자연에서 영감을 받은 인류의 발명품과 창조물은 무엇인가요?

파리는 박테리아를 퍼뜨리는 존재이기 때문에 모두가 파리를 싫어합니다. 그러나 파리의 날개(평형 막대라고도 함)는 "천연 항해자"이며 사람들은 이를 모방하여 "진동하는 자이로스코프"를 만들었습니다. 이러한 종류의 장비는 자동 운전을 구현하기 위해 로켓 및 고속 항공기에 사용되었습니다. 파리눈은 3000개 이상의 작은 눈으로 구성된 일종의 '겹눈'이다. 사람들은 이를 모방해 '파리눈 렌즈'를 만든다. '파리눈 렌즈'는 수백, 수천 개의 작은 렌즈를 가지런히 배열한 것으로 이를 렌즈로 활용하면 한 번에 수천 장의 동일한 사진을 촬영할 수 있는 '파리눈 카메라'를 만들 수 있다. 이러한 종류의 카메라는 인쇄판 제작과 전자 컴퓨터의 작은 회로의 대규모 복제에 사용되어 작업 효율성과 품질을 크게 향상시킵니다. "파리의 눈 렌즈"는 다양한 용도로 사용되는 새로운 유형의 광학 부품입니다.

자연계의 온갖 생명체들은 어떤 이상한 능력을 갖고 있을까? 그들의 다양한 능력은 인간에게 어떤 영감을 주었나요? 이러한 능력을 모방함으로써 인간은 어떤 종류의 기계를 만들 수 있을까? 여기서 소개할 새로운 과학은 바이오닉스(Bionics)이다.

생체모방이란 생물을 모방하여 기술적 장치를 제작하는 과학을 말하며, 금세기 중반에 등장한 새로운 비과학이다. 생체모방은 살아있는 유기체의 구조, 기능 및 작동 원리를 연구하고 이러한 원리를 공학 기술에 이식하여 뛰어난 성능을 갖춘 도구, 장치 및 기계를 발명하고 새로운 기술을 창출합니다. 바이오닉스의 탄생과 발전부터 현재까지 그 연구 성과는 매우 인상적이다. 바이오닉스의 출현은 생물학적 세계로부터 청사진을 얻을 수 있는 독특한 기술 발전의 길을 열었습니다. 이는 사람들의 시야를 크게 넓히고 매우 강력한 활력을 보여주었습니다.

인간 생체 공학은 오랜 역사를 가지고 있습니다

고대부터 자연은 인간의 다양한 기술 아이디어, 공학 원리 및 주요 발명의 원천이었습니다. 다양한 생물은 오랜 진화 과정을 거쳐 환경 변화에 적응하고 생존하고 발전해왔습니다. 노동은 인간을 창조한다. 인간은 곧은 몸과 일할 수 있는 손, 감정과 생각을 전달하는 언어를 통해 장기적인 생산 활동에서 신경계, 특히 뇌의 높은 발달을 촉진해 왔습니다. 그러므로 인간의 비교할 수 없는 능력과 지능은 생물학적 세계의 모든 집단을 훨씬 능가합니다. 인간은 자신의 독창성과 손재주를 이용해 노동을 통해 도구를 만들고, 이를 통해 자연 속에서 더 큰 자유를 얻는다. 인간의 지혜는 생물학적 세계를 관찰하고 이해하는 데 그치지 않고, 인간 고유의 사고와 설계 능력을 활용하여 생물을 모방하고 창의적인 노동을 통해 능력을 키워 나갑니다. 물고기는 물 속에서 자유롭게 드나드는 능력이 있어서 사람들은 물고기의 모양을 흉내내어 배를 만들고, 나무 노를 이용해 지느러미를 흉내낸다. 일찍이 다유시대부터 우리나라 고대 노동자들은 물고기가 꼬리를 흔들며 헤엄치며 물속을 도는 모습을 관찰하고, 배의 선미에 나무 노를 얹어 놓았다고 한다. 관찰과 모방, 연습을 거듭하면서 그는 점차 노와 방향타로 바뀌었고, 배의 힘을 키우며 배를 돌리는 방법을 터득했다. 이런 식으로 사람들은 거친 강에서도 배를 자유롭게 항해할 수 있습니다.

새는 날개를 펴고 자유롭게 공중을 날 수 있습니다. "Han Feizi"에 따르면 Lu Ban은 대나무와 나무로 새를 만들었고 "그것은 날아가서 3일 동안 그곳에 머물렀다"고 합니다. 하지만 사람들은 새가 공중을 날 수 있도록 새의 날개를 모방하기를 희망합니다. 400여 년 전, 이탈리아의 레오나르도 다 빈치와 그의 조수들은 새를 주의 깊게 해부하고 새의 신체 구조를 연구하고 새의 비행을 주의 깊게 관찰했습니다. 세계 최초의 인공 비행 기계인 오니톱터를 설계하고 제작했습니다.

위의 발명과 생물학적 구조와 기능을 모방하려는 시도는 인간 생체공학의 선구자이자 생체공학의 싹이라 할 수 있다.

생각을 자극하는 비교

인간의 생체 공학적 행동은 오랫동안 프로토타입으로 존재했지만 1940년대 이전에는 사람들이 의식적으로 생물학을 디자인 아이디어와 발명의 원천으로 여기지 않았습니다. . 생물학에 대한 과학자들의 연구는 살아있는 유기체의 정교한 구조와 완벽한 기능을 설명하는 데 그칩니다. 엔지니어링 및 기술 인력은 인공 발명품을 만들기 위해 뛰어난 지혜와 노력에 더 의존합니다. 그들은 생물학적 세계로부터 의식적으로 배우는 경우가 거의 없습니다.

불행하게도 Hardy의 팁은 눈에 띄지 않았고 엔지니어들은 박쥐가 "반향 위치 측정" 기술을 가지고 있다는 것을 믿기 어려웠습니다. 박쥐가 초음파를 방출하여 자신의 위치를 ​​찾는다는 사실이 완전히 확인된 것은 1983년 전자 측정 장비를 사용하면서부터였습니다. 그러나 이것은 더 이상 레이더와 소나의 초기 발명에 도움이 되지 않았습니다.

또 다른 예로 너무 늦게 찾아온 곤충 행동 연구를 들 수 있다. 레오나르도 다 빈치가 새의 비행을 연구하고 최초의 비행기를 만든 지 400년이 지난 후, 오랜 연습 끝에 1903년 마침내 비행기가 발명되면서 인류는 하늘을 나는 꿈을 실현하게 되었습니다. 지속적인 개선을 통해 30년이 지난 지금, 인간 항공기는 속도, 고도, 비행 거리 측면에서 새를 능가하며 인간의 지혜와 재능을 보여주었습니다. 그러나 더 빠르고 더 높게 비행하는 항공기를 계속 개발하면서 설계자들은 또 다른 문제에 직면했는데, 바로 공기역학에서의 플러터 현상이었습니다. 비행기가 날 때 날개에 유해한 진동이 발생하는데, 속도가 빨라질수록 날개의 펄럭임이 강해지며 심지어 날개가 부러져 비행기가 추락하는 일도 발생해 많은 시험 조종사가 목숨을 잃었습니다. 항공기 설계자들은 유해한 플러터 현상을 제거하기 위해 많은 노력을 기울였으며, 이 문제에 대한 해결책을 찾는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 가중치 장치는 날개 앞쪽 가장자리의 맨 끝에 배치되어 유해한 진동을 제거합니다. 그러나 곤충은 이미 3억년 전부터 공중을 날고 있었고, 그들도 플러터의 피해에서 예외는 아니었습니다. 오랜 진화 끝에 곤충은 플러터를 방지하는 방법을 성공적으로 얻었습니다. 생물학자들이 잠자리 날개를 연구하던 중, 각 날개의 앞쪽 가장자리 위에 날개 눈 또는 날개 모반과 같은 어둡고 두꺼워진 각질 부위가 있음을 발견했습니다. 날개 눈을 제거하면 비행이 불규칙해질 것입니다. 실험에 따르면 잠자리의 날아다니는 날개에서 펄럭이는 피해를 제거하는 것이 날개 눈의 각질 조직이라는 것이 입증되었습니다. 이는 디자이너의 뛰어난 발명품과 매우 유사합니다. 디자이너가 먼저 곤충에게서 날개눈의 기능을 배우고, 플러터 해결에 도움이 되는 디자인 아이디어를 얻으면 장기적인 탐색과 인적 희생을 피할 수 있다. 잠자리 날개의 눈을 마주한 항공기 설계자들은 마치 늦게 만난 듯한 느낌을 줍니다!

위의 세 가지 예는 많은 생각을 하게 하고 사람들에게 많은 영감을 주었습니다. 인간이 지구에 출현하기 오래 전부터 다양한 생물들은 수억 년 동안 자연 속에서 살아오면서 생존을 위한 오랜 투쟁 속에서 자연에 적응하는 능력을 획득하였습니다. 생물학적 연구는 유기체가 진화하는 동안 형성되는 매우 정확하고 완전한 메커니즘을 통해 유기체가 내부 및 외부 환경의 변화에 ​​적응할 수 있음을 보여줄 수 있습니다. 생물학적 세계에는 많은 유익한 능력이 있습니다. 체내 생합성, 에너지 전환, 정보 수신 및 전달, 외부 세계 인식, 항법, 방향 계산 및 합성 등 기계와 비교할 수 없는 많은 장점을 보여줍니다. 생명체의 작은 크기, 감도, 속도, 효율성, 신뢰성 및 간섭 방지 기능은 정말 놀랍습니다.

생물학과 기술을 연결하는 가교

1782년 제임스 와트(James Watt, 1736-1819)가 증기기관을 발명한 이후 사람들은 생산 투쟁에서 강한 동기를 얻었습니다. 산업기술 측면에서는 에너지 전환, 제어, 활용 문제를 근본적으로 해결함으로써 1차 산업혁명을 촉발시켰고, 비가 내린 뒤 버섯처럼 다양한 기계들이 생겨나면서 인간의 능력이 크게 확대되고 향상되었습니다. . 체력은 사람들을 무거운 육체 노동으로부터 해방시킵니다. 기술의 발달로 사람들은 증기기관 이후 전기시대를 경험하고 자동화 시대로 나아갔습니다.

1940년대 전자 컴퓨터의 출현은 인류 과학 기술의 보물창고에 귀중한 부를 더해 주었으며, 믿을 수 있고 효율적인 능력으로 사람들의 손에 있는 수만 가지의 다양한 정보를 처리할 수 있게 되었습니다. 숫자와 정보의 광대한 바다. 컴퓨터와 자동 장치를 사용하면 복잡한 생산 공정에 직면하여 사람들이 편안하고 노동력을 절약할 수 있어 생산 절차를 정확하게 조정하고 제어하여 제품 사양을 정확하게 만들 수 있습니다. 그러나 자동제어장치는 사람이 정한 정해진 절차에 따라 작동하기 때문에 제어능력이 매우 제한적이다.

자동 장치는 외부 세계에 대한 유연한 분석 및 대응 능력이 부족하여 예상치 못한 상황이 발생하면 자동 장치가 작동을 멈추거나 심지어 사고가 발생할 수도 있다는 점은 자동 장치 자체의 심각한 단점입니다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 기계의 다양한 구성요소 간, 기계와 환경 간의 '통신'을 가능하게 하는 것, 즉 자동 제어 장치가 내부 환경의 변화에 ​​적응할 수 있는 능력을 갖게 하는 것 외에는 아무 것도 없습니다. 그리고 외부 환경. 이 문제를 해결하기 위해서는 공학기술이 어떻게 수용하고 변환할지를 해결해야 합니다. 정보 활용 및 통제 문제. 따라서 정보의 활용과 통제는 산업기술의 발전에 있어 큰 모순이 되고 있다. 이 모순을 해결하는 방법은 무엇입니까? 생물학적 세계는 인류에게 유용한 깨달음을 제공해 왔습니다.

인간이 생물학적 시스템에서 영감을 얻기 위해서는 먼저 생물학적 장치와 기술적 장치가 동일한 특성을 가지고 있는지 연구해야 합니다. 1940년에 등장한 조건화 이론은 일반적인 의미에서 생물과 기계를 대조했습니다. 1944년까지 일부 과학자들은 기계와 유기체가 통신, 자동 제어, 통계 역학과 같은 일련의 문제에 대해 일관성이 있다는 결론을 내렸습니다. 이러한 이해를 바탕으로 1947년에 사이버네틱스라는 새로운 학문이 등장했습니다.

사이버네틱스(Cybernetics)는 그리스어에서 유래되었으며 원래 의미는 '조타수'입니다. 사이버네틱스의 창시자 중 한 명인 Norbef Wiener(1894-1964)가 정의한 정의에 따르면, 사이버네틱스는 "동물과 기계의 제어 및 의사소통"에 관한 과학입니다. 이 정의는 너무 단순하고 사이버네틱스에 대한 Wiener의 고전 작품의 부제일 뿐이지만 생물과 기계에 대한 사람들의 이해를 직접적으로 연결합니다.

사이버네틱스의 기본 관점은 동물(특히 인간)과 기계(통신, 제어, 계산을 위한 다양한 자동화 장치 포함) 사이에 일정한 통합이 있다는 것입니다. 제어 시스템에는 특정한 고유한 법칙이 있습니다. 사이버네틱스 연구에 따르면 다양한 제어 시스템의 제어 프로세스에는 정보의 전송, 변환 및 처리가 포함됩니다. 제어 시스템의 정상적인 작동은 정보의 정상적인 작동에 달려 있습니다. 소위 제어 시스템은 특정 제어 기능을 갖춘 제어 대상과 다양한 제어 요소, 구성 요소 및 회로를 유기적으로 결합한 전체를 의미합니다. 정보의 관점에서 볼 때 제어 시스템은 정보 채널의 네트워크 또는 시스템입니다. 기계는 살아있는 유기체의 제어 시스템과 많은 유사점을 갖고 있기 때문에 사람들은 생물학적 자동 시스템에 많은 관심을 갖게 되었고, 생물학적 시스템에 대한 추가 연구를 수행하기 위해 물리적, 수학적, 심지어 기술적 모델을 사용하기도 합니다. 따라서 제어이론은 생물학과 공학기술을 연결하는 이론적 기초가 되었다. 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이의 다리가 되십시오.

살아있는 유기체와 기계 사이에는 실제로 분명한 유사점이 있으며, 이러한 유사점은 살아있는 유기체에 대한 연구의 다양한 수준에서 나타날 수 있습니다. 단순한 단일 세포부터 복잡한 기관 시스템(예: 신경계)까지 조절되고 자동으로 제어되는 다양한 생리학적 과정이 있습니다. 우리는 유기체를 특별한 능력을 가진 기계라고 생각할 수 있습니다. 다른 기계와의 차이점은 유기체가 외부 환경에 적응하고 스스로 번식할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것입니다. 유기체는 자동화된 공장에 비유될 수도 있습니다. 유기체의 다양한 기능은 역학의 법칙을 따릅니다. 유기체의 다양한 구조는 특정 신호와 자극에 정량적으로 반응할 수 있으며 자동 제어처럼 스스로를 규제합니다. 전문 피드백 연락처의 도움으로 자체 제어 방식. 예를 들어, 우리 몸의 일정한 체온, 정상적인 혈압, 정상적인 혈당 농도 등은 모두 신체의 복잡한 자기 조절 시스템에 의한 조절의 결과입니다. 사이버네틱스의 출현과 발전은 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이에 다리를 놓았고, 이로 인해 많은 엔지니어들은 의식적으로 생물학적 시스템에서 새로운 설계 아이디어와 원리를 추구하게 되었습니다. 이에 따라 생물학자들과 협력하는 공학기술 분야에서는 엔지니어들이 성과를 내기 위해 생명과학 지식을 주도적으로 학습하는 경향이 나타나고 있다.