МАСТЕРСКАЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ ПРИРОДА ЗНАЕТ ЛУЧШЕ

МАСТЕРСКАЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

«ПРИРОДА ЗНАЕТ ЛУЧШЕ» Чем глубже человек проникает в уникальные «изобретения» живого мира, тем очевиднее становится необходимость использования их в практической деятельности. Свершения людей впечатляют, но вряд ли стоит забывать о том, что Природа хитрее и мудрее нас.

Практическая значимость данной работы определяется тем, что тема изучения дает возможность утвердить понимание важности исследования природы и всех биологических живых систем.

СИМВОЛ БИОНИКИ Бионика (англоязычное название – «биомиметика» ) – многообещающее научнотехнологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий. 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.

НАЗНАЧЕНИЕ БИОНИКИ Бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем. Изучая биологические системы, бионика ищет оптимальные решения инженерных проблем.

КЛАССИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОНИКИ изучение и моделирование нейронов, нейронных сетей нервных центров, принципов организации мозга с целью их использования в технических системах; изучение принципов повышения надежности биологических систем, их резервирования и способности к адаптации; изучение методов кодирования, передачи и обмена информацией в биологических системах на уровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярном уровне с целью создания новых средств связи; получение энергии в технических системах по аналогии с биологическими; разработка биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов производства сложных органических веществ.

СОВРЕМЕННЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ БИОНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Архитектурная бионика (проектирование энергосберегающих зданий и зданий, вырабатывающих энергию; быстровозводимых мобильных сооружений; освоение и организация нового, неизвестного пространства Земля – Космос). Исследования в области создания искусственного интеллекта (разработка прикладных нейронных, мультиагентных и генетических систем на основе биологических аналогов), а также бионического человека. Пока что эта цель не достигнута, и до нее еще далеко, но уже сейчас в руках у человечества есть достаточно немало интересных инновационных технологий замены различных частей тела, органов и систем человеческого организма.

ВЕК БИОНИКИ ТОЛЬКО НАЧИНАЕТСЯ Анализ классических и современных методов бионических исследований убеждает в том, что сейчас вряд ли можно найти такую область человеческой деятельности, которая в той или иной степени не была бы связана или не готовилась к сотрудничеству с бионикой. С каждым годом она захватывает новые рубежи, всё больше и больше проникает в различные области производства, в сферу научных исследований, всюду оставляя заметный след своим новаторством.

МАСТЕРСКАЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ (ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА) «Мастерская природы» в нашем понимании – это биологические системы живой природы, представляющие интерес для биоников. Природа – нерукотворный источник всего живого на нашей планете. Природа – гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надёжностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.

РАСТЕНИЯ – ОБЪЕКТЫ БИОНИКИ

Ребристая форма листа придает им по сравнению с другими листьями, дополнительную жесткость, прочность и устойчивость в пространстве. Принцип сопротивляемости конструкции по форме, существующий в природе, нашел широкое применение в современном строительстве.

«Роль стебля, главным образом, архитектурная: это твердый остов всей постройки» – говорил русский ученый К. А. Тимирязев. Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники. Примерами тому являются растение пухонос из семейства осоковых и фабричная труба. Их конструкции в поперечном сечении оказались удивительно похожими, хотя создавались независимо друг от друга На основе принципов построения природных высотных конструкции строители проектируют высотные здания нового типа стволовой конструкции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющее здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора и сокращают нагрузку на основание.

АРХИТЕКТУРА

БЫ Т

ИЗОБРЕТЕНИЕ ЗАСТЁЖЕК «ЛИПУЧКИ» Другое 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. 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»

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

ЖИВОТНЫЕ – ОБЪЕКТЫ БИОНИКИ

Бионика и медицина Игла-скарификатор 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.

Бионика и медицина Поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи.

Современный тип протезов конечностей — протезы на силиконовой основе, содержит в основе своей природный принцип — принцип гидравлического строения ходильных ножек паука. Бионика и медицина

Бионика и промышленность Чтобы не проваливаться при ходьбе по рыхлому снегу, пингвины ложатся на живот и, отталкиваясь крыльями и лапами от снега, скользят по нему со скоростью до 25 км/час. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин» , разработанная нижегородскими конструкторами, лежа на снегу днищем и отталкиваясь от снега колесными спицами, скользит по поверхности со скоростью 50 км/час. Эта машина при своем движении по снегу не образует глубокую колею, не увязает.

Бионика и промышленность 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 уменьшает мощность двигателей на 25% с сохранением скорость и грузоподъемности.

Двукрылые насекомые обладают одним из самых маневренных полетов в живом мире, они способны кардинально изменять направление движения или вернуться на прежний курс, меньше чем за 30 миллисекунд. Происходит это благодаря двум крошечным булавовидным «органам балансирования» , называемым жужжальца. После изучения полета насекомых был создан вибрационный вильчатый жиротрон. Он обеспечивает высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Бионика и промышленность

Бионика и промышленность Флаттер – сочетание колебаний, возникающих при достижении самолетом определенной скорости и приводящих к разрушению конструкции. На на концах передней кромки крыльев стрекозы имеется хитиновое утолщение— птеростигма, гасящая вредные колебания крыла.

Конечности мух и черных морских ежей имеют вакуумные присоски, благодаря которым ежи, например, взбираются по совершенно отвесным скалам, а мухи ползают по совершенно гладкому стеклу или по потолку. Бионика и промышленность Принцип вакуумной присоски стали использовать в работе подъемных кранов.

Бионика и промышленность В основе движения шагающего экскаватора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод пауков. Пауков природа наделила чудесным гидроприводом, жидкостью для которого служит кровь животного.

Природные термолокаторы Термолокаторы – это органы, имеющиеся у немногих животных, которые могут воспринимать на расстояние тепловые (инфракрасные) лучи. За долго до того, как биологи обнаружили у ямкоголовых змей их термолокаторы, ученые и инженеры уже создали ряд устройств, весьма чувствительных к тепловому излучению: снайперские винтовки, инфракрасные прицелы, термистеры – термочувствительные сопротивления. В современной технике существуют инфракрасные детекторы, которые в сотни раз чувствительнее природных. С их помощью обнаруживают нагретые предметы на очень больших расстояниях.

Гидролокация в природе Почти все рыбы, миноги и водные амфибии ( шпорцевые лягушки, прибрежные саламандры и тритоны в период икрометания) имеют особый орган чувства- боковую линию. Еще более чувствительна система ориентации в воде у таких морских млекопитающих, как зубатые китообразные, калифорнийские львы и особенно дельфины. Принцип работы локатора у дельфина основан на излучении животным звуковых сигналов и улавливания их отражении, эха.

Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров. В частности, паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких троса, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов. Принципы построения природных конструкции из тонких натянутых нитей, а так же конструкции из нитей с натянутыми между ними мембранами легли в основу вантовых конструкции. Прототипами для них послужили также такие природные модели, как перепончатые лапы водоплавающих птиц, плавники рыб, крылья летучих мышей и др.

Бионика и архитектура Здание правления NMB Bank, Нидерланды Здание Сиднейской оперы, Австралия «Дом дельфин» , С-Петербург Музей плодов, Япония Сегодня современное воплощение органической архитектуры можно наблюдать в Нидерландах – здание правления NMB Bank, Австралии – здание Сиднейской оперы, Монреале – здание Всемирного выставочного комплекса, Японии – небоскреб SONY и музей плодов, России – «Дом дельфин» .

Современные направления бионики Монопод Искусственный глаз Гексапод Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные (оптоволокно). В настоящее время одни ученые пытаются создать аналоги органов человеческого тела (искусственное ухо или искусственный глаз), другие – работают над конструированием роботов (гексапод, монопод).

Выводы è 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; è достижения и разработки бионики находят свое применение во многих отраслях техники, промышленности, медицины и строительстве; è основные современные направления исследований бионики во многом связаны с разработкой новых материалов, которые копируют природные, а также поиском аналогов органов человеческого тела.

У некоторых животных слух «заменяет» зрение. Издавая звуки и прислушиваясь к их отражению, они обнаруживают таким образом на расстоянии или в темноте добычу, врага, препятствие и прочее. Например: дятел и лемур ай-ай выискивают- личинок жуков-короедов; стрижи саланганы ориентируются в полной ночи пещер; ночная сова сипуха добывает себе пищу с помощью одного лишь слуха. Радары (радиолокационные установки) были созданы несколько десятков лет назад. С их помощью по эху сигналу, отраженному от удаленного объекта устанавливают местонахождение, направление и скорость его движения.

По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе , ни в современной авиационной технике. Изучение летных особенностей насекомых открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных устройств в авиаконструкций. Так, например, жужжальца жуков колеблются во время полета в определенной плоскости и служат органом, определяющим отклонение от положения равновесия. На этом же принципе создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для обнаружения углового отклонения и обеспечения стабильности полета Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут двигаться по воздуху не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх и вниз. Птеростигмы насекомых дали толчок для разгадки причины флаттеравибрации самолетного крыла.

Мастера камуфляжа

Застёжка - молния В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже "запатентовано" природой. Такое изобретение XX века, как застежки "молния" и "липучки", было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Снегоход «Пингвин» Бионический принцип положен и в основу конструкции снегоходной машины «Пингвин» . Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем, скользит по поверхности снега и «Пингвин» механический.

Обшивка торпед Благодаря изучению гидродинамических особенностей китов и рыб, удалось создать особую обшивку торпед, которая при той же мощности двигателя обеспечивает повышение скорости на 20 — 25%.

Новый тип оружия Сейчас разработан новый типы 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.

ЧЕЛОВЕК – ОБЪЕКТ БИОНИКИ

НЕЙРОБИОНИКА Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

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

Густав Эйфель в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни на основании исследования строения бедренной кости. Сеть мелких костных пластин имела строгую геометрическую структуру, что обеспечивало прочность и легкость кости. Бионика и архитектура

ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ ИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 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. «Чтобы создать новый орган, мы лишь воспользовались изготовленными природой материалами, – поясняет доктор Гарольд Отт, один из исследователей, работающий в General Hospital в Массачусетсе. – Когда мы увидели первые сокращения искусственного сердца, мы лишились дара речи» . Эта работа может иметь очень важные последствия Сдерживающим фактором является лишь финансирование

ТОРЖЕСТВО БИОНИКИ 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. ИСКУССТВЕННАЯ РУКА

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. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных?

КОСТЮМ «СВЕРХЭВОЛЮЦИИ» Серьёзные инженеры из институтов и университетов, создавая реальные экзоскелеты, видят их предназначение либо в военной области, либо — как помощь инвалидам.

ВЫВОДЫ ПО ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЕ Выполнив практическую работу по теме «Мастерская живой природы» , я углубил и систематизировал знания по использованию людьми бионических достижений. Пришло убеждение в том, что современные гига- и нанотехнологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Вот почему в последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. 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.

В КАЧЕСТВЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ… В настоящее время началось и прогнозируется на последующие годы бурное развитие таких направлений, как математическая бионика, занятая совершенствованием и созданием компьютерных моделей, в том числе информационных; медикобиологическая бионика, использующая достижения природы для разработки методов лечения заболеваний человека, их профилактики. Последнее направление бионических исследований наиболее актуально для меня и определило область моего будущего профессионального образования.