Біоніка в проектуванні реферат

Обновлено: 02.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

В архітектурі є своя ієрархія (житлова комірка, житловий дім, генеральні плани тощо), в живій природі – своя (клітина, тканина, орган, організм тощо). Перед архітектурною біонікою стоїть завдання виявити подібні рівні цих двох ієрархічних систем з тим, щоби можна було знаходити правильні співвідношення при порівнянні форм і явищ в архітектурі та живій природі.

Одним із основних напрямків архітектурної біоніки є вивчення конструктивно-тектонічних органічної природи. У формах живої природи проявляються механічні властивості конструкцій, які за допомогою зорового апарату ми відчуваємо: пружність, напруженість, еластичність, стійкість тощо.

Рекомендована література:

Антонович Є. А., Василишин Я. В., Шпільчак В. А. Російсько-український словник-довідник з інженерної графіки, дизайну та архітектури: Навч. посібник. – Львів: Світ, 2001. – 240 с. Волкотруб И. Т. Основы художественного конструирования. – К.: Вища школа, 1988. – 191 с. Зинченко В. П., Мунипов В. М. Основы эргономики. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. – 344 с. Макарова М. Н. Перспектива. Учебное пособие для студ. пед инст. по худ. граф. спец. – М.: Просвещение, 1989. – 191 с. Нестеренко О. И. Краткая энциклопедия дизайна. – М.: Молодая гвардия, 1994. – 315 с. Лазарев Е. Н. Дизайн машин. – Л.: Машиностроение, 1988. – 256 с. Лазарев Е. Н. Бионика и художественное конструирование. – Л.: ЛДНТП, 1971. – 32 с. Ратнічин В. М. Перспектива. – К.: Вища школа, 1977. – 135 с. Сапего И. Г. Предмет и форма. – М.: Советский художник, 1984. – 304 с. Сомов Ю. С. Композиция в технике. – М.: Машиностроение, 1977. – 272 с. Федоровский Р. Ф. Техническая эстетика и эффективность использования техники. – М.: Знание, 1974. – 245 с. Шпара П. Е., Шпара И. П. Техническая эстетика и основы художественного конструирования. – Киев, 1989. – 247 с.

Вложение	Размер
rabota.doc	183.5 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №9

г. Выксы Нижегородской области

БИОНИКА В АРХИТЕКТУРЕ:

ПРИРОДА – СТРОИТЕЛЬ, ЧЕЛОВЕК – ПОДРАЖАТЕЛЬ?

ученица 10 класса МБОУ СОШ №9

Чеснова Карина Ахлимановна

учитель физики МБОУ СОШ №9

Демина Елена Константиновна.

1. Теоретическая часть

1.2 Бионика как современное направление в физике…………………………..8

1.3 Архитектурно-строительная бионика и ее направления..………………. 10

2 Практическая часть

2.1 Использование структур живой природы в архитектурной практике…. 12

2.2 П роблемы формообразования живой природы в архитектуре…………. 14

2.3 Экологический аспект архитектурной бионики …………………………..15

2.4 Соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам……………………………………………………….17

2.5 Сравнение Эйфелевой и Шуховской башен……………………………….18

Таким образом, целью данной работы стало изучение принципов архитектурной бионики, исследование возможности и эффективности их применения для решения инженерно-технических задач.

Основные задачи исследовательской работы:

1) изучить направления и принципы развития архитектурной бионики;

2) оценить эффективность их применения для решения технических задач;

3) найти соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам;

4) сравнить всемирно известные архитектурные сооружения (Эйфелеву и Шуховскую башни) с точки зрения архитектурной бионики.

изучение научной литературы;
сравнительный анализ полученных результатов.

В результате проведенного исследования подтвердилась гипотеза о том, что природа – строитель всего в мире, а человек – ее подражатель.

Знаете ли Вы, что через 15 лет в Шанхае должен появиться вертикальный 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".

И еще один факт: архитектор П. Солери спроектировал мост через реку длиной более километра по аналогии со свернутым живым листом. Эти примеры можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами.

Мне стало интересно узнать об этом подробнее. В результате моих поисков я познакомилась с одним из направлений современной физики – наукой бионика и ее видом - архитектурная бионика .

И вновь появились вопросы. Например, может ли человек пройти мимо заманчивой идеи — создать своими руками то, что уже создала природа?

С другой стороны, можно привести совершенно противоположный пример: Человек сконструировал колесо, которое сослужило ему немалую службу. А ведь известно, что в природе нет такого прототипа. Значит, не всегда стоит подражать природе?

Кто же настоящий строитель всего в мире: природа или человек? Каковы принципы архитектурной бионики и ее строительные технологии?

Актуальность исследования. Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Я считаю, что это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

Перед началом исследования я для себя выдвигаю следующую гипотезу : природа – главный строитель всего в мире, а человек – лишь ее подражатель .

Основные задачи исследовательской работы:

1) изучить направления и принципы развития архитектурной бионики;

2) оценить эффективность их применения для решения технических задач;

3) найти соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам;

изучение научной литературы;
сравнительный анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть

С незапамятных времен пытливая мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сначала человек мог только мечтать об этом – научиться делать то, что сделала уже природа применительно к другим живым существам.

Каждое живое существо это совершенная система, которая является результатом эволюции многих миллионов лет. Изучая данную систему, раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в строительстве сооружений.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи , который пытался построить летательный аппарат - орнитоптер , беря за прототип крылья птиц. Так он пытался пытался воссоздать строение птичьего крыла и механизма, приводящего его в движение.

Ученые эпохи Возрождения надеялись достичь желаемого решения посредством проведения строгих математических расчетов и выкладок и создания соответствующих механических конструкций. Ведь тогда механика, опиравшаяся на математику, занимала ведущее место в ряду всех зарождавшихся отраслей механического естествознания; поэтому-то и могло тогда казаться, что все загадки природы будут разгаданы именно с помощью механики и на её основе.

В соответствии с этим человек стремился к созданию механических моделей, которые могли бы имитировать интересовавшие его предметы и явления природы.

Когда прогресс науки привел к открытию фундаментальных законов не только механики, но и физики, химии, биологии и других отраслей естествознания, оказалось следующее: опираясь на эти законы, кладя их в основу соответствующих технических устройств, можно начать осуществлять одну за другой давнишние мечты человека.

Но какими отличными от живых существ оказались конструкции, устройства, инструменты и приборы, созданные человеком!

Достаточно сопоставить орган зрения – глаз – любого животного с некоторыми оптическими приборами и инструментами, сконструированными человеком, чтобы убедиться в том, насколько совершеннее естественный орган по сравнению с искусственным устройством.

В наши дни человек вернулся отчасти к своей первоначальной идее – по возможности полнее и точнее копировать в технике то, что достигнуто в живой природе, воспроизвести это в форме конкретных технических решений. Так зародилась новая наука – бионика.

Как и многие другие, важные направления современного научно-технического прогресса (например, кибернетика), бионика выросла из непосредственных запросов производственной практики. Возникла она на стыке между биологией и техникой, прежде всего, радиоэлектроникой и технической кибернетикой.

Здесь стыкуются такие далеко относящиеся друг от друга отрасли человеческого знания и практической деятельности, как БИОлогия и техНИКА.

Итак , бионика — прикладная наука, изучающая законы формирования и структурообразования живой природы, чтобы объединить познания биологии и техники для решения инженерно – технических задач.

1.2 Бионика как современное направление в физике

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 .

Различают несколько типов бионики :

- биологическую бионику , изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

- теоретическую бионику , которая строит математические модели этих процессов;

- техническую бионику , применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Сегодня бионика делится на два вида :

нейробионика;
архитектурно - строительная бионика.

Нейробионика - наука об организации технических систем из нейроподобных элементов. Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных, и моделирование нервных клеток - нейронов и нейронных сетей, что дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Меня же заинтересовало другое направление бионики - архитектурно - строительная бионика, более подробное описание которой будет дано ниже.

Изучая информацию о бионике из различных источников, я пришла к выводу, что единого мнения о содержании этой науки 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. Но одно я поняла для себя точно: бионика - едва ли не самая популярная из молодых наук, возникших в ХХ веке и развивающаяся в XXI веке .
Также я узнала, что у бионики есть символ : скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла . Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто. . Возможно, развитие бионики уже в скором времени сделает многое непривычным в мире техники. И это еще больше меня притягивает в этой науке.

Рис.1 Символ бионики

1.3 Архитектурно-строительная бионика и ее направления

К настоящему времени в архитектуре сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, стремительное развитие технологий строительства, теорий расчета конструкций, производства новых материалов, систем компьютерного проектирования, а с другой - все тот же человек (архитектор, заказчик, будущий потребитель), возможности которого формально ограничены лишь бюджетом и фантазией. В этой ситуации архитекторы поневоле обратили свои взоры к живой природе.

Рассматривая возможности воплощения сложнейших инженерных идей, человек не мог не обратить свое внимание на результат деятельности гениальнейшего архитектора Вселенной – природу. За миллионы лет она создала такие совершенные формы и структуры, которые идеально организованы, гармонично взаимодействуют между собой и находятся в равновесии с окружающей средой. Возможность использования опыта живой природы в строительстве современных архитектурных сооружений и стала предметом изучения этого архитектурного направления.

Архитектурно - строительная бионика – наука, которая изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

К началу 1980-х годов благодаря многолетним усилиям коллектива специалистов ЦНИЭЛАБ (лаборатория архитектурной бионики) архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление в архитектурной науке и практике. Были созданы многочисленные архитектурные проекты, проведены испытания новых конструкций, написаны и опубликованы сотни статей…

В результате многолетних теоретических и экспериментально - проектных работ лаборатории Ю.С.Лебедева сложились основные направления развития архитектурной бионики как науки :

- основные теоретические положения;

- методика архитектурно - бионического моделирования;

- использование форм живой природы в архитектурной практике;

- проблемы формообразования живой природы;

- вопросы обеспечения жизнедеятельности живых систем;

- проблема использования в архитектуре природных проявлений гармонии - пластики, пропорций, ритмов, симметрии - асимметрии;

- исследование тектонических форм живой природы, принципов их трансформации и способности природных конструкций накапливать упругую энергию;

- вопросы гармоничного формирования архитектурно - природной среды (экологический аспект архитектурной бионики).

Каждое из направлений архитектурной бионики имеет относительно самостоятельное значение, однако все они нацелены на решение единой задачи совершенствования архитектурных форм, их гармонизацию.

Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Можно сказать, что это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

2 Практическая часть

2.1 Использование структур живой природы в архитектурной практике

В ходе исследования я выяснила: оказывается, принципы живой природы в строительстве и технике ранее уже применялись, хотя и, в большинстве случаев, неосознанно.

Например, не так давно, во второй половине XX века, инженеры совершенно неожиданно открыли, что прочность Эйфелевой башни связана с тем, что ее конструкция в точности повторяет строение большой берцовой кости человека (совпадают даже углы между несущими поверхностями), хотя при создании башни инженер не пользовался живыми моделями. Большая берцовая кость - с амая прочная кость нашего скелета, на нее ложится наибольшая тяжесть при поддержании тела в вертикальном положении. Эта кость способна выдержать нагрузку до 1500 кг (хотя ее масса только около 0,5 кг), т.е. примерно в 25 раз больше ее обычной нагрузки. Таков запас технической прочности природной конструкции.

2.2 П роблемы формообразования живой природы в архитектуре

Кроме зданий, в конструкции которых используются принципы и структуры живой природы, к бионическом сооружениям относят и те, которые копируют не биологические структуры, а формы .

В начале 1920-х годов при строительстве своего антропософского центра – Гетеанума природные формы использовал Рудольф Штайнер.

Затем появился небоскреб в форме огурца в Лондоне.

2.3 Экологический аспект архитектурной бионики

Еще одна концепция бионической архитектуры – создание эко-домов , которые строятся из природных материалов, органично вписываются в природный ландшафт и являются автономными самообеспечивающимися системами.

С этой точки зрения, к бионической архитектуре можно отнести все еще привычные нам деревенские дома, являющиеся частью вполне автономной системы отдельных сельских хозяйств. Все они являются своего рода эко-домами с той лишь разницей, что современная концепция эко-дома шагнула дальше: сегодня при проектировании экологичного жилья большое внимание уделяется разработке систем, которые позволяли бы использовать энергоресурсы природы для обеспечения его обитателя современными благами цивилизации – светом, теплом, горячей водой.

Так или иначе, все направления архитектурной бионики заслуживают внимания. Еще более интересным и целесообразным кажется синтез этих направлений. Многие архитекторы в настоящее время активно работают над проектами, которые объединяют все бионические принципы – и воспроизведение структур и систем живой природы, и подражание ее формам, и экологичность.

Меня же заинтересовали эко-дома из экологически чистой соломы . Солома представляет собой необычайно доступный и дешевый материал. Для того чтобы вырастить достаточное количество соломы для постройки одного дома площадью 70 м 2 , необходимо от 2 до 4 гектаров земли. При этом используется то, что обычно рассматривается в качестве отходов. Ведь основная масса соломы, остающейся после уборки урожая, сжигается. Соломенные блоки являются прекрасным теплоизолятором. Многие их тех, кто живет в соломенных домах, отмечают, что их расходы на отопление всегда в два раза меньше чем у соседей, которые живут в обычных домах.
Теплопроводность у стен, сложенных из соломенных блоков, намного ниже, чем у стен из общепринятых материалов. В частности солома по своим показателям превосходит дерево в 4 раза. Что касается кирпича, то в этом случае речь идет о семикратном превосходстве. Строительство домов из соломенных блоков является перспективной техникой. Прежде всего это связано с низким уровнем строительных затрат и простотой возведения. Кроме того, здесь в значительной мере остается место для эксперимента и проявлений индивидуальной творческой мысли.

2.4 Соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам

После изучения и анализа научной литературы, информации сети Интернет по изучаемой теме я решила весь найденный материал обобщить в кратком виде. Эти данные представлены в сравнительной таблице 1.

Понятие бионика, как научная отрасль, возникла из синтеза биологии и техники. Бионика решает инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов.

Файлы: 1 файл

статья.docx

Долганов Д.О. 2 курс, спец. ПД, ХГАДИ

Применение бионики в промышленном дизайне на современном этапе.

В данной научной статье на основе исследований научных работ в сфере биологии и инженерии рассмотрено понятие бионики, принципы её образования и возможности применения биологических закономерностей в технике. Кроме того, предоставлены примеры использования бионических принципов в дизайнерских проектах и установлена роль промышленного дизайнера в процессе исследований по бионике.

У даній науковій статті на основі досліджень наукових робіт у сфері біології та інженерії розглянуто поняття біоніки, принципи її утворення та можливості застосування біологічних закономірностей у техніці. Крім того, надані приклади використання біонічних принципів в дизайнерських проектах і встановлено роль промислового дизайнера в процесі досліджень з біоніки.

In this article, based on scientific research papers in the field of biology and engineering, considers the concept of bionics, the principles of education and the possibility of using biological phenomena in engineering. In addition, examples are given of bionic principles in design projects, and established the role of the industrial designer in the process of research on bionics.

Бионика. Промышленный дизайн. Биология. Формообразование. Технологии.

Біоніка. Промисловий дизайн. Біологія. Формоутворення. Технологii

Bionics. Industrial design. Biology. Shaping. Technology.

Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое осуществляется в других науках. Как правило, модели бионики – несравненно более сложные динамические структуры. Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования таких сложных моделей. Соответственно, столь сложный процесс требуют большую команду специалистов разных отраслей состоящих из биологов, инженеров, математиков, физиков и дизайнеров.

Для того, чтобы лучше понимать процесс исследования бионических принципов, всё это действие поделено на три этапа с распределением ролей каждого участника команды в процессе. Первый — поиск и обнаружение феномена, его тщательное изучение с применением современных экспериментальных методов. На этом этапе основную роль играет биолог. Второй этап — разработка физической или математической модели принципов организации и функционирования биологического прототипа. На втором этапе включаются в работу физики, математики, инженеры. Третий этап — инженерное проектирование и художественное конструирование, с использованием определенных свойств биологического прототипа, позволяющих улучшить функциональность, экономичность, надежность конструкции, положительно повлиять на эстетические свойства техничекого изделия.

Главная задача дизайнера, в исследованиях законов природы, не скопировать внешнюю форму того или иного природного объекта, а передать функцию с помощью той формы которая её образует. Так, изучение берцовой кости, которая принимает на себя большую часть нагрузки от веса человека, позволило Гюставу Эйфелю построить высокую и очень устойчивую башню. А форма кита, которую японские инженеры применили в судостроение увеличило скорость и грузоподъёмность корабля в четверть раз.

Главное внимание бионики привлекает создание разнообразной информационной техники. Это проблемы связанные с навигацией, ориентацией, средств обнаружения и систем биоэлектрического управления. Так, изучение сложных навигационных систем 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. Или же способность рыб, птиц, насекомых чутко реагировать на изменение погоды.

Большим вкладом в ход научно- технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. К ним относят системы различающие малейшие изменения в организмах животных на терморегулирующих уровнях, световоспринимающих, ультрафиолетовом, ультразвуковом и др.

Данные исследования показывают то, что современный технологический прогресс основывается, в основном, на изучении биологических объектов. Ведь идеи и стимул даёт нам именно наша природа. Применение бионики в системе дизайна будит творческую мысль, заставляет думать, искать, познавать законы природы. Наше будущее технологического и дизайнерского прогресса будет жить только благодаря бионики.

Список используемой литературы.

1. Елочкин М.Е. Введение в современный дизайн. М.: Кнорус, ИПР СПО, 2005.

2. Исайкина Г.М. Дизайнерское образование в зарубежных странах. М.: ВНИИТЭ, 2005.

3. Кибернетика и бионика. Иллюстрированный справочник. М., 2005.

4. От Гауди до… Сборник статей по дизайну. Спб: Искусство, 2006.

5. Кухта М.С. Основы дизайна / М.С. Кухта, Л.Т. Жукова, М.Г. Гольд- шмидт; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009.

6. Мальцев П.П. Наноматериалы. Нанотех-нологии. Наносистемная техника. – Москва: Техносфера, 2006.

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 последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой . В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

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. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного оптоволокна

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного.

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.

По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.

Монопод ростом с человека способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая (Стенфордский университет)

Первые примеры бионики

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.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

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.

Костная структура головки бедренной кости

Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости

Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

Плод дурнишника прицепился к рубашке

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.

Читайте также:

Біоніка в проектуванні реферат

Похожие работы

Предварительный просмотр:

Файлы: 1 файл

статья.docx