Бионика - наука величайших возможностей

Опубликовано Герасимова Наталья Анатольевна вкл 01.12.2014 - 18:58

Автор:

Стульников Максим

Исследовательская работа по теме "Бионика - наука величайших возможностей"

Скачать:

Вложение	Размер
issledovatelskaya_rabota_po_teme_bionika_mbou_ooshno7.docx	349.17 КБ

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»

Автор: Стульников Максим, обучающийся 6 класса

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.

Содержание

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 - “БИОлогия” и “техНИКА”.

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/‎