Реферат на тему бионика в робототехнике

Обновлено: 05.07.2024

Бионические компоненты -- Бионика и робототехника

За годы эволюции природа создала немало интересных решений, которые инженеры теперь стараются воспроизвести на новой элементной базе для использования в конструкциях роботов.

Бионическая нервная система

2016.05.25 Бионическая нервная система разрабатывается в Ганноверском университете им.Лейбница, Германия. Это алгоритм, основанный на использовании, например, сенсоров прикосновений, который позволит промышленному манипулятору кооперативного типа быстро реагировать на угрозу столкновения и возможного повреждения мехнизма. Схожим образом боль, которую мы иногда испытываем при нежелательных столкновениях, заставляет нас вести себя осторожнее - мы стараемся избегать столкновений или соприкосновений с опасными предметами, например, с огнем. Если роботы научатся "прогнозировать боль" и избегать опасных ситуаций, это позволит создавать эффективные и при этом безопасные тандемы человек-робот, например, на предприятии. Кстати, первые системы предупреждения столкновений промышленного робота и человека разработали еще в 2011 году.

Бионическое зрение

2016.07.07 Швейцарцы использовали в системе технического зрения робота "кремниевую сетчатку". "Кремниевая сетчатка", разработанная в Цюрихском университете Швейцарии, имитирует устройство глаза лягушки. Обычные системы технического зрения опираются на работу цифровой камеры, делающей покадровые снимки. Для покадровой обработки видеопотока требуется сравнительно мощный процессор. В системе с "кремниевой сетчаткой" идет непрерываня обработка информации в реальном времени, анализируются прежде всего "пиксели", которые изменили состояние - это сокращает необходимый объем вычислений. Обработкой данных с фоторецепторов занимается нейронная сеть. После периода обучения, как ожидается, робот с новой системой зрения, сможет легко выявлять знакомые ему объекты на фоне сложной окружающей среды.

2016.05.31 Роботы с человеческим зрением: долго еще? В Университете Глазго, Шотландия, ученые совершили открытие, способное расширить представления о мозговой активности, объяснить принципы работы нейронных сетей мозга и те изменения, которые происходят в нем в процессе старения и в связи с некоторыми заболеваниями.

2015.09.01 Микродроны оснастят фасеточными глазами . Интересная разработка - набор фоторецепторов на гибкой ленте позволяет обеспечить дрону или роботу зрение, как у насекомых.

Бионическая имитация вибрисс

2016.05. В Объединенном Королевстве представили систему ориентации на базе бионических вибрисс. Система машинного зрения дополняет датчик, основанный на использовании бионических вибрисс и помогает преодолевать трудности, связанные с недостаточной точностью информации, поступающей с “тактильной” системы. Система учится на своих ошибках, совершенствуя алгоритм бесконтактного распознавания. Разработка специалистов Бристольского университета, Университета Западной Англии и Университета Шеффилда.

2015.08.06 Ученые из Иллинойского университета создали прототип нового сенсорного устройства для роботов по-принципу механочувствительных рецепторов млекопитающих. Сенсор состоит из усов-вибрисс диаметром 3 мм из нитинола. Микроколебания вибрисс потоком воздуха позволяют построить двумерное изображение, позволяющее определить положение объектов. Сенсоры теоретически можно будет использовать для увеличения арсенала сенсоров различных роботов. 2015.08.06 Ученые "отрастили" роботам чувствительные усы .

Бионические кисти рук

2016.05.31 Робо-рука учится на основе проб и ошибок. Adroit, Вашингтонский университет, США. Ловкая пятипалая роборука, похожая на биопротез, способна манипулировать самыми разными предметами. Алгоритм учитывает выявленные ошибки и избегает их в дальнейшем. Метод проб и ошибок ученые сопрягли с принципами машинного обучения.

2016.01 Бионическая роборука, разработанная Чжэ Сюй из Йельского университета и Эмануэль Тодоров из Вашингтонского университета, ловкостью может соперничать с человеческой. Составляющие руку компоненты - это 3D-модели костей кисти человека, напечатанные на 3D-принтере. Роборука способна удерживать даже самые необычные объекты, например, компакт-диски или рулон клейкой ленты.

Бионические мышцы

Искусственные мышцы, основанные на пневматическом или гидравлическом воздействии, на основе силиконовой резины с пузырьками этанола и т.п.; мышцы, заимствованные у живых существ.

Бионические щупальца

Как и настоящий осьминог, OctopusGripper использует для манипуляций с предметами присоски. Разрежение в них создается с помощью откачки воздуха. Подробнее

2015.08.08 Разработано бионическое щупальце для автоматического подключения к автомобилям Tesla зарядного кабеля. 2015.08.07 Tesla's creepy robot snake may be the future of charging electric cars . Есть видео.

Микророботы и бионика

Бионический подход к охлаждению робота

2016.10.12 В Японии применили в конструкции антропоморфного робота Kengoro скелет, созданный из порошкового алюминия, который кроме силовой поддержки элементов конструкции, обеспечивает транспортировку охлаждающей жидкости, в качестве которой используется деионизированная вода. Испарение этой воды через микропоры рядом с электродвигателями позволяет поддерживать рабочий диапазон температур. Запас воды требуется пополнять. Такой подход позволил уменьшить массу антропоморфного робота с ростом 1.7 м до 56 кг.

Бионический подход к использованию сил Ван-дер-Ваальса

2017.05.18 Новый захват на бионических принципах поможет роботам лазить по стенам. Перспективная разработка, пока что только экспериментальная. Используется "принцип геккона" (силы Ван-дер-Ваальса).

Строение человека, животных и насекомых становится той областью, в которой создатели роботов черпают новые идеи.

Наиболее впечатляющий раздел робототехники — это создание анималистических роботов и андроидов — бионика. В каком-то смысле бионика почти всегда сопровождает разработчиков роботов — многие устройства, включая предназначенные для выполнения узкоспециализированных задач, сохраняют сходство с человеком и имеют антропоморфные черты. Между тем человеческое строение не всегда подсказывает оптимальные решения. Многие животные лучше нас адаптированы к среде обитания. Они плавают, бегают, совершают прыжки, удерживаются на различных поверхностях лучше, чем люди, не говоря уже о возможности летать. В наши дни строение животных и бактерий становятся той областью, в которой создатели роботов черпают новые идеи. Еще Леонардо да Винчи подметил это, пытаясь создать орнитоптер — аппарат, оснащенный крыльями подобно птицам.

Робот BigDog компании Boston Dynamics

Остановимся подробнее на достижениях современной бионики. Вероятно, одним из самых впечатляющих являются современные робопротезы. Летом 2015 г. девятилетний мальчик стал самым молодым обладателем бионического протеза. Разработанный в Соединенном Королевстве биопротез I-Limb Quantum позволил ребенку впервые самостоятельно надеть брюки и поесть, пользуясь столовыми приборами.

Бюджетный бионический протез OpenBionics, изготовленный с применением 3D-печати

Производит впечатление и опыт Хью Герра, руководителя группы Biomechatronics research group лаборатории MIT Media Lab. Герр, потерявший ноги, когда ему было 17 лет, сосредоточил свои усилия на поиске решения данной проблемы и занялся разработкой протезов. Полученные результаты позволили ему не только сохранить подвижность и не приковывать себя к креслу, но и продолжить занятия альпинизмом. Стоит отметить бурно растущий рынок 3D-печати, который позволил сделать производство индивидуальных устройств такого типа максимально эффективным.

Бостонская инженерная корпорация Advanced Systems Group создала робота BIOSwimmer. В конструкции машины воспроизведено строение тела тунца, что обеспечило высокую скорость передвижения и маневренность под водой. Устройство может быть использовано, например, для наружного осмотра подводной части корпуса корабля или других объектов. Осенью 2015 г. создатели системы получили грант от MassVentures в размере 500 тыс. долл. на коммерциализацию проекта.

Форма и способ передвижения змей были заимствованы для создания целого ряда разработок биороботики. Стоит упомянуть такие недавние, как роботизированное устройство для подключения автомобилей Tesla к зарядной станции. Впечатляющих робозмей разработал д-р Гевин Миллер (Gavin Miller). Робозмея Shigeo Hirose's ACM-R5, построенная по модульному принципу, способна не только передвигаться по твердой поверхности, но и плавать под водой. Благодаря устанавливаемым на робозмеях сенсорах, эти устройства можно применять для наружного осмотра инженерных объектов и поиска людей в чрезвычайных ситуациях, например под завалами.

Роботизированная бионическая змея и ее разработчик

Бионический подход зачастую используется при разработке компонентов роботов.

Кроме того, Festo представила новый захват для роботов, в качестве основы для которого использовано строение языка хамелеона . Эластичный силиконовый FlexShapeGripper может поднимать и перемещать объекты различных форм. Для захвата используется пневматика, и потому объекты удерживаются без дополнительных затрат энергии.

Захват, принцип работы которого позаимствован у языка хамелеона

Из природы в робототехнику пришли и вибриссы — длинные жесткие осязательные волоски у млекопитающих, например усы у кошек. Ученые Иллинойского университета разработали прототип сенсора в виде прута диаметром 3 мм, который может определять положение объектов и формировать двумерное изображение, основываясь на микроколебаниях, вызванных потоком воздуха. Как ожидается, подобные разработки расширяют арсенал доступных роботам сенсоров и оптимизируют их взаимодействие с окружающим миром.

Можно с уверенностью утверждать, что в ближайшие годы бионика привнесет в робототехнику немало удивительных возможностей. Особый интерес вызывают ее возможности по улучшению функционирования малых роботов, размер которых не позволяет установить на них традиционное оборудование. Арсенал идей, которые можно позаимствовать из природы, еще очень велик. Ведутся, например, разработки искуственных мышц, которые смогут заменить в роботах привычные электромоторы. Началось создание роботов, имитирующих различных насекомых. Но не только миниатюрные устройства выигрывают от бионических решений. Роботам-андроидам еще предстоит научиться воспринимать окружающий мир подобно тому, каким его видим и ощущаем мы.

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.

Бионика как элемент образовательной робототехники на уроках биологии.

Современному обществу, все больше нужны образованные инициативные и предприимчивые люди. Люди умеющие принимать решения с учетом возможных результатов и последствий как для себя, так для общества и страны.

Биологические знания - компонент общечеловеческой культуры, основа для формирования научной картины мира. Важно показать значимость биологических знаний, возможность их применения в жизни для сохранения здоровья, адекватного взаимодействия с окружающей средой.

О сформированной предметной компетентности можно говорить в том случае, если учащиеся устанавливают причинно-следственные связи, применяют знания не только в знакомой, но и в новой ситуации.

Цель урока определяет стратегию организации условий:

- Чему учить? (обновление содержания образования)

- Ради чего учить? (ценности образования)

- Как учить? (обновление средств обучения)

Чтобы ответить на вопрос чему учить, необходимо создать ситуацию, при которой каждый участник образовательного процесса сумеет определить область между своими знаниями и тем новым, что позволит ему расширить свою предметную и общеучебную компетентность.

Отвечая на вопрос ради чего учить, необходимо создание условий, в результате которых личная мотивация на саморазвитие средствами предмета биология становится значимой для школьников.

Обновление образования, или как учить, требует от учителя активного включения в инновационную деятельность, использование современных образовательных технологий. Одним из методических решений, позволяющим более интенсивно осваивать курс биологии и формировать ключевые компетенции учащихся, является использование элементов робототехники при изучении бионики как важнейшей составляющей сохранения видового разнообразия.

Так на уроках биологии учащиеся знакомятся с интересной наукой – бионикой, которая помогает перенять секреты окружающего мира и на практике использовать принципы строения биологических систем и процессов, совершающихся в живых организмах.

Почему именно бионика!

Природа хранит множество загадок. Гармония её творений всегда удивляла и будет удивлять мир человека. Человек – творец, искатель будет стремиться постигнуть эти тайны, а поняв, воспроизводить в медицине, архитектуре, технике и других областях на благо живущего и будущего человечества

Интерес к данной науке, по моему убеждению, можно воспитывать и

развивать уже с 5,6,7 классов, а возможно и раньше.

Важнейшей задачей бионики являются методы моделирования структур и поведения биологических систем. В развитии этих методов включаются вопросы конструирования искусственных систем, воспроизводящих деятельность отдельных органов, их внутренних связей и внешних взаимодействий.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей, а для учащихся возможность участия в исследовательской работе, развитие нестандартного мышления, моделирование и построение дальнейшей профессиональной карьеры в наш технический век. И может кто – то из школьников заинтересуется наукой бионикой и в каждом листочке, стебле, насекомом и другом биологическом объекте найдет решение возникшей в его сознании проблемы.

Для того, чтобы в будущем личность была способна генерировать, разрабатывать и доводить до конечного результата инновационные проекты в любой сфере деятельности, личность должна обладать не только творческими задатками и креативностью, но и прочно сформированными общеучебными умениями и навыками. Формировать эти навыки нужно в школе.

В практике исследований родился особый подход к организации и ведению исследования – бионический подход. Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща. Природа может помочь нам найти правильное техническое решение довольно сложных вопросов. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации.

Если мы научимся понимать природу решим проблему сохранения биоразнообразия, а природа поможет решить проблемы человечества.

Например, Мегаполис и муравьи, что общего. Проводя исследовательскую работу, учащимися были сделаны выводы:

-муравьи –общественные насекомые, вечные строители, которые удивляют сложной и рациональной архитектурой: дороги, тоннели, разбросанные по территории убежища, грибные сады…

- у муравьев максимальная плотность населения и биомасса на территории;

- самая высокая скорость обучения, совершеннейшая система передачи информации (например, с помощью усиков);

-муравьи не только сами приспосабливаются к среде обитания, но и активно перестраивают окружающий мир применительно к своим нуждам, своим задачам

- муравьи помогут решить проблему пробок и в будущем возможность создать систему навигации для роботов.

- Правила, по которым действует колония муравьев, могут применяться для программирования роботов с интуитивным управлением.

Бионика с элементами робототехники помогает заинтересовать учащегося, осуществляя индивидуальную работу как на уроке, так и во внеурочное время, это одно из средств в решении наиболее важной задачи на современном этапе образовательного процесса в реализации подготовки будущих инженеров; в подготовке учащихся к практической деятельности, усвоение и применение основных положений наук в интеграции с другими науками.

Занимаясь моделированием биологических объектов, для создания модели роботов мы используем конструкторы Лего и разные датчики, которые имеют аналоги в природе.

I. Для демонстрации аналогов органов чувств мы создали роботов с использованием датчиков, которые имитируют :

А) Балансирующий робот - работу вестибулярного аппарата – так при наклоне датчика Гироскоп - робот перемещается в направлении наклона – поддерживает равновесие.

1. по сигналам с датчиков меняет свое поведение.

Как скорпион –хищник по сигналам со своих органов чувств начинает охоту.

До появления жертвы - добычи находятся в состоянии покоя.

Наш робот Скорпион до появления звука находится в состоянии покоя (сна) после появления звука на Датчике Звука робот активизируется, начиная искать предмет вокруг себя (поворачиваясь по кругу, найдя предмет ближе (20 см – 10 см).

Робот начинает движение в его сторону и приблизившись ближе 10 - 20 см нападает, кусает (до тех пор пока не дотронется жалом – Датчиком касания)

После чего переходит в режим ожидания следующей жертвы.

Ультрозвуковой датчик растояния – по аналогии со способом ориетирования - на звук – особенности строения органов слуха у летучих мышей.

Датчик излучает ультрозвуковые колебания, которые отразившись от препятствия возвращаются к датчику. По разнице во времени определяется расстояние до предмета.

Датчик звука как и органы слуха животных – определяет уровень звука (громко, тихо). Также может определять частоту колебаний.

Датчик цвета – как и орган зрения определяет цвет или яркость предметов.

Датчик света – имитирует органы зрения, только более чувствительные (как у животных умеющих видеть в темноте – зрение черно-белое).

Инфракрасный искатель – определяет направление инфракрасного излучения как кровососущие насекомые и змеи

Гироскоп – имитирует органы вестибулярного аппарата.

Шаг 1. Воткнуть в лимон скрепку, а к ней подсоединить проволоку.

Шаг 2. Еще одну проволоку просто воткнуть в лимон.

Шаг 3. Свободные концы проводов соединить с мультиметром.

Он зарегистрирует определенное напряжение.

Шаг 4. Затем последовательно соединить 6 лимонов и подключить светодиод.

Из большинства фруктов и овощей можно получить электричество, если погрузить два электрода (в данном случае иголки) в мякоть плодов.

Используя робота в качестве измерителя напряжения, мы проведем такой эксперимент. Погружаем два электрода (иголки) в яблоко, при этом мы видим, что на них (электродах появляется электрический ток)

Вывод : Фруктовое электричество есть, но оно очень мало, чтоб его выгодно использовать.

Г) При изучении тем по биологии человека является важным вопрос о том, что человек все более протезируется. Очки, зубные протезы, более сложные протезы, замена органов.

В современном обществе идет внедрение роботов в нашу жизнь, очень многие процессы заменяются роботами. Сферы применения роботов различны : медицина, строительство, геодезия, метеорология и т. д. Очень многие процессы в жизни, человек уже и не мыслит без робототехнических устройств (мобильных роботов) : робот для всевозможных детских и взрослых игрушек, робот – сиделка, робот – нянечка, робота – домработница и т. д. Специалисты обладающие знаниями в этой области сильно востребованы. И вопрос внедрения робототехники в учебный процесс актуален. Если ребенок интересуется данной сферой он может открыть для себя столько интересного. Поэтому, внедрение робототехники в учебный процесс и внеурочное время приобретают все большую значимость и актуальность. Основное оборудование используемое при обучении детей робототехнике в школах - это ЛЕГО конструкторы Mindstorms.

Благодаря развитию бионики и многих других смежных дисциплин можно считать век использования природных, экономически безопасных и экономически выгодных технологий все более и более близким. Кто знает, может быть, уже через десять лет мы будем летать, как птицы…

Изучение, а в дальнейшем моделирование и конструирование биологических объектов позволяет сделать вывод, что природа действительно гениальный конструктор, инженер, художник, великий строитель. (Приложение 1, 2)

Человек, благодаря современным технологиям, может создать аналог биологического решения за несколько лет, в то время как у природы на это ушли тысячелетия. И моя роль как учителя научить учащихся умению учиться и умению видеть удивительное рядом, найти решение проблем, которые возникают каждодневно, применяя знания природы (бионики).

Природа так обо всем позаботилась,

что повсюду ты находишь то, чему учиться…

Леонардо да Винчи

СЕКРЕТ ЗЕЛЕНОГО ЛИСТА

Система сосудов у крепких древесных растений, позволяющая влаге под значительным давлением подниматься на немалую высоту, была использована при проектировании современных водонапорных башен.

Все описанные выше примеры использования открытий бионики в хозяйственной деятельности человека показывают и важность развития этой науки, и неисчерпаемость сокровищницы инженерной мысли природы.

Фотоотчёт с праздника робототехники В минувшее воскресенье мы с моими воспитанниками побывали на очень познавательном мероприятии - празднике робототехники. Почему мы решили.

Использование компьютерных презентаций на уроках биологии в школе VIII вида Презентация по теме самообразования учителя биологии и географии Яричевской Л. И. Использование компьютерных презентаций на уроках биологии.

Развитие творческого потенциала обучающихся на уроках биологии в рамках ФГОС Целью моего выступления является общее знакомство с активными методами обучения и с конкретными примерами применения этих методов на уроках.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Тема: “ Природа знает лучше”

Актуальность исследования. 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.

В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

Что такое бионика?

Бионика – (от греч. biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Создание моделей требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей.

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. В Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом.

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера. Орнитоптер представляет собой летательный аппарат, передвигающийся за счёт маха крыльев. Упоминания людей, способных летать подобно птицам при помощи искусственных крыльев, встречаются, например, в мифах Древней Греции.

Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

2. Виды и направления бионики

Разделяют следующие виды бионики:

биологическая бионика, изучающая процессы, происходящие в биологических системах;

теоретическая бионика, которая строит математические модели этих процессов;

техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Также существует деление бионики на следующие направления:

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

В процессе изучения живой природы раскрывается всё большее количество её загадочных феноменов. По утверждению современной биологии, все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей. Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием факторов температуры и влажности, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т.д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком (технологией) производства работ.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертёж 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 ( HermannVonMeyer ). 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.

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман ( CarlCullman ) подвёл теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов 1 было использовано Эйфелем.

Другое знаменитое заимствование у природы сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он

Не менее ярким примером архитектурно-строительной бионики является 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 данного явления? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб – одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции полые.

Склеренхимные 2 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: идентичность строения была выявлена позже.

Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов.

Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

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

Бионика играет большую роль в жизни человека. Это одна из самых быстроразвивающихся наук нашего времени, мощный ускоритель научно-технической революции. Она обещает неслыханный расцвет производительных сил человечества, новый взлёт науки и техники.

В каждом творении Природы мы видим высочайшую степень целесообразности, надежности, прочности, экономичности, и в то же время разнообразие форм и конструкций природных творений бесконечно.

Этот синтез биологии и человеческого разума открывает для нас мир растений и животных как неиссякаемый источник новых идей для различных форм моделирования.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей.

1 Су́ппорт (от англ. и франц. support , от позднелат. supporto – поддерживаю) – узел, предназначенный для крепления и ручного либо автоматического перемещения инструмента.

2 Склере́нхима – механическая ткань, которая встречается в органах почти всех высших растений.

Читайте также: