1. Основы бионики: история, предмет, принципы, задачи

Бионика получила в настоящее время чрезвычайно широкое распространение и приобрела важное значение в подго­товке студентов многих вузов страны. За последнее десятилетие бионика во­шла как самостоятельный предмет в цикл дисциплин, которые преподаются на биологических и биолого-почвенных факультетах университетов. Лекционные курсы по бионике читаются во многих физкультурных, медицинских, технических и строитель­ных институтах.

Большой интерес к бионике обуслов­лен значительной практической направ­ленностью этой науки, изучающей прин­ципы построения и функционирования биологических систем прежде всего с целью создания новых машин, приборов, механизмов, строительных конструк­ций и технологических процессов, ха­рактеристики которых были бы столь же совершенными и высокоэффективными, как в живых системах. Несомненно, что в век научно-технической революции эти бионические исследования имеют боль­шое значение для решения сложных ин­женерных проблем.

В систематическом изложении основ­ных сведений в этой быстро развиваю­щейся области знания крайне нужда­ются не только студенты, слушающие специальные курсы по бионике, по и многие молодые специалисты, начинаю­щие работать на стыке биологии и тех­ники. Однако учебных пособий по биони­ке в настоящее время очень мало. Крайне ограничено также число фундаменталь­ных изданий, которые можно было бы использовать в качестве учебных пособий.

Каждое из направлений бионики имеет три аспекта — биологический, математичес­кий и технический.

Бионика – это самая молодая наука биологического цикла. Слово «бионика» произведено от греческого «бион» — ячейка жизни. В отличие от других наук она имеет точную дату официального рождения – 13 сентября I960 г., когда в г. Дайтон (США) на симпозиуме по использованию знаний о живых орга­низмах для усовершенствования техни­ческих систем было предложено назва­ние для вновь созданной биологической науки. Тогда же был провозглашен ло­зунг: живые прототипы – ключ к но­вой технике.

Действительно, в течение всего пути эволюционного развития органического мира, длившегося миллиарды лет, не­прерывно вырабатывались приспособле­ния к окружающей среде. Жесткие рам­ки отбора, воздействовавшего в течение огромного количества поколений на на­правление развития всех биологических систем, и привели к выработке совершен­нейших механизмов и приспособле­ний.

В современном понимании бионика – научное направление, занимающееся изу­чением и использованием принципов организации и функционирования орга­низмов и их элементов для совершен­ствования существующих и создания принципиально новых технических си­стем.

Эти цели утилитарны и составляют в сущности предмет изучения приклад­ной бионики. Как и многие другие нау­ки, бионика зародилась как чисто прак­тическая отрасль знания, и лишь впо­следствии оформилось теоретическое на­правление в бионических исследованиях

Теоретическая бионика занимается изу­чением особых «инженерных» свойств организмов, причем такое изучение про­водится на базе достижений современной техники. Многие особенности животных удалось по-настоящему попять и из­учить только после того, как развитие техники привело к созданию сходных инженерных устройств. Так, например, эхолокация у животных была открыта и изучена только после создания сонара, т. е. звукового или ультразвукового ло­катора. Таким образом, теоретическая бионика позволяет глубже и разносто­роннее изучить особенности организмов на базе знания аналогичных техниче­ских устройств.

Бионику нельзя считать разделом ки­бернетики. Область бионики несравнен­но шире, и только часть ее направлений, например моделирование нейронов и нервных сетей, контактирует с кибер­нетикой.

В исследованиях по бионике можно наметить три этапа, которые выполня­ются специалистами различного профи­ля: биологом, математиком, механиком или физиком и инженером. Поскольку первый этап представляет собой поиск и обнаружение феномена, его тщательное изучение с применением современных экспериментальных методов и наиболее совершенных технических средств, то приоритет принадлежит биологу.

Для обнаружения феномена, пред­ставляющего интерес в качестве модели будущей технической системы, применя­ются исследования в различных отрас­лях биологии. На первом этапе большое значение имеют экологические исследования в самом широком смысле слова и исследования поведения животных: изучение способов движения, миграций животных и ориентации, функции ре­цепторов, сигнальной системы связи и других сторон поведения животных в природе.

Эти исследования дают зачастую ре­зультаты типа «черного ящика», то есть становится известным только, каким сиг­налам на входе соответствуют те или иные реакции на выходе системы. Рас­шифровать внутренний механизм «чер­ного ящика» можно с помощью иссле­дований по физиологии (особенно надо выделить электрофизиологические иссле­дования центральной нервной системы, проводящих нервных путей и рецепторов с применением микроэлектродов (биохи­мии, функциональной морфологии).

Второй этап – разработка математи­ческой или физической модели принци­пов организации и функционирования изученных процессов и особенностей ор­ганизации и функционирования биоло­гического прототипа. В зависимости от направления биологических исследо­ваний этот этап выполняется математи­ком, физиком или специалистом по ме­ханике. Второй этап исследований не­редко включается в состав теоретической бионики.

На третьем этапе работы вступает в действие инженерное проектирование. Для его осуществления, безусловно, тре­буется точное описание структур и функ­ций организма, химических реакций, физических особенностей организмов или частей тела, выраженных языком мате­матических формул. Вместе с тем, со­здавая технические модели, инженер да­леко не всегда просто копирует приро­ду – часто это нецелесообразно (так как не исключается улучшение ряда ха­рактеристик при техническом модели­ровании), а иногда и невозможно.

Дело в том, что целостность организма значительно ограничивает разнооб­разие его структур. В организме не может быть никаких органов, вращающих­ся на оси по типу колеса, турбины, вин­та и т. д. Агрегатность технических систем, наоборот, позволяет широко ис­пользовать вращающиеся детали. Ис­пользование таких агрегатных устройств может значительно облегчить проблему бионического моделирования. Вместе с тем подвижные или имеющие движущие­ся части технические устройства не­избежно коренным образом отличаются от животных прототипов тем, что в них не используются двигатели типа сокра­щающихся волокон. Пока не создана искусственная мышца, существует пре­пятствие точному копированию многих биологических моделей. Таким образом, в технической бионике, т. е. на третьем этапе работы, чаще создаются изоморф­ные (подобные) конструкции, а не точ­ные копии.

Попытки моделировать биологические прототипы предпринимались задолго до официального выделения бионики как самостоятельной науки.

Однако еще на заре своего развития генеральное направление техники пошло по особому пути. Было создано колесо, видимо как усовершенствование катка, роль которого выполняло бревно. Стала использоваться энергия ветра в водном транспорте, мельницах, шест в качестве способа передвижения судна на воде. Все это не имело аналогий в животном мире. Наряду с этим некоторые техни­ческие идеи черпались из окружающей природы. Арабские врачи в начале на­шей эры, изучив строение хрусталика, подсказали идею линзы увеличитель­ного стекла. Леонардо де Винчи 400 лет назад разработал конструк­цию махолета, приводимого в дви­жение мускульной силой человека. Кры­лья этого летательного аппарата представляли собой модель крыльев лету­чей мыши. Многие изобретения прошло­го столетия моделировали органы или приспособительные свойства разных жи­вотных. Так можно назвать «стопоходя­щую машину» Чебышева, «шагающую» машину Орловского и Гусева. Немец­кий изобретатель Лилиенталь построил один из первых планеров в виде модели парящей птицы. В 30-х годах текущего столетия инженер Игнатьев создал само­затачивающийся резец – модель рез­цов грызунов, которые никогда не ту­пятся.

Однако все эти разработки были лишь результатом исследований отдельных та­лантливых конструкторов и изобретате­лен. Лишь после выделения бионики в качестве самостоятельной отрасли зна­ния появились творческие коллективы и целые лаборатории, ведущие разработ­ки в этом направлении.

Современная бионика – наука весьма многогранная. Она исследует самые раз­нообразные структуры и проявления жизнедеятельности организмов с целью поисков новых технических идей и углуб­ленного изучения приспособлений, инте­ресных в теоретическом и практическом отношении. Имеется немало систем классификации разделов и направлений бионики, иногда очень детальных.

В нашем направлении идет бурное развитием и использование бионических форм в предметной среде, окружающей человека начиная с древнего мира, когда впервые начали стилизоваться природные формы в ювелирных изделиях, мебели, оружии и до наших дней. Всё больше и больше биоформы оказывают влияние на всё, что создаётся человеком от бытовой техники и медицинского оборудования до целых городов. С развитием технологий и появлением всё новых материалов возможности использования бионических форм в дизайне и архитектуре становятся практически безграничными.

Важность изучения дисциплины бионика неоспорима, как неотъемлемая часть дизайна, как одна из основ дисциплины, необходимая для успешной работы на рынке современного дизайна и для работы в будущем.

Предметом бионики являются исследования структуры и функционирования биологических объектов различной сложности – от клеток до живых организмов и их популяции с целью создания новых более совершенных технических устройств и синтеза биотехнических комплексов, оптимально использующих свойство биологических и технических элементов, объединяющих в единую функциональную систему целенаправленного поведения. (Формулировка принята на 1-й Международной конференции «БИОНИКА-75» в Варне Болгария).

Так как бионика широко используется в дизайне поэтому рассмотрим механизмы познания и практической реализации взаимодействия с живой природой.

Применяя биологические принципы в графической деятельности, художник-дизайнер пытается вскрыть в природном аналоге особый эстетический вид закономерностей. К использованию природных форм нужно подходить творчески, иначе не удастся получить желаемые результаты.

Специфическая черта современного этапа освоения форм живой природы в предметном мире заключается в том, что сейчас осваиваются не просто формальные стороны живой природы, а устанавливаются глубокие связи между законами развития живой природы и предметного мира.

На современном этапе дизайнерами используются не внешние формы живой природы, а лишь те свойства и характеристики формы, которые являются выражением функции того или иного организма, аналогичным функционально-утилитарным сторонам графической формы. От функции к форме и к закономерностям формообразования – таков основной путь дизайнерской бионики.

Графические формы, получаемые в результате творческого процесса освоения законов формообразования живой природы – это уже не формы природы, это синтез природных форм и средств, имеющихся в распоряжении дизайнера.

Использование в дизайне законов и форм живой природы вполне правомерно. В основе эволюции живых организмов и графических изображений лежат одни и те же принципы, определяемые взаимодействием форм и функций.

В мире все взаимообусловлено. Существуют законы, объединяющие весь мир в единое целое и порождающие объективную возможность использования в искусственно создаваемых системах закономерностей и принципов построения живой природы и ее форм.

Правомерность биодизайна предопределяется не только биологическим и техническим единством человечества и окружающего мира, но и особенностями человеческого познания. Человеческий разум в большей степени формируется под влиянием процессов, происходящих в природе.

В своей творческой деятельности человек постоянно, сознательно или интуитивно, обращается за помощью к живой природе. Для всей истории биодизайна характерно использование чисто внешних очертаний природных форм.

Причины особого внимания дизайнеров к законам формообразования живой природы заключаются в том, что графический дизайн как особый вид искусства имеет непосредственную связь с материальным производством, для которого создается изобразительный образ - торговый знак.

Живая природа имеет тенденцию в процессе своего развития стремиться к всемерной экономии энергии, строительного материала и времени. Закон минимума в живой природе обусловлен органической целесообразностью существования. Все это привело к мысли о возможности использования закономерностей формообразования живых структур именно в конструктивном плане, а не с целью лишь каких-то формальных поисков.

Дадим сначала трактовку метода – это порядок действий отражающий суть исследуемых процессов их содержание. Содержание контролирует границы метода. Метод – это система с обратными связями: содержания, явления, механизм. Отсюда, чем глубже познается явление, тем совершение становится метод: метод динамичен и не может быть догматизирован.

Работа дизайнера с природными аналогами заключается не в простом сравнении, а в изыскании методов и способов графического моделирования биологических процессов.

Работая над проектом, дизайнер тщательно проводит сравнительный анализ «живой» и искусственной техники, сопоставляет технические характеристики живых объектов и созданной руками человека аппаратуры и потом делает заключение о целесообразности применения в графике тех или иных изобразительных форм. Анализируя природную форму, художник-дизайнер стремится осмыслить ее тектонику, которую, как бы сложна она ни была, нельзя рассматривать как случайное сочетание объемов. Гармоничность ее развивается по строго определенным законам и принципам. Для восприятия гармонии, закономерности строения, образности природной формы требуется определенная подготовленность.

В природных формах главным является конструктивно-композиционная группировка элементов, их ритмика. Речь идет именно о композиционно подчеркнутых сгущениях – отдельных группах в пределах целостного организма, есть достаточно примеров разнообразных акцентов композиционной структуры в общей упорядоченности, от которых можно оттолкнуться при проектировании.

Каждая природная форма имеет свои, присущие лишь ей черты. Если форма природного аналога состоит из многих сложно организованных элементов, то получаемый при ее восприятии ассоциативный сигнал сразу может не иметь столь четкого характера. Но в ходе тщательного анализа, отбора, сравнений знак проявляется и достигает полного звучания. Бионика в графическом дизайне это одновременно наука и искусство, это анализ и синтез, поиск оригинального, нового. Изучение форм живой природы питает фантазию дизайнеров, дает материал и помогает решать проблему гармонии функционального и эстетического начала, обогащая формальные средства гармонизации в поисках наиболее выразительных пропорций, ритма, симметрии, асимметрии и т. д.

Дизайнер делает подробные зарисовки всех разновидностей природного образца, затем путем формообразующих линий, осевых и линий членения анализирует природную форму и разрабатывает графический образец.

Конкретность живых форм, нашедших свое применение в фирменном знаке, выделяет эти знаки из числа других.

В работе с природными аналогами особую роль играют художественные данные человека и его интуиция. Интуиция помогает дизайнеру справиться со своей задачей значительно быстрее, чем при условии, что он будет действовать, всегда основываясь только на рациональных методах. Правда, решения, подсказанные интуицией, нуждаются во внимательной научной проверке, тем не менее, значение их очень велико.

Необходимость изучения биологических форм для дизайнера подчеркивается еще и тем, что они масштабно выдержаны и пропорционально безукоризненны, конструктивно и функционально обусловлены.

Гармония красоты и целесообразности в природе – поистине неисчерпаемый источник средств гармонизации формы, к которому постоянно обращались творцы шедевров архитектуры и искусства. Витрувий, Леон Альберти, Палладио, Ле Корбюзье, И. В. Жолтовский, А. В. Щусев неустанно искали закономерности строения прекрасной формы, вытекающей из законов природы.

Чаще всего природная форма, примененная в графическом образе, видоизменяется под действием стилизации, но не настолько, чтобы не быть узнанной.

Но без знания принципов и общих законов формообразования природы нельзя понять ту или иную форму.

При первом взгляде на окружающий нас предметный мир может показаться, что бионика как будто не проявляется в творениях человеческих рук столь непосредственно, однако в действительности ее влияние на предметный мир в целом и на дизайн в частности глубоко и устойчиво.

Применение бионики в системе дизайна будит творческую мысль, заставляет думать, искать, познавать законы природы.

Хороший пример использования и изучения скорлупы. К ней обращались еще в древности известный зодчий раннего Возрождения Брунеллеско, создавая купол Флоренского собора, освоил законы геометрии скорлупы яйца и одновременно использовал ее в конструкции и в тектонике. Позже на основе формы скорлупы яйца геометрически-тектоническом плане был спроектирован Московский Планетарий архитекторами М. Барщ, М. Синявским (1927-1929). В настоящее время бионики, изучая форму птичьего яйца, приходят к более глубокому анализу. Они проникают в происхождения «технологии» производства и решают вопросы – откуда такая форма, с чем она связана? Производство яйца можно назвать миниатюрной фабрикой на конвейерной линии которой создаются в единстве форма, конструкция и функции живого организма. Принципы производства яйца пытаются изучить инженеры, чтобы затем внедрить их технологию производства строительных конструкции.

Изучается структура скорлупы яйца. Оказывается, что она состоит из семи слоев. Каждый слой имеет свое функциональное назначение. В результате – скорлупа предохраняет живой, развивающейся организм от различных неблагоприятных атмосферных воздействий. В тоже время она позволяет зародышу потреблять необходимую норму влаги, ассоциированной из атмосферы, дышать, осуществлять обмен веществ и т.д. Скорлупа не пропускает снаружи воду, но в обратном направлении способна отдавать излишки влаги – она дышит. Здесь – полупроводниковый принцип. Вот так в комплексе изучается эта форма. Не только ее геометрия, красота но и технология, конструкция и другие принципы ее формообразования. На базе этих знаний совершенствуется метод исследования птичьего яйца и других природных структур.

В наше время активно привлекаю для решения творческих проблем точные науки, например математику, кибернетику

Бионика помогает синтезировать гармонизированные системы живой при­роды и функции жизнедеятельности. В природе хорошо прослеживаются оптимальные физические свой­ства объектов и красота форм.

Биодизаин, представляет собой многостороннюю область общественной практики, объединяет материальную и духовную культуру, включая искусство.

В настоящие время большей своей частью бионика развивается односторонне в качестве своеобразного потребителя открывающаяся для нее в живой природе новых принципов построения форм, строительных материалов конструкции и технологических процессов. Более высокий этап ее развития наступит тогда, когда биодизаин включится в систему биосферы и будет идти процесс ее согласованного формирования с живой природой, с окружающей средой. Этот аспект подразумевает не только потребление, но и сохранение и восстановления самой живой природы (обратная связь) с целью создания гармоничной среды существования человека.

Важно учитывать границы метода также определяются содержанием явления и исторической возможностью его изучения. Отсюда и опасность ошибок. По этому поводу известный американский ученых – биолог Мартека в книге «Бионика» говорит так: «Каждая новая идея похожа на испуганную лошадь. Если хоть чуть-чуть отпустить поводья, лошадь может понести. Имея дело с новыми идеями, необходимо всегда сохранять трезвость суждения и здравый смысл».

Иначе говоря, понимать исторические границы явлений.

Каждая методика должна решать вопрос, куда и зачем стремиться, какова цель исследования.

Как уже говорилось выше важнейшая из методических задач это проблема установления связей между процессами живой природы и социальными – выбор такого уровня и таких средств, которые помогли бы преодолеть указанное противоречие.

Таким уровнем может быть рассмотрение дизайна и живой природы в качестве целостных, динамичес­ки развивающихся информационных (а не физичес­ких – энтропийных) систем. Отсюда – необходимость использования механизма системно – структурного анализа, органически входящего в метод бионики. Напомним, что системно – структурный анализ, исторически сформировавшийся на основе изучения именно законов живой природы (А. Богданов, Л. фон Берталланфи ), дает возможность:

а) абстрагироваться от конкретных типологических и видовых признаков дизайна и живой природы:

б) соотносить принципы функциони­ рования и формирования структур в их развитии.

Эту сторону метода можно характеризовать как аналитическую, абстрактную, в которой предметом исследования являются не конкретные взаимодействия вещей, а абстрактно выделенные взаимодействия их отдельных свойств, в основном принципов (принципы компенсации и корреляции средств функционирования «гибкости», динамичности и т. д.). При таком подходе в основе выделенных для сравнения системы или подсистем должны лежать качественно однородные законы.

Само изучение системно – структурных принципов живой природы в биодизайне (дизайнерская работа <=> живая природа) имеет непосредственный практический выход на промышленный дизайн, заключающийся в использовании выработанных живой природой в течение миллионов лет законов и механизмов формирования высокоорганизо­ванных систем, а на этой основе – объективных зако­нов гармонии в фило - и онтогенезе (принцип совершенствования, соотношения структур и функций, саморегуляции и т. д.).

Филогенез – формирование объектов живой природы.

Онтогенез – формирование объектов живой природы в процессе их роста.

Таким образом биодизаин позволяет соединить в одно целое абстрактное и конкретное, математические законы формы и ее конкретный, эмоциональный образ, утилитарное и красоту. Она синтезирует то, что до сих пор казалось несоедини­мым – науку и искусство.

Именно поэтому бионика органично входит в творчество и стано­вится его неотъемлемой частью, что позволяет эффективно использовать в решении практических вопро­сов дизайна.