Глава 1. Аналогия
1.1. Определение аналогии
Анало́гия (др.-греч. ἀναλογία «пропорция, соответствие, соразмерность») — подобие, равенство отношений; сходство предметов, явлений, процессов, величин и т. п. в каких-либо свойствах, а также познание путем сравнения.
При решении задач идею решения можно получить путем применения известного аналогичного решения, «подсказанного» технической или художественной литературой, увиденного в кино или «подсмотренного» в природе.
1.2. Аналогия с природой
Выявлением и использованием «механизмов природы» занимается наука бионика.
Био́ника (от др.-греч. Βίον — живущее) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика — это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.
Бионика исследует объекты живого и растительного мира, выявляет принципы их действия и конструктивные особенности, с целью применения этих знаний в науке и технике. Концепция бионики не нова. Еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка.
Первый существенный вклад в эту науку внес великий ученый и художник Леонардо да Винчи.
Вот некоторые из его работ:
Пример 1.1. Механизм бьющихся крыльев
Леонардо писал: «Если скажешь, что сухожилия и мускулы птицы несравненно большей силы, чем сухожилия и мускулы человека, принимая во внимание, что все мясо стольких мускулов и мякоть груди созданы ради пользы и увеличения движения крыльев, с цельной костью в груди, сообщающей величайшую силу птице, с крыльями, целиком сотканными из толстых сухожилий и других крепчайших связок хрящей и крепчайшей кожи с разными мускулами, то ответ на это гласит, что такая крепость предназначена к тому, чтобы иметь возможность сверх обычной поддержки крыльев удваивать и утраивать движение по произволу, дабы убегать от своего преследователя или преследовать свою добычу; ибо в этом случае надобно ей удваивать и утраивать свою силу и, сверх того, нести в своих лапах такой груз по воздуху, каков вес ее самой; как видно это на примере сокола, несущего утку, и орла, несущего зайца, прекрасно показывающем, откуда такой избыток силы берется; но для того чтобы держаться самому, и сохранять равновесие на крыльях своих, и подставлять их течению ветров, и поворачивать руль на своем пути, потребна ему сила небольшая и достаточно малого движения крыльев, и движения тем более медленного, чем птица больше. И у человека тоже запас силы в ногах — больший, чем нужно по его весу; и дабы убедиться, что это так, — поставь человека на ноги на берег и потом замечай, на сколько отпечаток его ног уходит вглубь. Затем поставь ему другого человека на спину, и увидишь, насколько глубже уйдет он. Затем сними человека со спины и заставь подпрыгнуть вверх — насколько можно, найдешь, что отпечаток его ног более углубился при прыжке, нежели с человеком на спине; следовательно, здесь в два приема доказано, что у человека силы вдвое больше, чем требуется для поддержания его самого».
Рисунок Леонардо механизма бьющихся крыльев и его модель (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Механизм бьющихся крыльев
Пример 1.2. Механизм крыла
В книгах Леонардо можно прочитать: «Посмотри на крылья, которые, ударяясь о воздух, поддерживают тяжелого орла в тончайшей воздушной выси, вблизи стихии огня, и посмотри на движущийся над морем воздух, который, ударяя в надутые паруса, заставляет бежать нагруженный тяжелый корабль; на этих достаточно веских и надежных основаниях сможешь ты постигнуть, как человек, преодолевая своими искусственными большими крыльями сопротивление окружающего его воздуха, способен подняться в нем ввысь».
Рисунок Леонардо механизма крыла и его модель (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Механизм крыла
Пример 1.3. Воздушный винт — вертолет
Вот, что говорил Леонардо про устройство винта: «Я полагаю, что, если это устройство винта правильно изготовить, то есть если винт сделать из льняной ткани и поры ткани пропитать крахмалом, а за счет механизма придать быстрое вращательное движение винту, то это устройство поднимется в воздух.
Наружный край винта должен быть из проволоки толщиной с веревку, и от окружности до середины должно быть восемь локтей.
Я говорю, что когда прибор этот, сделанный винтом, сделан хорошо, т.е. из полотна, поры которого прокрахмалены, и быстро приводится во вращение, что названный винт ввинчивается в воздух и поднимается вверх. В качестве примера беру я широкую и тонкую линейку, которая стремительно быстро бросаема в воздух; ты увидишь тогда, что твоя рука движется в направлении пересечения с названной доской.
Сделай, чтобы арматура вышеназванного [полотна] была изготовлена из тонких длинных трубок. Можно сделать себе маленькую модель из бумаги, ось которой — из тонкого листового железа, закручиваемая с силой, и которая, будучи отпущена, приводит во вращение винт».
Рисунок воздушного винта может быть датирован между 1483–1486 гг.
Это — один из самых известных рисунков Леонардо да Винчи. Некоторые эксперты идентифицировали механизм как предок вертолета. К рисунку дано всего лишь одно примечание — диаметр воздушного винта до 5 метров, использовать при изготовлении тростник, льняную ткань и трос. Леонардо предполагал, что механизмом будут управлять четыре человека, которые будут находиться на центральной платформе и за счет ручных рычагов предавать вращательное движение винту. Машина, разработанная Леонардо, вероятно, никогда не оторвалась бы от земли и не смогла бы перемещаться. А вот если бы увеличить движущую силу (вместо человеческой), то машина вполне могла бы подняться в воздух и перемещаться в пространстве. Зная о других разработках Леонардо, также можно утверждать, что, применив дополнительные устройства, полетом можно и управлять. Скорее всего, мысль использовать этот винт его далее не заинтересовала. Применить другую двигательную силу в то время было просто невозможно. Поэтому больше всего разрабатывалось механизмов, имеющих пассивную тягу, — механизмы с крыльями (планеры). А также механизмы с движущимися крыльями после наблюдения за птицами. Леонардо был очень наблюдательный человек, и все свои наблюдения пытался суммировать.
Рисунок Леонардо винта и его модель (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Воздушный винт — вертолет
Пример 1.4. Планер с хвостом для управления полетом
Леонардо писал в своих исследованиях: «Названная птица должна при помощи ветра подниматься на большую высоту, и в этом будет ее безопасность, потому что даже в случае, если б ее постигли все ранее названные опрокидывания, у нее есть время вернуться в положение равновесия, лишь бы члены ее были большой стойкости, способные упомянутыми выше средствами противостоять стремительности и импульсу спуска — связками из прочной дубленой кожи и веревочными сухожилиями из прочнейшего сырцового шелка. И пусть никто не возится с железным материалом, потому что последний быстро ломается на изгибах или изнашивается, почему и не следует с ним путаться».
Рисунок Леонардо планера и его модель (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Планер с хвостом для управления полетом
Пример 1.5. Структура крыла
Леонардо писал: «Помни, что птица твоя должна подражать не иному чему, как летучей мыши, на том основании, что ее перепонки образуют арматуру, или, вернее, связь между арматурами, т. е. главную часть крыльев. И если бы ты подражал крыльям пернатых, то [знай, что] у них, из-за того, что они сквозные, — более мощные кости и сухожилия, т. е. перья их друг с другом не соединены и сквозь них проходит воздух. А летучей мыши помогает перепонка, которая соединяет целое и которая не сквозная».
Рисунок Леонардо структуры крыла и его модель (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Структура крыла
Пример 1.6. Планер с балансировкой тела для маневров
Леонардо писал: «Человек в летательном своем снаряде должен сохранять свободу движений от пояса и выше, дабы иметь возможность балансировать, наподобие того, как он делает это в лодке, — так, чтобы центр тяжести его и машины мог балансировать и перемещаться там, где это нужно, при изменении центра его сопротивления».
Рисунок Леонардо планера и его модель (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Планер с балансировкой тела для маневров
Пример 1.7. Парашют
Процитируем высказывания Леонардо об исследованиях спуска человека с большой высоты: «Когда у человека есть шатер из прокрахмаленного полотна, шириной в 12 локтей и вышиной в 12, он сможет бросаться с любой большой высоты без опасности для себя».
Рисунок Леонардо парашюта и его модель (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Парашют
Пример 1.8. Мост Леонардо да Винчи
В норвежском городке Ас 31 ноября 2001 года открыли 100-метровый пешеходный мост, созданный по проекту Леонардо да Винчи. Это первый случай за 500 лет, когда какой-либо архитектурный проект Леонардо получил реальное воплощение.
Этот мост перекинут на высоте 8 м над автострадой Е-18, в 35 км к югу от Осло. При реализации моста пришлось поступиться только одной задумкой Леонардо да Винчи — в качестве строительного материала было использовано дерево, а 500 лет назад мост планировалось построить из камня.
Леонардо да Винчи спроектировал это сооружение в 1502 году для турецкого султана Баязета II. Леонардо предложил перекинуть мост через залив Золотой Рог в Стамбуле. Если бы проект был реализован, этот мост был бы самым длинным мостом своего времени — его длина составляла 346 метров, ширина 23 метра, а пиковая высота — 40 метров выше уровня воды. Суть проекта — настил моста поддерживают три дуги-пролета, упирающиеся в землю. Уникальная особенность — двойная структура поддержки в основании моста, имеющего форму подобно хвосту воробья. Леонардо да Винчи так писал о нем турецкому султану Баязету II: «Мост в виде арки будет настолько высок, что любой корабль на полных парусах беспрепятственно пройдет под его сводами». Однако султан Баязет II отказался от предложений флорентийского художника.
Рисунок Леонардо моста и его воплощение (рис. 1.8).
Рис. 1.8. Мост Леонардо да Винчи
1.2.1. Области применения биотехнологии
1. Медицина, фармацевтика и медицинская биотехнология
2. Промышленность и производство
2.1. Химическая и нефтехимическая промышленность
2.2. Металлургия и материаловедение
2.3. Автомобильная промышленность
2.4. Авиакосмическая промышленность
2.5. Судостроительная промышленность
2.6. Электронная промышленность
2.7. Робототехника
2.8. Сельское хозяйство и пищевая промышленность
2.9. Деревообрабатывающая промышленность
2.10. Текстильная промышленность
3. Транспорт
4. Энергетика
5. Системы управления, автоматизация, информационные технологии, искусственный интеллект, нейротехнологии, технологии виртуальной и дополненной реальности
6. Экология и охрана окружающей среды
7. Безопасность (сетевая и информационная безопасность, промышленная безопасность, физическая безопасность и защита, экологическая и экологическая безопасность)
8. Исследование и освоение космоса (различные исследовательские миссии на другие планеты и астероиды, межзвездные миссии и т. д.)
9. Технологии в спорте
10. Экосистемы и устойчивое развитие
11. Геотехнологии и геология
12. Экспериментальная музыка и звуковая инженерия
И другие
Давайте приведем несколько примеров применения.
1.2.2. Примеры применения биотехнологии
Пример 1.9. Мост в виде полусвернутого листа
Свернутые в трубочку листья растений образуют причудливые желоба, позволяют сделать «конструкцию» листа более прочной без затрат на это дополнительного «строительного» материала. Природа использует и другие формы, например закрученные в спираль или ребристые.
Подражая природным структурным формам, удается спроектировать ажурные сооружения. Взяв за основу форму полусвернутого листа, инженеры спроектировали мост через реку (рис. 1.9), сочетающий в себе поразительную прочность и легкость, экономичность и красоту конструкции.
Рис. 1.9. Мост в виде полусвернутого листа
Пример 1.10. Наутилус
Nautilus pompilius (Кораблик) (класс Cephalopoda, подкласс Nautiloide) — одно из самых древних животных Земли, которые жили еще 100 миллионов лет тому назад.
Эти моллюски обитают на большой глубине — обычно около полукилометра, а иногда и до 700 м. Раковина имеет спиралевидную форму, разделенную перегородками на несколько камер. Тело моллюска помещено в последней камере. Каждая перегородка имеет отверстие. Конструкция раковины обеспечивает ее подъем или опускание. Моллюск заполняет камеры газом или водой. Когда наутилус хочет опуститься на глубину, он наполняет камеры водой, а для того, чтобы подняться, набирает газ, который вытесняет воду. Раковина становится легкой и всплывает.
На этом принципе работает подводная лодка (рис. 1.10).
Принцип опускания и поднятия подводной лодки
Рис. 1.10. Наутилус
Пример 1.11. Мечехвост
Мечехвосты (Xiphosura), отряд преимущественно вымерших морских членистоногих животных класса меростомовых. Уплощенное тело (длиной до 90 см) состоит из головогруди с 6 парами конечностей, служащих для передвижения, захвата пищи и ее размельчения, и брюшка с хвостовым шипом и 6 парами листовидных конечностей с многочисленными жаберными листочками (рис. 1.11). На спинной стороне головогруди — пара простых глазков, на боках — пара сложных. Современных мечехвостов 3 рода, включающих 5 тропических видов: один — в Атлантическом океане у берегов Центральной и Северной Америки, остальные — у юго-восточных и восточных берегов Азии и прилегающих островов. Современные мечехвосты — «живые ископаемые», существуют, почти не изменившись, около 350 млн лет.
Две пары глаз мечехвостов (простые и сложные) выполняют разные функции. Сложные глаза, состоящие из 1000 простых глазков (омматидиев), обладают способностью усиливать контраст изображения. Основано это уникальное свойство на взаимодействии омматидиев, когда при освещении один омматидий усиливает свет за счет ослабления соседнего, делая сильный свет сильнее, а слабый слабее. Разность между ними становится больше и дает возможность лучше рассмотреть предметы с нечеткими краями на фоне с помехами.
По принципу глаза мечехвоста спроектированы электронные модели и схемы систем, например, для получения снимков небесных светил, аэрофотосъемки со спутников и т. д.
Рис. 1.11. Мечехвост
Пример 1.12. Движитель — хвост рыбы
По аналогии с движением хвостового плавника или туловища морского обитателя был разработан так называемый нестационарный движитель, создающий тягу колебаниями несущей поверхности, имеющими конечную амплитуду (рис. 1.12). Некоторые исследователи считают, что принцип нестационарности движителя, по-видимому, и лежит в основе экономичности передвижения рыб и морских животных, так как они совершают туловищем и плавниками сложные изгибо-крутильные колебания, согласованные между собой таким образом, что при равномерном поступательном движении затрачивается очень небольшое количество энергии.
Русский художник и талантливый изобретатель Петр Васильевич Митурич, предложил использовать в качестве движителя гибкий корпус самого судна, совершающий волнообразные движения. Как указано в свидетельстве на изобретение №33 418 от 8 января 1930 г., движитель представлял собой: «приводимые во вращение изогнутые стержни, расположенные внутри эластичного корпуса, в целях сообщения этому корпусу при помощи шатунов, связанных со стержнями, волнообразного движения».
Figure 1.12. Model of a Submarine with a Wave Propeller
Пример 1.13. Парадокс Грея и эффекта Ламинфло
В 1936 г. английский зоолог Джеймс Грей установил, что сопротивление дельфина при его движении в воде, рассчитанное обычным для судостроения способом, оказывается в 8 — 10 раз больше того, которое способна преодолевать мускулатура животного. Ведь мышечная сила у всех млекопитающих, в том числе и китообразных, в пересчете на килограмм массы мышц примерно одинакова. Напрашивается вывод, что каким-то весьма эффективным способом дельфин снижает сопротивление своего туловища. Это несоответствие, получившее название «парадокс Грея», заставило начать работы в направлении, которое недвусмысленно подсказал сам профессор: «Природа сконструировала дельфина много совершенней, чем человек подводную лодку или торпеду».
В попытках разгадать «секрет дельфина» высказывались различные предположения. Большинство сходилось в том, что дельфин благодаря своей гладкой и эластичной коже в сочетании с жировым слоем демпфирует возмущения воды и тем самым создает вокруг себя ламинарный пограничный слой, снижая сопротивление. Механизм ламинаризации объясняли следующим образом: кожа животного представляет собой гладкую эластичную диафрагму, чувствительную к колебаниям давления, которые имеют место в пограничном слое, обтекающем дельфина. Под диафрагмой находятся каналы, наполненные жидкостью, которая, свободно перемещаясь в них под воздействием кожи-диафрагмы, действует как демпфер, поглощая часть кинетической энергии турбулентного потока и тем самым ламинаризируя пограничный слой.
Высказывалось мнение, что для значительного уменьшения сопротивления кожа дельфина должна не пассивно, а активно демпфировать возмущения в пограничном слое, для чего существует какой-то физиологический процесс, способный управлять изменениями свойств кожи. Известный французский исследователь океана, профессор О. Пикар высказал предположение, что нервные окончания в кожном покрове морских животных улавливают изменение давления, предшествующее переходу ламинарного режима обтекания в турбулентный, и через центральную нервную систему передают соответствующие сигналы на демпфирование кожи.
Кожа дельфина в передней части его туловища (особенно хорошо обтекаемой) почти не имеет кровеносных сосудов, в то время как к хвостовой части (где обычно возникает турбулентность и растет сопротивление) количество кровеносных сосудов постепенно возрастает. В связи с этим существует версия, что усиленная циркуляция крови пульсирующего характера в хвостовой части животного как бы демпфирует поверхность, уменьшая турбулентность потока.
Некоторые специалисты считают, что большая часть туловища дельфина участвует в создании движущей силы, т. е. туловище животного одновременно выполняет функции корпуса и движителя. В момент резких ускорений на коже возникают волнообразные складки, распространяющиеся от головы к хвосту, которые называют бегущей волной. При этом как бы сбрасываются возникающие турбулентные вихри, и снижается сопротивление. Но для образования бегущей волны необходимы мускульные усилия. Следовательно, управляющая кожей дельфина мускулатура должна непрерывно работать и постоянно находиться в напряжении, что изнурительно для животного. Исследователи осуществили оригинальный эксперимент, в котором участвовали профессиональные пловчихи и дельфины средней величины. Контуры тела женщины плавные, что вызвано особенностями костно-мышечного аппарата и сравнительно большим слоем подкожного жира. Под слоем жировой клетчатки и у дельфинов, и у женщин залегают локомоторные мышцы. Спортсменок буксировали под водой с разной скоростью. Испытания фиксировались на кинопленку. Обнаружилось, что при скорости свыше 4 уз на торсе и бедрах пловчих появлялись волнообразные складки. При снижении скорости складки исчезали. Известно, что у человека нет никаких специальных мышц для движения кожи и сама кожа для этого не приспособлена. Следовательно, волнообразные складки на теле спортсменок образовались под влиянием гидродинамического воздействия. Из эксперимента следовало, что мускулатура дельфина не принимает участия в образовании бегущей волны.
Интерес к скоростям качествам морских обитателей не ограничился предположениями и опытами. Одним из первых в 1938 г. немецкий ученый М. Крамер предложил обеспечивающее ламинарное обтекание корпуса покрытие, имитирующее наружный покров тюленей, для чего разместил на поверхности покрытия тонкие упругие проволочки, расположенные очень близко одна к другой и ориентированные вдоль набегающего потока. Крамер предполагал, что демпфирование турбулентных пульсации в пограничном слое будет осуществляться за счет сил трения между водой и проволочками. Опыты были прерваны с началом второй мировой войны. Позже Крамер сосредоточил внимание на изучении движения дельфинов с целью уменьшения сопротивления ракет и торпед. В последние два года существования фашистской Германии он возглавлял исследовательскую станцию управления ракетами и с небезызвестным В. Фон Брауном принимал участие в создании ракеты «ФАУ-2». Оказавшись после войны в США, Крамер продолжил исследования, направленные на создание покрытия для подводных лодок и торпед, названного «кожей дельфина».
Покрытие представляло собой сложную резиновую оболочку толщиной около 2 мм с гладкой наружной поверхностью (рис. 1.13). Внутренняя сторона оболочки множеством расположенных в шахматном порядке резиновых столбиков соединялась с внутренним слоем резины такой же толщины, наклеенным на поверхность корпуса подводной лодки. Пространство между столбиками, представляющее собой множество капиллярных сосудов, заполнялось органической жидкостью с относительно большой вязкостью. По замыслу Крамера, пока режим обтекания в пограничном слое будет ламинарным, покрытие должно вести себя как жесткая поверхность, при этом демпфирующая жидкость находится в покое, а поверхность диафрагмы остается гладкой. При возникновении в пограничном слое колебательных или волновых движений на гребне и впадине волны появится разность давлений, что вызовет распространение волнообразования вдоль покрытия и колебания резиновой оболочки, а через нее и демпфирующей жидкости. При этом турбулизация пограничного слоя должна снижаться, а вернее, переход ламинарного режима обтекания в турбулентный будет отодвигаться в область больших скоростей подводной лодки.
По аналогичному принципу было разработано покрытие «ламинфло», применение которого на торпедах позволило без изменения мощности двигателя существенно увеличить их скорость.
Рис. 1.13. Схема покрытия типа «кожа дельфина»
Искусственная кожа — обшивка «ламинфло»: а — боковой разрез; б — срез через слой палочек по линии АБ; 1 — верхний слой; 2 — средний слой; 3 — гибкие палочки среднего слоя; 4 — пространство между палочками, заполоненное демпфирующей жидкостью (черного цвета); 5 — нижний слой; 6 — корпус модели
Пример 1.14. Жиротрон
У двукрылых насекомых имеются придатки — жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полета. На этом принципе построен жиротрон (рис. 1.14) — вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полета самолета при больших скоростях. Самолет с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полeт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого — особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмерки. На рис. 1.14 изображены: а — схема летящей мухи с колеблющимися по обе стороны тела жужжальцами; б — жужжальце; в — схема жиротрона; ток от генератора посылается попеременно то во внешние, то во внутренние электромагниты, что вызывает колебания вильчатого жировибратора.
Рис. 1.14. Жиротрон
а — схема летящей мухи с колеблющимися по обе стороны тела жужжальцами; б — жужжальце; в — схема жиротрона
Пример 1.15. Эффекта Лотоса
В природе давно подмечен феномен, характерный для листьев цветов лотоса — они никогда не намокают (рис. 1.15а). После дождя или полного погружения в воду они сразу же оказываются сухими и чистыми. На поверхности листьев лотоса вода образует капли, которые, словно шарики ртути, скатываются по поверхности листа, увлекая оказавшиеся на листе инородные частички. Это природное явление получило название «эффекта Лотоса».
Современные исследования выяснили механизм этого эффекта. При 7000-кратном увеличении листа его микроструктура оказалась в виде иголок (рис. 1.15 б). Эту структуру воспроизвели при создании краски.
Создана краска с эффектом Лотоса. Принцип ее действия показан на рис. 1.15 в, а ее эффективность — на рис. 1.15 г.
Рис. 1.15а. Лотос
Рис. 1.15б. Микроструктура Лотоса
Рис. 1.15в. Принцип действия краски с эффектом Лотоса
Рис. 1.15г. Результаты использования краски с эффектом Лотоса
Пример 1.16. Новые принтеры
По аналогии с поведением стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например построению гнезда, в исследовательском центре Xerox
