«Бионика. Живые прототипы искусственных систем»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ –

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №16

РАЙОННЫЙ КОНКУРС

ПРОЕКТНЫХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ «ДЕНЬ НАУКИ»

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ: «ЮНЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ»

ТЕМА: «Бионика. Живые прототипы искусственных систем»

Выполнил:

Чистюхин Константин Сергеевич

Класс 5 «б»

Научный руководитель:

Некрасова Елена Борисовна

Должность: учитель географии

г.о. Клин, 2022

СОДЕРЖАНИЕ

Введение        

1.1Актуальность темы ………………………………………………………………   стр.3

2. Основная часть.                                                                                

2.1 Понятие бионика ……………………………………………………………………стр.4

2.2 История появления науки         ……………………………..        ………………………….стр.5 2.3 Основные направления бионики и современные открытия ………….... стр.6 2.4 Современные открытия, «подсмотренные у природы»         ……………….. стр. 9 3. Наблюдения и опыты за примерами соединения

объектов биологии и техники в различных областях         

3.1 Анкетирование ……………………………………………………………………..стр.11 3.2 Бионика в быту …………………………………………………………………… стр.13

3.3 Бионика в технике, промышленности, науке ……………………………...стр. 13

4. Заключение ………………………………………………………………………….стр. 14 Список литературы …………………………………………………………………...стр.16

Приложения ……………………………………………………………………………..стр.17                                                                

Введение

1.1 Актуальность темы

С древних времен человек, наделенный пытливым разумом и неординарным мышлением, задавался мыслью каким образом и чем движется и живет мир. Окружающая природа была книгой для понимания жизни и устоев бытия. Будучи неотъемлемой частью этого мира, человечество во все времена желало летать как птицы, плавать как рыбы, управлять стихиями природы как боги. Симбиоз человеческой мысли и природы нашел применение почти во всех сферах жизни, облегчая тяжелые и бытовые условия существования.

Все новые знания и по сей день открывает нам Природа-матушка. Каждый раз обращаясь к ней мы поражаемся мудрости и глубине непознанного. Технические изобретения человека можно сравнить с детской головоломкой по сравнению с творениями Природы. И мы не перестаем обращаться к ней за знаниями и сегодня. Наш технический прогресс использует биологически вредные материалы, тогда как Природа работает только с живым биологическим материалом, работа которого заключается в сложнейших химических процессах, не причиняющих вреда нашей планете.

Замечая, как много люди стали заимствовать у Природы, как внимательно стали присматриваться к ее работе, я задался вопросом, каким образом с помощью Природы наука создает новые изобретения? Какие современные изобретения, заимствованные у Природы, я использую в своей жизни?

 Цель работы: изучение науки бионики, как науки, выявляющей особенности строения и функционирования отдельных представителей животного и растительного мира и применение их на благо человечества.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

 Задачи проекта:

- раскрыть смысл понятия – «бионика»;

- познакомить с историей появления науки;

- рассмотреть применение на практике некоторых открытий бионики;

- изучить последние достижения бионики;

Практическая задача:

- создать познавательную картотеку «Био + Ника» для школьников начального и среднего звена на основе данных о бионических формах животных, изучаемых на уроках биологии и собственных жизненных наблюдений.

Из поставленной цели и задач я определил предмет исследования и выдвинул гипотезу моего проекта.

Предмет исследования: особенности строения и функционирования некоторых представителей живых организмов и технические изобретения человека.

Гипотеза: мир создан совершенно, не требуя доработки, и человек в большинстве технических достижений лишь копирует свойства уже сотворённого.

2. Основная часть

2.1 Понятие бионика

А есть ли такая наука, которая совместно и во благо природе, смогла бы объединить в себе прикладные науки и биологические организмы? Да! Такая наука существует! Она называется БИОНИКА. Данное определение сложилось из двух частей слов “БИОлогия” и “техНИКА”.[3] Бионика является прикладной наукой, которая изучает биологические функции, процессы и структуру живой природы и воспроизводит данные аналоги в технических моделях. Термин научного направления бионика используется в России.

В зарубежных странах аналогом является биомиметика, что в переводе с латинского означает  bios - жизнь, и mimesis – подражание. Иными словами «подражание, имитирование природы». Впервые этот термин появился благодаря Джанину Бениусу – американскому писателю-натуралисту.[4]

Наука бионика имеет несколько направлений: бионика в медицине; биологическая бионика; архитектурно-строительная бионика; техническая бионика; нейробионика.

2.2 История появления науки

Считается, что как наука бионика появилась после первого научного симпозиума, который прошел в США в городе Дайтон. 13 сентября 1960 года мировое научное сообщество официально заявило о рождении новой науки. Учёные избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла. «Девизом бионики стали слова: «Живые прототипы – ключ к новой технике».[7]

С рождения мы наблюдаем за солнцем и луной, сменой дня и ночи, живой и неживой природой. Каждый день мы открываем для себя что-то новое и не устаем познавать себя и мир вокруг. Необычайно интересная и увлекательная лаборатория природы. Все здесь живет и меняется на протяжении миллионов лет. Процесс совершенствования в результате естественного отбора не останавливается ни на минуту, создавая растительный и животный мир более мобильным и выносливым, способным выжить в трудных условиях и дать продолжение жизни.

Человек так же является частью этого мира и желание все время совершенствоваться заложено на генном уровне. Природа без человека будет жить и развиваться дальше, но человек без природы пропадет. Человечество всегда поражалось совершенству окружающего мира и его жизни, построенной согласно законам всех известных нам наук. Мы не перестаем удивляться и восхищаться нашей планетой, но и стараемся учиться у природы, подражать ей.

Считается, что праотцом науки бионика стал Леонардо да Винчи.[6] Именно ему принадлежит великолепная идея создания первого летательного аппарата в мире. Парить над землей подобно птицам мечтали многие ученые древности, но именно Леонардо да Винчи пришла гениальная идея, которую он подсмотрел у природы. Наблюдая за полетом птиц и строением крыльев, ученый смастерил летательный аппарат. Благодаря его чертежам и в наше время инженеры смоделировали такой летательный аппарат как орнитоптер.

2.3 Основные направления бионики и современные открытия

Природа человека так устроена, что все время стремится к изменениям, нововведениям, то есть постоянному совершенствованию, оттачиванию и улучшению всего и вся. Но стать выше физических законов природы мы не можем, поэтому все время ищем альтернативные источники информации для достижения своих целей. Основным источником является, естественно, окружающий нас мир. С рождения мы учимся ходить, понимать, мыслить, наблюдать, анализировать. Латинский афоризм гласит «scientia potentia est», что означает «знание это сила» и, согласно данной фразе, благодаря накопленным веками знаниям, мы сейчас умеем летать не только как птицы, но и покоряем космос. Умеем плавать как рыбы и подолгу находиться без воздуха, преодолевать пространство быстрее скорости света, управлять дождем и многое другое. Научно – технический прогресс усовершенствовал жизнь человека, облегчив труд при помощи роботов, помогая общаться несмотря на расстояние и многое другое. Но многие отходы жизнедеятельности человека порой наносят большой вред природе с точки зрения экологии. Наука бионика – это всесторонне развитая наука, которая направлена на совершенствование нашей жизни в гармонии с природой, а не вопреки или во вред.

На сегодняшний день бионика имеет три основных направления – биологическое, математическое и техническое.[2]

Бионика в архитектуре изучает и анализирует принципы и законы, благодаря которым происходит структурирование и формирование живых тканей, таким образом происходит экономия материала и энергетических затрат, но сохраняется и обеспечивается надежность конструкции. Поэтому приоритетными являются новые строительные технологии, основополагающие принципы которых базируются на законах природы. Не только конструктивные природные элементы, но и неординарные дизайнерские решения, подсмотренные у флоры и фауны, повсеместно используются в архитектуре, как новейшее модное направление строительных технологий.[6]

Например, современные высотные здания и сооружения созданы как аналог строения стебля злаковых культур. Почему именно злаки были взяты за основу? Ответ прост, как и все гениальное. Оказывается, что растения могут выносить большие нагрузки, стебли очень быстро восстанавливают вертикальное положение после сильного ветра или дождя, не ломаются под тяжестью соцветий. Весь фокус в том, что стебли внутри полые и соединены междоузлиями через определенное расстояние, что позволяет им оставаться довольно гибкими и выносливыми при любых погодных условиях.[6] Данное природное конструкторское решение и было взято за основу при строительстве высотных зданий и сооружений. Для большего усиления жесткости постройки в растениях присутствует снаружи стебля тонкая кожица, а в высотных постройках (например, высотные фабричные трубы) стенки усилены спиральной арматурой.

Всегда был удивителен тот факт, как птицы или рыбы в момент миграции могут преодолевать безошибочно сотни километров, не сбиваясь с нужного направления. Для изучения данного факта и разработки новых высокочувствительных систем слежения и наблюдения, заимствованных у живых организмов, и было создано такое направление в бионике как биомеханика.

Изучение строения и функций мозга высших живых существ и человека, дало толчок для разработки биологических средств навигации и ориентации в пространстве.[4]

Еще много интересных и малоизученных человеком систем ориентирования в пространстве существует в природе. Нам пока мало известно о том, каким образом осы и пчелы могут ориентироваться по солнцу, а самцы бабочки ночного павлиньего глаза находят самку на расстоянии около 10 км. Также мало изучена система ориентации, например, осетровых пород рыб, которые безошибочно находят места нереста, знакомые в момент появления на свет.

Вполне возможно, что скрытые нейрохимические связи помогают выбирать правильные ориентиры животным и насекомым. Данными исследованиями занимается следующее направление в бионике – нейробионика. Она изучает мозг, его механизмы и функции, а также память и реакции. Приоритетным направлением для исследований, конечно же, является нервная система человека, ее строение и нейронные связи. Изучение нервной системы у животных так же помогает в развитии и совершенствовании современной электронной техники. Андроиды, планшеты, телефоны, ноутбуки и т.д. – это наше сегодня. Все эти роботы, вышедшие из конструкторских бюро инженеров-биоников, созданы для облегчения и комфорта человека. Наука не стоит на месте и, благодаря бионике, создает более совершенные машины, которые должны исправно работать в городских и домашних условиях, где есть разного рода препятствия в виде дверей, лестниц и т.д. Следовательно, им должны быть присущи внешние признаки, соответствующие принципам передвижения и выполняемым функциям. Например, ученые-инженеры Стенфордского университета скопировали внешний вид у жуков для своего гексапода (17-сантиметровый шестиногий  мини робот). Он может развивать скорость до 55 см/сек. Мини роботы уже сейчас решают важнейшие задачи для человечества, уничтожая бытовые отходы. В будущем планируется, что мини роботы смогут подготавливать на других планетах всю инфраструктуру для жизни человека. Бионика в медицине занимается разработкой и производством донорских органов, что позволит в будущем спасти не одну человеческую жизнь. Уже учеными в институте реабилитации в г. Чикаго (США) был создан первый бионический протез руки.[4] Он позволяет не только на мысленном уровне управлять рукой, но и распознавать некоторые тактильные ощущения.

2.4 Современные открытия, «подсмотренные у природы»

Наша планета очень красивая, ее флора и фауна богата и разнообразна. Хоть и существует уже несколько тысячелетий человечество, но до сих пор остается еще много тайн и загадок, которые предстоит еще нам разгадать. Вот малая часть открытий, которые человеку удалось перенять у природы.

1. От одуванчика к парашюту. Каждый раз мы удивляемся как все продуманно и мудро устроено на нашей планете. Никто не сеет, не жнет, не поливает, не пашет, а все растет и развивается. Миллионы лет маленькие семена одуванчика с «парашютиками» сами разлетаются по всему белому свету. Благодаря пушинкам, семечко не сразу падает на землю, а находится некоторое время в свободном полете, подхваченное ветром. Поэтому даже в городах летающие семена одуванчика залетают в открытые окна квартир на верхних этажах.

Считается, что первая идея о создании парашюта пришла в голову итальянцу Леонардо да Винчи. В изобретении парашюта целиком и полностью лежит идея семечки одуванчика с «парашютиком». Принцип работы один и тот же: раскрытый купол парашюта замедляет скорость падения, уменьшая силу притяжения земли.[3] Современные парашюты снабжены дополнительными клапанами в куполе, которые позволяют во время полета лавировать, меняя траекторию полета. (рисунок 2)

2. От пингвина к снегоходной машине. Южный полюс – земля льдов и пингвинов. Изучать и исследовать эту часть света сложно без специальной техники, приспособленной к снегам и льдам материка. И вот ученые Горьковского политехнического института создали под руководством А.Ф. Николаева первую в мире машину, которая могла передвигаться по рыхлому снегу Антарктиды. Снегоходную машину назвали «Пингвин» и не случайно: принцип работы данной машины позволял передвигаться по рыхлому снегу, не утопая в нем так же, как это делают пингвины. Эти, не способные летать птицы, преодолевают большие снеговые преграды с легкостью благодаря простому приему – они скользят на брюхе по рыхлому снегу, энергично отталкиваясь лапами и при этом они умудряются развивать скорость до 20 км/ч. Снегоходная машина «Пингвин» была оснащена широким днищем, что позволяло ей, отталкиваясь от снега колесными плицами, развивать скорость до 50 км/ч, не увязая в снегу.

3.От ели к Останкинской башне. Весьма распространенной формой кроны дерева или соцветий, раковин, грибов является конус. Он имеет хорошую опору, что позволяет уменьшать силу тяжести, создает высокую сопротивляемость ветровым нагрузкам. Инженеры и архитекторы часто используют конус в своих разработках. Архитектурный стиль, который использует принципы бионики, называется био-тек. Ветровые мельницы все имеют основание в виде конуса. Всем известная Останкинская телебашня в Москве и Эйфелева башня в Париже имеют ярко выраженную форму конуса.

Небольшой список подобных примеров:

3. Наблюдения и опыты за примерами соединения объектов биологии и техники в различных областях

        3.1 Анкетирование

Бионика – это очень интересная, но относительно новая наука. Школьная программа не включает изучение данного курса. Я провел анкетирование среди учащихся 5-х классов, чтобы выяснить, что могут знать школьники о науке бионика. В анкетировании принимали участие 70 обучающихся.

«Что Вы знаете о бионике?»

1. Как Вы думаете, что изучает бионика?

А) строение человека;

Б) строение животных

В) части растения

Г) бактерии и микроорганизмы

Д) биологические функции, процессы и структуру живой природы

Е) я не знаю, что изучает бионика

2. Что бы Вы хотели узнать об этой науке?

А) как давно она существует

Б) использование достижений науки в повседневной жизни

В) использование достижений науки в компьютерных технологиях

Г) в каких странах эта наука развивается быстрее

Д) мне это не интересно

         3. Назовите предметы и вещи, имеющие большие внешние сходства с элементами живой природы (внешний вид, части растений и животных), которые использует человек в жизни?

Результаты анкеты я отобразил в таблицах (количество человек) и диаграммах (%).

Вопрос 1. Таблица №1

(приложение – диаграмма №1)

Вопрос 2. Таблица №2

(приложение – диаграмма № 2)

Вопрос 3. (приложение – диаграмма № 3). 

Ответы ребят, близкие по значению и смыслу я объединил в 6 групп:

1. Форма подводной лодки похожа на тело рыбы (кита) 15%;
2. Зонтик от дождя похож на зонтик от борщевика (20%);
3. Полет стрекозы похож на полет вертолета. Полет птицы похож на полет самолета (32 %);
4. Шило (иголки для шитья) похожи на колючки боярышника (8%);
5. Клюв птицы похож на щипцы (15%);
6. Затрудняюсь ответить (10%).

Из таблицы №1 видно, что большинство ребят, не знают, что изучает бионика. Многие считают, что бионика изучает микроорганизмы, организм человека, а некоторые, думают, что бионика изучает растения.  Таблица №2 показывает, что большинство ребят хотят узнать использование достижений науки в компьютерных технологиях, использование достижений науки в повседневной жизни. Анализируя вопрос №3, я выяснил, что у ребят есть ассоциация предметов и вещей, имеющих большие внешние сходства с элементами живой природы. (рисунок 1)

 Эти результаты еще более мотивировали меня на проведение исследования.  Изучая бионику, можно собрать коллекцию предметов, наиболее известных и используемых в жизни человека.

3.2 Бионика в быту

Перо птицы имеет очень интересное строение. На стержне находится опахало, которое состоит из бородок первого и второго порядка. Бородки второго порядка имеют зубчики, которые, соединяясь, замыкаются. Но, в тоже время, их очень легко рассоединить. Принцип этого строения положен в создание молнии для верхней одежды. 

Присоски, используемые в быту для прикрепления предметов, изобретены по принципу работы и строения присосок головоногих моллюсков. Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз. На щупальце осьминога хорошо видны присоски, расположенные плотными рядами.

Солонка, которую мы используем ежедневно, и у каждого из нас она стоит на кухне, есть не что иное, как прототип коробочки мака.

3.3 Бионика в технике, промышленности, науке.

Опыт №1 «Крючки»

Цель: выявить принцип действия репейника и застежки – липучки

Ход опыта: Я рассмотрел принцип действия репейника и застежки – липучки. Был взят плод репейника, рассмотрев его, я обнаружил, что он имеет более 200 крючков, благодаря которым он прикрепляется к животным и человеку, которые разносят семена на большие территории. На разные образцы ткани (шерсть, шелк, хлопок) репей легко прицепился и прочно держался.

Для изготовления застежек-липучек техника производит специальные ленты, где обе части прижимаются друг к другу. Крючковатая щетинковидная поверхность ленты цепляется за взятые образцы ткани. Таким образом, с помощью подобных крючков обе части прочно связываются друг с другом. (рисунок 3)

Результат опыта: застежки – липучки работают по принципу действия репейника. 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».[5]

4. Заключение

Современная наука не стоит на месте. Сегодня произошло формирование самостоятельного направления в науке и технике, цель которого — использовать биологические знания для улучшения качества жизни человека, решения сложных конструкторских задач и развития современной техники.

Имея огромный багаж знаний в разных научных областях человек может очень многое позаимствовать у животных.  Академик А. И. Берг писал: «Мы часто гордимся достижениями современной науки и техники и имеем для этого серьезные основания. Но сопоставление наших предельных результатов с тем, что достигнуто живыми организмами в процессе длительного приспособления и отбора, заставляет нас быть более скромными».[1]

Можно считать, что бионика находится еще в начале своего развития. Ведь первая конференция специалистов - биоников, положившая начало ее официальному признанию, состоялась в 1960 г.[2] Сейчас бионикой занимаются, тесно общаясь друг с другом, представители самых разных специальностей — биологи, врачи, физики, инженеры, математики. Я узнал, что круг вопросов, которые исследует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться.

Современный человек должен не разрушать природу. Обладая разнообразием флоры и фауны, природа может помочь человеку найти правильное техническое решение сложных вопросов и выход из любой ситуации.

В результате моего исследования, я сделал для себя много открытий. И убедился в том, что природный дар бесценен.

Выводы:

- изучил историю возникновения бионики;

- рассмотрел применение на практике некоторых открытий бионики;

- познакомился с последними достижениями бионики;

- собрал коллекцию экспонатов, широко используемых человеком в быту, в архитектуре, в медицине, в промышленности и технике.

Я провел анкетирование о уровне знаний этой науки, провел классный час, где показал презентацию «Современные открытия, позаимствованные у природы».

В ходе работы мною было разработано и проведено внеклассное мероприятие  для учащихся 5-х классов - познавательный веб-квест «Био+Ника».

Проведенные наблюдения и опыты подтвердили то, что многие изобретения действительно были позаимствованы у природы. Природа не прячет от нас свои тайны, она служит для человека эталоном для творения нового. Тот, кто умеет быть внимательным к ней - совершает новые открытия. Таким образом, выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение.

Список литературы

1. Асташенков П.Т. Что такое бионика? Серия "Научно-популярная библиотека", Москва, Воениздат, 1963 г.
2. Лебедев Ю.С, Рабинович В.И. и др. Архитектурная бионика. Москва, Стройиздат, 1990 г.
3. Мартека В., Бионика. Москва, изд-во: Мир, 1967 г.

Интернет-ресурсы

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика
5. https://aif.ru/society/science/chto_takoe_bionika
6. https://levelvan.ru/pcontent/dekonstruktivizm-3/bionika
7. https://science.fandom.com/ru/wiki/бионика

Приложения

Диаграмма №1

Диаграмма №2

Диаграмма №3