Бионика в биологии. Каталог файлов по биологии

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

БИОНИКА - направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.

Человек часто учится от природы, создавая инструменты и приборы, которыми природа пользуется на протяжении многих лет, оттачивая свое мастерство в процессе эволюции. Мы часто пользуемся такими инструментами как клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое и не задумываемся, как они появились. Первоначально этим создателем была природа. Это она имеет множество инструментов, только они сделаны еще лучше, качественней и являются наиболее точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, а например, из хитина, как у насекомых. Изучая науку - Бионику - возникали вопросы. А многие ли знают про эту науку? А какими приборами и инструментами созданными природой, мы пользуемся дома? Может ли человек обойтись без этих инструментов?

Гипотеза: Мы предположили, что человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

Цель работы : Изучение инструментов находящихся в квартире средней статистической семьи.

Задачи исследования:

1. Посмотреть на разнообразие инструментов в квартире и изучить, как природа первоначально использовала данный объект.
2. Определить для каких целей используются инструменты и можно ли без них обойтись.
3. Провести опрос среди обучающихся на знание науки - БИОНИКИ, объектов ее исследования и применения знаний на практике.
4. Создание брошюры с целью ознакомления обучающихся с наукой - БИОНИКОЙ.

Объект исследования :инструменты используемые человеком.

Предмет исследования : знания о природе, используемые человеком, при создании инструментов.

Методы исследования: социологический опрос, исследованиеинструментов используемых человеком, создание брошюры.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Наука - БИОНИКА - сформировалась во второй половине 20-го века. Бионика - «БИОлогия» и «техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе, чем техника существующая сегодня.(интернет ресурс)

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.

БИОНИКА - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма

С развитием авиации совершенствовались и летательные аппараты. Однако, длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер - внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же хитиновые утолщения на концах крыльев бабочек.

Наблюдая за ракообразными и за тем, как они хватают клешнями, учёные придумали удобные медицинские зажимы, которыми пользуются и сейчас.

Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.

Обтекаемая форма акулы и её внешнее строение стало прототипом современных подводных лодок. Кальмар, забирая в себя воду, с силой её выталкивает. Это помогает ему двигаться с большой скоростью. Данный принцип человек применил для создания реактивного двигателя [ 2 ].

Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы.

Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объект исследования :наука - БИОНИКА.

2.1Проведение социологического опроса

Для проведения школьного социологического опроса были составлены 8 вопросов с выбором ответа (Приложение 1.).

Опрос проводился среди обучающихся с 5-го по 9-й класс. Всего 126 респондента. Результаты опроса таблица №1 (Приложение 2.)

Первый вопрос раскрывал представление о самой науке - бионике. По формулировке вопроса почти все обучающиеся сориентировались верно, ответив на него - 95.5%. Хотя многие утверждали, что не представляют, что изучает данная наука. Мы раскрыли понятие - БИОНИКА, а затем продолжили отвечать на вопросы. Хуже всех справились пятиклассники - 63.8%, а лучше всех ответили 9 -е классы - 93%. Это говорит, о большом багаже знаний полученных за 9 лет обучения в школе. Но по ответам (приложение 2. таблица №2) можно проследить и увидеть, что для всех самый легкий вопрос был №5, почти все ответили правильно. И так же самым затруднительным вопросом оказался №8. Только 9 - ки многие смогли на него правильно ответить, так как изучили анатомию человека в полном объеме.

2.2 Изучение инструментов используемых человеком.

2.2.1 Инструмент : Комбинированные клещи (Приложение 3. табл. №1)

Природный объект : Клещи муравьиного льва - муравьиный лев питается личинками насекомых. Он разрывает воронки в песке, если в эту ловушку попадает муравей, то муравьиный лев бросает ему вслед песок, тем самым мешает выбраться обратно. При этом он использует свои клещи в качестве совка для песка. Когда он высасывает содержимое своей жертвы, он выбрасывает пустую оболочку из воронки. Клещи муравьиного льва могут сыпать песок, хватать добычу и впиваться в нее; они действуют как шприц, маленький всасывающий насос или инструмент для броска. Таким образом, они представляют вид комбинированных клещей, обладающий шестью функциями.[ 1 ]

Использование инструмента: Чаще всего при работе используют клещи, способные выполнять четыре функции. Их захватывающие концы имеют рифленые контактные поверхности и поэтому, например, могут удерживать лист жести. В выемке этих клещей имеются зубчики, которые позволяют вращать трубку. С боков изгибы инструмента пересекаются, и это делает возможным перекусывание проволоки. Так же ими можно забивать гвозди.

Вывод: Комбинированные клещи удобны в применении, так как заменяют несколько инструментов.

2.2.2 Инструмент: Пинцет (Приложение 3. табл. №2)

Природный объект : Веретенники - крупный кулик из семейства бекасовых с очень длинным клювом и длинными ногами. Своим длинным 15-сантиметровым клювом они ощупывают землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом, ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу.

Клюв - это комбинированный инструмент. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма.[ 1 ]

Использование инструмента : Острые концы пинцета легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет.

Вывод : Пинцет необходим для работы с мелкими предметами, так как пальцы человека не могут производить точные манипуляции с такими предметами.

2.2.3 Инструмент: Складной нож (Приложение 2. табл. №3)

Природный объект: Навозный жук живет в мягкой земле и навозе. Для своего продвижения он использует специальные лопатки, которые находятся на его голени. Когда они не нужны жуку, он может, поместить свою ножку в желобке голени и затем голень вложить в нишу бедра. Таким образом, его инструменты размещаются, экономя место.[ 1 ]

Использование инструмента: Складной нож состоит из множества отдельных частей: большого и малого лезвий, ножниц, штопора, ножа для открывания бутылок, отвертки, зубочистки и т.д. все эти элементы размещены в небольшом пространстве. Такой нож можно положить в карман брюк,и не поранившись им. Таким образом, человек разработал целую систему, экономящую пространство, как это сделал маленький навозный жук со своими копающими лопатками.

Вывод: Складной нож вмещает в себя несколько разных инструментов, при этом очень компактен и занимает мало места.

2.2.4Инструмент: Дрели (Приложение 3. табл. №4)

Природный объект: О са рогохвоста хвойного. Яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого, когда готовиться отложить яйца, она ползет по ветке до самого ствола дерева,

поворачивает к нему заднюю часть своего туловища, выпускает из него яйцеклад и удобно устанавливает его. Насекомое «просверливает» в дереве мельчайшие дырочки примерно на глубину двух сантиметров. Если дерево хвойное, ему потребуется около 20 минут. Когда дырка готова, оса через свой длинный полый яйцеклад, подобный сверлу, помещает туда яйца.[ 1 ]

Использование инструмента: Для того чтобы высверлить дырки под дюбели, болты и винты, используют сверла, которые по виду и принципу действия похожи на яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого. В отличии от яйцеклада осы рогохвоста хвойного большого, технические сверла выполняют только одну функцию - они могут лишь сверлить.

Вывод: Дрель необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл).

2.2.5Инструмент: Застежка липучка (Приложение 3. табл. №5)

Природный объект: Репейник. Плоды репейника показывают, как необходимы, бывают крючки. У плодов репейника существует множество способов распространения семян самими растениями. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных. Животные уносят их с собой и затем стряхивают.[ 1 ]

Использование инструмента: С их помощью можно, например, застегивать спортивные ботинки; в этом случаи шнурки уже не нужны. Кроме этого, длину можно легко регулировать - в этом одно из его преимуществ.

Вывод: Липучка очень удобна. Экономит время для застегивания обуви и одежды т.д. Даже малыш может надеть обувь без помощи взрослого.

2.2.6Инструмент: Технические присоски (Приложение 3. табл. №6)

Природный объект: Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Также они помогают ему передвигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз.[ 1 ]

Использование инструмента: Там, где есть гладкие поверхности, часто используют присоски. В быту их используют, прежде всего, на кухне и в ванной. Когда крючок с присоской прижимают к кафельной плитке ванной комнаты, создается вакуумное пространство.

Вывод: Технические присоски очень удобны в быту, без применения гвоздей и клея, могут держать различные предметы (крючки для полотенец, мыльница, коврики в ванную и т.д.).

2.2.7Инструмент: Батарейка (Приложение 3. табл. №7)

Природный объект: Электрический угорь может испускать электрические разряды до 700 вольт, с помощью которых он может оглушать или убивать врагов и свою добычу. Электрический орган, который генерирует напряжение, состоит из особой мускулатуры. Напряжение, как и в батарее, создается потоком ионов и разряжается серией ударов, быстро следующих одним за другим.[ 1 ]

Использование инструмента В каждом доме есть огромное количество приборов, которые работают на батарейках (часы, карманный фонарик).

Вывод: Батарейка незаменима для многих электрических бытовых приборов, даже если отключили электричество - нас спасет батарейка!

2.2.8 Инструмент: Игла для инъекций (Приложение 3. табл. №8)

Природный объект: Оса. Осиное жало. Длина жала осы не превышает 3 мм, а толщины 0,001 мм. Если осе угрожает опасность, она применяет его для защиты. Жало с легкостью впитывается в кожу человека, превращаясь в крошечный кинжал. Одновременно оно является инъекционным шприцом.[ 1 ]

Использование инструмента: Внутривенные и внутримышечные инъекции.

Вывод: У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были опрошены обучающиеся на представление о науке -Бионике. Как выяснилось, многие не знают эту науку, но по подсказке в выборе ответа, могут представить, чем она занимается.

Так же были исследованы инструменты, которые находятся в квартире и используются по назначению. Эти инструменты и приспособления создал человек, используя знания о природе.

Так в основе изобретения комбинированных клещей лежит принцип работы клещей муравьиного льва. Этот инструмент многофункциональный, и удобен при ремонте квартиры. Пинцет повторяет клюв веретенника , очень удобен при работе с мелкими предметами. Складной нож имитирует ножку с лопатками навозного жука - компактен и многофункционален. Он не заменим в походе, поездке и в хранении и переносе, соблюдается техника безопасности. Дрель ,подобно я йцеклад у осы рогохвоста хвойного , необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл) при строительстве и ремонте. Застежки липучки такие же липкие как плоды репейника . Очень удобны для застегивания сумок, обуви и одежды. А особенно они экономят время мам маленьких детей, ведь малышу легче справиться с липучкой на обуви, чем со шнурками. В красивом кафеле всегда жаль делать отверстие сверлом, выход из положения технические присоски. Они незаменимы в ванной, так как прочно прикрепляют крючки, мыльницы, полочки без клея и гвоздей, как присоски осьминога . Невозможно представить любую квартиру, дом без батареек , их используют в часах, телефонах, фонариках, да мало ли где! А принцип работы батарейки повторяет электрический орган электрического угря. У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи. Не техника, а природа создает самые эффективные и тончайшие инъекционные шприцы, как жало осы . К сожалению, техника не создала еще игл, подобных жалу, которые не гнутся и не ломаются. Если бы удалось создать такие инъекционные шприцы, то прививки, например, стали бы почти безболезненными.

Изучив, как человек применяет свои знания о природе, создавая инструменты. И исследуя инструменты в квартире, как их использует человек. Мы подтвердили свою гипотезу, действительно, человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

По итогам работы была создана брошюра, которую можно использовать на уроках окружающего мира. И дать представление обучающимся о науке - БИОНИКЕ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронцова З.С. Мастерская природы. - М.: «Изобразительное искусство», 1981г - 32 открытки.

1. Нахтигаль В.Н. Большая серия знаний. БИОНИКА. - М.: ООО «Мир книги», 2003 г. - 128 с..

Интернет - сайт:

1. Словари и энциклопедии на АКАДЕМИКЕhttps://dic.academic.ru/
2. http://www.microarticles.ru/

3.https://www.google.ru/search?q=символ+бионики

Приложение 1.

Вопросы социологического опроса:

1. Как называется наука, цель которой - использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники?

а) конструирование; б) планирование; в) бионика +

1. Что изучал основоположник аэродинамики Н.Е. Жуковский? На основании его исследований и появилась авиация.

а) физику; б) кораблестроение;

1. Более совершенным летательным аппаратом в природе обладают…

а) насекомые +; б) рептилии; в) листья деревьев

1. По аналогии с принципом, лежащим в основе с эхолокации у летучих мышей, конструируются…

б) радары; в) другая техника

1. Какие животные обладают электрической активностью?

а) рыбы +; б) мыши; в) кроты

1. Применение бионики в медицине это…

а) создание медикаментов; б) строительство медицинских учреждений;

1. Какое строение копируют современные многоэтажные дома, в которых проживают люди?

а) стеблей злаков +; б) травы; в) кустов

1. Какой принцип стоит в основе строения Эйфелевой башни?

Приложение 2.

Результаты социологического опроса

таблица №1

Сравнительная таблица результатов социологического опроса

таблица №2

Приложение 3 .

Бионика — одно из направлений биологии и кибернетики, изучающее особенности строения и жизнедеятельности организмов в целях создания более совершенных технических систем или устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем.

В этот день открылся первый международный симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике».

Но и до официального признания бионика как таковая была известна. Изобретатели уже давно обращали внимание на различные явления природы, закономерности ее развития и находили правильные решения технических задач.

В процессе последовательного, беспощадного естественного отбора природа тысячелетиями совершенствовала свои системы, оттачивала отдельные органы животных.

В жестокой борьбе за существование выживали и давали потомство только самые совершенные формы организмов. В итоге столь продолжительной эволюции природа создала на Земле гигантскую сокровищницу, в которой не счесть изумительных образцов «живых инженерных систем», функционирующих очень точно, надежно и экономично, отличающихся поразительной целесообразностью и гармоничностью действий, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями. У природы для этого было много времени, а человек, создающий современные машины, должен решать технические задачи за короткий срок,за десятилетия, даже годы.

Многие «изобретения» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, арабские врачи уже много сотен лет назад, проводя глазные хирургические операции, получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз,изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения.

В области физики изучение многих основных принципов учения об электричестве было начато с исследования так называемого животного электричества. В частности, знаменитые опыты итальянского физиолога XVIII в. Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в конечном итоге к созданию гальванических элементов —химических источников электрической энергии.

Еще в годы Первой мировой войны британский флот получилна вооружение гидрофоны — приборы для обнаружения германских подводных лодок по шуму их винтов в воде. Конструкция оказалась неудачной. Во время хода судна гидрофоны не воспринимали других звуков, так как все заглушалось шумом машины собственного корабля. На помощь пришли зоологи. Они напомнили,что тюлени прекрасно слышат в воде при любой скорости, и предложили придать гидрофонам форму ушной раковины тюленя. С тех пор англичане стали более успешно бороться с германскими под- водными лодками.

Стремление ученых понять,в чем природа совершеннее, умнее, экономнее современной техники, их попытки найти и систематизировать новые методы для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, строительных конструкций и технологических процессов и породили новое научное направление, получившее название бионика.

Формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Одной из основных задач, решаемых бионикой, является исследование принципов, позволяющих достичь высокой надежности биологических систем, моделирование компенсаторных функций организмов и их способностей к адаптации.

Примером высокой надежности приспособительных механизмов у некоторых организмов являются особые оболочки для защиты от действия окружающей среды и возможного нападения.

Инженерам-теплотехникам хорошо известен диатомит — огнеупорный материал, из которого делают стенки стекловаренных печей. Диатомит получаютиз залежей гигантских скоплений оболочек диатомовых водорослей, осевших на дно водоемов. Клетки этих водорослей располагаются внутри защитного панциря. Панцирь диатомей состоит из двух половин, вставленных одна в другую. Благодаря особой шишковатой структуре, состоящей из параллелепипедов или решеток, придающих панцирю высокую прочность, диатомей способны выдерживать большие напряжения сжатия и изгиба.

Примером сложной системы адаптации к изменениям окружающих условий является характерная для животных система, регулирующая уровень содержания в крови сахара — важного источника энергии. Она представляет особый научный интерес. Нормальная жизнедеятельностьорганизма возможна лишь при определенном содержании в кровивиноградного сахара (глюкозы). Уникальная система регулирования не допускает губительных для организма колебаний содержания сахара в крови.

В организме есть депонирующий (запасающий) орган, в котором глюкоза, полимеризуясь, переходит в другой вид углерода —гликоген (называемый иногда животным крахмалом). Этот орган — печень. В ее клетках гликоген может откладываться в больших количествах, снижая таким образом содержание в крови глю- козы. Когда содержание глюкозы в крови падает ниже необходимого уровня, часть гликогена деполимеризуется и образующаяся вновь глюкоза поступает в кровь до тех пор, пока ее содержание снова не достигнет нормы. Организм не избавляется от избыткаценного энергетического продукта, а преобразует его в удобнуюдля хранения форму, создает запас на «черный день».

В комплекс задач, решаемых бионикой, входит также исследование биологических рецепторных и анализаторных систем (прежде всего изучение органов зрения, слуха и обоняния) в целях построения их технических моделей. Глаз кальмара приспособлен для видения предметов как при слабом, так и при сильном освещении.Это приспособление связано с наличием в клетках сетчатки бурого зернистого пигмента. На ярком свету пигмент распределен повсей клетке, защищая ее чувствительное основание от избыткасветовых лучей. Ночью, при слабом освещении, весь пигмент, наоборот, равномерно сосредоточивается в основании клетки, повышая ее чувствительность. Нечто похожее создано сейчас оптиками. Им удалось разработать стекла, мгновенно темнеющие припопадании на них яркого света. Когда яркость уменьшается, стекла вновь приобретают прежнюю прозрачность.

Очень интересным и перспективным оказалось исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик головоногих моллюсков, рыб, китообразных. Результаты этого исследования используют в авиа- и судостроении,конструировании и изготовлении гидрореактивных двигателей дляподводного транспорта. Великий русский ученый Н. Е.Жуковский,исследуя полет птиц, открыл «тайну крыла», разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Жуковский, лежат в основе современной аэродинамики.

Еще более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных в живойприроде, а тем более в современной авиационной технике. Хотяскорость их полета, казалось бы, невелика по сравнению с современными авиалайнерами, но если подсчитать скорость относительно длины тела летящего животного или насекомого, то оказывается, что быстрее всех летает шмель: за одну минуту он пролетает 10 000 расстояний, равных длине его тела; второе место занимают стрижи, третье — скворец, затем серая ворона и только на самом последнем месте оказывается наш скоростной реактивный пассажирский авиалайнер, который за минуту пролетает только 1500 расстояний, равных его длине, т.е. он летает в 6 —7 раз медленнее шмеля!

Выявив функцию жужжалец — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у мух, ученым удалось создать прибор «гиротрон», применяемый для определения углового отклонения стабильности полета в самолетах и ракетах.

Методом скоростной киносъемки установили, что крыло бабочки не только поднимается и опускается при ее полете, как видно глазом, но и совершает одновременно волнообразные движения по поперечной оси. По аналогии с движением крыла бабочки к крыльям ветряка приделали дополнительные лопасти в виде крылышек, и ветряк стал работать даже при самом тихом ветре.

Реактивное движение, используемое сейчас в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам — осьминогам, кальмарам, каракатицам. Водометный двигатель на судах — это точная копия реактивного «механизма», используя который каракатица быстро движется, выбрасывая из себя струю воды с большой силой. Кальмаров можно назвать «спринтерами моря». Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 м.

Кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ракеты, способной развивать под водой огромную скорость.

Глубокое и всестороннее исследование биологических процессов, природных конструкций и форм в целях их использования в 250 строительной технике и архитектуре за короткий срок принесло немало открытий. Ученые обнаружили, что изящная конструкция трехсотметровой металлической Эйфелевой башни в точности повторяет (совпадают даже углы несущих поверхностей) строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела, хотя при создании проекта башни инженер Ж. Эйфель не пользовался живыми моделями. Большая берцовая кость человека при своих небольших диаметре и массе выдерживает сжатие в 1650 кг, что в 20 — 25 раз больше обычной нагрузки.

При тщательном изучении обычного «выеденного яйца» установили, что его прочность объясняется тонкой и эластичной пленкой-мембраной, благодаря которой скорлупа оказывается конструкцией с предварительным натяжением. Этим открытием воспользовались строители при сооружении здания театра в Дакаре, внутри которого не должно было быть ни одной колонны, ни одной декоративной опоры — все здание должно было представлять собой огромную, пустую, тонкую железобетонную «скорлупу», покоящуюся на специальном фундаменте. Только мембрана, придающая прочность этой конструкции, была изготовлена не из «куриного» материала, а из армоцемента. Тонкие армоцементные скорлупы толщиной 15 —30 мм покрывают без опор пространства высотой более 120 м. При этом чем больше пролет, тем тоньше и легче (до определенных пределов) должна быть скорлупа.

Изучение удивительного устройства листьев, имеющих ребристую структуру и форму веера, подсказало архитекторам так называемые «складчатые конструкции». Например, лист обычной писчей бумаги, положенный противоположными краями на подставки, не выдерживает собственной массы и прогибается.

Тот же лист, но сложенный «гармошкой» и опять положенный на две опоры так, чтобы параллельные складки шли поперек пролета, ведет себя иначе, чем гладкий. Он устойчив и может легко, не деформируясь, выдерживать нагрузку, равную стократной массе его собственного тела. Новая форма листа придала ему новые механические качества. Используя принцип «складчатых конструкций», в США построили складчатые купола пролетом 100 — 200 м, во Франции произвели перекрытие павильона пролетом 218 м.

Широкое применение получили тонкостенные пространственные складчатые конструкции и в России. Строителям жилых домов оказался полезен тысячевековой опыт пчел в сооружении сот. Пчелиные соты обладают многими достоинствами. Единообразие элементов здесь доведено до предела: главным и единственным кон- структивным элементом всей пчелиной постройки служит шестигранная ячейка, сделанная из воска. Другое достоинство сот — их прочность. Прочность здесь (относительная конечно) выше, чем у кирпичной стены. Соты изотропны (их прочность одинакова во всех направлениях). Благодаря этим достоинствам конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления «сотовых панелей» для строительства жилых домов. У пчелиных сот имеется еще одно чрезвычайно важное достоинство. За миллионы лет эволюции пчелам удалось методом проб и ошибок найти самую экономичную и самую емкую форму сосуда для хранения меда. Весь секрет заключается в рационально выбранной форме, в геометрическом построении восковой ячейки. Все острые углы трех ромбов, образующих основание каждого шестигранника, равны 70° 32". Математики доказали, что при шестигранной форме именно такая величина углов обеспечивает наибольшую вместимость сотовой ячейки при минимальных затратах строительного материала на ее сооружение. Наши инженеры воспользовались опытом пчел и разработали новую конструкцию железобетонного элеватора для хранения зерна. До этого у нас в стране строились десятки обычных элеваторов с массивными монолитными железобетонными башнями. Совершенства в них было мало, а железобетона расходовалось много. На строительствосовременного совершенного элеватора сотовой конструкции бетона уходит на 30 % меньше, чем на его монолитного «предка». Но многовековой опыт пчел в сооружении сот оказался полезным не только строителям жилых домов и зернохранилищ. Его весьма успешно используют при строительстве плотин, шлюзов и многих других сложных и ответственных объектов.

Подражая природным структурам, ряд оригинальных сооружений создали и мостовики. Так, французские инженеры возвели мост, придав ему форму скелета морской звезды. Он имеет вид равностороннего треугольника, что значительно надежнее, чем арочные конструкции. Трансформация формы листьев, когда они, свертываясь в трубку и образуя причудливые желоба, закручиваются в спираль, обеспечивая себе наибольшую прочность, подсказала инженерам и конструкторам идею моста через реку в виде полусвернутого листа. Его легкость поразительна, прочность необычайна. Красотой, экономичностью и долговечностью этот мост полностью обязан природе. Еще одну конструкцию моста, подсказанную природой, разработал инженер Сэмюэль Броун. Выйдя в сад и рассматривая тысячи тонких нитей паутины, провисавших между деревьями, он увидел прообраз искомой им конструкции моста на гибких длинных нитях. Ветер раскачивал ее, но подвесные нити не рвались. Инженеру оставалось только рассчитать нагрузки и сечения. Так появились прочные и красивые подвесные мосты.

Чрезвычайно важной и интересной является решаемая бионикой задача исследования систем навигации, локации, стабилизации, ориентации некоторых представителей мира животных и создание принципиально новых технических устройств на основе результатов этих исследований. Навигационные способности мигрирующих животных поражают своей точностью, однако устрой-ство и принцип работы систем, обеспечивающих ориентацию, пока не разгаданы.

О применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Различают:

• биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
• теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
• техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

См. также

Литература

• Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
• Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963.
• Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
• Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.
• Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
• Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
• Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
• Игнатьев М. Б. «Артоника» Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений"изд. Высшая школа, М., 2004.
• Мюллер, Т., Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112-135.
• 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.

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Бионика" в других словарях:

- [Словарь иностранных слов русского языка

- [от био... и (электро) ника], наука, изучающая живые организмы с целью использования результатов познания механизмов их функционирования при конструировании машин и создании новых техничеких систем. Например, данные бионики, полученные при… … Экологический словарь

бионика - Этимология. Происходит от греч. biо жизнь. Категория. Научная дисциплина. Специфика. Изучает принципы функционирования живых систем для использования их в области инженерной практики. Начала свое формирование в 60 х гг. ХХ в. Основным методом… … Большая психологическая энциклопедия

БИОНИКА, направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих. Сформировалась во 2 й половине 20 в. Для решения… … Современная энциклопедия

Бионика (от греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий)

наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи , который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц - орнитоптер. Появление кибернетики (См. Кибернетика), рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по Б., который официально закрепил рождение новой науки.

Основные направления работ по Б. охватывают следующие проблемы: изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток - нейронов - и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика); исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Исследования нервной системы показали, что она обладает рядом важных и ценных особенностей и преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Эти особенности, изучение которых очень важно для дальнейшего совершенствования электронно-вычислительных систем, следующие: 1) Весьма совершенное и гибкое восприятие внешней информации вне зависимости от формы, в которой она поступает (например, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.). 2) Высокая надёжность, значительно превышающая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких деталей; при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов, составляющих головной мозг, работоспособность системы сохраняется). 3) Миниатюрность элементов нервной системы: при количестве элементов 10 10 - 10 11 объём мозга человека 1,5 дм 3 . Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч м 3 . 4) Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков вт. 5 ) Высокая степень самоорганизации нервной системы, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов (рис. 1 ). Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение памяти (См. Память) и других свойств нервной системы - основной путь создания «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Изучение механизмов, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень важно для техники, т.к. решение этой первоочередной технической проблемы даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (например, оборудования самолёта, содержащего 10 5 электронных элементов).

Исследования анализаторных систем. Каждый Анализатор животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований.

Через наиболее важный анализатор - зрительный - в мозг человека поступает большая часть информации. С инженерной точки зрения интересны следующие особенности зрительного анализатора: широкий диапазон чувствительности - от единичных квантов до интенсивных световых потоков; изменение ясности видения от центра к периферии; непрерывное слежение за движущимися объектами; адаптация к статичному изображению (для рассматривания неподвижного объекта глаз совершает мелкие колебательные движения с частотой 1-150 гц ). Для технических целей представляет интерес разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка - очень сложное образование; например, глаз человека имеет 10 8 фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 10 6 ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: первый включает 1800 фоторецепторных ячеек, второй - «нейроны», воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в третьем слое имеется 650 «клеток» пяти разных типов. Эти исследования дают возможность создать следящие устройства автоматического распознавания. Изучение ощущения глубины пространства при видении одним глазом (монокулярном зрении) дало возможность создать определитель глубины пространства для анализа аэрофотоснимков.

Ведутся работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен - люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10 мкн/м 2 (0,0001 дин/см 2 ). Технически интересно также изучение механизма передачи информации от уха к слуховой области мозга. Изучают органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» - электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде [некоторые рыбы чувствуют концентрацию вещества в несколько мг/м 3 (мкг /л )]. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45-90 кгц , мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.

Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы - для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана - для обнаружения инфракрасных лучей).

Большое значение в техническом конструировании имеют т. н. Персептрон ы - «самообучающиеся» системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой информации. Большинство исследований посвящено опознаванию зрительных, звуковых или иных образов, т. е. формированию сигнала или кода, однозначно соответствующего объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от изменений изображения (например, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без предварительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, сигнализирует об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона - его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов - это набор фотоэлементов.

После периода «обучения» персептрон может принимать самостоятельные решения. На основе персептронов создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д.

Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из важных задач Б., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км (см. Миграции животных), могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация обнаружена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч км и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу. Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике.

Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, изучение структуры кожи быстроходных водных животных (например, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с минимальным сопротивлением) позволило увеличить скорость кораблей. Создана специальная обшивка - искусственная кожа «ламинфло» (рис. 2 ), которая дала возможность увеличить скорость морских судов на 15-20%. 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 полёта. На этом принципе построен жиротрон (рис. 3 ) - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого - особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.

Разработанные на этом принципе ветряные мельницы с подвижными лопастями очень экономичны и могут работать при малой скорости ветра. Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, различных манипуляторов и т.п. разрабатываются на основе изучения полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п. Анализ структуры кости, обеспечивающей её большую лёгкость и одновременно прочность, может открыть новые возможности в строительстве и т.п.

Новая технология на основе биохимических процессов, происходящих в организмах, - также, по существу, проблема Б. В этом плане большое значение имеет изучение процессов Биосинтез а, биоэнергетики (См. Биоэнергетика), т.к. энергетически биологические процессы (например, сокращение мышц) чрезвычайно экономичны. Одновременно с прогрессом техники, который обеспечивается успехами Б., она приносит пользу и самой биологии, т.к. помогает активно понять и моделировать те или иные биологические явления или структуры (см. Моделирование). См. также Кибернетика , Биомеханика , Биоуправление .

Лит.: Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963: Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963; Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967; Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967; Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968; Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968: Библиографический указатель по бионике, М., 1965.

Р. М. Баевский.

Рис. 1. Схематическое изображение нейрона (слева), его модели (в середине) и электрическая схема искусственного нейрона (справа): 1 - тело клетки; 2 - дендриты; 3 - аксон; 4 - коллатерали; 5 - концевое разветвление аксона; P n , P i , P 2 , P 1 - входы нейрона; S n , S i , S 2 , S 1 - синаптические контакты; Р - выходной сигнал; К - пороговое значение сигнала; R 1 - R 6 , R m - сопротивления; C 1 - C 3 , C m - конденсаторы; T 1 -T 3 - транзисторы; D - диод.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Бионика" в других словарях:

- [Словарь иностранных слов русского языка

- [от био... и (электро) ника], наука, изучающая живые организмы с целью использования результатов познания механизмов их функционирования при конструировании машин и создании новых техничеких систем. Например, данные бионики, полученные при… … Экологический словарь

бионика - Этимология. Происходит от греч. biо жизнь. Категория. Научная дисциплина. Специфика. Изучает принципы функционирования живых систем для использования их в области инженерной практики. Начала свое формирование в 60 х гг. ХХ в. Основным методом… … Большая психологическая энциклопедия

Бионика, появившаяся в научных кругах во второй половине двадцатого века? Бионика содержит в своей основе материалы наблюдения за естественными природными системами для создания на их базе современных технологий.

Слово "бионика" в переводе с английского означает "знание о живых организмах". Ее основная задача (как было сказано ранее) - это выявление закономерностей живой природы и применение их в системе человеческой деятельности. Впервые проблемы бионики, ее цели и функции были определены на дайтонском симпозиуме в США. Тогда в 1960 году смело было выдвинуто утверждение о том, что только биологические механизмы могут быть истинными прототипами технического развития.

Основные проблемы и задачи бионики

1. Наблюдение и изучение функций и особенностей отдельных систем и органов живых организмов (например, нервной системы, сердца или кожи) для использования полученных знаний в качестве базиса для создания новейших технических достижений: средств передвижения, вычислений и т.д.
2. Изучение биоэнергетического потенциала живых организмов для создания на их основе двигателей, способных действовать подобно мышцам, чтобы с помощью этого экономить электроэнергию.
3. Исследование биохимических синтезирующих процессов для развития отраслей химии для получения новых моющих средств и лекарственных препаратов.

Связь бионики с другими областями человеческих знаний

«Бионика считается связующим звеном, проложенным между множеством технических (электронная, транспортная, информационные технологии) и естественных наук (медициной, биологией, химией)».

Специалисты утверждают, что объединение в определенное единство совокупности имеющихся знаний с целью их рационального практического применения – это наиболее необходимый процесс для современного мира. Бионика появилась тогда, когда специализация отдельных отраслей знания усилилась, лишая науку жизненно необходимого единства.

Так бионика в биологии представляет собой необходимый компонент, позволяющий применять полученные знания в их качественном объединении с математикой, техникой и химией. Установление аналогичных связей между информационными, техническими и природными ресурсами – неотъемлемая часть бионического исследования.

Если в своем широком понимании бионика – средство «заимствования» у природы гениальных идей для новейших научных разработок, то в более узком смысле можно говорить о данной науке как о теснейшей связи биологии с аэронавтикой, кибернетикой, материаловедением, строительством, бизнесом, медициной, химией, архитектурой и даже искусством. Специалист-бионик должен обладать чрезмерной наблюдательностью, а также аналитическим складом ума для способности адекватного сопоставления имеющегося и вновь обновляющегося посредством эволюции материала и технических возможностей, предоставленных развитием человечества.

Продолжая беседу об узком значении бионики, можно говорить о такой ее задаче, как разработка новейших методов добычи природных ресурсов и полезных ископаемых для использования их в производстве.

Несмотря на то, что бионика – это наука о том, как лучше и рациональнее использовать то, что дает нам природа, одной из ее основополагающих функций выступает защита природного материала как неисчерпаемого источника ресурсов и идеи для непрерывного прогресса общества. Для этого специалистами-биониками используются три основных подхода.

1. Функциональный математический программный подход (изучение схемы происходящего процесса, его структуры, истоков и результатов). Данный подход дает возможность конструирования новой модели с помощью уже имеющихся средств.
2. Физико-химический подход (изучение биохимических процессов). Этот подход предоставляет исследователям возможность синтезирования новых веществ с помощью изученных механизмов.
3. Прямое применение биологических систем в структуре технологий, называемое обратным моделированием. Если в предыдущих подходах речь шла об использовании биологического материала для создания новых технических средств, то здесь мы можем говорить о решении задач и вопросов техники с помощью поиска ответов и необходимых ресурсов в биологической среде.

Итак, на вопрос о том, что изучает наука бионика, лучше всего ответить следующим образом. Бионика – это поиск путей, средств и возможностей связи биологических аспектов существования и технического прогресса с целью увеличения научного прогресса и одновременного сохранения существующих природных ресурсов.