Думай иначе. Креативное мышление

Рис. 1.10. Наутилус

Пример 1.11. Мечехвост

Мечехвосты (Xiphosura), отряд преимущественно вымерших морских членистоногих животных класса меростомовых. Уплощенное тело (длиной до 90 см) состоит из головогруди с 6 парами конечностей, служащих для передвижения, захвата пищи и ее размельчения, и брюшка с хвостовым шипом и 6 парами листовидных конечностей с многочисленными жаберными листочками (рис. 1.11). На спинной стороне головогруди – пара простых глазков, на боках – пара сложных. Современных мечехвостов 3 рода, включающих 5 тропических видов: один – в Атлантическом океане у берегов Центральной и Северной Америки, остальные – у юго-восточных и восточных берегов Азии и прилегающих островов. Современные мечехвосты – «живые ископаемые», существуют, почти не изменившись, около 350 млн лет.

Две пары глаз мечехвостов (простые и сложные) выполняют разные функции. Сложные глаза, состоящие из 1000 простых глазков (омматидиев[14 - Омматидий (от греч. omma, род. падеж ommatos – глаз), структурная и функциональная единица фасеточного глаза насекомых, ракообразных и некоторых многоножек. Состоит из линзы с неизменным фокусным расстоянием, образующей фасетку глаза, т. н. кристаллического конуса и воспринимающей группы светочувствительных клеток с нервными отростками, дающими начало нервному волокну. Количество омматидий в таком глазу различно: от ста (у рабочего муравья) до 28 тыс. (у стрекозы). Фасеточный глаз специализирован для восприятия движения (острота зрения и способность к восприятию формы предмета у него развиты слабо) и обеспечивает очень широкое поле зрения (у саранчи каждый омматидий имеет угол зрения в 20°). Таким образом, любое движение врага или добычи мгновенно улавливается хотя бы одним из омматидий.]), обладают способностью усиливать контраст изображения. Основано это уникальное свойство на взаимодействии омматидиев, когда при освещении один омматидий усиливает свет за счет ослабления соседнего, делая сильный свет сильнее, а слабый слабее. Разность между ними становится больше и дает возможность лучше рассмотреть предметы с нечеткими краями на фоне с помехами.

По принципу глаза мечехвоста спроектированы электронные модели и схемы систем, например, для получения снимков небесных светил, аэрофотосъемки со спутников и т. д.

Рис. 1.11. Мечехвост

Пример 1.12. Движитель – хвост рыбы

По аналогии с движением хвостового плавника или туловища морского обитателя был разработан так называемый нестационарный движитель, создающий тягу колебаниями несущей поверхности, имеющими конечную амплитуду (рис. 1.12). Некоторые исследователи считают, что принцип нестационарности движителя, по-видимому, и лежит в основе экономичности передвижения рыб и морских животных, так как они совершают туловищем и плавниками сложные изгибо-крутильные колебания, согласованные между собой таким образом, что при равномерном поступательном движении затрачивается очень небольшое количество энергии.

Русский художник и талантливый изобретатель Петр Васильевич Митурич, предложил использовать в качестве движителя гибкий корпус самого судна, совершающий волнообразные движения. Как указано в свидетельстве на изобретение №33 418 от 8 января 1930 г., движитель представлял собой: «приводимые во вращение изогнутые стержни, расположенные внутри эластичного корпуса, в целях сообщения этому корпусу при помощи шатунов, связанных со стержнями, волнообразного движения».

Рис. 1.12. Модель подводного судна с волновым движителем

Пример 1.13. Парадокс Грея и эффекта Ламинфло

В 1936 г. английский зоолог Джеймс Грей установил, что сопротивление дельфина при его движении в воде, рассчитанное обычным для судостроения способом, оказывается в 8 – 10 раз больше того, которое способна преодолевать мускулатура животного. Ведь мышечная сила у всех млекопитающих, в том числе и китообразных, в пересчете на килограмм массы мышц примерно одинакова. Напрашивается вывод, что каким-то весьма эффективным способом дельфин снижает сопротивление своего туловища. Это несоответствие, получившее название «парадокс Грея», заставило начать работы в направлении, которое недвусмысленно подсказал сам профессор: «Природа сконструировала дельфина много совершенней, чем человек подводную лодку или торпеду».

В попытках разгадать «секрет дельфина» высказывались различные предположения. Большинство сходилось в том, что дельфин благодаря своей гладкой и эластичной коже в сочетании с жировым слоем демпфирует возмущения воды и тем самым создает вокруг себя ламинарный пограничный слой, снижая сопротивление. Механизм ламинаризации объясняли следующим образом: кожа животного представляет собой гладкую эластичную диафрагму, чувствительную к колебаниям давления, которые имеют место в пограничном слое, обтекающем дельфина. Под диафрагмой находятся каналы, наполненные жидкостью, которая, свободно перемещаясь в них под воздействием кожи-диафрагмы, действует как демпфер, поглощая часть кинетической энергии турбулентного потока и тем самым ламинаризируя пограничный слой.

Высказывалось мнение, что для значительного уменьшения сопротивления кожа дельфина должна не пассивно, а активно демпфировать возмущения в пограничном слое, для чего существует какой-то физиологический процесс, способный управлять изменениями свойств кожи. Известный французский исследователь океана, профессор О. Пикар высказал предположение, что нервные окончания в кожном покрове морских животных улавливают изменение давления, предшествующее переходу ламинарного режима обтекания в турбулентный, и через центральную нервную систему передают соответствующие сигналы на демпфирование кожи.

Кожа дельфина в передней части его туловища (особенно хорошо обтекаемой) почти не имеет кровеносных сосудов, в то время как к хвостовой части (где обычно возникает турбулентность и растет сопротивление) количество кровеносных сосудов постепенно возрастает. В связи с этим существует версия, что усиленная циркуляция крови пульсирующего характера в хвостовой части животного как бы демпфирует поверхность, уменьшая турбулентность потока.

Некоторые специалисты считают, что большая часть туловища дельфина участвует в создании движущей силы, т. е. туловище животного одновременно выполняет функции корпуса и движителя. В момент резких ускорений на коже возникают волнообразные складки, распространяющиеся от головы к хвосту, которые называют бегущей волной. При этом как бы сбрасываются возникающие турбулентные вихри, и снижается сопротивление. Но для образования бегущей волны необходимы мускульные усилия. Следовательно, управляющая кожей дельфина мускулатура должна непрерывно работать и постоянно находиться в напряжении, что изнурительно для животного. Исследователи осуществили оригинальный эксперимент, в котором участвовали профессиональные пловчихи и дельфины средней величины. Контуры тела женщины плавные, что вызвано особенностями костно-мышечного аппарата и сравнительно большим слоем подкожного жира. Под слоем жировой клетчатки и у дельфинов, и у женщин залегают локомоторные мышцы. Спортсменок буксировали под водой с разной скоростью. Испытания фиксировались на кинопленку. Обнаружилось, что при скорости свыше 4 уз на торсе и бедрах пловчих появлялись волнообразные складки. При снижении скорости складки исчезали. Известно, что у человека нет никаких специальных мышц для движения кожи и сама кожа для этого не приспособлена. Следовательно, волнообразные складки на теле спортсменок образовались под влиянием гидродинамического воздействия. Из эксперимента следовало, что мускулатура дельфина не принимает участия в образовании бегущей волны.

Интерес к скоростям качествам морских обитателей не ограничился предположениями и опытами. Одним из первых в 1938 г. немецкий ученый М. Крамер предложил обеспечивающее ламинарное обтекание корпуса покрытие, имитирующее наружный покров тюленей, для чего разместил на поверхности покрытия тонкие упругие проволочки, расположенные очень близко одна к другой и ориентированные вдоль набегающего потока. Крамер предполагал, что демпфирование турбулентных пульсации в пограничном слое будет осуществляться за счет сил трения между водой и проволочками. Опыты были прерваны с началом второй мировой войны. Позже Крамер сосредоточил внимание на изучении движения дельфинов с целью уменьшения сопротивления ракет и торпед. В последние два года существования фашистской Германии он возглавлял исследовательскую станцию управления ракетами и с небезызвестным В. Фон Брауном принимал участие в создании ракеты «ФАУ-2». Оказавшись после войны в США, Крамер продолжил исследования, направленные на создание покрытия для подводных лодок и торпед, названного «кожей дельфина».

Покрытие представляло собой сложную резиновую оболочку толщиной около 2 мм с гладкой наружной поверхностью (рис. 1.13). Внутренняя сторона оболочки множеством расположенных в шахматном порядке резиновых столбиков соединялась с внутренним слоем резины такой же толщины, наклеенным на поверхность корпуса подводной лодки. Пространство между столбиками, представляющее собой множество капиллярных сосудов, заполнялось органической жидкостью с относительно большой вязкостью. По замыслу Крамера, пока режим обтекания в пограничном слое будет ламинарным, покрытие должно вести себя как жесткая поверхность, при этом демпфирующая жидкость находится в покое, а поверхность диафрагмы остается гладкой. При возникновении в пограничном слое колебательных или волновых движений на гребне и впадине волны появится разность давлений, что вызовет распространение волнообразования вдоль покрытия и колебания резиновой оболочки, а через нее и демпфирующей жидкости. При этом турбулизация пограничного слоя должна снижаться, а вернее, переход ламинарного режима обтекания в турбулентный будет отодвигаться в область больших скоростей подводной лодки.

По аналогичному принципу было разработано покрытие «ламинфло», применение которого на торпедах позволило без изменения мощности двигателя существенно увеличить их скорость.

Рис. 1.13. Схема покрытия типа «кожа дельфина»

Искусственная кожа – обшивка «ламинфло»: а – боковой разрез; б – срез через слой палочек по линии АБ; 1 – верхний слой; 2 – средний слой; 3 – гибкие палочки среднего слоя; 4 – пространство между палочками, заполоненное демпфирующей жидкостью (черного цвета); 5 – нижний слой; 6 – корпус модели[15 - Бионика – БСЭ URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0 (http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0)]

Пример 1.14. Жиротрон

У двукрылых насекомых имеются придатки – жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полета. На этом принципе построен жиротрон (рис. 1.14) – вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полета самолета при больших скоростях. Самолет с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полeт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого – особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмерки. На рис. 1.14 изображены: а – схема летящей мухи с колеблющимися по обе стороны тела жужжальцами; б – жужжальце; в – схема жиротрона; ток от генератора посылается попеременно то во внешние, то во внутренние электромагниты, что вызывает колебания вильчатого жировибратора[16 - Бионика – БСЭ URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0 (http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0)].

Рис. 1.14. Жиротрона – схема летящей мухи с колеблющимися по обе стороны тела жужжальцами; б – жужжальце; в – схема жиротрона.

Пример 1.15. Эффекта Лотоса

В природе давно подмечен феномен, характерный для листьев цветов лотоса – они никогда не намокают (рис. 1.15а). После дождя или полного погружения в воду они сразу же оказываются сухими и чистыми. На поверхности листьев лотоса вода образует капли, которые, словно шарики ртути, скатываются по поверхности листа, увлекая оказавшиеся на листе инородные частички. Это природное явление получило название «эффекта Лотоса».

Современные исследования выяснили механизм этого эффекта. При 7000-кратном увеличении листа его микроструктура оказалась в виде иголок. Эту структуру воспроизвели при создании краски (рис. 1.15 б).

Создана краска с эффектом Лотоса. Принцип ее действия показан на рис. 1.15 в, а ее эффективность – на рис. 1.15 г.

Рис. 1.15а. Лотос

Рис. 1.15б. Микроструктура Лотоса

Рис. 1.15в. Принцип действия краски с эффектом Лотоса

Рис. 1.15г. Результаты использования краски с эффектом Лотоса

Пример 1.16. Новые принтеры

По аналогии с поведением стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например построению гнезда, в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров, названного AirJet. Печатное устройство оснащено 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 и делает устройство более надежным. Устройство содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Печатающее устройство Xerox

Пример 1.17. Робомуха

Ученые из Калифорнийского университета в Беркли (University of California at Berkeley) работают над созданием крошечного робота, который имеет массу всего 0,1 грамма. Он может ползать по поверхности и летать (рис. 1.17). Робот имеет миниатюрные полиэстеровые крылья с металлическим каркасом. На крыльях размещены крошечные солнечные батареи. Механический привод позволяет крыльям двигаться со скоростью до 150 махов в секунду: при этом оба крыла могут независимо друг от друга поворачиваться в сторону. Возможная область применения робомухи будет от уничтожения насекомых-вредителей и до промышленного шпионажа. На рис. 1.17 показаны различные конструкции робомух.

Рис. 1.17. Робомуха

Пример 1.18. Застежка-«липучка»

Швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году, гуляя со своей собакой, 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 одежды. Застежка-«липучка (репейник)» состоит из двух прочных лент, лицевая сторона одной из которых покрыта петлями из полиамидных мононитей, а лицевая сторона второй – петлями из мононитей с боковым разрезом, т. е. крючками (лента петельная и лента крючковая). При соединении двух лент крючки входят в петли, и происходит быстрое и прочное сцепление. Разъединение двух лент требует значительного усилия (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Застежка-«липучка»

Пример 1.19. Глубоководная губка – оптоволокно

Исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) в 2003 году обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas (рис. 1.19) высококачественное оптоволокно. Материал скелета этих губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные оптоволоконные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее искусственного благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность – 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. Осталось придумать, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Рис. 1.19. Глубоководная губка – оптоволокно

Пример 1.20. Модель нейрона

Модель нейрона показана на рис. 1.20.

Рис. 1.20а. Схематическое изображение нейрона

а) – изображеие нейрона: 1 – тело клетки; 2 – дендриты; 3- аксон; 4 – коллатерали; 5 – концевое разветвление аксона. б) – модель нейрона: P

, P

, P