Բիոնիկա

Բիոնիկա (), կիբեռնետիկայի բաժին, որը կենդանի բնության մեջ օրգանիզմների ու համակարգերի ֆունկցիաների ուսումնասիրության հիման վրա տարբեր ճարտարագիտական խնդիրների լուծման նպատակով ստեղծում է տեխնիկական սարքեր ու համակարգեր։ Բնությունը բուսական և կենդանական օրգանիզմների համար բազմաթիվ համակարգեր է ստեղծել, որոնք բավականին կատարյալ են և հարմարված են միջավայրի տարբեր պայմաններին։ Կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքային առանձնահատկությունների ուսումնասիրությունները ծնում են նոր գաղափարներ տեխնիկական կոնստրուկցիաների ստեղծման համար։ Այդ իսկ պատճառով էլեկտրոնային տեխնիկայի ստեղծողները հաճախ օգտագործում են կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքային որոշ առանձնահատկություններ։ Կենսաբանության ասպարեզում այդ գիտատեխնիկական ուղղությունը ստացել է բիոնիկա անվանումը։

Բույսերի և կենդանիների սկզբունքների կիրառումը տեխնիկայում և մարդու տնտեսական գործունեության մեջ 
Բիոնիկայի գլխավոր խնդիրը բույսերի և կենդանիների կառուցվածքային առանձնահատկությունների ուսումնասիրությունն ու այդ հատկությունների կիրառումն է տեխնիկայում։ Բիոնիկայում կան երեք մեթոդական բաժիններ՝ կենսաբանական, տեսական և տեխնիկական։

Կենսաբանական բիոնիկա 

Կենսաբանական բիոնիկան հիմնվում է կենսաբանության տարբեր բնագավառների վրա, ուսումնասիրում է կենդանի օրգանիզմների ֆիզիոլոգիական գործընթացները, կենդանի հյուսվածքների բազմազանության ձևավորման և կառուցվածքի առանձնահատկությունները, գլխուղեղի աշխատանքը, հիշողության մեխանիզմները, կենդանիների զգայական աշխատանքը, միջավայրի արտաքին գործոնների նկատմամբ կենդանիների և բույսերի կողմից ռեակցիաների ներքին մեխանիզմները։ Զբաղվում է կենդանի օրգանիզմների հուսալիության, օգտագործվող նյութի և առաջացող էներգիայի տնտեսման հարցերով։ Բացահայտում է դրանց այն հիմնական ճարտարագիտական սկզբունքները, որոնք կարելի է օգտագործել տեխնիկայում։ Կենսաբանական բիոնիկան այնքան զարգացավ, որ հնարավոր եղավ լոտոս բույսից ստանալ ներկեր և կղմինդրներ։

Տեսական բիոնիկա 
Տեսական բիոնիկան մշակում է կենդանի օրգանիզմներում ընթացող գործընթացների, օրգանիզմների տարբեր կառուցվածքների մաթեմատիկական մոդելները։

Տեխնիկական բիոնիկա 
Տեխնիկական բիոնիկան կենսաբանական համակարգերի կառուցվածքի և ֆունկցիաների մաթեմատիկական մոդելավորման սկզբունքները փորձում է օգտագործել տեխնիկայում։

Կենդանի օրգանիզմների ուսումնասիրության ուղղություններ 
Ժամանակակից բիոնիկան ունի կենդանի օրգանիզմների ուսումնասիրության մի շարք ուղղություններ՝

 Մարդու և կենդանիների նյարդային համակարգի ուսումնասիրություն և նյարդային բջիջների՝ նեյրոնների և նյարդային ցանցերի, մոդելավորում՝ հաշվողական տեխնիկայի հետագա կատարելագործման, ավտոմատիկայի և հեռուստահաղորդման նոր տարրերի մշակման համար.
 կենդանի օրգանիզմների զգայական օրգանների և այլ ընկալչական համակարգերի ստեղծման նպատակով,
 տարբեր կենդանիների կողմնորոշման, ձայնընկալման և նավիգացիոն սկզբունքների հետազոտումը՝ դրանք տեխնիկայում կիրառելու նպատակով,
 կենդանի օրգանիզմների կենսաբանական, ֆիզիոլոգիական, կենսաքիմիական առանձնահատկությունների ուսումնասիրումը՝ նոր տեխնիկական և գիտական մտքեր առաջ քաշելու նպատակով։

Օրնիտոպտերի կառուցվածքն ըստ Լեոնարդո դա Վինչիի 

Կենդանի բնության մասին գիտելիքների կիրառումը ճարտարագիտական խնդիրներ լուծելու համար առաջին անգամ օգտագործել է Լեոնարդո դա Վինչին, որը փորձել է կառուցել թափահարող թևերով թռչող ապարատ՝ «օրնիտոպտեր», ինչպիսին առկա է թռչունների մոտ։

Ժամանակակից աերոդինամիկայի հիմնադիր, ռուս գիտնական Ժուկովսկին՝ ուսումնասիրելով թռիչքի ժամանակ թռչունների թևերի աշխատանքը, երկնքում թռչունների ազատ ճախրելու պայմանները, մշակեց թևի վերամբարձ ուժի մեթոդիկան։ Այն այժմ կազմում է ժամանակակից աերոդինամիկայի հիմքը, և այդ հաշվարկներն օգտագործվում են ինքնաթիռների շինարարության ասպարեզում։ Փաստորեն թռչունների թռիչքի հետազոտման արդյունքում աստեղծվեց ավիացիան։
 
Մարդու և կենդանիների նյարդային բջիջների մոդելավորման փորձերը սկսվել են նեյրոնների և նեյրոնային ցանցերի նմանակների կառուցումից։ Մշակվել են արհեստական նեյրոնների բազմաթիվ տիպեր։ Ստեղծվել են ինքնակազմավորվող արհեստական «նյարդային ցանցեր», որոնք ունակ են վերադառնալ կայուն վիճակի՝ դրանց հավասարակշռությունից դուրս բերելու դեպքում։ Հիշողության և նյարդային համակարգի այլ հատկությունների հետազոտումը հնարավորություն կընձեռնի ստեղծել «մտածող» մեքենաներ, որոնք տեխնիկայում չունեն իրենց հավասարը։

Աերոֆոտոպատկերներ 

Ամենակարևորը՝ տեսողական վերլուծիչի միջոցով մարդու գլխուղեղը ստանում է մեծ քանակությամբ տեղեկատվություն։ Ճարտարագիտության տեսանկյունից հետաքրքիր է տեսողական վերլուծիչի ուսումնասիրությունը։ Տեխնիկական առումով առավել հետաքրքրություն է ներկայացնում կենդանիների և մարդու աչքի արհեստական ցանցաթաղանթի ստեղծումը։ Հետազոտելով գորտի աչքի տարածության խորությունը զգալու ունակությունը ՝ հնարավոր է եղել ստեղծել աերոֆոտոպատկերներ՝ տարածության խորությունը որոշող սարքավորումներ։

Պարզվել է, որ գորտը կարողանում է տեսնել միջատներին, երբ դրանք թռչում են նրա աչքերի առջև՝ որոշակի հեռավորության վրա։ Գորտի աչքից գլխուղեղ ազդանշանները գալիս են նյարդային բջիջների չորս խմբերից՝ տեղեկատվություն տալով միջատի ձևի, շարժման, պարզության և պայծառության մասին։ Այդ ազդանշաններից որևիցե մեկի բացակայության դեպքում կենդանին միջատին չի տեսնում։

Գորտի աչքի այդ սկզբունքն օգտագործվում է էլեկտրոնային մեքենաներում, որոնք նախատեսված են ձեռագիր տեքստերի ընթերցման համար։ Էլեկտրոնային մեքենայի ուղեղի մի հանգույցը վերահսկում է նշանների ձևը, մյուսը՝ հակադրությունը։ ԱՄՆ-ի գիտնականներն, ըստ գորտի աչքի գործունեության սկզբունքի, մշակել են Երկրի արհեստական արբանյակներին հետևող մեխանիզմ՝ պատճենահանող սարք։ Գորտի աչքի ցանցաթաղանթի աշխատանքի սկզբունքով ստեղծվել է նաև ռադիոլոկացիոն համակարգ՝ անբարենպաստ պայմաններում ինքնաթիռների թռիչքը և վայրէջքը կարգավորելու համար։

«Արհեստական քիթ» 
Հետազոտվում են կենդանիների հոտառական օրգաններ ստեղծելու համար «արհեստական քիթ», որն իրենից ներկայացնում է ջրում և օդում հոտավետ նյութերի փոքր խտությունները որոշող էլեկտրոնային սարք։ Հաջողվել է ստեղծել տարբեր գազերի հոտերի հանդեպ գերզգայուն էլեկտրական սարք, որում օգտագործվում է սովորական ճանճի հոտառական օրգանը։ Հետագայում այս հայտնագործությունից օգտվել է Պենտագոնը (ԱՄՆ)` նման սարքավորումներով հագեցնելով օվկիանոսում դիզելային սուզանավեր փնտրող ինքնաթիռները։ Այս ինքնաթիռները փնտրում են սուզանավի թողած դիզելային հետքը և գտնում սուզանավի սուզման կետը։

«Լամինֆո» 
Գիտնականների հետաքրքրությունը գրավել է նաև կետանմանների և շնաձկների շարժման մեծ արագությունը։ Շնաձկների և դելֆինների մաշկի կառուցվածքի ու լողաշարժումների հետազոտությունների հիման վրա ստեղծվել է լամինֆո, որը 15-20%-ով մեծացրել է նավերի արագությունը։

Նկատվել է, որ դելֆինի շարժման ընթացքում առաջանում է միայն աննշան լամինար շարժում, որը չի անցնում տուրբոլենտային շարժման։ Այնինչ, դելֆինի մարմնի ձևը կրկնող սուզանավի շարժման ժամանակ նկատվում է բարձր տուրբոլենտականություն, որը հաղթահարելու համար ծախսվում է շարժող ուժի 9/10 մասը։ Հետազոտությունները պարզեցին, որ դելֆինի հակատուրբոլենտականությունը թաքնված է նրա մաշկի կառուցվածքում։ Այն արտաքին շերտի ներքին կողմը կրում է մեծ քանակությամբ սպունգաձև նյութով լցված անցուղիներ և խողովակներ։ Այսպիսով` դելֆինի արտաքին ծածկույթները գործում են որպես ստոծանի, որը զգայուն է արտաքին ճնշման փոփոխությունների նկատմամբ և մարում է մարմնի վրա շիթերի առաջացմանը՝ ճնշումը փոխանցելով սպունգաձև նյութով լցված խողովակներին։ Դելֆինի մաշկի օրինակով ԱՄՆ-ում ստեղծվել է ռեզինե թաղանթ, որի ներքին խողովակները լցված են ամորտիզացնող հեղուկով։ Տորպենդներում նման թաղանթի կիրառումը թույլ է տվել տուրբոլենտականությունն իջեցնել 50%-ով։ Ենթադրվում է, որ նման թաղանթները խիստ արժեքավոր կլինեն սուզանավերի, ինքնաթիռների և այլ տեխնիկական սարքավորումների համար։

Կենդանի օրգանիզմները և դրանց տեխնոլոգիական համարժեքները 
Կենսաբանների կողմից կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքային առանձնահատկությունների ուսումնասիրության շնորհիվ իրական հնարավորություններ են ստեղծվում շինարարության և ճարտարապետության մեջ դրանք կիրառելու համար։

Էյֆելյան աշտարակի կառուցումը բիոնիկայի շնորհիվ 
Հիմնական հոդվածը՝ այստեղ

Տարբեր երկրներում բազմաթիվ շինություններ կառուցվել և կառուցվում են բնության մեջ հանդիպող կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքի նկատմամբ։ Էյֆելի նախագծով 1889 թվականին Փարիզում կառուցվել է 300 մ բարձրությամբ մետաղյա աշտարակ, որը դարձել է Ֆրանսիայի մայրաքաղաքի յուրօրինակ խորհրդանիշը։ Այս կառույցը ճարտարագիտության մեջ բիոնիկայի օգտագործման ամենահին ակնհայտ օրինակներից մեկն է։ Էյֆելյան աշտարակի կառուցվածքում օգտագործվել են ոսկրի կազմության առանձնահատկությունները։ Ոսկրը կազմված է մանր ոսկրային թիթեղիկներից, որոնք ցանց են առաջացնում։ Ցանցում թիթեղիկները դասավորված են խիստ օրինաչափորեն՝ սեղղման ուժի գծերով։

Բիոնիկան ճարտարապետության մեջ 
Ճարտարապետության մեջ բնության կողմից ստեղծված ձևերն օգտագործելու առաջին փորձերն իրականացրեց իսպանացի ճարտարապետ Անտոնիո Գաուդին։ Նրա ստեղծած ճարտարապետական զբոսայգին, իրենից ներկայացնում է բնությունը քարերի տեսքով կամ, ինչպես ասում են, «բնությունը քարացած քարերում»։ Անտոնիո Գաուդիի այդ կառույցները սկզբնավորեցին բիոնիկական ոճի ճարտարապետությունը։

Կենդանիների և թռչունների առանձնահատկությունները 
Բիոնիկայի կարևորագույն խնդիրներից է նաև թռչունների, ձկների և այլ կենդանիների նավիգացիոն կողմնորոշման համակարգերի ուսումնասիրությունը։ Ընկալող և վերլուծող ճշգրիտ համակարգերը, որոնք կենդանիներն օգտագործում են կողմնորոշվելու, որսը գտնել և հազարավոր կմ միգրացիա կատարել, կարող են օգնել կատարելագործելու ավիացիայում և ծովագնացության մեջ կիրառվող սարքավորումները։ Չղջիկների և մի շարք ծովային կենդանիների մոտ հայտնաբերված է ուլտրաձայնային հաղորդակցում։ Հայտնի է, որ ծովային կրիաները լողում են բաց ծովում՝ հազարավոր կմ հեռանալով ափից, բայց ձվադրման համար միշտ վերադառնում են միևնույն կետը։ Ենթադրում են, որ նրանք ունեն կողմնորոշման 2 համակարգ՝ հեռավոր՝ աստղերի և մոտակա՝ հոտի միջոցով։ Սիրամարգի աչք կոչվող գիշերային թիթեռի արուն էգին գտնում է շուրջ 10 կմ տարածությունից։ Մեղուներն ու իշամեղուները լավ են կողմնորոշվում են Արեգակի միջոցով։

Միջատների թռիչքն ուղեկցվում է էներգիայի նվազագույն ծախսով։ Սրա պատճառներից մեկը թևերի ութաձև շարժումն է։ Այս սկզբունքով կառուցվել են տեսնող և քամու փոքր արագության պայմաններում աշխատող հողմաղացներ։

Կենդանի օրգանիզմներ և դրանց տեխնոլոգիական համարժեքներ 
Կենսաբանների կողմից կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքային առանձնահատկությունների ուսումնասիրության շնորհիվ իրական հնարավորություններ են ստեղծվում շինարարության և ճարտարապետության մեջ դրանք կիրառելու համար։

Էյֆելյան աշտարակ 
Տարբեր երկրներում բազմաթիվ շինություններ կառուցվել և կառուցվում են բնության մեջ հանդիպող կենդանի օրգանիզմների կառուցվածքի նմանակությամբ։ Ժ. Էյֆելի նախագծով 1889 թվականին Փարիզում կառուցվել է 300 մ բարձրությամբ մետաղյա աշտարակ, որը դարձել է Ֆրանսիայի մայրաքաղաքի յուրօրինակ խորհրդանիշը։ Այս կառույցը ճարտարագիտության մեջ բիոնիկայի օգտագործման ամենահին ակնհայտ օրինակներից մեկն է։
Էյֆելյան աշտարակի կառուցվածքում օգտագործվել են ոսկրի կազմության առանձնահատկությունները։ Ոսկրը կազմված է մանր ոսկրային թիթեղիկներից,
որոնք ցանց են առաջացնում։ Ցանցում թիթեղիկները դասավորված են խիստ օրինաչափորեն՝ սեղղման ուժի (մարմնի ծանրության ներգործությունը ոսկրի
վրա) և ձգման ուժի (ոսկրին կպչող մկանների ներգործությունը) գծերով։
Փարիզի էյֆելյան աշտարակի հիմքը նմանվում է խողովակաձև ոսկրի գլխիկին։ Բնությունը ճարտարապետների գործունեության համար բազմաթիվ օրինակներ է տրամադրում, դրանցից են՝ բույսերի, որոշ ստորջրյա սպունգների, ռադիոլարիաների՝ պարզագույն կենդանիներին պատկանող մանրադիտակային օրգանիզմների կմախքները, որոնք զարմացնում են ձևերի բազմազանությամբ և հենարանային տարրերի տեղադրվածությամբ։ Բնության մեջ հանդիպում են կմախքային տարրերի բազմազան ձևեր՝ կլոր, եռանկյունի, քառակուսի, վեցանկյուն, բազմանկյուն, շեղանկյունաձև և այլն։ Դրանք համակցելով՝
բնությունը ստեղծել է բազմաթիվ բարդ, գեղեցիկ, թեթև, ամուր և տնտեսող կառույցներ։ Միանման տարրերից բաղկացած կենդանի կառույցների ստեղծման
սկզբունքն օգտագործվում է միատիպ տարրերից կազմված սեկցիոն շենքերի կառուցման ժամանակ։ Բնական վեցանկյուն կառույցների մեջ առավել հիասքանչ
ստեղծագործությունը մեղվահացի մեղվաբջիջն է։ Մեղվաբջջի կառուցվածքի սկզբունքն ընկած է բնակելի շենքերի, ինչպես նաև ամբարտակների և այլ հիդրոտեխնիկական շինությունների կառուցման հիմքում։
Ճարտարապետության մեջ μնության կողմից ստեղծված ձևերն օգտագործելու առաջին փորձերն իրականացրեց իսպանացի ճարտարապետ Անտոնիո Գաուդին. Նրա ստեղծած ճարտարապետական զμոսայգին, իրենից ներկայացնում է բնությունը քարերի տեսքով կամ, ինչպես ասում են, «բնությունը
քարացած քարերում»։ Ա. Գաուդիի այդ կառույցները սկզբնավորեցին բիոնիկական ոճի ճարտարապետությունը։ Մեղվահացի մեղվաբջջի կառուցվածքի օգտագործումը
ճարտարապետության բնագավառում։

Բիոնիկայի կարևորագույն խնդիրներ 
Բիոնիկայի կարևորագույն խնդիրներից է նաև թռչունների, ձկների և այլ կենդանիների նավիգացիոն կողմնորոշման համակարգերի ուսումնասիրությունը։
Ընկալող և վերլուծող ճշգրիտ համակարգերը, որոնք կենդանիներին օգնում են կողմնորոշվել, որսը գտնել և հազարավոր կմ միգրացիա կատարել, կարող են
օգնել կատարելագործելու ավիացիայում և ծովագնացության մեջ կիրառվող 232 սարքավորումները։ Չղջիկների և մի շարք ծովային կենդանիների (ձկներ, դելֆիններ) մոտ հայտնաբերված է ուլտրաձայնային հաղորդակցում։ Հայտնի է, որ ծովային կրիաները լողում են μաց ծովում՝ հազարավոր կմ հեռանալով ափից,
բայց ձվադրման համար միշտ վերադառնում են միևնույն կետը։ Ենթադրում են, որ նրանք ունեն կողմնորոշման 2 համակարգ՝
 հեռավոր՝ աստղերի
 մոտակա՝ հոտի
միջոցով (մերձափնյա ջրերի քիմիական կազմը)։ Սիրամարգի աչք կոչվող գիշերային թիթեռի արուն էգին գտնում է շուրջ 10 կմ տարածությունից։ Մեղուներն
ու իշամեղուները լավ են կողմնորոշվում Արեգակի միջոցով։ Միջատների թռիչքն ուղեկցվում է էներգիայի նվազագույն ծախսով։ Սրա պատճառներից մեկը թևերի ութաձև շարժումն է։ Այս սկզμունքով կառուցվել են տնտեսող և քամու փոքր արագության պայմաններում աշխատող հողմաղացներ։

Ռոբոտներ 

Երկու ոտքերով, ուղիղ քայլող ռոբոտների ստեղծման բնագավառում մեծ աշխատանք են կատարել ամերիկյան Ստենֆորդի համալսարանի գիտնականները։
Նրանք փորձեր են կատարում փոքրիկ վեցոտանի ռոբոտի՝ հեքսապոդի հետ, որը ստեղծվել է խավարասերի շարժողական համակարգի ուսումնասիրման արդյունքում։

Սենտեֆոնդում նաև մշակվել է մարդու չափսեր ունեցող մոնոպոդ 2000 թվականի հունվարի 25-ին։ Այժմ այն վազում է 55 սմ/վրկ արագությամբ հաջողությամբ հաղթահարում է խոչընդոտները։

Մոնոպոդներ 
Ստենֆորդում նաև մշակվել է մարդու չափսեր ունեցող մոնոպոդ, որը հավասարակշռությունը պահպանում է՝ անընդհատ ցատկոտելով։ Ինչպես հայտնի է, մարդը տեղաշարժվում է մի ոտքից մյուսին հենվելով և մեծ մասամբ գտնվում է մի ոտքի վրա։ Ստենֆորդյան գիտնականները պլանավորում են ստեղծել երկոտանի ռոբոտ՝ մարդու քայլի մեխանիզմով։ Բազմաթիվ բնագավառներում, այդ թվում և տիեզերականում, լայնորեն կիրառվում են մարդու ձեռքի շարժման մեխանիզմով կառուցված ռոբոտ-մանիպուլյատորները։

Ռադիոընդունիչներ 

Ռադիոընդունիչներն օգտագործվում են ոչ միայն ռազմական նպատակներով, այլ նաև խաղաղ ժամանակ՝ կանխատեսում են եղանակի փոփոխությունները, փոթորիկները, օգնում են հետազոտել տիեզերական տարածությունը։ Ռադիոաստղագետները, օգտագործելով ռադիոարձագանքները, կարողացել են հաշվել մինչև Մերկուրի, Վեներա, Յուպիտեր և Մարս եղած հեռավորություններ։

Վերջին տասնամյակների ընթացքում բիոնիկայի զարգացումը շատ մեծ թափ է ստացել, որը պայմանավորված է ժամանակակից տեխնոլոգիաների զարգացմամբ։ Դա թույլ է տալիս կրկնօրինակել բնության նուրբ կառուցվածքները շատ մեծ ճշգրտությամբ։ Ժամանակակից բիոնիկայի զարգացումը հիմնականում պայմանավորված է նոր նյութերի մշակմամբ, որոնք թույլ կտան կրկնօրինակել բնության մեջ գոյություն ունեցող օրգանիզմները։ Այդ իսկ պատճառով քաղաքակրթության զարգացումը չպետք է համարել մարդու մենաշնորհը։ Չկա մի այնպիսի բան, որ մարդը ստեղծած լինի ինքնուրույն՝ առանց մայր բնության աջակցության։

Գրականություն 
 12-րդ դասարանի կենսաբանության դասագիրք
 Lakhmi C. Jain; N.M. Martin Fusion of Neural Networks, Fuzzy Systems and Genetic Algorithms: Industrial Applications. - CRC Press, CRC Press LLC, 1998
 Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. Н. Теория и практика эволюционного моделирования. - М: Физматлит, 2003.
 Архитектурная бионика. Под редакцией Ю. С. Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 269с.
 Г. В. Васильков. Эволюционная теория жизненного цикла механических систем. Теория сооружений.-М.Издательство ЛКИ, 2008. 320с.

Ծանոթագրություններ

Արտաքին հղումներ 
 International Society of Bionic Engineering
 Biomimetic Architecture – Bionics applied to building and construction
 Center for Integration of Medicine and Innovative Technology developing nano-hair bionics
 Biomimicry Institute
 An overview of biomimetics/biomimicry at the Science Creative Quarterly
 Biomimetics Network for Industrial Sustainability (BIONIS)
 Bionics Research Group, Institute of Biomedical Engineering, Imperial College London
 Competence Network Biomimetics
 Բիոնիկա 

Բիոնիկա