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Einfuhrung.
Die neuen Wege, die in das kommende Zeitalter fuhren, werden in der Gegenwart bereitet. Niemand wei?, ob alles genau so sein wird, wie wir es uns heute vorstellen. Vielleicht kommt es zu anderen, besseren Projekten und Losungen. Naturlich kommt immer Neues hinzu, und die Forschungsfortschritte sind so gro?, da? noch viele Uberraschungen zu erwarten sind.
Gegenwartig erleben wir, wie sich aus der wechselseitigen Durchdringung von wissenschaftlich-technischen und industriellen Fortschritten ganz neue Wissenschaftszweige herausbilden, die vielleicht morgen schon eine umwalzende Bedeutung haben konnen. Fur manche dieser neuen Arbeitsrichtungen gibt es heute nur Probleme, Aufgaben und Forschungsziele, die sich aus der Praxis des Lebens und der wissenschaftlichen Entwicklung ergeben. In letzten Jahren sind solche Wissenschaftszweige, wie Biophysik, Biochemie und andere entstanden. Eines der aussichtsreichsten Forschungsgebiete eroffnet sich mit der Bionik.
Diese Bezeichnung kommt vom griechischen Wort "bion" und bedeuet soviel wie Lebenselement, das hei?t: Element eines biologischen Systems.
Als offizielles Datum der Geburt jener "Brucke", die Biologie und Technik verbindet und Bionik genannt wird, gilt der 13. September 1930. An diesem Tag wurde in Dayton (USA) das erste Internationale Symposium zu dem Thema "Lebende Prototypen fur kunstliche Systeme - der Schlussel zur neuen Technik" eroffnet. Aber dieser Gedanke gehorte noch Leonardo da Binci.
Bionik. Voraussetzungen und Aufgaben.
Die Aufgabe dieses neuen Wissenschaftszweiges besteht darin, biologische Systeme sowie die ihnen zurgrunde liegenden Prinzipien zu erforschen und zu prufen, ob sich ahnliche Losungen in der Technik anwenden lassen.
Die Natur ist ein besserer Ingenieur als der Mensch. Das ist kein Wunder. Sie hat Milliarden Jahre in einem Riesenlaboratorium gearbeitet und ungezahlte Experimente angestellt. Dabei haben sich im Verlaufe der Entwicklung hochgezuchtete Eigenschaften und Sinnesorgane von phantastischer Funktionstuchtigkeit herausgebildet.
Techniker mu? die Natur kennen und studieren, wenn er seine eigenen Gerate zu einer hohen Leistung bringen will oder wenn er nach neuen Prinzipien sucht. Es ist eine Tatsache, da? in der Natur auch heute noch mehr Patente stecken, als jemals an Erfinder vergeben wurden. Nur, man mu? sie erforschen, denn Patentschriften hat sie leider nicht angefertigt.
Diese Patentgeheimnisse stecken hinter all den Fragen, die wir selbst stellen: Wie vermogen sich die Vogel im Raum zu orientieren? Wie finden sie sich auf ihrem Flug uber 10.000 bis 17.000 Meter Entfernung zurecht, und wie finden sie sogar ihr altes Nest wieder? Wie funktioniert das Organ der Fische, die sich mit einem elektrischen Feld umgeben? Wie ist das Organ beschaffen, mit dem die Klapperschlange auf Infrarotstrahlen reagiert und damit Warmeunterschiede von einem tausendstel Grad wahrnimmt ? Wie finden Schmetterlinge zueinander? Verstandigen sich Insekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen? Wie funktionieren die Leuchtorgane der Tiefseefische ? Woher wissen Bienen, wie spat es ist?
Fragen uber Fragen. Von ihrer richtigen Beantwortung hangt au?erordentlich viel ab.
Die Wissenschaft hat feststellen konnen, da? jeder lebende Organismus - vom Kolibri bis zum Kondor, vom einzelligen Strahlentierchen bis zum Wal, vom winzigen Grashalm bis zur majestatischen Kiefer - in jeder Hinsicht eine vollendete, nachahmenswerte Konstruktion darstellt. Obwohl die Bionik erst vor kurzem ihre offizielle Anerkennung gefunden hat, wurde es eine ganze Weile dauern, wollte man die Ergebnisse ihrer Forschungen alle aufzahlen.
So ist zum Beispiel ein Gerat entwickelt worden, das eine genaue Nachbildung des Gehororgans der Qualle darstellt. Mit seiner Hilfe lassen sich Sturme um 12 bis 14 Stunden fruher voraussagen als mit einem gewohnlichen Barometer.
Anhand eingehender Untersuchungen der Struktur des Auges der Hufeisenkrabbe konnte die Kontrastscharte von Fernsehapparaten verbessert werden.
Der Nilhecht beispielsweise, der sich auch einer elektrischen Orientierung bedient, ist zu einem besonders wichtigen Studienobjekt geworden. Die Bioniker wollen das Organ finden, mit dem er sich uber das Raumbild informiert und zwischen Isolatoren und Leitern genau zu unterscheiden vermag. Das Nilhecht-Ortungsprinzip konnte fur uns interessant werden, da ubliche Echoanlagen zwischen einem in der Tiefe schwimmenden Wal und einem U-Boot nicht unterscheiden konnen.
Andere Forscher befassen sich mit Insekten. Sie nehmen an, da? deren Fuhler die Rolle von Antennen spielen und sie sich mit elektromagnetischen Wellen verstandigen. Aufgefunden hat man solche Wellen allerdings noch nicht. Es hei?t, sie seien so kurz, da? wir sie noch nicht messen konnen. Techniker haben errechnet, da? ein zehntausendstel Watt genugt, um eine Strecke von uber sieben Kilometern zu uberbrucken. Diese Leistung konnte auch ein Insekt aufbringen, denn bei einer Sendezeit von anderthalb Minuten wurde es nur ein vierhuderttausendstel Gramm Fett verbrauchen. Wenn der Mensch hinter das Geheimnis so kleiner Sende- und Empfangsanlagen kame, konnte das eine gro?e praktische Bedeutung fur die Informations- und Steuerungstechnik haben.
Beim Flu?krebs ist ein erstaunliches Gleichgewichtsorgan entdeckt worden. Es ist von au?erordentlicher Empfindlichkeit gegenuber Verlagerungen in jeder beliebigen Richtung und gegen Vibration. Noch wissen wir nicht, wie es beschaffen ist und wie es funktioniert. Aber wenn das geklart ist, werden Gerate entstehen, mit denen die kunftigen Erforscher des Erdinneren bei ihrem Abstieg ihren Standort genau bestimmen konnen.
Japanische Wissenschaftler stellten fest, da? die Form des Wals der Fortbewegung im Wasser besser dient als die messerformige Form der modernen Schiffe. Die Schiffsbauer, die diese Entdeckung ausnutzten, bauten ein Schiff mit der au?eren Form eines Wals. Das von den japanischen Konstrukteuren geschaffene Schiff ist wirtschaftlich vorteilhafter als die anderen Schiffe, weil seine Motoren bei gleicher Geschwindigkeit und Tragfahigkeit des Schiffs eine geringere Leistung brauchen.
Kurzlich wurde festgestellt, da? Ratten ein Organ besitzen, mit dem sie auf Rontgenstrahlen zu reagieren vermogen. Sie sprechen bereits auf eine Dosis von nur 20 Millirontgen, gegeben in einer Zehntelsekunde, an ! Es ist verstandlich, da? die Bioniker diese seltene Fahigkeit mit besonderer Aufmerksamkeit studieren, um herauszufinden, wie dieses naturliche "Strahlennachweisgerat" funktioniert.
Die Sonnenblume besitzt die Eigenschaft, ihren Kopf standig der Sonne zuzuwenden. Kann man dieses "Verfolgungsprinzip" zur Speisung der Sonnenbatterien in kosmischen Forschungslaboratorien kopieren ? Die Ingenieure beschaftigen sich damit.
Aber auch in anderer Weise lernen die Ingenieure von Naturformen. Da ist zum Beispiel in der Sowjetunion das Modell Pinguin entwickelt worden, ein schneegangiges Fahrzeug, das nichts mehr mit einem Schlitten und nur noch wenig mit einem Automobil zu tun hat. Bei seiner Konstruktion wurde das "Pinguinprinzip" angewendet. Dieser originelle Vogel bewegt sich im lockeren Schnee, indem er auf dem Bauch liegt und sich mit den flugelartigen Flossen wie auf Skistocken absto?t. Dieses Gleitprinzip ist fur das neue Fahrzeug ubernommen worden. Es liegt mit dem Boden - dem Bauch - auf der Schneeflache, und zwei Radschaufeln sto?en es vorwarts. Es gleitet muhelos uber lockeren, hohen Schnee, sinkt nicht ein, ist leicht lenkbar und erreicht eine Hochstgeschwindigkeit von 50 km/h. Es ubertrifft bei weitem die motorisierten Scheefahrzeuge alter Art und wird zur Zeit mit gro?em Erfolg auf unseren antarktischen Stationen verwendet.
Diese Beispiele zeigen, wie die neue Wissenschaft nicht nur zu erklaren versucht, was bisher unerklarlich war, sondern da? sie dem Menschen und seiner Technik alles das nutzbar machen will, was die Natur in anderen Organismen ausgebildet hat.
Die architektonische Bionik.
Die architektonische Bionik ist noch junger. Doch auch auf diesem Gebiet zeigt das Erreichte mit aller Deutlichkeit, welche gewaltigen Moglichkeiten dieser Wissenszweig in sich birgt.
Bienen- und Wespenwaben bestehen aus Zehntausenden sechseckiger Zellen, die in parallelen Reihen angeordnet sind. Der Boden einer jeden Zelle wird aus drei Rhombenflachen gebildet, die eine Pyramide ergeben. Fuhrende Mathematiker haben wiederholt die Abmessungen der Bienenwaben mit hochster Prazision bestimmt und sind jedesmal zu dem gleichen Schlu? gekommen: Alle spitzen Winkel der drei Rhombenflachen haben eine Gro?e von 70°32?. Die Wissenschaftler haben nachgewiesen, da? bei der sechseckigen Form gerade dieses Winkelma? das gro?te Fassungsvermogen der Wabenzelle bei geringstem Materialverbrauch ergibt.
In ihrer Jahrmillionen wahrenden Entwicklung haben die Bienen gewisserma?en "empirisch" die sparsamste und zugleich geraumigste Gefa?form fur die Aufbewahrung des Honigs gefunden.
Sowjetische Ingenieure haben einen wabenformigen Getreidespeicher entwickelt, der sich rasch und einfach bauen la?t. Schon beim ersten solchen Wabenspeicher, der die Gro?e eines 15geschossigen Hauses hat und in Kupino (in der Steppe bei Nowosibirsk) steht, kam man mit weitaus weniger Beton aus als sonst. Dabei ist die Konstruktion wesentlich stabiler. Bei einem noch vollkommeneren Getreidespeicher mit Wabenkonstruktion, der in Zelinograd (Kasachstan) gebaut wurde, wurden etwa 30 Prozent weniger Beton verbraucht als bei einem gewohnlichen Getreidespeicher und der Arbeitsaufwand war nur halb so gro? ! Der Wabenspeicher wurde zum Typenprojekt erklart.
In nachster Zeit schon werden in der Rusland - Wabenform folgend - sechseckige Verwaltungsgebaude und Wohnhauser aus getypten Bauelementen montiert werden.
Siliziumneuron.
Es gibt Aufgaben, zum Beispiel, das Unterscheiden der komplizierten visuellen Bilder, mit denen sogar Supercomputer mit Muhe fertig werden. Fur uns existiert hier aber keine Schwierigkeit. Kurzum ist Elektronenrechner vorlaufig nicht imstande, mit einem Menschen zu wetteifern.
Das ist aber nur vorlaufig. Wenn man doch ein gro?es Massiv der gemeinsam arbeitenden Prozessoren nimmt, kann man eine Art der Analoga von Neuronnetzen. Solche Systeme, die man "Neurocomputer" nennt, sehen in vielem einem Gehirn ahnlich: erstens unterbricht die Beschadigung einzelner Elemente die Arbeit des ganzen Komplexes nicht; zweitens wird die Information in ihnen in keiner einzigen Position und nicht aufeinanderfolgend aufbewahrt und bearbeitet, sondern verteilt und parallel; drittens werden sie nicht so programmiert, wie an Beispielen gelehrt, fur die Losung dieser oder jener Aufgabe selbstgestimmt.
Die Neurocomputer werden naturlich die Digitalrechenmaschinen nicht ersetzen, und nur sie in puncto des intuitiven Denkens in den Maschinen der funften Generation erganzen. Viele Fachlaute, die sich durch Neurophisiologie fortrei?en lassen, schatzen zwar die Moglichkeiten der Neurocomputer uberaus skeptisch ein: man legt ja zu vereinfachte Vorstellungen von einem realen Neuron der Arbeit dieser Einrichtungen zugrunde.
Die Wissenschaftler aus der Kalifornischen technologischen Hochschule und der Universitat in Oxford, die Fertigungstechnik der Integralschaltungen benutzend, haben aber an einem Siliziumkristall das Verhalten eines richtigen Neurons modelliert. Die Dynamik der Prozesse, die in einer Schaltung aus Transistoren vor sich gehen, ist denen ahnlich, die auf der Membrane einer Nervenzelle, und auch in Synapsen zu beobachten sind. Es wird zum Beispiel der Effekt der Gewohnung wiedergegeben - bei der vielfachen Einwirkung wird die Anregungsschwelle hoher.
Auf einer nagelgro?en Platte kann man Hunderte von solchen "Halbleiterneuronen" unterbringen, die auf das Millionfache hoher, als richtige funktionieren. Wahrscheinlich werden diese "Neurochips" eine Elementarbasis der Computers der sechsten Generation. So hat man in Japan ein nationales Programm der Bildung eines kunstlichen Neurointellektes bekanntgemacht, der wie man glaubt, der japanischen Gesellschaft ermoglichen wird, in einen gewissen idyllischen, "rosa" (englisch - pink) Zustand zu ubergehen - PINK Society. Die Abbreviatur PINK versteht darunter: Psychological-Intelligent-Neural-Knowledge. Anders gesagt mussen im Entwurf die Errungenschaften der Neurobiologie und Logik, und Psychologie, und Sprachwissenschaft ... berucksichtigt werden.
Da zeigen sich schon die Umrisse der Maschinen der siebten Generation, wo man Information auf einem Molekularniveau bearbeiten wird. Die Zeit, wenn Bioniker sehr nahe an die Modellierung des Denkens herangehen werden, ist nicht allzuweit.
Schlu?folgerung.
Wurde in der Technik der Vergangenheit das Material der Natur nur als Roh-, Bau- und Werkstoff oder die blo?e Muskelkraft der Tiere genutzt, so eroffnet sich jetzt sogar die Moglichkeit, naturliche Organismen in technischen Systemen zu verwenden.
Man kann sich die Zeit bereits vorstellen, wo Raumschiffe mit Tieren an Bord auf den weiten Weg zum Mars oder zur Venus oder anderen Planeten geschickt werden. Diese Tiere sind dabei nicht nur einfache Passagiere. Der Organismus dieser Tiere in Verbindung mit einfacheren technischen Systemen wird komplizierte Aufgaben der Steuerung des Raumschiffes losen. Sie werden zum zuverlassigen und genauen Hilfsmittel, um das Flugregime zu regulieren.
Dieser "Einbau" niederer Lebewesen in technische Systeme ware eine Moglichkeit, die wahrscheinlich nur fur so au?erordentliche Unternehmungen in Frage kame wie eben beim Raumflug. Im allgemeinen "begnugt" sich die Bionik damit, nicht die naturlichen Organismen direkt, sondern die Prinzipien ihrer "Konstruktion" zu nutzen.
Heute ubernimmt der Mensch ingenieurtechnische Losungen, zu denen die Natur gelangt ist, nachdem sie uber Jahrmillionen hinweg immer wieder Fehler uberwunden hat. Der Mensch kann sich diese Losungen zu eigen machen und so das Stadium des vielen Probierens und Suchens uberspringen.
Man kann der neuen Wissenschaft eine gro?e Zukunft voraussagen. Hier steht den Gelehrten von morgen ein weites Feld fur die Forschung offen.
Ausgenutzte Literatur :
1.“ Die Technik um das Jahr 2000”
М. “Wysschaja Schkola” 1980.
2.“ Wissenschaftlich-technischen Kaleidoskop”,
М. “Proswestschenije” 1979.
3. “Die Gro?e Sowjetische Enzyklopadie” ,M.1967.
4. “Siliziumneuron” , M.Mahowald, R.Douglas,
“Nature”:1991,6354.