Вдохновители научно – технического прогресса

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №4»

Волжского района города Саратова

«Вдохновители научно – технического прогресса»

(секция: Биология)

Работу выполнили

ученики

 8 «Б» класса

Родин Дмитрий Андреевич

и         

Дюбченко Виктория Александровна

Руководитель:

Воликова

Елена Александровна

Саратов - 2010

Содержание:

1. Титульный  лист
2. Содержание
3. Введение
4. Что такое бионика?
5. Вдохновители научно технического прогресса
6. Все гениальное – просто
7. Заключение

Введение

Знаете ли вы о том, что даже самые простые вещи, такие как воздушный шар, подводная лодка, «липучка» на одежде, были позаимствованы у природы? Так швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955году, гуляя с собакой, заметил, что к её шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды.

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

В своей работе мы хотим раскрыть понятие науки, которая этим занимается и вспомнить ее достижения на сегодняшний день.

Что такое бионика

Бионика - наука, занимающаяся использованием биологических процессов и методов для решения инженерных задач. Бионику можно определить также как учение о методах создания технологических систем, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов.

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 и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы. Бионика интересуется всем, что может быть названо «техникой 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 самостоятельная наука молода. Она зародилась в 1960 году на международном симпозиуме в Дейтоне (США) на тему «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», а впервые работы по бионике начали появляться в США и СССР в начале семидесятых годов.

Впервые «бионикой» стали заниматься в эпоху бурного расцвета Возрождения после средневекового застоя, когда такие гениальные умы, как Леонардо да Винчи, выявили аналогию между творением человека и природы и показали, что имитацию или использование моделей природы может дать технические преимущества. Как хорошо известно, полёт птицы или плавание рыб навели великого художника и изобретателя эпохи Возрождения на мысль о моделях первых планеров, парашютов, подводных лодок.

Первым практическим аспектом бионики стало изготовление автоматических механизмов, имитировавших живых существ: людей, животных и растений. Инженеры изобрели механические конструкции со сложной, но ограниченной программой действия: фигурки играющего флейтиста, шахматиста, передвигающего фигуры, танцующей балерины и т.д. В XVIII веке существовала настоящая мода на музыкальные «ящики», часы с кукушкой, механические куклы и животные.

Шаг вперёд в бионике был сделан одновременно с прогрессом автоматики, позволившим сделать переход от подражательных, чисто декоративных механизмов к подсказанным природой механизмам, которые могут эффективно работать в промышленности. Они переносили модели из природной среды в область техники на основе аналогий.

Правда, об автоматических механизмах упоминалось и в древности. Так, Герон Александрийский сконструировал автоматы с постоянной программой, такие, например, как система автоматического открывания деверей храма, когда зажигался огонь на медном алтаре, или аппарат, отпускавший автоматически воду при опускании в него монеты.

Прогрессу бионики способствовали и успехи в развитии средств связи, когда электроника и кибернетика были внедрены во все средства передачи информации. Таким образом, стало возможным осуществлять и оптимизировать автоматическую передачу большого количества информации, связанной с живым организмом, созданному по аналогии с ним механизму в технике.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

1. Изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

Самой сложной биологической системой, выполняющей разнообразные и, казалось бы, непохожие функции по управлению и переработке сигналов, издавна признана нервная система. На протяжении развития биологической науки нервную систему изучали и изучают буквально «со всех сторон». В результате выяснили, что многие ее особенности связаны со структурными особенностями нервных клеток - нейронов.

2. Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
3. Изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

Специалистов этой области науки поражают, например, необыкновенные способности птиц к навигации. Всем известно, что почтовые голуби, где бы они ни были, обязательно вернутся в свой «родной дом». Доказано, что вроде бы ничем не примечательная птаха золотистая ржанка без посадки может пересечь Атлантический океан от Новой Шотландии до Южной Америки (около 4 тысяч километров). И из года в год летают стаи золотистых ржанок, летают по одним и тем же воздушным трассам.

4. Исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма тела кита совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское китоподобное судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же.

Рассмотрим достижения бионики за недолгий срок ее существования.
  Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

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 чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой.

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.

Знаменитые «творения» бионики.

Одной из самых известных построек является Эйфелева башня. Она была построена в 1889 году инженером Гюставом Эйфелем. Выпускник Школы мостов дорог нашёл путём строгих расчётов точные пропорции для башни, которая состоит из 12000 металлических балок, которые гармонично сочетаются, обеспечиваю сооружению прочность. При строительстве Эйфелева башня вызвала бурю протестов: сооружение не вписывалось в гармоничный пейзаж Парижа. Но вот последние 10-15 лет Эйфелева башня вновь волнует умы и стала предметом внимания биоников. Они с удивлением заметили, что длинные кости скелета человека и животных представляют собой точную копию произведения Эйфеля. То что инженер высчитал, природа осуществила посредством длительного приспособления и отбора. Строение большой берцовой кости и бедренной кости человека сходны со структурой здания на Марсовом поле, даже углы между сегментами приблизительно одинаковы. В 1968 году швейцарский математик Г.Шмидт рассчитал самую адекватную структуру для нагрузок, которым подвергаются кости ноги человека. Архитектурные решения, разработанные на основе этих исследований, полностью совпадают с реальной структурой кости. Углубление исследований различных изменений костной такни при самых разнообразных нагрузках открывает перед биониками новые пути для решения гаммы сооружений из железа и бетона, которые имитируют форму и внутреннее строение костей.

Ещё одним из известнейших зданий является оперные театр в Сиднее, крыша которого состоит из слоистого панциря, напоминающего волны моря. В качестве прототипа для строительства таких крыш послужило яйцо, скорлупа которого выдерживает тяжесть птицы или рептилии, хорошо оберегает зародыш и разбивается лишь после многократных и сильных ударов детёныша. В Дакаре, например, строился театр, крыша которого без какой бы то ни было внутренней точки опоры походила на перевёрнутую огромную яичную скорлупу, состоящую из тонкого слоя железобетона и имеющую у основания специальный фундамент. Однако, в ходе строительства крыша начала давать трещины, подвергая опасности всю  конструкцию. Проектировщики снова стали изучать яичную скорлупу. Они заметили, что секрет состоял в том, что известковый свод яйца покрыт эластичной тонкой плёнкой, которая придаёт яйцу структуру, имеющую предварительное напряжение Архитекторы облегчённо вздохнули. Решение было найдено. Опыт строительства в Дакаре открыл эпоху строительства крыш в форме яичной скорлупы или панциря.

Биолюминесценция.

В наше время на дорогах очень часто происходят аварии в ночное время суток. Всё это из-за плохой видимости и из-за того, что пешеходов попросту не видно. В 1920 году Альбертом Эйнштейном был открыт фотоэффект. Он доказал, что свет, падающий на проводник, порождает слабый электрический ток, который может быть усилен. Одним из последствий этого открытия была разработка фотоусилителя, прибора, который позволяет регистрировать самую слабую люминесценцию. В наше время такие «приборы» называются фликеры.  они изготовлены из мягкого пластика и, при попадании на него света, отражают его ярким светом. Пешеходов с фликерами видно на дороге из-за света фар. В некоторых странах введено обязательное присутствие фликера на одежде, что способствует меньше количеству аварий. Так же приспособлении вшивают в одежду работникам милиции.

Летучие мыши – живой радар.

Первый шаг делал итальянский учённый Ладзаро Спалланцани, который летом 1783 года сотни раз посещал колокольню кафедрального СОБРа в Падуе, чтобы проделать чрезвычайно интересные опыты с летучими мышами: ученный залепливал глаза мышей воском и отпускал. На другой день ловил летучих мышей и обнаруживал, что их желудок заполнен комарами. Исследователь сделал вывод, что для ловли насекомых этим животным не нужны глаза. Спалланцани предположил, то летучие мыши имеют неизвестное седьмое чувство, с помощью которого они ориентируются в полёте.

Зная об опытах Спалланцани, естествоиспытатель Шарль Жюрин решил замазать уши летучих мышей воском. Он получил неожиданный результат: летучие мыши были не способны различать окружающие предметы, бились о стены. Чем можно объяснить такое поведение летучих мышей? Известный анатом и палеонтолог Жорж Кювье отрицал исследования Спалланцани и Жюрина и выдвинул довольно смелую гипотезу. Летучие мыши обладают тончайшим чувством осязания, находящимся на очень тонкой кожице крыльев, чувствительных к мельчайшему давлению воздуха, которое образуется между крыльями и препятствием. Такая гипотеза более 150 лет бытовала в мировой науке. В 1912 году изобретатель автоматического пулемёта Максим совершенно случайно выдвинул гипотезу о том, что летучие мыши ориентируются с помощью эха, получаемого от шума собственных крыльев; он предложил построить на этом принципе аппарат для предупреждения судов о приближении айсбергов.

Лишь американские учённые смогли дать подлинное объяснение ориентированию летучих мышей. При помощи прибора для обнаружения ультразвуков ( свыше 20 000 Гц) они установили, что летучи мыши издают множество звуков, не воспринимаемых ухом человека. Они сумели обнаружить и изучить физические свойства «крика»  летучих мышей. На основе этой гипотезы был создан прибор для распознавания звуков на дальних расстояниях – радар. Если радар остается блестящим детектором для больших расстояний, то локатор летучих мышей на основе эха остается идеальным средством для малых расстояний.

Глаза кошки – прибор ночного виденья.

Строение глаза у кошки в основном такое же, как у человека. Зрение основано на способности организмов обнаруживать свет — видимую часть электромагнитного излучения. Орган зрения — глаз воспринимает свет благодаря сетчатке, которая является частью мозга. Свет попадает на сетчатку через зрачок. С помощью специальной мышцы зрачок меняет свои размеры и, как диафрагма в фотоаппарате, регулирует поток света к сетчатке. У ночных животных глаза большие, с большим зрачком, у дневных — значительно меньше. У кошек, которые видят в темноте, но любят погреться на солнышке, зрачок щелевидный, так как он лучше, чем круглый, уменьшает световой поток к чувствительной сетчатке.

Передняя прозрачная оболочка глаза — роговица и подвешенный на мышцах и связках сразу же за зрачком хрусталик преломляют световой поток, как оптическая система фотоаппарата, и фокусируют изображение предмета на сетчатке. При рассматривании предметов на разных расстояниях от глаз происходит аккомодация — фокусировка изображения точно на сетчатке за счет изменения формы хрусталика. Способность к такой аккомодации у кошки и собаки в 2-3 раза меньше, чем у высших обезьян и человека.

У многих ночных животных, в том числе и у кошки, возле фоторецепторов расположены специальные образования — тапетум, отражающие не поглощенный клетками сетчатки свет снова на фоторецепторы, что обеспечивает лучшее видение в сумерках. Глаза животных, у которых есть тапетум, светятся в темноте.

На основе этих фактов был создан прибор ночного виденья, который используется военными и охотниками для улучшения зрения в темноте.

Всё гениальное – просто.

Вернёмся ещё раз к самым привычным для нас вещам, на которые мы порой даже не обращаем внимания. Если оглядеться вокруг, то мы обнаружим множество творений бионики. К одному из самых простейших относятся дверные петли. Ведь это прототип суставов млекопитающих. Как известно, сустав состоит из двух костей, вставленных одна в другую, вокруг головки сустава располагается суставная сумка, в которой содержится «смазывающая» жидкость. Благодаря напряжению мышц сустав приходит в движение. Так же и с дверной петлёй: два конца находятся один в другом, и крепятся к двери и косяку двумя концами. При передвижении двери составные части петли скользят одна об другую и дверь открывается. Но, к сожалению, петли приходиться смазывать – ведь вокруг нет сумки, в которой жидкость бы хранилась.

Ещё одной полезной вещью в доме является резиновые «присоски» ,на которые крепятся крючки для полотенец, мыльницы, небольшие полочки и т.д. Прототипами в живой природе являются гекко - ящерицы небольших размеров, проживающие в тёплых краях. Внимание исследователей привлекла не столько их ловкость, сколько, в первую очередь, способность ходить по абсолютно гладким поверхностям, вопреки закону притяжения. Поэтому гекко была прозвана антигравитационной ящерицей. Одним из учённых, давших пояснение этому явлению стал румынский учённый Эуджен Пора. В своей работе он рассказывает тайну такого удивительного сцепления с гладкими поверхностями. «На подошве их ног имеется своего рода «войлок», расположенный полосами наподобие иголок ели и состоящий из 18-25 рядов приблизительно по 2000 мельчайших палочек-присосок. Рассматриваемые в бинокуляр-лупу, они выглядят как правильные ряды колонн. Когда ящерица ставит ногу на опору, эти палочки – присоски надавливают на неё и под действием тяжести животного под каждой из них образуется вакуум; таким образом каждый действует как мельчайший присосок, который выдерживает приблизительно одно сорокатысячную часть( на каждой ноге имеется 10 000 подобных волокон – присосок) веса животного. У гекко весом 50 г каждое волокно-присосок выдерживает, следовательно, около 100 мкг».

Нами, также, в жизни увидены следующие примеры, заимствованные у природы:

Светящиеся полоски на спецформе – брюшко светлячка

Фары и катафоты – глаза кошки

Автомобильные шины – подушечки лап кошачьих

Гитара, скрипка, волынка – резонаторы лягушек

Мембрана в наушниках – барабанные перепонки

Ласты – задние конечности лягушек

Антенны – усики насекомых, вибрисы

Парашют -  паук и паутина

Новейшие чудеса бионики.

Искусственная стрекоза. Новое чудо бионики представляет собой миниатюрный микро-самолет (MAV), который летает, как птицы и насекомые, с помощью двух пар машущих крыльев.

Бионический самолёт  демонстрирует не только прямой горизонтальный полет, но и очень медленный, практически зависая на месте. Это сочетание возможности медленного и быстрого полета является уникальным для машущих крыльев.

Человекоподобные роботы. Как известно, самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые  конструируют роботов. Сегодня среди разработчиков очень популярна 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.

Торжество науки - бионическая 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 (Claudia Mitchell), 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. Проект бионической руки разработан учеными Института реабилитации Чикаго и финансируется в рамках  большого проекта, основанного DARPA – Агентством передовых оборонных исследований.

Митчелл управлять искусственной рукой с помощью мыслей о необходимом движении. Однако на этом ученые не стали останавливаться. Следующей целью для них стало распознавание ощущений рукой.
Они пересадили бездействующие после ампутации нервы Клаудиа Митчелл из поврежденной области плеча в грудную мышцу, которая стала получать сигналы от бионической руки. Это позволяет процессору протеза обеспечивать Митчелл такие же тактильные ощущения, какие могли быть у здоровой руки.

В результате, когда Клаудиа Митчелл хочет сделать движение рукой, она просто думает об этом, нервные импульсы, а они являются “слабыми” электрическими импульсами, из мышцы проходят в бионический протез, где процессор расшифровывает их и трансформирует в движение.

По словам Митчелл устройство, – бионическая рука, – резко изменило её жизнь. “Я использую его при работе на кухне, разборки одежды после прачечной и складывания одежды, и много другого, – практически для всех видов повседневных задач”. Также, дотрагиваясь до горячей чашки или холодного окна, она может чувствовать тепло или холод.

Нами проведено анкетирование:

        Деятельность человека, достигшую ныне высокого уровня совершенства, можно поставить рядом с действием природы: такое право завоевано огромным напряжением гения человека. Эра бионики только начинается. Она не принимает боевой клич: «Завоюем и овладеем природой», а провозглашает благородное стремление лучше познать и превзойти природу в том, что она создала лучшего, продуктивного, красивого, прочного.