Применение бионики. Бионика — учимся у природы

Реферат по биологии

Подготовила Совалкина Мария Валерьевна, ученица 102 класса

МОУ Гимназия №19

Омск 2009

Вступление

Биология - это наука о жизни, живой природе, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.

Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру,

функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости, достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. Ученые вывели сотни сортов зерновых, бобовых, масличных и других культур, отличающихся от своих предшественников более высокой продуктивностью и другими полезными качествами. На основе этих знаний проводится селекция микроорганизмов, продуцирующих антибиотики.

В наши дни значение биологии постоянно возрастает. Познание законов жизни важно для сельского хозяйства и космоса, медицины и экологии. Не случайно некоторые учёные утверждают, что XXI век - век биологии, который приведёт человечество к управлению основными законами жизни.

В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, а также с постоянно возрастающей численностью городского населения, непосредственно не участвующего в сельскохозяйственном производстве. В такой ситуации основой увеличения пищевых ресурсов может быть лишь интенсификация сельского хозяйства. Важную роль в этом процессе будет играть выведение новых высокопродуктивных форм микроорганизмов, растений животных, рациональное, научно обоснованное использование природных богатств.

В самых различных областях биологии все больше возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с другими науками - физикой, химией, математикой, кибернетикой и т.д. Так возникли биофизика, биохимия, и такая продуктивная наука как бионика.

Введение в бионику

Всем известно, что возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание этих законов позволяет не только составить точную картину мира, но и использовать их для практических целей. Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики.

В науке сложилось новое направление - бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин.

Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион» - «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения инженерных задач. Другими словами, бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

В отличие от многих других научных дисциплин, время зарождения которых установить трудно, а порой и не возможно, датой появления на свет бионики официально принято считать 13 сентября 1960 года - день открытия в Дайтоне американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы - ключ к новой технике».

Бионика - наука междисциплинарная. Она сформировалась на базе естественных и многочисленных инженерно-технических наук. По существу она синтезирует накопленные знания в биологии и радиотехнике, химии и кибернетике, физики и психологии, и т.д. бионика соединяет разнородные знания в соответствии с единством живой природы.

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.

Бионика как наука

Предмет бионики - изучение принципов построения и функционирования живых организмов с целью применения этих принципов в технике, для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов.

Основной метод бионических исследований, построения бионических систем - моделирование.

В многообразной тематике ведущихся ныне бионических исследований наиболее четко вырисовались пять направлений:

Нейробионика

Моделирование анализаторных систем

Ориентация и навигация

Биомеханика

Биоэнергетика

Биоархитектура

Расскажем о них по порядку.

Нейробионика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании способов преобразования информации в биологических системах. Широкие возможности в моделировании нервных процессов проявляются в моделировании нервных сетей, что привело к построению ряда специальных бионических устройств, позволяющих успешно решать множество задач, связанных с передачей и обработкой информации. Примером таких устройств являются перцептроны - обучающиеся самоорганизующиеся системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации образов.

Моделирование анализаторных систем - одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия. К примеру, бионическое устройство - «визиолог», давно разработанное американскими учеными, может выполнять некоторые функции человеческого глаза: воспринимать изображение, проводить измерения и перерабатывать информацию.

Ориентация и навигация - одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия, на изучении конструктивных особенностей созданных природой слуховых анализаторов.

Уже давно была разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха, и тому подобные устройства.

Биомеханика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании морфологических особенностей живых организмов. Так, на основе анализа способа передвижения пингвина конструктор А.Ф. Николаев создал оригинальную снегоходную машину «Пингвин», развивающую скорость до 30 км в час. Так же бег кенгуру подсказал идею «прыгающей машины». Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческих конечностей.

Биоэнергетика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании биоэнергетики живых организмов. В частности, большое внимание уделяется изучению и моделированию работы мышцы. Основанной на непосредственном превращении химическое энергии в механическую.

Биоархитекрура - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании органических конструктивных систем. Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.

Бионика в настоящее время. Перспективы развития этой науки.

В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов.

Вывод:

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

Бионика, в свою очередь, играет большую роль в жизни человека. Это одна из самых быстроразвивающихся наук нашего времени, мощный ускоритель научно-технической революции. Она обещает неслыханный расцвет производительных сил человечества, новый взлет науки и техники.

Список литературы

«На пути к бионике». И.Б. Литинецкий.

«Основы биологии» С.Г. Мамонтов.

«Значение бионики» Л.Б. Ладожский.

Бионика - это наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека. Проблемы бионики: изучение закономерностей структуры и функции отдельных частей живых организмов (нервной системы, анализаторов, крыльев, кожи) с целью создания на этой основе нового типа вычислительных машин, локаторов, летательных, плавательных аппаратов и т. д.; изучение биоэнергетики для создания экономичных двигателей, подобных мышце; исследование процессов биосинтеза веществ с целью развития соответствующих отраслей химии. Бионика тесно связана с техническими (электроника, связь, морское дело и др.) и естественнонаучными ( , медицина) дисциплинами, а также с кибернетикой (см.).

Бионика (англ. bionics, от bion - живое существо, организм; греч. Bioo - живу)- наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека.

Термин бионика впервые появился в 1960 г., когда специалисты различных профилей, собравшиеся на симпозиум в Дайтоне (США), выдвинули лозунг: «Живые прототипы - ключ к новой технике». Бионика явилась своеобразным мостом, связавшим биологию с математикой, физикой, химией и техникой. Одна из важнейших целей бионики - установить аналогии между физико-химическими и информационными процессами, встречающимися в технике, и соответствующими процессами в живой природе. Специалиста-бионика привлекает все многообразие «технических идей», выработанных живой природой за многие миллионы лет эволюции. Особое место среди задач бионики занимают разработка и конструирование систем управления и связи на основе использования знаний из биологии. Это - бионика в узком смысле слова. Бионика имеет важное значение для кибернетики, радиоэлектроники, аэронавтики, биологии, медицины, химии, материаловедения, строительства и архитектуры и др. К задачам бионики относятся также освоение биологических методов добычи полезных ископаемых, технологии производства сложных веществ органической химии, строительных материалов и покрытий, которые использует живая природа. Бионика учит искусству рационального копирования живой природы, изысканию технических условий целесообразного использования биологических объектов, процессов и явлений.

Один из возможных путей здесь - функциональное (математическое, или программное) моделирование, заключающееся в изучении структурной схемы процесса, функций объекта, числовых характеристик этих функций, их назначения и изменения во времени. Такой подход дает возможность изучать интересующий процесс математическими средствами, а техническое воплощение модели осуществить тогда, когда в принципе установлена ее эффективность и осталось проверить экономические, энергетические и другие возможности конструирования такого рода модели имеющимися техническими средствами. Существует и другой путь - физико-химическое моделирование, когда специалист в области бионики изучает биохимические и биофизические процессы с целью исследования принципов превращения (включая разложение и синтез) веществ, происходящих в живом организме. Этот путь более всего примыкает к химико-технологической проблематике и открывает новые возможности в развитии энергетики и химии полимеров. Третий подход, развиваемый бионикой,- это непосредственное использование живых систем и биологических механизмов в технических системах. Такой подход принято называть методом обратного моделирования, так как в этом случае специалист-бионик изыскивает возможности и условия приспособления живых систем для решения чисто инженерных задач, иначе говоря, пытается моделировать на биологическом объекте техническое устройство или процесс. Возникшая в ответ на запросы практики, бионика послужила началом исследований, основанных на применении биологических знаний во всех областях техники. Основной ее результат заключается в установлении первых путей для все большего технического освоения биологии.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Энциклопедическая справка

Бионика (англоязычные названия - «биомиметика ») - многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно используется термин «биомиметика », но иногда говорят о биогенезе . Суть этого перспективного научно-технологического направления состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Умная природа

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» -- оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой . В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

Современные открытия

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного.

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.

По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, -- 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. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена 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. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Но самые преданные адепты бионики -- это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере -- с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро -- со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду -- и так же успешно преодолевает препятствия.

В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы.

Первые примеры бионики

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела.

Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и 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 не только военной, но и гражданской одежды.

Подобные документы

Этапы разработки мероприятий по контролю качества строительных работ, охране природы и окружающей среды. Анализ схемы устройства приямков. Рассмотрение технологии и организации производства работ. Особенности строительства и размещения инженерных сетей.

контрольная работа , добавлен 14.11.2012

Сущность бизнеса и предпринимательства. Отличия бизнеса и предпринимательства. Формы предпринимательства: частная, коллективная и государственная. Поиск новых идей и их реализация. Самостоятельность и независимость хозяйствующих субъектов.

реферат , добавлен 15.01.2003

Лидерство стран в области нанотехнологий. Перспективы использования новых технологий в областях энергетики, вычислительной техники, химической и биомолекулярной технологии, в оптике и электронике, медицине. Примеры научных достижений и разработок.

презентация , добавлен 14.04.2011

Классификация бытовых холодильников. Исследование технических решений, физического принципа действия холодильной установки и основных ее показателей. Примеры конструкций двухагрегатного двухкамерного холодильника. Разработка конструкции холодильника.

курсовая работа , добавлен 11.03.2016

Основные направления развития и перспективы использования информационных технологий в современном бизнесе в целом, и в фармацевтике в частности. Внедрение информационных технологий в фармацевтической отрасли на примере завода АО "Гедеон-Рихтер".

реферат , добавлен 31.07.2010

Современное состояние и тенденции в производстве токарных станков, особенности их конструкций. Разновидности и отличительные признаки современных токарно-винторезных станков, их преимущества и недостатки. Характеристика новых моделей тяжелых станков.

реферат , добавлен 19.05.2009

Внедрение новых технологий по разрушению стойких водонефтяных эмульсий; механизмы формирования структуры межфазного слоя и особенности строения эмульгаторов. Использование неионогенных деэмульгаторов, их классификация, химические свойства, эффективность.

статья , добавлен 23.06.2011

Информация и организационная структура управления. Современные информационные технологии и качество управления. Основные понятия управления информационными технологиями. Проблемы организационной деятельности в сфере ИТ. Проблема выбора источников ИТ.

реферат , добавлен 24.10.2010

Совместное применение измерительной техники и методов информационных технологий в одних и тех же областях. Автоматизированные средства измерения как техническая база процессов диагностики. Сбор, хранение и обработка больших массивов исследуемых данных.

реферат , добавлен 15.02.2011

Особенности современного направления форм и конструкций двухтумбового стола. Обоснование выбора проектируемого изделия и стилевых особенностей основных конструкторских материалов. Контроль шероховатости поверхностей. Контроль качества изделия мебели.

Человек перенял у природы очень многое, если не сказать все. Умение разводить огонь, прятаться в норку от непогоды, хранить пищу про запас, маскироваться под окружаю среду и еще много других вещей, о которых мы знаем так давно, что уже и не задумываемся об их появлении в нашей жизни.

А ведь существует целая наука – бионика – цель которой сделать мир людей еще более удобным, при помощи техники, созданной подглядыванием за живой природой.

Отцом бионики считается Леонардо да Винчи. Именно он, впервые, решил смастерить летальный аппарат, вдохновившись полетом птиц. До него еще был Икар, описанный в древнегреческих мифах. Но это скорее мечта, а вот легендарный изобретатель решил претворить ее в жизнь. До наших дней дошли его чертежи со всевозможными схемами устройства махолета. Правда, его изобретение в воздух так и не поднялось, но первый шаг был сделан. А официальное зарождение бионики как науки произошло в 1960 году. Тогда состоялся первый симпозиум по данной теме.

С тех пор, благодаря бионике, в нашей жизни появилось множество замечательных вещей. Самые интересные из них:

В основе конструкции, символа Парижа, знаменитой Эйфелевой башни лежит принцип строения человеческих костей. Архитектор Эйфель позаимствовал свою идею из научных трудов профессора анатомии Хермана фон Мейера, изучавшего устройство скелета.

Застежка-липучка также подсмотрена у природы. Джордж де Местраль часто гулял со своей собакой. Питомца он любил, но очень раздражался, когда приходилось вычесывать из его шерсти колючки дурнушника. Решив изучить это растение подробнее и избавиться от своей проблемы, инженер придумал один из самых удобных способов застежки.

Современные многоэтажки, в которых проживает большинство из нас, в точности копируют строение стеблей злаков.

Стульников Максим

Исследовательская работа по теме "Бионика - наука величайших возможностей"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Областная научно - практическая конференция

в рамках регионального молодёжного форума

«Будущее-это мы!»

Естественнонаучное направление (физика, биология)

Исследовательская работа по теме

«Бионика – наука величайших возможностей»

МБОУ «ООШ №7» г.Петровска Саратовской области

Руководители:

Филянина Ольга Александровна,

Учитель химии и биологии

Герасимова Наталья Анатольевна,

Учитель математики и физики,

г. Петровск

апрель 2014 г.

Введение стр. 3-4
От древности к современности. стр. 5-6
Разделы бионики:

3.1. архитектурно-строительная бионика; стр. 6-8

3.2. биомеханика; стр.8-12

3.3. нейробионика. стр.13-14

4. Великие мелочи, «подсмотренные у природы». стр. 14-15

5. Заключение стр. 16

6. Литература и используемые интернет – ресурсы. стр. 16

Птица –

Действующий

По математическому закону

инструмент,

Сделать который,

в человеческой власти…

Леонардо да Винчи .

Вы бы хотели одним прыжком перелетать через автомобили, двигаться как Человек – Паук, замечать врагов на расстоянии нескольких километров и сгибать руками стальные балки? Надо полагать, что да, но, увы, это нереально. Пока нереально...

Человека, с момента создания мира, интересовало многое: почему вода – мокрая, почему день сменяет ночь, почему мы ощущаем аромат цветов и пр. Естественно человек пытался этому найти объяснение. Но чем больше он узнавал, тем еще больше возникало у него вопросов: может ли человек летать как птица, плавать как рыба, как животные «узнают» о приближении шторма, о надвигающемся землятресении, о грядущем извержении вулкана, можно ли создать искусственный разум?

Вопросов «почему» очень много, часто эти вопросы не научно истолковывались, порождая вымыслы, суеверия. Для этого нужно обладать хорошими знаниями во многих областях: в физике и химии, астрономии и биологии, географии и экологии, в математике и технике, в медицине и космосе.

А существует ли наука, которая объединила бы в себе все, смогла бы сочетать несочетаемое? Оказывается – существует!

Предмет моего исследования - наука бионика - “ БИО логия” и “тех НИКА ”.

Цель исследовательской работы: необходимость возникновения науки бионики, ее возможности и границы применимости.

Для этого можно поставить ряд задач:

1.Узнать, что такое «бионика».

2. Проследить историю развития науки «Бионики»: от древности к современности и ее взаимосвязь с другими науками.

3. Выделить основные разделы бионики.

4. За что нужно сказать природе спасибо: открытые возможности и загадки бионики.

Методы исследования:

Теоретические:

- изучение научных статей, литературы по теме.

Практические:

Наблюдение;

Обобщение.

Практическая значимость.

Я думаю, что моя работа будет полезна и интересна широкому кругу и учащихся, и педагогов, так как все мы живем в природе по законам, которые она создала. Человек должен лишь умело владеть знаниями, чтобы воплотить в технике все подсказки природы и раскрыть ее тайны.

От древности к современности

Бионика – прикладная наука, изучающая возможность объединения живых организмов и технических устройств, – сегодня развивается очень быстрыми темпами.

Стремление обладать способностями, превосходящими те, что подарила нам природа, сидит глубоко внутри каждого человека – это подтвердит любой тренер по фитнесу или пластический хирург. Наши тела обладают невероятной способностью к адаптации, но есть вещи, которые им не под силу. Например, мы не умеем разговаривать с теми, кто находится вне пределов слышимости, мы не способны летать. Поэтому нам нужны телефоны, и самолеты. Чтобы компенсировать свое несовершенство, люди издавна применяли различные «внешние» приспособления, однако с развитием науки инструменты постепенно уменьшались и становились все ближе к нам.

Кроме того, каждый знает, что если что-то случится с его телом, то доктора проведут «ремонт», используя наиболее современные медицинские технологии.

Если сложить вместе эти две простые концепции, мы сможем получить представление о следующем шаге эволюции человека. В будущем врачи смогут не только восстанавливать «поврежденные» или «вышедшие из строя» организмы, они начнут активно улучшать людей, делать их сильнее и быстрее, чем это удалось природе. Именно в этом заключается суть бионики, и сегодня мы с вами стоим на пороге появления человека нового типа. Возможно, им станет кто-то из нас…

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера (от греч. órnis, род. падеж órnithos - птица и pterón - крыло), махолет , летательный аппарат тяжелее воздуха с машущими крыльями). Среди живых существ маховыми движениями крыльев для полёта пользуются, например, птицы.

Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо.

С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Бионика (от греч. Biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. /БСЭ.1978г./

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – « Живые прототипы – ключ к новой технике ».

Многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере, где составляется компьютерная программа – бионическая модель.

Сегодня бионика имеет несколько направлений.

Разделы бионики

Архитектурно-строительная бионика.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики - полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних достижений инженерной мысли.

Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект « Вертикальный бионический город-башня ». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей.

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости , легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это ещё один показательный пример бионики в действии.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций . Идея заимствована у глубоководных моллюсков . Их прочные ракушки, например у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

2. Биомеханика

Локаторы природы. Живые барометры и сейсмографы.

Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом. Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным.

Животные -"биосиноптики" от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики - не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков 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 в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Совы, летучие мыши, дельфины, киты и большинство насекомых воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана - на инфракрасный.

Термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации - дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя - по запаху (химизм прибрежных вод).

Летучие мыши, как правило,- это небольшие и, будем откровенны, для многих из нас неприятные и даже отталкивающие существа. Но так уж повелось относиться к ним с предубеждением, основа которого, как правило, разного рода легенды и поверья, сложившиеся еще тогда, когда люди верили в духов и нечистую силу.

Летучая мышь - уникальный объект для ученых-биоакустиков. Она совершенно свободно ориентируется в полной темноте, не натыкаясь на препятствия. Более того, имея плохое зрение, летучая мышь на лету обнаруживает и ловит маленьких насекомых, отличает летящего комара от несущейся по ветру соринки, съедобное насекомое - от невкусной божьей коровки.

Впервые этой необычной способностью летучих мышей заинтересовался в 1793 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Вначале он пытался выяснить, какими способами различные животные находят дорогу в темноте. Ему удалось установить: совы и другие ночные существа хорошо видят в темноте. Правда, в полной темноте и они, как оказалось, становятся беспомощными. Но когда он начал экспериментировать с летучими мышами, то обнаружил, что такая полная темнота для них не помеха. Тогда Спалланцани пошел дальше: он попросту лишил зрения нескольких летучих мышей. И что же? Это ничего не изменило в их поведении, они так же превосходно охотились на насекомых, как и зрячие. В этом Спалланцани убедился, когда вскрыл желудок экспериментальных мышей.

Интерес к загадке возрастал. Особенно после того, как Спалланцани познакомился с опытами швейцарского биолога Шарля Жюрин, который в 1799 году пришел к выводу, что летучие мыши могут обходиться без зрения, но всякое серьезное повреждение слуха для них гибельно. Стоило заткнуть им уши специальными медными трубочками, как они начинали слепо и беспорядочно натыкаться на все препятствия, возникающие на их пути. Наряду с этим на целом ряде разнообразных опытов было показано, что нарушения деятельности органов зрения, осязания, обоняния и вкуса никакого влияния на полет летучих мышей не оказывают.

Опыты Спалланцани были, несомненно, впечатляющими, но они явно опережали время. Спалланцани не мог ответить на главный и вполне по-научному корректный вопрос: если не слух или зрение, то что же в таком случае помогает летучим мышам так хорошо ориентироваться в пространстве?

В то время ничего не знали ни об ультразвуке, ни о том, что у животных могут быть какие-то иные органы (системы) восприятия, а не только уши и глаза. Кстати, именно в таком духе и пытались объяснить некоторые ученые опыты Спалланцани: дескать, летучие мыши обладают тончайшим чувством осязания, органы которого расположены, скорее всего, в перепонках их крыльев...

Дело кончилось тем, что об опытах Спалланцани надолго забыли. Только в наше время, сто с лишним лет спустя, так называемая «спалланцаниевая проблема летучих мышей», как ее окрестили сами ученые, была разрешена. Это стало возможным благодаря появлению новых средств исследования на основе электроники.

Физику из Гарвардского университета Г. Пирсу удалось обнаружить, что летучие мыши издают звуки, лежащие за порогом слышимости человеческого уха.

Элементы аэродинамики.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования полёта птиц появилась авиация.

Ещё более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения. Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации.

Реактивное движение .

Реактивное движение, используемое в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техники представляет реактивный движитель кальмара. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально разными движителями. При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее составляет почти половину объёма его тела. При реактивном способе плавания животное засасывает воду внутрь мантийной полости через мантийную щель. Движение кальмара создается за счёт выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку). Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, чем достигается изменение направление движения. Движитель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч, некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч.

Глиссер по форме корпуса похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфин был построен компанией Innespace в 2001 году.

Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться... у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля.

3. Нейробионика.

Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху. Самые преданные бионики это инженеры, которые конструируют роботов. Существует такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики - бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек.

Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Группа исследователей из университета Миннесоты пытается создать принципиально новый метод лечения 22 млн человек – столько людей в мире живет с больным сердцем. Ученым удалось изъять мышечные клетки из сердца, сохранив лишь каркас из сердечных клапанов и кровеносных сосудов. В этот каркас пересадили новые клетки.

Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл, в прошлом служившая в морском флоте США. В 2005 году Митчелл пострадала в аварии. Хирургам пришлось ампутировать левую руку Митчелл по самое плечо. Как следствие, нервы, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для контроля над протезом, остались без применения.

Великие мелочи, «подсмотренные у природы»

Знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де
Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (репейника). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку».

Присоски были изобретены при изучении осьминогов.

Производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров. Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов.

Сейчас разработан новый тип оружия, способный вводить войска противника в шоковое состояние с помощью ультразвука. Этот принцип воздействия был позаимствован у тигров. Рев хищника содержит ультранизкие частоты, которые хотя и не воспринимаются человеком как звук, оказывают на него паралитическое воздействие.

Игла-скарификатор, служит для забора крови, сконструирована по принципу, полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением.

Привычный нам поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат – комара и блохи, с укусом которых знаком каждый человек.

Пушистые «парашютики» замедляют падение семян одуванчика на землю, точно также, как парашют замедляет падение человека.

Заключение.

Потенциал бионики поистине безграничен…

Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации. Современный человек должен не разрушать природу, а брать её за образец. Обладая разнообразием флоры и фауны, природа может помочь человеку найти правильное техническое решение сложных вопросов и выход из любой ситуации.

Мне было очень интересно работать над этой темой. В дальнейшем я продолжу работу по изучению достижений бионики.

ПРИРОДА КАК ЭТАЛОН – И ЕСТЬ БИОНИКА!

Литература:

1. Бионика. В. Мартека, изд – во:Мир, 1967 г.

2. Что такое бионика. Серия "Научно-популярная библиотека". Асташенков П.Т. М., Воениздат, 1963

3.Архитектурная бионика Ю.С. Лебедев, В.И.Рабинович и др.Москва, Стройиздат, 1990. 4.

Использованные интернет-ресурсы

Htth://www/cnews/ru/ news/ top / index . Shtml 2003/08/21/147736;

Bio-nika.narod.ru

Www.computerra.ru/xterra

- http://ru.wikipedia.org/ wiki/Бионика

Www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/‎

Http://factopedia.ru/publication/4097

Http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg

Http://novostey.com

Http://images.yandex.ru/yandsearch

Http://school-collection.edu.ru/catalog