Биотехнологии в освоении Мирового океана

1. Использование природных аналогов в объектах проектной культуры.

1.1. Бионика. Биоморфология. Биомеханика.

Изучение законов природы привело к пониманию биологических (природных) объектов как эталонов высокой степени целостных, интегрированных систем. Опора на биологические прототипы и законы их функционирования в настоящее время признается одним из направлений научно-технического прогресса.

Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области бионики [новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст. Появление этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, космической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум в Дайтоне (США) в сентябре 1960г. дал название новой науке – бионика (от греческих слов – bios – жизнь и bion – элемент жизни). Лозунг симпозиума: «Живые прототипы – ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики на многие годы.] В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при создании технических систем или архитектурных объектов исследует не одна, а несколько биофизических наук.

Строение форм организмов и генезис естественного формообразования рассматривает биоморфология.

Работа природных конструкций и конструктивные свойства органических материалов изучает биомеханика.

Закономерности внутреннего функционирования живых систем анализирует бионика.

Понятие и термин «морфология» введены в научный оборот И.В. Гете. Буквально «морфология» значит «наука о форме».

Из родственных морфологии наук ближе всех стоят к ней семиотика и физиология.

В биологических исследованиях морфологический подход объединен с физиологическим в соответствии с объективным единством формы, структуры и функции организма.

Биоморфология, изучающая форму с точки зрения биологии, в настоящее время развивается как описательная наука. Е.Н. Лазарев предложил включить три науки – бионику, биоморфологию и биомеханику на основании общности объектов и родственного характера задач в биономику – науку о системном изучении принципов структурно-функциональной организации живого с целью использования этих принципов в созидательной практике человека.

Итак, изучение биоморфологических, биомеханических и бионических закономерностей позволит при инженерно-дизайнерской разработке использовать:

способы построения природных объектов;

способы функционирования природных объектов (плавание, летание и др.);

внутриорганизменные процессы для создания разнообразных предметно-технических систем, осуществляющих функции перемещения и переработки вещества, энергии и информации, а также эстетически воспринять и освоить многообразные биологические формы и структуры.



1.2. Биодизайн. Предмет и объект биодизайна.

Биодизайн – это течение в дизайне, метод оптимального проектирования биотехнических систем и элементов, обладающих антропоцентрической направленностью, выраженной в их эстетическом совершенстве.

Зародился биодизайн в рамках традиционного дизайна, в период интенсивного бионического проектирования, когда стали появляться работы, в той или иной мере опирающиеся на биологические формы и структуры.

Предмет биодизайна – проектирование аспекта биотехнических систем.

Объект – биоподобные технические устройства – «механоорганизмы».

Сфера объектов биодизайна определяется характером главных направлений в технической бионике и зависит от видов проектируемых структур и функций, от видов создаваемых «механоорганизмов» (схема 1).



1.3. Творчество Л. Колани.

В настоящее время известны отдельные дизайн-концепции и разработки на основе изучения особенностей формообразования объектов природы.

Яркий пример освоения природных аналогов – творчество самого экстравагантного и необычного из дизайнеров итальянца Луиджи Колани (родился в 1928 году в Берлине). Его смелые эксперименты с формой предметов в том числе и автомобилей, многими воспринимается как сумасшествие. Он считает, что пластика природных объектов делает возможными взаимосвязи разнохарактерных изделий друг с другом, с окружающей средой, образуя при этом единый предметно-пространственный комплекс. Колани увлекают занятия по аэродинамике. Его эскизы транспортных средств строго подчинены аэродинамическим законам, перетекающие друг в друга плавные объемы выглядят очень непривычно для современников (ил. 1). Образцом оптимальных, с точки зрения, аэродинамики моделей служат обтекаемые тела морских млекопитающих, о чем свидетельствуют его эскизы – тщательные зарисовки пластических и гидродинамических особенностей тел обитателей водной среды – дельфинов-касаток, зубатых китов и др. (ил. 2).

Для определения этого стиля Колани вводит в обиход термин «биодизайн». В этой новой концепции дизайна Колани реализует самые различные предмета быта, одежды, спортивного инвентаря и много другого.



2. Влияние природной морфологии на формообразование подводных транспортных средств.

Эту работу я хочу посвятить рассмотрению подводных транспортных средств, преднамеренно выделив их среди других объектов дизайна, так как такая наука как биоморфология получила здесь наиболее широкое применений. Это выражается в 100% зависимости формы и конструкции подводных транспортных средств от морфологии водных животных (не исключая и использование принципов формообразования представителей флоры и фауны).

Без применения этих знаний в технике невозможно создание и плодотворное функционирование аппаратов в гидросфере. Но прежде, чем перейти к более детальному и конкретному рассмотрению влияния отдельных организмов на формообразование тех или иных аппаратов, аргументируем актуальность развития подводных транспортных средств, их значение для будущего и проанализируем состояние и строение водной среды как необходимого фона и сумы факторов, влияющих на жизнедеятельность организмов.



2.1. Проблематика развития подводных транспортных средств и их значение для будущего.

Освоение человечеством Мирового океана велось еще с незапамятных времен, но к сожалению, процесс познания имел своей единственной целью добиться военного превосходства над ближним. Поэтому история появления и развития подводных транспортных средств связана со становлением сил специальных операций на море. Долгое время подводные транспортные средства (в дальнейшем подводные средства движения) не представляли особого интереса для дизайнера, так как в процессе их разработки и создания конструкторами не рассматривалась эстетическая сторона вопроса – развитие первых подводных лодок шло по пути увеличения тактических и эксплуатационных характеристик. Они должны были устрашать врага своей громоздкостью, сверхмощностью подводного оружия.

Сегодня, когда развитие техники достигло больших высот, перед человеком открылся сказочный мир возможностей в области исследования морских глубин:

поисковые и спасательные работы;

подъем затонувших объектов аэросферы;

разведка океанского дна на нефть и другие ископаемые;

океанографические исследования;

морская археология;

подводное строительство;

экопроекты;

и самое увлекательное – подводные прогулки любителей подводного спорта – дайвинга, подводная фото- и видеосъемка.

Для обеспечения выполнения этих задач необходимо иметь в наличии подводные транспортные средства «гражданского» назначения. Здесь и открывается неограниченное поле деятельности для дизайнеров.

И кто знает, может в недалеком будущем человек выберет гидросферу, на данный момент несколько чуждую и неизведанную область земли –                        terra incognita – своим местом постоянного проживания. Первые шаги уже сделаны. Еще в 60-е годы испытывались довольно успешно конструкции подводных домов (подводная лаборатория «Силаб-2», подводные лаборатории        Ж. Кусто «Преконтинент-І», «Преконтинент-ІI», «Преконтинент-ІII»); строительство подводного тоннеля под Ла Маншем.

Особого упоминания заслуживает высказывание замечательного французского ученого, давнего энтузиаста идеи «заселения» морских глубин – Жака-Ива Кусто. «Рано или  поздно, - говорит Кусто, - человечество поселится на дне моря. Наш опыт – начало большого вторжения» Эти слова, сказанные много лет назад, оказались пророческими. Все больший размах приобретают исследования морских глубин во многих странах, все больше специалистов и научных коллективов вовлекаются в это дерзновенное предприятие.

И если принесет успех попытка Ж. Кусто создать возможность все время жить в глубине  океана, путем отказа от акваланга вообще и получения кислорода через специальный аппарат типа «жабер», хирургическим путем подключенный к кровеносному руслу, насыщающий кровь человека кислородом, минуя ненужные при этом легкие, то в скором времени эпизоды фантастических фильмов станут реальностью – перед нами откроется чудесный мир морского царства, где человек и обитатели подводных глубин будут сосуществовать в гармонии, не нанося вреда друг другу. Очень хочется в это верить

Сейчас, по мере возможности, нужно делать все, чтобы наше технократическое начало не подавляло духовное (это может быть масса экопроектов, направленных на оказание помощи себе и окружающим нас организмам – избавление от удушающих смогов промышленных предприятий, от громадных свалок мусора, путем его переработки, который, если мы не опомнимся, будет составлять единственную достопримечательность нашей планеты; от вредных стоков, которые убивают все живое, от захоронений в Мировом океане вредных отходов. Будем стремиться направлять технику настоящего и будущего в доброе, позитивное русло.



2.2. Анализ особенностей водной среды, ее влияния на формообразование организмов.

Анализ системы средовых условий позволяет уменьшить число факторов, влияющих на формо- и структурообразование природных объектов, исключить малоэффективные или случайные факторы, а также позволяет выявит средства и приемы, которыми «пользуется» природа для формообразования организмов, наилучшим образом отражающих влияние факторов сред обитания. Именно эти приемы и средства возможно реализовать в искусственном объекте.

Итак, вода является средой, по существу, для всех химических процессов, происходящих в биосфере. Содержание воды в тканях организмов примерно в 5 раз больше, чем во все реках земного шара.

Особенности водной массы: огромный объем, перемешиваемость, теплоемкость, идеальная способность растворять самые различные химические соединения, наличие солей (25 минеральных солей), насыщенность жизнью, химическими и биологическими процессами, остатками и продуктами жизнедеятельности живых организмов.

	В воде содержится строго ограниченное количество кислорода, необходимого животным для дыхания. Этого кислорода достаточно лишь для химических преобразований, сопутствующих росту, и для движения животных в поисках пищи. На любой глубине морским организмам нужно меньше энергии, чтобы жить и двигаться, чем представителям живой фауны. Плотность морских животных и растений очень близка к плотности воды, в которой они живут. Лишь редкие живые организмы обитают на поверхности: гораздо удобнее жить в среде, которая, поддерживая животное, избавляет его от необходимости делать постоянные усилия для того, чтобы не всплыть и не затонуть. Только у очень немногих обитателей водной среды плотность тела точно соответствует плотности воды. Существуют, однако, различные способы, при помощи которых таким животным удается регулировать свою плавучесть так, чтобы без особых усилий оставаться в воде во взвешенном состоянии.

	Кроме поваренной соли морская вода содержит также целый ряд других химических соединений.

	В воде растения (как и на суше) служат основой для всех других форм жизни, поэтому крайне необходимо, чтобы в поверхностных слоях воды, где сосредоточена водная растительность, имелся постоянный запас нитратов, фосфатов, кальция и кремния. Все процессы и явления в водной среде взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Одним из фундаментальных принципов, которому подчиняется формообразующий процесс, является симметрия. Симметрия порождающей среды как бы накладывается на симметрию тела, образующегося в этой среде. Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды.

Заменим организмы упрощенной статичной моделью и спроецируем на нее воздействие факторов водной среды. Изотропность, как один из этих факторов обеспечит этой модели форму шара, а три взаимно перпендикулярные плоскости симметрии придадут шару форму овалоида, или трехосного эллипсоида. Такова форма морской гальки – окатанных волнами камней.

2.3. Анализ особенностей формообразования водных организмов и отражение этих особенностей в подводных средствах движения.

	Еще совсем недавно человек с завистью смотрел на птиц, которые с легкостью покрывают большие расстояния.

	Но человек не напрасно носит свое громкое имя. Он научился летать быстрее и дальше птиц.

	Значительно хуже обстоят дела с подводным плаванием. Здесь созданные человеком устройства уступают водным животным, как по абсолютной скорости, так и по экономичности.

	Приведем некоторые данные по скорости плавания: дельфин – 15-18 м/с;         тунец – 25 м/с; рыба-меч – 35 м/с. Самая современная подводная лодка с мощностью атомных двигателей в десятки тысяч киловатт развивает скорость лишь 15-16 м/с

	В последнее время проблема резкого повышения скорости хода подводных тел и связанная с ней чрезвычайно трудная проблема существенного снижения гидродинамического сопротивления этих тел приобрела особое значение. Для разработки указанных проблем ученые и инженеры, кроме привлечения обычных методов, все чаще начали обращаться к изучению биологии живых существ, обитающих в водной среде, особенно к раскрытию и использованию законов их движения.

	В бассейне Мирового океана, который включает в себя все соленые воды океанов и морей, и пресные воды озер и рек, содержится бесчисленное множество разнообразных водных животных, таких как рыбы, китообразные, головоногие моллюски. Они находятся в воде всю жизнь, совершают длительные океанские переходы по несколько тысяч миль и являются настоящим проводниками. В процессе естественноисторического развития в течение десятков миллионов лет у этих животных вырабатывались свои особые приспособительные функции и органы для подводного движения и преодоления гидродинамического сопротивления воды. В определенном смысле названных подводных обитателей можно рассматривать как объекты «природной гидродинамической лаборатории».

	Поскольку вода в 800 раз плотнее воздуха, у движущегося в воде организма всякий выступ, всякая неровность на теле создают сопротивление еще более ощутимое, чем у птицы в воздухе. Поэтому у быстро плавающих организмов – рыб: тунца, скумбрии, марлина и других – тела удивительно обтекаемой формы, спереди заостренные, быстро утолщающиеся до максимального диаметра и затем изящно сужающиеся к двухпластному симметрическому хвостовому плавнику. Обращает на себя внимание то, что как показал наш анализ, у тунцов профиль приближается к ламинаризованному даже при малом относительном удлинении тела (без хвостового плавника – около 3,6, т.е. со значительной толщиной 28%) (ил. 3). Есть основания полагать, что два ряда дополнительных малых плавников за миделевым сечением тунца образуют гидродинамическую решетку, предназначенную для управления потоком в диффузорной части, где он поступает на мощный хвостовой плавник.

	Строители современных подводных лодок в полной мере оценили весьма совершенные обводы водных животных и стали копировать их форму, создавая свои аппараты.

	Американская фирма «Лорал Электроникс» в 70-х годах выпустила одноместную автономную лодку Т-14. Профиль лодки близко контуру обыкновенного тунца. Ее размеры относительно невелики: длина 2м 90см, ширина наибольшая, включая стабилизаторы, 1м 20см. (Для сравнения, максимальная длина обыкновенного тунца составляет 4 м). Корпус лодки сделан из алюминие-магниевого сплава, а прозрачный фонарь в носовой части – из плексигласа. 

	По скоростным характеристикам Т-14 намного отстает от тунца: 

скорость лодки Т-14 – 2м/с

скорость обыкновенного тунца – 30м/с.

(Но с данной скоростью обыкновенный тунец может плавать непродолжительное время).

	Лодка проходит под водой 12 км (запас в электроэнергии в аккумуляторной батарее обеспечивает работу электродвигателя и других устройств (фара, кинокамера) в течение примерно 2 часа).

	Управление маневрами осуществляется с помощью расположенных в корме вертикального и двух горизонтальных рулей им двух наклонных стабилизаторов. Стабилизаторы имеют наклон в 45 к горизонту и примерно 30 в корму и установлены на амортизаторах, отводящих их назад, оберегая тем самым при столкновениях с препятствиями. Рулевая система обеспечивает лодке высокую маневренность, причем маневры могут выполняться сравнительно на небольшом пространстве.

	На лодке Т-14 установлена стационарная дыхательная система, обеспечивающая легко водолазу нормальное дыхание в течение 2,5–3 часов, а также дополнительное оборудование, в которое входят комплект приборов, фара и кинокамера.

	Лодка создана была в первую очередь для военных (рассчитана на буксировку груза весом до 500 кг).

	Не хочется оставить без внимания интересную разработку инженеров Массачусетского технологического института. Изучив, как плавают рыбы, они создали робот, имитирующий движения тунца. Его окрестили Чарли.

	– Подобно живому тунцу из породы «голубой плавник», Чарли движется, изгибая позвоночный столб и создавая импульсы, доходящие до хвоста, – объясняет механизм плавания робота инженер Дэвид Баррет. – Движения Чарли обеспечивают 6 маленьких электромоторов, которые передают крутящий момент спинному хребту через сухожилья. Этот проект очень важен для кибернетического переосмысления функций живых организмов. Попытка разобраться в волновом движении рыб приведет к созданию новых, более совершенных движителей подводных судов, что кардинальным образом отразится на их форме. Дизайнеру же предстоит задача – довести их до эстетического совершенства. А теперь окунемся немного в историю. Немалый интерес представляют подводные аппараты Джевецкого и подводная лодка Вадингтона. 

	Начиная с 1876 года российским изобретателем Джевецким были разработаны и испытаны две лодки, которые можно отнести к рассматриваемому нами классу подводных средств движения.

	Корпус первой лодки имел чечевицеобразную форму и был изготовлен из металла. Такая форма ПЛ обеспечивала достаточную управляемость, скорость и хорошую устойчивость.

	В корпусе лодки на уровне плеч человека были сделаны специальные отверстия, закрывающиеся изнутри, снаружи к этим отверстиям были прикреплены резиновые перчатки, которые позволяли человеку отсоединять расположенный на внешней поверхности груз (мину), выполнять несложные манипуляции.

	В движение лодка приводилась гребным винтом с велосипедным приводом, который позволял лодке достигать требуемой скорости.

	Не меньший интерес представляет и вторая лодка Джевецкого. В Ее форме максимально отражена морфология рыб. Экипаж лодки состоял из четырех человек, сидящих спиной к спине по двое. Головы экипажа находились в круглом куполе, снабженном иллюминаторами с толстыми стенками. В передней части рулевой башни находилась оптическая труба с призмами и увеличительными стеклами в ее нижней части (этот прибор, предшественник перископа, позволял рулевому ориентироваться под водой).

Подводная лодка Вадингтона.

Вадингтон – английский изобретатель – построил подводную лодку «Porpoise» в Сикомбле близ Ливерпуля в 1886 году. Корпус рыбообразной формы был 37 футов длиной и 6,5 футов в диаметре в самой широкой части. Построена она была из тонких стальных листов на прочном стальном наборе. Для своего времени это была одна из наиболее «практично разработанных» подводных лодок (ил. ___).

Рыбы достаточно хорошо уравновешены. Большинство рыб имеет плавучесть, близкую к нейтральной. Встречаются рыбы с отрицательной плавучестью, что связано с образом их жизни. Для придания нейтральной плавучести рыбы располагают приспособлениями гидростатического и гидродинамического действия (плавательный пузырь, парные грудные плавники). 

Плавательный пузырь представляет собой мешок, расположенный между позвоночником и кишкой. Плавательные пузыри бывают двух типов:

1. Открытый плавательный пузырь (например, у золотой рыбки, сельдевых). Он соединен протоком с глоткой, так что воздух может поступать в пузырь или удаляться из него через рот.

2. Закрытый плавательный пузырь (например, у трески). Такой пузырь полностью утратил связь с глоткой. Рыба способна уравнивать плотность тела с плотностью окружающей воды и сохранять нейтральную плавучесть путем автоматического или уменьшения количества газа в пузыре (ил. ___).

Принцип использования «открытого плавательного пузыря» можно наблюдать у одноместной лодки (проницаемой), созданной на базе носителя «Пегас».

Отличительной особенностью описываемой лодки является эластичные емкости всплытия, расположенные по бокам корпуса. При плавании под водой емкости сложены вдоль бортов, когда же лодке необходимо придать дополнительную плавучесть для плавания на поверхности, они надуваются сжатым воздухом из специального баллона, расположенного внутри лодки вдоль корпуса носителя.

Может быть принцип работы эластичных емкостей был почерпнут в ходе наблюдения за морскими пузанами (иглобрюхи). В ответ на раздражение они раздуваются, заглатывая воздух в желудок и отходящий от него воздушный мешок и становятся раза в три больше обычного.

Не меньший интерес для конструкторов подводных средств движения представляют китообразные (включая дельфинов). Характерной особенностью всей группы китообразных является отсутствие брюшных плавников, функция которых у рыб в основном сводится к выполнению роли горизонтальных и вертикальных рулей. Совершенно справедливо отмечает В.А. Земский (1960г.), что исчезновение брюшных плавников у китов связано с образованием горизонтально поставленного хвостового плавника. Вертикальные колебания хвостовой лопасти создают силы, вращающие тело в вертикальной плоскости, а уплотненный латерально хвостовой стебель выполняет функции вертикального руля. Такой тип движителя принято называть машущим крылом. Далее мы рассмотрим его применение уже в подводной лодке.

Подводные лодки, приводящиеся в движение пульсацией плавников, должны открыть дверь в будущее новых возможностей субмарин (ил. ___). Кристиан Бутнер задумал совершить однодневную экспедицию под льдами Северного Ледовитого океана. Свой принцип гибкого проталкивания он построил на способности туловища рыб, благодаря своей упругости и гибкости, уменьшать гидродинамическое сопротивление на 60%, таким образом революционизировав конструкцию субмарин. Бутнер снимает для субмарины с экипажем ценные параметры и качества с «Robotunas» - искусственной модели рыбы, которая подала идеи для вычисления движения группе ученых МИТ (Массачусетс). Она придумала движительный элемент – гибкий плавник (горизонтально поставленный, как у китообразных).

Как и у рыбы, этот плавник составляет примерно третью часть всей длины субмарины и представляет собой сандвич, образованный резиновой прослойкой и стекловолокном с искусственными мускулами – «Гибкость мускулов» (перевод с французского Хоменко М.).

Идея плавника в роли движителя отнюдь не нова, но ее никогда до конца не разрабатывали. Тот же основной принцип заложен в ласты, но пловцы пользуются ими недостаточно умело. Много лет назад Манфред Карри предложил лодку с плавниковым движителем. Разновидность такой лодки служила австралийским коммандос в Бирме во время Второй мировой войны. При колебаниях с частотой, совпадающей с нормальным ритмом дыхания, плавник обеспечивает плавное устойчивое движение (ил. ___).

Один из возможных вариантов гибкого плавника представлен на ил. ____. Движитель смонтирован на обычных баллонах емкостью 70 фт3. Ребро атаки плавника движется из стороны в сторону с помощью пары мехов, где газ расходует свою энергию. Меха заключены во вспомогательный баллон – рабочий резервуар.

Суммарный объем двух мехов превышает максимальный объем вдоха пловца. Полный ход плавника окажется функцией объема газа, поглощаемого за один вдох, а скорость движения плавника будет равна ритму дыхания пловца. Таким образом, скорость определяется установившимся режимом дыхания.

Собственно плавник может быть выполнен из двух слоев прорезиненной ткани, прошитых по краям.

Располагая плавниковым движителем, пловец может возложить на него всю работу и дать себе передышку либо увеличить скорость, работая ластами.

	Но вернемся к китообразным. Среди ряда биологических видов дельфинов и китов встречаются различные по гидродинамическим качествам. Одним из хорошо обтекаемых и высокоскоростных видов является китовидный дельфин. Анализ формы его тела показал, что контуры исследованного экземпляра в вертикальной и горизонтальной проекциях близки к известным аэродинамическим профилям (ил.     ). «Ах, если бы прямо в небо, да из морских глубин!» В 70-х годах американский изобретатель Д. Рейд попытался в реальности осуществить мечту жуль-верновского персонажа Робура – создать машину, способную не только плавать в воде и подводой, но и взмывать в небо. 9 июля 1964 года аппарат Д. Рейда (ил.     ) на глазах у многочисленной публики опустился на воду и, погрузившись на глубину 4 м, прошел около           4 миль со средней скоростью 7,5 км/ч. Затем, избавившись от водного балласта, всплыл, стал на поплавки и взмыл в небо со скоростью 100 км/ч. Однако и подобные показатели не устроили военных экспертов.

«Все это хорошо разве что для спортивных аппаратов», – заключили они и отказались финансировать дальнейшие работы.