Леонардо да винчи бионика. Достижение бионики реферат по биологии, сочинения из биология
Бионика (от греч. biоn — элемент жизни, буквально — живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.
Совсем недавно родилась наука бионика (в 1960 г.), цель которой — помочь человеку перенять «секреты» у живой природы. Природа создала необыкновенно совершенные живые механизмы. Ученых привлекает скорость и принцип передвижения дельфинов, китов, кальмаров, пауков, кротов, кенгуру, искусство полета птиц и насекомых, особенности органов зрения мух, лягушек, органов слуха медузы, «секреты» эхолокаторов летучих мышей, термолокаторов гремучих змей и т.д. и т.п.
Бионика нашла применение в таких сферах деятельности как самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, архитектура, навигационное приборостроение, горном деле и др.
Бионика в строительстве и промышленности
Рассмотрим некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практических целях.
Пингвины передвигаются, скользя по снегу, отталкиваясь ластами. Снегоходная машина была разработана по такому же принципу в Горьковском политехническом институте. Лежа на снегу широким днищем она не образует колею, не буксует и не вязнет.
Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным.
Конусообразную формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, грибов. Именно такую форму имеют угледобывающие комбайны. Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Архитекторы нередко используют конусовидный конструкции (Останкинская телебашня.)
Сооружения, созданные природой, намного совершеннее того, что пока умеет делать человек.
Богат и разнообразен мир животных, обитающих под землей. Дождевые черви, кроты имеют удивительные приспособления, с помощью которых они прокладывают подземные ходы.
Они представляют большой интерес при создании подземных роющих агрегатов. Разработана, например, оригинальная модель, которая, двигаясь под землей подобно кроту, пробивает туннель с гладкими плотными стенками.
Бионика взяла от земноводных принцип строения задней конечности. Воплотив это в таком предмете, как ласты.
Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются, или могут быть использованы человеком: ультразвуковое видение летучих мышей, эхолокация дельфинов (на расстоянии 20–30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм).
Реферат по биологии
Подготовила Совалкина Мария Валерьевна, ученица 102 класса
МОУ Гимназия №19
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.
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.
Говорят, что раз в столетье на Земле рождается гений. Таким гением был
Леонардо да Винчи. Величайший художник, скульптор, математик, инженер и
анатом Леонардо да Винчи стремился найти истину, познать и описать ее.
«В наставницы себе я взял природу – учительницу всех учителей»
Почему этот великий ученый в учителя себе взял природу?
Жизнь в самой примитивной форме возникла на Земле около 2 млрд. лет
назад. Миллионы столетий длился беспощадный естественный отбор, в результате
которого выжили самые сильные и совершенные. Позаимствовать самое лучшее у
природы, чтобы расширить возможности человека первым и предложил Леонардо
да Винчи. В 1485 году он создал механический летательный аппарат –
орнитоптель, принцип работы которого он скопировал у птиц. И хоть тогда
человеку не удалось научиться летать, но это положило начало новой науке –
бионики. Бионика – это симбиоз биологии и техники.
Если историю Земли – 4,5 млрд. лет − представить как один день, то
получится, что человек разумный появился на планете меньше минуты назад.
Миновали буквально доли секунды, а он уже возомнил себя творцом и уже может
создавать не хуже природы. До недавнего времени, изобретая новое, человек не
догадывался, что это уже существует. Надо только увидеть и применить. 99%
научных открытий человек подсмотрел у природы. Все, что нас окружает, имеет
свой природный аналог.
Би ника
оо
(от др.греч. βίον - живущее) -
прикладная наука о
применении в технических устройствах и системах принципов организации,
свойств, функций и структур живой природы. Проще говоря, бионика - это
соединение биологии и техники. Дата рождения бионики: 13 сентября 1960
года. 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.
1.
Биология и техника.
Человек всегда мечтал покорить небо. Но оно было доступно только
птицам. И именно птицы подарили людям идею полета. Мечты о полетах и их
реальное воплощение – это очень разные вещи. И не смотря на смелые идеи, такие
как у Леонардо да Винчи, человечество еще долгие века оставалось бы приковано
к земле. Изучение птиц, строения их крыльев и хвоста, привело к тому, что
человек изобрел самолет.
Корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное
средство, скопированное с тропической рыбыкузовка. Несмотря на свою
чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.
Строение глаза человека положило начало фотообъективу, строение
соцветия подсолнуха – солнечным батареям. Вычесывая соцветия репейника и
шерсти совей собаки после прогулки, знаменитый дизайнер изобрел застежки
липучки. Насекомые подсказали ученым идею о вертолетах. Рыбы натолкнули на
создание подводных лодок.
2.
Бионика в архитектуре и дизайне.
Мы сталкиваемся каждый день с бионическими изобретениями даже не
подозревая об этом. Чаще всего принципы, принятые у природы, встречаются в
архитектуре.
Например, в конструкции знаменитой Эйфелевой башни лежит строение
бедренной кости человека. На головке кости имеется множество опорных точек,
благодаря им, нагрузка на сустав распределяется равномерно. Это позволяет
изогнутой бедренной кости выдерживать большой вес тела. Такие же опорные
точки можно найти и в основании Эйфелевой башни. Ее конструкция считается
архитектурным эталоном устойчивости.
Природный аналог есть и у другой башни – Останкинской. Прототипом
Останкинской башни является стебель пшеницы. Его способность не ломаться
под тяжестью соцветия и легли в основу башни.
Архитекторы все чаще обращаются к принципам функционирования живых
организмов. Чтобы понять, как это работает, конструктору приходится изучать
биологию. Природными прототипами архитектурных конструкций становятся
рыбы, птицы, растения и даже человеческое тело.
3.
Биология и робототехника
Человечество всегда будет хотеть иметь железного, надежного помощника,
которому можно доверить, то, что сам сделать не может. Моя будущая
профессия связана с машиностроением. Машиностроительная отрасль является
практическое
наиболее
применение промышленные роботы получили благодаря американским
роботизированной.
Впервые
инженерам Д. Деволу и Д. Энгельбергу в конце 50х начале 60х годов ХХ века.
Их используют для выполнения разных технологических процессов с целью
повышения эффективности деятельности предприятия.
В конструкции промышленный робот может содержать один или несколько
манипуляторов, при этом сам манипулятор может обладать различной
грузоподъемностью, точностью позиционирования, степенью свободы. При
создании промышленного робота активно используют бионические модели.
Манипулятор промышленного робота выполняет основные виды работ. Он
устроен по принципу конечностей членистоногих: состоит из определенного
количества подвижных соединенных друг с другом осей. Чем больше осей, тем
более универсальная конструкция у робота. Расположение и гибкость соединения
осей робота были тщательно сделаны по человеческому образцу (соединение
суставов). Регулирование осей манипулятора происходит с помощью датчиков.
Они аналогичны органам чувств и реагируют на свет, положение в пространстве.
Природа хранит ещё множество загадок, гармония её творений всегда
удивляла и будет удивлять мир человека. Но вот вопрос: «Успеем ли мы
воспользоваться оставшимися «патентами живой природы»? Учитывая темпы, с
которыми растения и животные исчезают с лика земли, а статистика неумолимо
констатирует: ежегодно – один вид животных и ежедневно – один вид растений, −
поставленный вопрос звучит очень тревожно. Проблема бионики здесь плотно
переплетается с экологической проблемой. В связи с этим сохранение редких и
исчезающих видов животных и растений, поддержание окружающей среды в
условиях, благоприятных для жизни всего живого на Земле, − насущная
проблема, и залог дальнейшего развития и совершенствования техники,
градостроительства, архитектуры, кибернетики и т.д. Технология должна
приближаться к «рецептам природы» и непосредственно использовать
биологические методы, ведь они, как правило, весьма экономичны, наиболее
эффективны и безотходны.
1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность
2. Аналоги природных форм в медицине
3. Принципы бионики на службе у медицины
Заключение
Список литературы
1. Бионика как наука - история развития, определения, сущность
Формальной датой рождения одной из новых наук, возникшей в современном нам ХХ
в., бионики, принято считать 13 сентября 1960 г. - день открытия первого
американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных
систем - ключ к новой технике». Однако, само собой разумеется, что проведение
такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было
накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования
живых систем, а также появились возможности практического использования добытых
знаний для решения ряда актуальных задач техники.
Название «бионика
» происходит от древнегреческого корня «bion» - элемент жизни,
ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы.
Сразу же возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение
научной сути бионики, - синтезировать накопленные в различных науках знания.
Присущий ХХ в. интенсивный процесс разъединения, дробления научных
дисциплин, крайняя степень конкретизации целей и задач отдельных наук
привели к возникновению более полутора тысяч отраслей знаний. В течение
достаточно длительного отрезка времени такая дифференциация знаний
способствовала успешному развитию большинства отраслей науки и техники, но в
настоящее время узкая специализация ученых затрудняет познание, и появляется
настоятельная потребность в интеграции результатов научных исследований на
основе единых, всеобъемлющих принципов.
Первой попыткой к новому объединению явилась кибернетика, основным
интеграционным принципом которой стала всеобщность методов управления
живым и неживым и их связи.
Бионика
же во многом является логическим продолжением кибернетики, но она
устраняет противоречия, ставшие результатом специализации наук и их разобщения,
и интегрирует разнородные сведения в соответствии с единством живой природы,
или биологическим принципом. Поэтому эмблемой бионики являются скальпель и
паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом - «Живые прототипы - ключ к
новой технике».
Единого мнения о содержании бионики - едва ли не самой популярной из молодых
наук, возникших в ХХ в., - до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику
новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по
всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку.
Обращаясь к наиболее устоявшемуся определению, можно сказать, что бионика
- это
наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования
биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для
коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин,
приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов.
Бионику также можно назвать наукой о построении технических устройств,
характеристики которых максимально приближены к характеристикам живых систем.
Как и у большинства наук, структура бионики неоднородна. В настоящее время
принято выделять три методологических направления бионики: биологическое,
математическое (теоретическое) и техническое.
Биологическая бионика
базируется на самых разных разделах биологии и медицины,
использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы,
которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного
плана.
Содержанием теоретической бионики является разработка математического
аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и
процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах
организмов.
Сферой деятельности технической бионики является реализация математических
моделей или иных сторон деятельности живых организмов, часто полученных в ходе
исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования
существующих и создания совершенно новых технических средств и систем,
превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и
действующих по биологическому принципу.
В процессе продолжительной эволюции природа создала на Земле бесчисленное
множество живых организмов, многие из которых по праву могут быть отнесены к
«живым инженерным системам», функционирующим очень точно, научно и экономично,
отличающимся поразительной точностью, целесообразностью, способностью
реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды,
запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными
приспособительными реакциями.
Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине - той отрасли
биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь.
Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд
технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции,
арабские врачи уже много сотен лет назад 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, а затем и для
коррекции зрения.
Когда в одном из свои странствий Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на
пари, смыслом которого было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать,
что заложенный в них принцип использовали животные до того, как до этого
додумался человек, одним из изобретений было названо использование осами
анестезии. При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они
применяют методы, которые любой врач может назвать методами проводниковой
анестезии - укус с впрыскиванием нейроплегического (нервнопаралитического)
вещества в область крупных нервных стволов полностью парализует, но не
умерщвляет паука, который недвижимо лежит в осином гнезде вплоть до появления
из кладки личинок, для которых и заготавливалась эта пища.
2. Аналоги природных форм в медицине
Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира.
Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью
выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас
врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему
строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается
безболезненностью, а с другой - всегда сопровождается достаточно сильным
кровотечением.
Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат
насекомых - комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый
человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для
наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не
изменила своей первоначальной формы - формы реберных костей крупных рыб, а
скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной
режущей кромкой.
Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков,
а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских
технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и
наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и
применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для
этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника
строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на
химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.
3. Принципы бионики на службе у медицины
Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование
биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани
в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек
открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков
представлялось кране ограниченным. Однако результаты современных исследований
утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает
посылать к мышцам руки биотоки - слабый электрический сигнал - и тогда, когда
нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к.
импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь
ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений (мышцы)
отсутствует.
Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалом, была изготовлена
в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и весьма громоздкую систему
усиления и преобразования снимаемых с какой-либо мышцы биоэлектрических
сигналов. Первая искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа
«сжать пальцы», «разжать пальцы» и простейшее чередование этих команд, без восприятия
сигналов регулирующего типа, сообщающих, с какой силой должно производиться
движение. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой «железной
рукой», неизбежно заканчивалась бы травмой.
Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине «семимильными
шагами», и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по
автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не
имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске
ясно и четко: «Привет участникам конгресса». Кистью протеза, которая четко
сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений,
достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых
было становление обратной связи, возможности ощущать протез.
Чуть позже, на конференции по бионике, проходившей в Баку, был
продемонстрирован макет руки с чувствительными к давлению датчиками,
укрепленными на кончиках пальцев, созданными из токопроводящей резины или
тонкой проволоки. Под влиянием давления на датчики сигналы от них
изменяют частоту вибраций зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва,
идущего в мозг. В настоящее время наиболее перспективными представляются
датчики с использованием костно-вибрационных и электрокостных раздражений,
однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих
элементов необходимо еще значительное время, заполненное экспериментами и
научно-исследовательской работой.
Другим аспектом применения биотоков в медицине является их использование в
лечении парезов и параличей, коррекции ряда патологических состояний при
беременности, а возможно, и для облегчения состояния больных полиомиелитом
и детским церебральным параличом, сколько-нибудь адекватного лечения которых
в настоящее время не существует.
Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало
возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой
гипотермии (т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для
замедления обменных процессов в тканях и органах). Но мало кто знает, что
именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза - состояния глубокой
спячки - многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее
время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных
процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном
состоянии, потребление энергетических субстратов.
Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания
автоматического желудочно-кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и
многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии.
Возвращаясь к протезированию конечностей, следует отметить, что еще один
современный тип протезов, применяющихся в основном для протезирования нижних
конечностей, а точнее - протезы на силиконовой основе, также содержит в основе
своей природный принцип - принцип гидравлического строения ходильных ножек
паука, движения которых основаны на переходе состояния биологического коллоида
по типу «гель-золь».
В какой-то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении
самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые
поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически
полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой
кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся
полупроницаемостью.
Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или
практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых
ранее расценивалось как практически безнадежное.
Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных
слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека
и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта
проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем
медицины.
Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с
помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых-физиологов:
низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут
восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры
создали так называемый «радиозуб» - систему, с помощью которой ранее не слышавшие
люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие
одного-единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых
зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости.
Конструкцию аппарата можно описать приблизительно следующим образом:
миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же
миниатюрным передатчиком, преобразующим звук в радиосигналы, которые улавливает
приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой
полупроводникового сплава, наложенного на свободные нервные окончания,
находящиеся в зубном канале. Этот полупроводниковый сплав образует
пьезоэлектрический элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который
служит антенной. По внешнему виду такая конструкция практически ничем не
отличается от привычных в современной ортопедической стоматологии
металлизированных пломб и коронок.
Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в
пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные
окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые
слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого
момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для
человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество
ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с
так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в
сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации.
В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования
так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств,
моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции
органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с
исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана
электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая
частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в
частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их
динамике.
Модель американских ученых В. Колдуэлла, Э. Гленера, Дж. Стюарта предназначена
для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых
человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек
опознает звуки, фонемы и слова, произносящиеся разными людьми. Эти исследования
могут послужить как для медицинских целей в плане создания более совершенных
слуховых аппаратов, так и для совершенствования компьютерной техники.
Заключение
Таким образом, уже из нескольких примеров можно сделать вывод о значительной роли бионики в современном научном мире, причем не просто как абстрактной науки, не лишенной небольшого прикладного значения, а как базисной основы современной техники и технологий. Природа оттачивала свое инженерное мастерство неисчислимое количество лет, что и объясняет детальную, даже миниатюрную отточенность функций и форм природных объектов. Человек обладает инженерным мастерством сравнительно недавно, значит, его обращение к природным объектам принципиально верное и сулит в будущем много интересного и неожиданного, а следовательно обусловливает развитие одной из новых наук - бионики.
Список литературы
1. Березин Ф. Б. Психологическая и психофизическая адаптация человека. Л.:
Наука, 1988.
2. Джеральд Дарелл. По всему свету. Зеленая серия. М.: Армадо-пресс, 2001.
3. Венчиков А. И. Биотоки. М.: Медиз, 1962.
4. Матюхин В. А., Разумов А. Н. Экологическая физиология человека и
восстановительная медицина. М.: ГОЭТАР «Медицина», 1999.
5. Пуговкина Н. А. Общая биология. М.: «просвещение», 1990.
6. История медицины: Сборник очерков. Изд-во Волгоград. мед. акад., 1994.
7. Удивительное в мире животных /под ред. Константинова А. С., Лариной
Н. И. Изд-во Сарат. гос. ун-та, 1970.
Лозунг бионики: «Природа знает лучше». Что же это за наука такая? Уже само название и такой девиз дают нам понять, что бионика связана с природой. Многие из нас ежедневно сталкиваются с элементами и результатами деятельности науки бионики, даже не подозревая об этом.
Вы слышали о такой науке, как бионика?
Биология - популярное знание, с которым нас знакомят ещё в школе. Почему-то многие считают, что бионика - один из подразделов биологии. На самом деле это утверждение не совсем точное. Действительно, в узком смысле слова бионика - это наука, изучающая живые организмы. Но чаще всего мы привыкли ассоциировать с этим учением нечто другое. Прикладная бионика - наука, которая сочетает в себе биологию и технику.
Предмет и объект бионических исследований
Что изучает бионика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть структурное деление самого учения.
Биологическая бионика исследует природу такой, какая она есть, без попытки вмешательства. Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем.
Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.
Практическая (техническая) бионика - это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.
Откуда всё начиналось?
Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже.
Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антони Гауди-и-Курнет. Его имя прочно впечатано в историю этой науки. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей.
Следующим, кто поддержал идею симбиоза природы и технологий, стал Под его руководством началось широкое применение бионических принципов в проектировании зданий.
Утверждение бионики как самостоятельной науки произошло лишь в 1960 году на научном симпозиуме в Дайтоне.
Развитие компьютерной техники и математического моделирования позволяют современным архитекторам намного быстрее и с большей точностью воплощать в архитектуре и других отраслях подсказки природы.
Природные прототипы технических изобретений
Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.
В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.
Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, их используют для усовершенствования конструкций ножек различных кухонных приспособлений, чтобы избежать их скольжения во время работы. Также присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.
Можно найти множество таких примеров. Бионика - это как раз та наука, которая помогает человеку заимствовать у природы технические решения для своих изобретений.
Кто первый - природа или люди?
Иногда случается, что то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть и перенять.
Так произошло с обычной липучей застёжкой, которая используется человеком для застегивания одежды. Было доказано, что в для сцепления тонких бородочек между собой тоже применяются крючочки, подобно тем, которые есть на застёжке-липучке.
В строении фабричных труб наблюдается аналогия с полыми стеблями злаков. Продольная арматура, используемая в трубах, сходна со склеренхимными тяжами в стебле. Стальные кольца жёсткости - междоузлия. Тонкая кожица с внешней стороны стебля - это аналог спиральной арматуры в строении труб. Несмотря на колоссальное сходство структуры, учёные самостоятельно изобрели именно такой метод постройки фабричных труб, а уже позже увидели тождество такого строения с природными элементами.
Бионика и медицина
Применение бионики в медицине даёт возможность спасти жизнь многим пациентам. Не прекращаясь, ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека.
Первым посчастливилось испытать датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием.
Все исследования в данном направлении полностью основываются на копировании природных процессов и механизмов и их техническом исполнении. Это и есть медицинская бионика. Отзывы учёных гласят, что в скором времени их труды дадут возможность менять износившиеся живые органы человека и вместо них использовать механические прототипы. Это действительно станет величайшим прорывом в медицине.
Бионика в архитектуре
Архитектурно-строительная бионика - особая отрасль бионической науки, задачей которой становится органическое воссоединение архитектуры и природы. В последнее время всё чаще при проектировании современных конструкций обращаются к бионическим принципам, позаимствованным у живых организмов.
Сегодня архитектурная бионика стала отдельным архитектурным стилем. Рождалась она с простого копирования форм, а сейчас задачей этой науки стало перенять принципы, организационные особенности и технически их воплотить.
Иногда такой архитектурный стиль называют экостилем. Всё потому, что основные правила бионики - это:
- поиск оптимальных решений;
- принцип экономии материалов;
- принцип максимальной экологичности;
- принцип экономии энергии.
Как видите, бионика в архитектуре - это не только впечатляющие формы, но и прогрессивные технологии, позволяющие создавать сооружение, отвечающие современным требованиям.
Характеристики архитектурных бионических строений
Опираясь на былой опыт в архитектуре и строительстве, можно сказать, что все сооружения человека непрочны и недолговечны, если они не используют законы природы. Бионические здания, помимо удивительных форм и смелых архитектурных решений, обладают стойкостью, способностью выдерживать неблагоприятные природные явления и катаклизмы.
В экстерьере зданий, построенных в этом стиле, могут просматриваться элементы рельефов, форм, контуров, умело скопированные инженерами-проектировщиками с живых, природных объектов и виртуозно воплощенные архитекторами-строителями.
Если вдруг при созерцании архитектурного объекта покажется, что вы смотрите на произведение искусства, с большой вероятностью перед вами строение в стиле бионика. Примеры таких конструкций можно увидеть практически во всех столицах стран и больших технологически развитых городах мира.
Конструкция нового тысячелетия
Ещё в 90-х годах испанской командой архитекторов был создан проект здания, основывающийся на совершенно новой концепции. Это 300-этажное строение, высота которого будет превышать 1200 м. Задумано, что передвижение по этой башне будет происходить с помощью четырёх сотен вертикальных и горизонтальных лифтов, скорость которых - 15 м/с. Страной, согласившейся спонсировать данный проект, оказался Китай. Для строительства был выбран самый густонаселённый город - Шанхай. Воплощение проекта позволит решить демографическую проблему региона.
Башня будет иметь полностью бионическую структуру. Архитекторы считают, что только это сможет обеспечить прочность и долговечность конструкции. Прототипом строения является дерево кипарис. Архитектурная композиция будет иметь не только цилиндрическую форму, похожую на ствол дерева, но и «корни» — новый вид бионического фундамента.
Наружное покрытие здания - это пластичный и воздухопроницаемый материал, имитирующий кору дерева. Система кондиционирования этого вертикального города будет аналогом теплорегулирующей функции кожи.
По прогнозам учёных и архитекторов, такое здание не останется единственным в своём роде. После успешного воплощения количество бионических строений в архитектуре планеты будет только увеличиваться.
Бионические здания вокруг нас
В каких известных творениях была использована наука бионика? Примеры таких сооружений несложно отыскать. Взять хотя бы процесс создания Эйфелевой башни. Долгое время ходили слухи, что этот 300-метровый символ Франции построен по чертежам неизвестного арабского инженера. Позже была выявлена полная её аналогия со строением большой берцовой кости человека.
Кроме башни Эйфеля во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений:
- возводилась по аналогии с цветком лотоса.
- Пекинский национальный оперный театр - имитация водяной капли.
- Плавательный комплекс в Пекине. Внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.
- Небоскрёб "Аква" внешне похож на поток падающей воды. Находится в Чикаго.
- Дом основателя архитектурной бионики Антонио Гауди - это одно из первых бионических сооружений. До сегодняшнего дня он сохранил свою эстетическую ценность и остаётся одним из самых популярных туристических объектов в Барселоне.
Знания, необходимые каждому
Подводя итоги, можно смело заявить: всё, что изучает бионика, актуально и нужно для развития современного общества. Каждый должен ознакомиться с научными принципами бионики. Без этой науки невозможно представить технический прогресс во многих сферах деятельности человека. Бионика - это наше будущее в полной гармонии с природой.
