknak elkerülniük a "forgalmi dugókat" a hangyaboly megközelítésekor. A jövőben az általuk alkalmazott módszer (öntudatlanul) a városi autópályákra is adaptálható.
A természeten való túllépésre és más fejlődések in silico szimulálására irányuló kísérletek mellékesek. Egy ilyen új evolúció során olyan élő szervezeteket kell kialakítani, amelyek alkalmazkodással alkalmazkodnak a környezeti feltételekhez, amelyeket a természet még nem "talált ki". Eddig a tudósok nem tudtak érdemi eredményeket elérni ezen az úton. A mai napig azonban a kutatók számos módszert fejlesztettek ki az evolúció szimulálására - az ősleves "klasszikus" evolúciójától a robotok fejlődéséig.
Eddig az első két irány hozta a legnagyobb gyakorlati előnyöket. Az orvosi bionika elsősorban az emberi testben jelen lévő rendszerek tanulmányozására összpontosít, és ez egy teljesen külön téma. Az alábbiakban számos munkát vizsgálunk más élő rendszerek tanulmányozása terén, valamint a felfedezett elvek technikai eszközökbe való bevezetésének kísérleteit.
1-1
A biometrikus találmány klasszikus példája a tépőzár. A tépőzár két fele szilárdan kapcsolódik egymáshoz, mivel az egyiket kis horgok borítják, a másikon pedig miniatűr hurkok vannak. Számos horog és hurok van összeragasztva a biztonságos illeszkedés érdekében. A tépőzárat George de Mestral svájci mérnök találta ki még a bionika kifejezés bevezetése előtt. Miközben kutyája bundáját takarította egy séta után, de Mestral felhívta a figyelmet a bojtorján termésére, amely szorosan tapadt a bőrhöz. Mikroszkóp alatt tanulmányozta a gyümölcs szerkezetét, és kifejlesztett egy kapocsot, amely ugyanazon az elven működik.
A tudósok később felfedezték, hogy hasonló szerelési mintát használtak a madarak tollazatában. A tollak szorosan kapcsolódnak egymáshoz az úgynevezett szögeknek köszönhetően. A szomszédos tollak szakállai egymásra mennek, egyetlen sűrű borítást képeznek.
A természetben vannak példák a "ragadós" felületek tartósabb változataira. A kis gyíkok gekkói képesek függőleges felületeken maradni, és még futni is rajtuk. A gekkó lábak tapadnak a felülethez, és nem csúsznak végig rajta. Sőt, amikor az állat függőlegesen felfelé húzza a végtagot, akkor minden erőfeszítés nélkül letépheti a talpát. A gekkó mancsának szerkezetét vizsgálva a tudósok megállapították, hogy a szokatlan tulajdonságok annak köszönhetők, hogy sok finom szőr van a talpon. Amikor a szőrszálak merőlegesek a felszínhez, az érintkezési terület kicsi, és az állat könnyen leválaszthatja a mancsát. Ahogy a szög változik, az érintkezési felület növekszik, és a felülethez való kötés erősebbé válik.
A tudósok nanocsövek segítségével reprodukálták a gekkó talpának szerkezetét. A korai munka során azonban a kutatók nem tudták elérni ugyanazt a ragasztási hatékonyságot. A gyík mancsának szerkezetének további vizsgálata azt mutatta, hogy a talpon lévő szőrszálaknak számos elágazása van, ami tovább növeli a felülettel való érintkezési területet. A tudósok a szokásos nanocsöveket mesterséges "mancsokban" elágazókkal helyettesítették, és ennek eredményeként képesek voltak megelőzni a gekkót a tapadás képességében.
A hüllők mellett az élőlények egy másik osztálya a bionikusok kedvenc témája. Ők rovarok. A furcsa kinézetű lényeket tartják a legtökéletesebb lényeknek a gerinctelenek között. Az osztály különböző tagjai számos rendkívül hatékony túlélési adaptációt fejlesztettek ki. Különösen egy ilyen eszköz a látórendszer. A rovarok szeme csiszolt - vagyis sok apró „szemből” áll, amelyekből az agy egyetlen képpé alakítja át az információkat.
A légy csiszolt szemének vizsgálata kimutatta, hogy ez a rovar nagyon pontosan képes meghatározni a szemekhez képest óriási (a légyhez képest) sebességgel mozgó tárgyak sebességét. Az objektum képét minden aspektus egymás után érzékeli, és az ezzel kapcsolatos információkat továbbítják az egyes receptorokhoz. Az eredmény független képek sorozata. A mérnökök a repülős szem elvét lemásolva olyan detektorokat hoztak létre, amelyek nagyon gyorsan meghatározzák a repülőgépek sebességét. Az ilyen eszközt "légy szemének" nevezik.
Egy másik eszköz, amelynek létrehozásához a mérnököket ugyanazok a legyek inspirálták, szükséges a repülőgépek, rakéták és hajók helyes irányának fenntartásához. A készüléket vibrációs giroszkópnak hívták, prototípusa pedig a legyek halterei - a mellkasi szegmensben elhelyezkedő páros függelékek, amelyek formájukban csapokhoz hasonlítanak. Ahogy a neve is sugallja, a halterek jellegzetes hangot adnak, amikor egy légy repül. Az elmúlt évtizedekben világossá vált, hogy a rovaroknak nemcsak az emberek bosszantására van szükségük. Mozgás közben a halterek rezegnek, és a lábak feszültségének megváltoztatásával a légy "megérti", hogy a repülés iránya megváltozott. A zümmögő vibrációitól vezérelve a rovar megtartja a kívánt irányt.
Egy másik rovar, a sáska segíthet a mérnököknek egy új típusú miniatűr repülő eszköz létrehozásában. A sáskát a rovarok között az egyik legjobb szórólapnak tartják - a repülés közbeni rendkívül hatékony energiafogyasztása miatt képes nagy távolságokat megtenni. A sáska szárnyai nagyon összetett alakúak - ráncok és bordák borítják őket, és számos kidudorodással és mélyedéssel vannak ellátva. A biológusok már régóta sejtik, hogy a sáska repülésének titka a szárnyakban rejtőzik, de hogy pontosan hogyan nyilvánulnak meg "akcióban", a tudósok nem voltak tisztázottak.
Az egyik legutóbbi munka szerzői rendkívül részletes modellt állítottak össze egy sáska szárnyáról, és meghatározták, hogy szerkezetük jellemzői hogyan befolyásolják a repülés jellemzőit. Ezenkívül a kutatók "készítették" a sáska légy számítógépes modelljét, amelynek szárnyán nem voltak ráncok vagy bordák. A második kísérletsorozatban a tudósok ezen kívül eltávolították a kanyart. A "rokkant" sáska repülési hatékonysága lényegesen alacsonyabb volt, mint az "egészséges" modellé, a fő csökkenés a kanyar eltávolításakor következett be.
A sáskákhoz hasonlóan repülő kis járművek hasznosak lehetnek az ökológusok számára, akiknek figyelemmel kell kísérniük a környezet állapotát. Hasznosak lesznek a katonaság számára is, akik miniatűr kémberendezéseket készítenek.
Egy hónappal a sáskarepülés vizsgálatának eredményeinek megjelenése előtt a Massachusetts Institute of Technology tudósainak egy csoportja bejelentette a robo-fish létrehozását. A robofish -k egyetlen műanyag darabból állnak, "tömve" mechanikus belsőségekkel, és úsznak, mint a tonhal vagy a pisztráng. A tudósok kiszámították és újrateremtették a műanyag tulajdonságait a robothal teljes testhosszában, így az ugyanazokat a mozgásokat hajtja végre, mint a valódi halak. Igaz, bár a mechanikus állatok tízszer lassabban mozognak a szokásosnál, de a szerzők megígérték, hogy a közeljövőben javítják tulajdonságaikat.
Valami saját?
Fokozatosan a kutatók megtanulják egyre jobban reprodukálni a természet által kitalált mechanizmusokat, bár még nagyon messze van az abszolút pontos másolatok létrehozásától. Tehát a vegyészeknek még nem sikerült olyan molekulát szintetizálniuk, amely hatékonyság szempontjából összehasonlítható lenne az enzimekkel. Ezenkívül az emberi agy még mindig terra incognita a kutatók számára. Nagy valószínűséggel a jövőben a tudósok megismerhetik az élő rendszerekben működő mechanizmusok többségének működési elveit. Más kérdés, hogy képesek lesznek -e valaha valami mást létrehozni, mint amit a természet már kitalált.
