Британскими учеными создан миниробот с ферромагнитной головкой
Centr86.ru

Ремонт бытовой техники

Британскими учеными создан миниробот с ферромагнитной головкой

Модернизация ферромагнитных плавающих роботов

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 24.12.2018 2018-12-24

Статья просмотрена: 45 раз

Библиографическое описание:

Поезжаева, Е. В. Модернизация ферромагнитных плавающих роботов / Е. В. Поезжаева, А. А. Шардаков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 51 (237). — С. 51-53. — URL: https://moluch.ru/archive/237/55054/ (дата обращения: 07.05.2020).

В данной статье представлен ферромагнитный плавающий робот, предложены варианты модернизации этого робота для увеличения его функциональности и скорости путем изменения формы головки и внедрения индуктора тока для создания напряжения, способствующего разрушению тромбов.

Ключевые слова: микро-роботы, медицинские роботы, плавающие роботы, ферромагнитные плавающие роботы.

This paper presents a ferromagnetic floating robot, offers options for upgrading this robot to increase its functionality and speed by changing the shape of the head and the introduction of a current inductor to create a voltage that contributes to the destruction of blood clots.

Keywords: micro robots, medical robots, floating robots, ferromagnetic floating robots.

Микроскопические роботы, которые могут передвигаться внутри нашего организма, уже давно перестали быть чем-то невероятным, и использование микроскопических устройств и даже роботов в медицине становится в последнее время чем-то само собой разумеющимся. Основными разработчиками нано и микро-роботов в настоящее время являются ведущие специалисты из университетов США и Великобритании. Совсем недавно специалисты из Эксетерского университета (Великобритания) представили, пожалуй, одну из, пожалуй, самых интересных. Она основана на создании роботов с ферромагнитной головкой, на базе которого и будет модернизация.

«Роботы-пловцы» представляют собой головку из ферромагнитного материала и цепочку из зерен ферромагнитных сплавов, составляющих из себя подвижный хвостик. Эти роботы при помощи внешнего магнитного поля можно направлять в нужный участок сосудистой системы пациента.

Устройство робота довольно просто: головка, имеющая в своем составе неодим, железо и бор, что позволяет иметь ей хорошие ферромагнитные свойства и выполненная в форме куба, связывается с управляющим устройством.

На другом конце микро-робота располагается подвижный жгутик (или хвостик). Жгутик одноклеточных и некоторых клеток животных (например, сперматозоидов), двигаясь, создает завихрения потоков жидкости, что и позволяет двигаться. Жгутик робота делает то же самое, за счет электромагнитных импульсов того же самого управляющего устройства.

Рис. 1. Изображение ферромагнитного плавающего робота в исходном состоянии

Характеристики ферромагнитного плавающего робота

Характеристика

Величина

Размер головки (ДШВ)

0,5 х 0,5 х 0,5 мм

Номинальная частота колебаний жгутика

Максимальная частота колебаний жгутика

Частота внешнего магнитного поля

Масса полезной нагрузки

Скоростью миниатюрного робота можно управлять, используя магнитное поле с частотой менее 3,5 микротесла. При этом, изменяя длину жгутика, удалось добиться того, что можно четко контролировать перемещение робота, заставляя двигаться в требуемую сторону.

За основу для модернизации примем данного робота. Для повышения его функциональности могут быть рассмотрены следующие версии модернизации:

  1. изменение формы кубической ферромагнитной головки на форму вытянутого многоугольника для улучшения гидродинамического качества, снижения вязкого трения;
  2. создание индукционного электрического тока за счет намотки на основание хвостика робота тончайших золотых или платиновых нитей, для улучшения чистящих свойств нано-робота сосудов от тромбов и отложений.

Применение сложной краеугольной вытянутой формы позволит роботу-пловцу свободнее передвигаться по сосудам человека, это подтверждается элементарными законами гидродинамики, за счет уменьшения лобового сопротивления, а большее количество углов позволит легче расправляться с тромбами и отложениями. На рисунке 2 представлена наглядная картина обтекания головки квадратного сечения и многоугольного. Несмотря на это, при увеличении количества углов, стенки сосуда остаются в безопасности, за счет своей упругой структуры, отложения же подвергаются неизбежному разрушению.

Рис. 2. Картина обтекания тел многоугольного и квадратного сечений

Создание индукционного тока необходимо так же для облегчения удаления тромбов и различных отложений на стенках сосудов за счет электрических импульсов от головки, к которой подключена катушка из намотки нескольких витков золотой или платиновой тончайшей нити. Расчетное значение тока при номинальном режиме работы: I = 6∙10– 23 A.

Получившийся ток пренебрежительно мал для организма и сердечно-сосудистой системы в целом, но воздействие этого тока на стенки сосудов и вещества тромбов вызывает микросокращение стенок сосудов и тем самым воздействуя на неблагоприятные отложения не только со стороны тока крови, но и со стороны стенок сосуда. Предыдущий способ модернизации является неотъемлемой частью для выполнения данного условия, ведь чем больше точек воздействия тока на сосуд (чем больше углов на головке), тем более продуктивнее будет идти процесс очищения стенок сосудов. Наглядная 3D-модель показана на рисунке 3.

Рис. 3. Упрощенная 3D-модель модернизированного ферромагнитного плавающего робота с улучшенной многогранной головкой и индуктором для создания токов малой величины

Таким образом, был модернизирован ферромагнитный плавающий робот, способный теперь не только производить движение по сосудам, но и очищать их от ненужных образований. Данные модернизации могут обеспечить увеличение скорости движения и очищение от отложений на 15–20 %. Тип данного робота находится только стадии доработки и испытаний, предложенная модель является лишь одним из вариантов модернизации.

В перспективе — создание на базе данных микро- и нано-роботов модулей, способных на таргетную доставку лекарственных средств или же в качестве устройства диагностики заболеваний и мониторинга за состоянием здоровья.

Промышленной роботехнике — 57 лет! Вспомним, откуда ведется отсчет

Скоро человечество отметит не круглую, но важную дату: 13 июня 1961 года был выдан патент на первого в истории промышленного робота. Давайте вспомним, как было сделано изобретение, положившее начало эре промышленной роботехники.

Робот, о котором пойдет речь — Unimate, выпускаемый компанией Unimation с 1961 года. Первый экземпляр появился на заводе Inland Fisher Guide Plant, принадлежавшем General Motors; он стал символом технической революции своего времени, попал на выставки и даже в телешоу. Детище двух гениальных инженеров, Джорджа Девола (обладателя патента) и Джозефа Энгельбергера (его соавтора и бизнес-партнера), во многом опередило свое время.


1961 год. Первый экземпляр Unimate проходит финальные тесты перед отправкой на фабрику General Motors. Джозеф Энгельбергер (слева) с инженерами Unimation

Джордж Девол — «Тесла наших дней»

Американский изобретатель Джордж Девол был удивительно разносторонним и плодовитым инженером. За эти качества современники сравнивали его с Эдисоном и Теслой. Он принимал участие в изобретении микроволновой печи, создал автоматические двери и новую систему звука для кинотеатров. В годы Второй мировой войны работал над радиолокационными приборами; в послевоенное время участвовал в совершенствовании систем звукозаписи и создании новых упаковочных машин. Но самая известная его работа — промышленный робот, которого Девол не только изобрел, но и запустил в серийное производство.

Работу над Unimate инженер начал еще в 1950-м. Он создал механизм, который назвал «Программируемым устройством перемещения», и в 1954 году подал заявку на патент. Но Девол не был уверен в том, как именно будет использоваться изобретение. Поворотной точкой стала встреча с Джозефом Энгельбергером, талантливым инженером, который работал над автоматизированными системами для авиации и зачитывался книгами Айзека Азимова. Два изобретателя встретились на коктейльной вечеринке в Коннектикуте в 1957, они разговорились и решили вместе работать над проектом. Энгельбергер помог Джорджу Деволу усовершенствовать изобретение и определить его точное назначение — роботизированный манипулятор, помощник человека на производстве.

Джозеф Энгельбергер, популяризатор роботов

Энгельбергер получил образование в Колумбийском университете, закончив бакалавриат по физике и магистратуру по электроинженерии. Несколько лет после выпуска он проработал в Manning Maxwell & Moore — компании, производящей авиационные приборы, и в итоге стал главным инженером по авиации. В 1957 году он основал собственное приборостроительное производство, компанию Consolidated Controls.

В период знакомства с Деволом у Энгельбергера уже был опыт в бизнесе. Поэтому вместе они успешно реализовали план по созданию своей роботехнической компании, которую назвали Unimation (сокращение от Universal Automation). А первый робот получил имя Unimate. Это была громкая инновация, вокруг которой, однако, разгорались и скандалы: рабочие опасались, что они потеряют свои места, ведь роботы могли трудиться 24 часа в сутки и не требовали зарплаты и соцпакета. Поэтому Энгельбергер провел большую работу по популяризации своих детищ. Вместе с Unimate он появился на торговой выставке в Cow Palace (Чикаго), а чуть позже — в телепередаче Tonight Show, где робот по его приказу играл в гольф, открывал пиво и даже дирижировал оркестром. За весь период существования компании Unimation именно Энгельбергер занимался бизнес-процессами и продвижением новых промышленных роботов — как среди заказчиков и партнеров, так и для широкой аудитории. Это принесло ему известность и негласный титул «отца роботехники», хотя в патенте на первого в мире промышленного робота нет его имени.

Читать еще:  Как сделать кипятильник для воды своими руками в домашних условиях

Девол и Энгельбергер, 1956

После того, как в 70-х годах пути двух инженеров вновь разошлись, Энгельбергер ушел в сферу сервисной роботехники. И продолжил свою работу по популяризации этой области: выпустил книги «Практическая робототехника» и «Робототехника в сфере услуг», опубликовал множество статей, интервью и других материалов для прессы. Энгельбергер также учредил Ассоциацию промышленной робототехники (RIA) и ежегодную премию за достижения в этой отрасли.

Unimate — разработка и внедрение

Джоанна Уоллен в книге «История промышленных роботов» рассказывает, что Энгельбергер долго подбирал место работы для Unimate. Он посетил порядка 35 промышленных предприятий разного профиля (в том числе 15 автомобильных), пытаясь понять, какая сфера производства действительно нуждается в автоматизации. В итоге первый контракт был подписан с предприятием General Motors, и робот занял свое место у литьевой машины.

Unimate трудился на линии сборки, забирая детали с линии непрерывного литья и устанавливая их внутрь автомобильных кузовов с помощью сварки. Этот этап относится к опасным производствам: неосторожность может обернуться для работника потерей конечности и отравлением токсичными газами.

Роботы от Unimation создавались для выполнения многократно повторяемых операций. Это роботизированная «рука» с двухпальцевым захватом, похожим на клещи, и с несколькими соединениями, выполняющими роль суставов. Как рассказал позже в своей книге Джордж Мансон, один из инженеров компании, первоначально робот должен был точно копировать человеческую руку и иметь шесть степеней свободы. Но финансовые ограничения и инженерные сложности вынудили оставить пять степеней: «запястье» робота могло двигаться лишь по двум осям вместо трех. И это, конечно, была не последняя из сложностей. Робот-манипулятор оказался проектом, опередившим технологии своего времени. Вот как описывает Мансон инженерные задачи, которые стояли перед командой: всё, что описано в этих пунктах, им предстояло разработать самим.

  1. Система с цифровым контролем, основанная на бинарном коде (не забывайте, это был 1956-й!).
  2. Энергонезависимая твердотельная система памяти, которая тогда еще не существовала.
  3. Оптические цифровые кодировщики, считывающие положение вала, с высокой скоростью работы, которых также еще не было.
  4. Высокопроизводительный цифровой сервоконтроллер, способный к динамическому управлению, с широким спектром полезных нагрузок.
  5. Высокоэффективные гидравлические сервоклапаны.
  6. Автономные электрические и гидравлические источники питания.

Под руководством Девола команда разработала феррорезонансный датчик и основанную на нем систему памяти, которую запатентовали как Dynastat, а также оптический энкодер Spirodisk.

Все эти разработки легли в основу Unimate. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления. Чтобы запрограммировать робота, оператор в режиме обучения задавал ему порядок контрольных точек: звенья манипулятора должны были проходить их в течение рабочего цикла. Точки сохранялись в памяти, и робот мог воспроизводить действие неограниченное количество раз.

Это позволило инженерам добиться высокой точности воспроизведения действий — до 1,25 мм. При разгрузке машины для литья Unimate выдавал всего 2% брака, тогда как у работников-людей его количество доходило до 20% при меньшей производительности.

Особого внимания заслуживала гидравлическая система. У первых прототипов, в том числе у робота, представленного на выставке в Чикаго, она «протекала, как сито». Но разработчикам удалось решить эту проблему.

В 1961 году Девол получил патент на устройство на основе предыдущей заявки, поданной им еще в 1954-м. Полученный им документ с номером US2988237A ознаменовал начало новой эпохи в истории человечества — эры роботов.

Прогресс оказался стремительным: за короткое время Unimation продали в США 450 устройств. А в 1966 году их роботы впервые отправились за пределы США — на завод Nokia в Финляндии. Три года спустя компания вышла и на азиатский рынок, лицензии на производство Unimate были предоставлены Kawasaki Heavy Industries и GKN. Устройство было востребовано вплоть до 1970-х, когда его вытеснили новые роботы японской разработки.

Роботы Unimate на линии точечной сварки. Фабрика GM в Огайо, 1969

Сегодня экземпляр Unimate можно найти в Зале славы роботов (Питсбург, США), а журнал Popular Mechanics в декабре 2005 года включил его в число 50 лучших изобретений последних 50 лет.

Великие робототехники (кто стоит за созданием роботов)

Наибольшее развитие робототехники, как и ее популяризация, приходятся на последние десятилетия, но это не означает, что такого направления до нулевых не существовало. Великие робототехники прошлого развивали его еще задолго до современности. О тех, кто стоял у истоков, об «отце» промышленных роботов, открытиях и ведущих компаниях — будем говорить дальше.

Умные машины тоже имели предков

В истории практически каждого народа есть легенды о том, как мастера прошлых веков использовали человекоподобные технические устройства. Есть записи от 2 тыс. до н.э. о создании в Древнем Египте статуи, которая во время обрядов могла указывать, поднимая робо-руки, на наследника правителя.

В начале второго тысячелетия до н.э. в Китае были созданы прототипы роботов, которые запускались под воздействием силы пороховых взрывов, а для развлечения императора умельцы создали механического андроида.

Древнегреческому ученому Архимеду приписывают создание первой военной машины «Коготь». Её закрепляли на оборонной стене, и, пользуясь длинным крюком, подцепляли осаждавшие корабли соперников и переворачивали их.

Наибольшего внимания заслуживали записи Леонардо да Винчи, который создал достаточно подробные схемы нескольких человекоподобных механизмов. По одному из таких вариантов в 1495 году была собрана фигура рыцаря, который мог двигать шеей, конечностями, открывать рот, присаживаться. Кстати, чертежи сохранились, и по ним рыцарь был воспроизведен. Сегодня его можно увидеть в Миланском музее.

Основной сдерживающей силой робототехники и автоматизированных механизмов была церковь, считавшая любые проявления «на тему» ересью, поэтому по-настоящему развиваться направление начало только к 18 веку. Одними из выдающихся изобретателей того времени были:

  • Жак де Вокансон, создавший механическую утку (умела клевать, двигать крыльями) и музыканта (играл на флейте и свирели);
  • Пьер Жаке Дро (основатель часовой компании Jaquet Droz). Стал известен не только часовыми механизмами, но и созданием механического писаря, художника, музыканта.

Отличительной особенностью этих вариантов, от других дорогостоящих игрушек, была возможность управлять ими. Правда, для этого использовалось не ПО, а пружины, насечки, меняя последовательность которых, меняли текст, изображение, музыку.

Технология создания механических моделей (с часовыми механизмами) использовалась вплоть до 19 века, когда появилась недостающая деталь – электричество, которое обеспечивало устройство питанием на продолжительное время.

Изобретатели стали постепенно внедрять механизмы в производственные этапы, чтобы облегчить и ускорить процесс.

Прототипом первой автоматизированной линии в 1808 году был ткацкий станок французского ткача Жозефа Мари Жаккара, который программировался при помощи специальных перфорированных карт. Конечно, это не манипулятор Kuka, но здесь использован главный принцип программирования, на котором до сих пор базируется робототехника.

Еще один изобретатель и новатор Никола Тесла в 1898 году представил свою разработку – лодку, которая управлялась дистанционно (при помощи радио). Так постепенно освоилось не только использование различных источников питания, но и управления (проводные и радиоволновые устройства).

Знаете ли вы, что первым программистом была женщина.

Математик Ада Лавлейс написала первую в мире программу для вычислительной техники в 1842 году.

Она работала в проекте по запуску аналитической машины Бэббиджа, и хотя при жизни Ады ВУ так и не заработало, именно ее наработки и созданный ею алгоритм и терминология, а именно «рабочая ячейка» и «цикл» используются в каждой современной программе.

Однако, несмотря на весь успех прошлых веков, человеком, впервые изобретшим действующий робот, считается Рой Уэнсли. Именно его принято считать одним из самых великих робототехников.

В 1928 году он разработал конструкцию «Герберт Телевокс», которая управлялась посредством команд, подаваемых по телефону. Конечно, это было не управлением голосом, как в Alexa, а определенная последовательность щелчков, скрежетов и гудков. Машина могла открыть окно или дверь, отключить духовку или электродвигатель.

Читать еще:  Какие приложения стоит установить на смарт-часы на андроид

Примерно в это же время появились другие антропоморфные механизмы: Макото Нисимура создал механическую систему, умеющую выполнять ряд задач руками (писать и т.п), Уильям Ричардсон создал приспособление, двигающее конечностями и отвечающее на вопросы (список был небольшой).

Девол и Эленберг — это «Джобс и Возняк» в мире робототехники

Когда прозаик Карел Чапек, работая над своей пьесой «Rossumovi univerzální roboti» в 1921 году, придумал слово «робот» (определение для искусственно созданных людей), Джорджу Деволу было всего 9 лет, но, несмотря на это, именно Девол станет человеком, который перенесет понятие из фэнтези в реальность.

На счету Джорджа Девола около 40 патентов на различные технические устройства. Он участвовал в создании микроволновой печи «Спиди Унни», разрабатывал системы радиолокации, но главной его разработкой стал манипулятор (патент США 1961 года). Придуманная им технология сегодня используется практически на всех производственных площадках мира.

Вместе с инженером Джозефом Эленбергом, Девол в 1962 году создал первую компанию, производившую промышленные роботы, Unimation. Манипуляторы программировались при помощи все тех же перфокарт. Джозеф отвечал за разработку, в то время как Эленберг занимался привлечением инвесторов и всячески популяризировал использование техники в производственном процессе. С их легкой руки робоманипуляторы распространились по всему миру, в том числе и в Японию.

Первые роботы Unimation появились в Японии в 1968 году, а спустя лишь одно десятилетие страна заняла лидирующие позиции по производству и оснащению роботизированных линий, как впрочем, и других технически совершенных устройств.

Современными лидерами по созданию домашних и коммерческих роботов являются японские компании FANUC Robotics, Kawasaki Robotics, Sony, Panasonic, Honda. Достойную конкуренцию составляют ABB (Швеция — Швейцария), KUKA (Германия), однако в стране восходящего солнца робототехника практически возведена в культ, поэтому в ближайшие десятилетия едва ли кто-то сможет сравниться с ними в производительности.

Британский ученый работает над 3D-печатным роботом-колхозником

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Еще больше интересных постов

Новосибирский разработчик программы для 3D-моделирования имплантатов стал лауреатом выставки «Архимед-2020»

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Ученые НИУ БелГУ разрабатывают жаропрочные сплавы и методику 3D-печати деталей газотурбинных двигателей

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Презентация первого отечественного строительного 3D-принтера

Подпишитесь на автора

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Мы рады представить вам нашу совместную разработку с компанией Спецавиа, первый отечественный строительный 3D принтер.

Комментарии

На фоне назревающего «брексита» британским аграриям приходится всерьез задумываться о возможной нехватке сезонных рабочих-мигрантов.

А куда подеваются мигранты штурмующие тонель под ламаншем, или его зароют в связи с брекситом.
Для британских колхозников аграриев , есть рецепт. Практика показала он гораздо эффективнее, чем то, что разрабатывают британские ученые.
Процитирую отрывки из известного произведения.

‘Товарищи ученые, доценты с кандидатами!
Замучились вы с иксами, запутались в нулях,
Сидите, разлагаете молекулы на атомы,
Забыв, что разлагается картофель на полях.

.
Вы можете прославиться почти на всю Европу, коль
С лопатами проявите здесь свой патриотизм, –
А то вы всем кагалом там набросились на опухоль,
Собак ножами режете, а это – бандитизм!

.
Полуторкой к Тамбову подъезжаем,
А там – рысцой, и не стонать!
Небось картошку все мы уважаем, –
Когда с сальцой ее намять.

. ‘
В.С.Высоцкий 1972 (с)

А когда робот вступил в колхоз?)

Тоже хотел спросить – отккда у туманцев коллективное хозяйство…

Но собственно радоваться нечему. Роботы заменят людей и люди станут не нужны. Капиталу похрену, кто работает на него, чем ддешевле, тем лучше. Радуйтесь человеки, вы скоро сдохнете

А кто у капиталиста будет покупать и потреблять, роботы?

А чем роботы отличаются от человеков. Да и, собственно говоря, зачем продавать? Все блага жизни можно изготовить без использования человечишков.
У Вас низкий уровень умозаключений, продолжайте деградировать

У Вас низкий уровень умозаключений, продолжайте деградировать

А так или иначе рождаемость будет контролируема. Что плохого, что человек делает себе на ферму робота? Я тоже буду делать, банально даже для огорода, на своих приводах и двигателе Стирлинга (последние модификации правда уже совсем не похожи на то, что было раньше (даже в плане моих модификаций), я почти каждый день думаю о двигателе Стирлинга, не смотря даже на то, что делаю вещи и посложнее, и думаю я о нём исключительно как для двигателя мобильного робота, только одного на все исп.механизмы). В конце концов – они будут работать на фермах на Луне, на Марсе – роботы. Роль человека в цивилизации будет становится всё более интеллектуальной. Робот – это машина, а не замена человеку. Ну это конечно моё мнение.

То что я увидел на видео. правда. сложновато назвать роботом. Для меня это всё равно что правило параллельного переноса сил называть теоремой.
НЕДО. .
Но всё равно плюсану. Всё с чего-то начинается. Можно пожелать только успеха.

Нанотехнологии вдохнули новую жизнь в бионику

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины — кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

Умная природа

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» — оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Бионика (англоязычные названия – «биомиметика») – многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно используется термин «биомиметика», но иногда говорят о биогенезе. Суть этого перспективного научно-технологического направления состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Читать еще:  Как пользоваться газовой плитой и правильно зажечь ее

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

Современные открытия

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного оптоволокна

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно (см. подробнее здесь). По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

Монопод ростом с человека способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая (Стенфордский университет)

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.

В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы.

Первые примеры бионики

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела.

Костная структура головки бедренной кости

Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

Плод дурнишника прицепился к рубашке

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector