Біоніка

Визначення і загальна характеристика

БІО́НІКА (від біо… і [електро]ніка) — наука, що ви­вчає за­стосува­н­ня принципів дії живих систем і викори­ста­н­ня біо­логічних процесів для виріше­н­ня інженерних зав­дань. Уперше термін «Б.» за­пропонував 1958 амер. вчений Дж. Стіл, а вже 13 вересня 1960 він був офіційно прийнятий на 1-му Нац. симпозіумі з Б. (м. Дайтон, США). Зміст Б. еволюціонував від наук біол. циклу (поч. 60-х рр. 20 ст.) у напрямку наук тех. циклу. Б. досліджує структуру і функціонува­н­ня біол. обʼєктів різної складності (від клітин до цілісних живих організмів, їхніх популяцій) з метою створе­н­ня нових, досконаліших тех. при­строїв і споруд. Важливим роз­ділом Б. є синтез біо­тех. комплексів, у яких оптимально сполучаються властивості біол. і тех. елементів, обʼ­єд­наних у єдину систему цілеспрямов. поведінки або забезпече­н­ня за­даних тех., екол. і функціон. вимог. Б. поділяється на кілька самост. пошукових напрямів: нейробіо­ніку, гідробіо­ніку, архітектурну Б.

Нейробіоніка — роз­діл Б., метою якого є моделюва­н­ня нерв. системи, зокрема нейронів і нейрон­них сіток. Як формалізований елемент нейрон. сітки було за­пропоновано роз­глядати т. зв. персептрон, опис якого уперше зробив 1957 Ф. Ро­зенблатт і роз­винув на поч. 60-х рр. В. Глушков. Персептрон був за­пропонований як модель біол. механізму памʼяті. Згодом його почали роз­глядати як інструмент дослідж. біо­фіз. механізму функціонува­н­ня «пі­знавальних» систем і проектува­н­ня роз­пі­знавал. і високоефективних обчислювал. тех. засобів.

Гідробіоніка ви­вчає структуру і функції органів локомоції водяних тварин (гідробіо­нтів) з метою удосконале­н­ня пропульсації і маневреності плавал. тех. засобів, а також створе­н­ня принципово нових систем. Особливого значе­н­ня гідробіо­ніка набуває в галузі суднобудува­н­ня і вод. транс­порту. В Україні гідробіо­ніка активно роз­вивається від поч. 60-х рр. 20 ст. Ін­ститут гі­дромеханіки НАНУ від 1965 випускав між­ві­дом. зб. статей «Бионика» (від 1999 — ж. «Прикладна гі­дромеханіка»). В Ін­ституті роз­роблені різні модифікації матем. моделей, що до­зволяють досліджувати динаміку хвильового плава­н­ня гідробіо­нтів. Зокрема Г. Логвинович заклав основи гідродинаміки плава­н­ня риб і мор. тварин, роз­робив оригін. гідродинам. модель подовженого гнучкого тіла, яку роз­винув у просторовій теорії хвильового плава­н­ня водних тварин. Істотний внесок в екс­перим. основу гідробіо­ніки зробили В. Шулейкін та його учні, які ви­вчали плава­н­ня риб і дельфінів.

Архітектурна Б. спрямована на викори­ста­н­ня можливостей, закладених у живій природі, для виріше­н­ня про­блем формо­утворе­н­ня і тех. забезпече­н­ня буд. кон­струкцій і споруд, краси і гармонії архіт. форм. Живу природу для потреб будівництва ви­вчав ще рим. арх. Вітрувій. Від 15 ст. інтерес до про­блеми пере­несе­н­ня форм і властивостей живого значно посилюється. Л. да Вінчі виконав кресле­н­ня і роз­рахунки крила птаха, Ґ. Ґалілей у праці «Discorsi e dimostrazioni mathematiche intorno a due nuove scienze attenenti alla meccanica» («Дис­кусія про дві науки з демонстрацією математичних доказів», Ляйден, 1638) ви­вчав пита­н­ня про опір матеріалів, використовуючи приклади з природи. Н. Трю досліджував доцільність кон­струкцій у рослин. світі, зокрема міцність листових черешків повʼязував з їхньою формою і роз­ташува­н­ням у них зміцнювал. волокон (на зразок арматури) тощо. У буд-ві використовували покрівлі, подібні до вигадливих поверхонь раковин молюсків, куполи, що нагадують контури шкаралупи пташиного яйця, про­зорі ґрати, схожі на складні пере­плеті­н­ня лісових хащів або скелетних кістяків радіолярій. Однак у природі часто трапляються ситуації, коли оптимізація певних властивостей чи функціон. можливостей живого не вписується в практику архітектури і будівництва. Напр., у біол. світі оптимізована несуча здатність форм і структур при мін. викори­стан­ні матеріалу — павутина. Але пряме копіюва­н­ня природ. моделей часом потребує великих затрат. Поява архіт. Б. зумовлена необхідністю систематизації емпір. даних про властивості і функціон. можливості живого під єдиним кутом зору. При цьому пере­хід від опису діяльності і властивостей біол. обʼєкта до інж. реалізації від­повід. принципів при синтезі тех. систем здійснюється на основі попередньо роз­роблених моделей.

Близькі до Б. біомеханіка і біоенергетика. В галузі біо­механіки ві­домі дослідж. укр. вчених з формува­н­ня заг.-зоол. теорії локомоції хребетних (Ін­ститут зоології НАНУ). Важливі результати на стадії становле­н­ня Б. як самост. науки були отримані укр. вченими у галузі біо­енергетики рослин (Ін­ститут фізіології рослин НАНУ). Зокрема були ви­вчені механізми фотосинтезу, структурно-функціон. властивості рослин. клітин, які забезпечують їх стійкість до шкідливих радіац. впливів.

Світо­глядна роль біо­ніч. під­ходу простежується протягом кількох століть. Це насамперед властива античності організмова пі­знавал. модель. На її основі будова буття, космосу, природи роз­глядалася за аналогією до живого організму. Б. споріднена з кібернетикою. Б. ви­вчає принцип дії живих організмів, на основі якого реалізує мех. системи, тоді як кібернетика ви­вчає живі організми за аналогією з машинами і намагається зна­йти ті механізми, що від­повід­ають у живих організмах за керува­н­ня і комунікації. На пере­тині Б. і кібернетики зʼявилася біокібернетика, що виявилася добре при­стосованою до виріше­н­ня практич. зав­дань біо­логії та медицини. Методологія Б. і звʼязаних з нею наук. дисциплін залишається актуальною для удосконале­н­ня техно­сфери: запозиче­н­ня інформ.-керуючих способів живих організмів реагувати на зміни довкі­л­ля для виробле­н­ня поведінкових актів, що є адекватною від­повід­дю на ці зміни; запозиче­н­ня структур. і мех. властивостей біол. систем. Активність людини досягла такого рівня, що штучні і природні системи виявилися тісно взаємодіючими. Б. дає можливість описати їх заг. мовою технологій (індустріал. і природ.), що до­зволяє краще зро­зуміти і корисні, і трагічні наслідки такої взаємодії та краще керувати ними.

Літ.: Амосов Н. М. Регуляция жизнен­ных функций и кибернетика. К., 1964; Ро­зенблатт Ф. Принципы нейродинамики. Перцептроны и теория механизмов мозга. Москва, 1965; Гродзинский Д. М. Модели живого и ботаническая бионика. К., 1966; Літенецький І. Б. Біо­ніка. К., 1967; Бионика вчера и сегодня (по материалам зарубежной печати). Москва, 1969; Кибернетические про­блемы бионики. Анализ биологических прототипов / Пер. с англ. Москва, 1971; Гумецький Р. Я. Основи біо­ніки. Л., 1972; Бионика. Биологические аспекты. К., 1978; Манзий С. Ф., Мороз В. Ф. Морфо-функциональный анализ грудных конечностей млекопитающих. К., 1978; Ляпунов А. А. Кибернетический подход в теоретической биологии // Кибернетика живого: Биология и информация. Москва, 1984; Глушков В. М. Распо­знавание образов в бионике // Кибернетика. Вопр. теории и практики. Москва, 1986; Сидоренко Л. И. Философский анализ развития и пер­спектив биотехнических ис­следований. К., 1987; Першин С. В. Основы гидробионики // Судостроение. Ленин­град, 1988; Архитектурная бионика. Москва, 1990.

В. П. Солов­йов

Завантажити статтю