Подготовить сообщение бионика техника живых организмов
Обновлено: 02.07.2024
Какую бы задачу мы не решали, какую подсистему, устройство или механизм не разрабатывали, обязательно будет найдено уже имеющееся аналогичное творение универсальной мастерской - природы. И в подавляющем большинстве они далеко превосходят все то, что создано до недавнего времени инженерным творчеством человека .
Что изучает бионика?
Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем. Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.
Практическая (техническая) бионика – это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.
Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов.
Утверждение бионики как самостоятельной науки произошло лишь в 1960 году на научном симпозиуме в Дайтоне. Развитие компьютерной техники и математического моделирования позволяют современным ученым намного быстрее и с большей точностью воплощать подсказки природы.
Бионические разработки используются в промышленности, медицине, робототехнике,архитектуре, инженерии и во многих других областях.
Но что поражает, так это обстоятельство, когда кажется, что в природе трудно найти что-либо отсутствующее из того, что создал человек! Двигатель внутреннего сгорания? С ним имеет полнейшее сходство слюнная железа клопа: и здесь и там цилиндр, поршень, клапаны, только в одном случае они хитиновые, а мы привыкли иметь дело с металлом.
Лет через 30, когда принцип ультразвуковой локации у летучей мыши был, наконец, признан, Деннис Габор изобрел голографию. Прошел еще десяток лет, прежде чем произвел сенсацию лазер, и голограмма реально вошла в практику нашей науки и техники. А через год зоологи объявили, что акустический локатор летучей мыши дает голографическую картину. И это объяснимо. Летучая мышь, как и мы, любит видеть не плоское, а объемное изображение.
Мощное защитное оружие жука-бомбардира давно привлекало внимание исследователей. Самое легкое прикосновение к его телу вызывает сокращение мускульных стенок и двух секреторных желез, вырабатывающих химическое соединение сложного состава. Эти компоненты попадают в общую смесительную камеру, где вступают в бурную реакцию с образованием чрезвычайно едкого вещества - бензохинона и выделением большого количества тепла. Давление в камере резко повышается, и кипящая струя вырывается через отверстие в подбрюшье жука. Таким образом, природа предвосхитила не что иное, как бинарное химическое оружие: два соединения, порознь безвредные, при реакции дают настоящее боевое отравляющее вещество.
Ниже фото с описаниями некоторых бионических разработок.
В1926 году был выдан советский патент на самозатачивающиеся резцы .
Самозатачивающийся режущий инструмент, рабочая часть которого состояла из нескольких металлических слоёв разной твёрдости, разработал А.М. Игнатьев, по подобию строения зубов грызунов
Прекрасные лотосы древние индийцы недаром считали воплощением божества. Ведь они ухитрялись оставаться абсолютно чистыми в самых грязных водоемах, кишащих кишечной и прочими палочками. Все из-за особой структуры поверхности листа этого водного растения, с которого капли воды скатываются как шарики ртути: она не гладкая, а состоит из микроскопических иголочек, снижая площадь соприкосновения с каплей воды или грязи до минимума.
Ученые долго изучали свойства лотоса и, в итоге, создали краску, с которой вода и грязь скатываются даже лучше, чем с гуся. Покрашенные ею предметы можно мыть раз в пять лет, а то и реже – поверхности вообще не загрязняются из-за микроструктуры краски после засыхания.
Так вот птицы, как и производители джинсов и курток, использую микро-крючочки для создания гладкой и легко восстанавливающейся поверхности.
Пару лет назад корпор ация IBM представила новую технологию охлаждения процессоров и производительных компьютерных плат, основанную на принципе кровотока. Новинка получила название Cool Blue и работает следующим образом: в системе под очень большим давлением циркулирует специальная жидкость, которая распределяется по 50 тысячам микроскопических каналов на поверхности процессора.
Производители одежды для пловцов давно восхищались умением разного рода морских созданий плавать с невероятной скоростью, многократно превышающей мышечные возможности, за счет превращения турбулентного водного потока в латеральный. Исследовали всех: начиная от дельфинов и заканчивая мелкими рыбешками, но только у акул нашли способ, который можно было воплотить в плавательном костюме.
Но чаще всего бионика используется, пожалуй, даже не в технике и изобретательстве, а в архитектуре. Скелеты животных становятся прообразами каркасов для сложных конструкций, а обыкновенное яйцо – куполом одного из самых красивых соборов в мире. Именно по аналогии с ним, и это документально подтвержденный факт, построил гигантский купол флорентийского собора гениальный архитектор эпохи Возрождения Филиппо Брунеллески.
Собор стоит и по сей день и не протекает, а современные мастера, несмотря на все достижения науки и натурный прототип перед глазами, до сих пор повторить не могут. Впрочем, у них осталось еще много объектов для копирования.
Природные прототипы технических изобретений.
Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.
В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.
Открытие эхолокации связано с именем итальянского естествоиспытателя Ладзаро Спалланцани. Он обратил внимание на то, что летучие мыши свободно летают в абсолютно тёмной комнате (где оказываются беспомощными даже совы), не задевая предметов. В своём опыте он ослепил несколько животных, однако и после этого они летали наравне со зрячими. Коллега Спалланцани Ж. Жюрин провёл другой опыт, в котором зал епил воском уши летучих мышей, — и зверьки натыкались на все предметы. Отсюда учёные сделали вывод, что летучие мыши ориентируются по слуху. Однако эта идея была высмеяна современниками, поскольку ничего большего сказать было нельзя — короткие ультразвуковые сигналы в то время ещё было невозможно зафиксировать.
Впервые идея об активной звуковой локации у летучих мышей была высказана в 1912 году Х. Максимом. Он предполагал, что летучие мыши создают низкочастотные эхолокационные сигналы взмахами крыльев с частотой 15 Гц].
Об ультразвуке догадался в 1920 году англичанин Х. Хартридж, воспроизводивший опыты Спалланцани. Подтверждение этому нашлось в 1938 году благодаря биоакустику Д. Гриффину и физику Г. Пирсу. Гриффин предложил название эхолокация (по аналогии с радиолокацией) для именования способа ориентации летучих мышей при помощи ультразвука. На основании этого был разработаны:
Радар
Сонар (гидролокатор)
Эхолот
Дефектоскоп
Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, их используют для усовершенствования конструкций ножек различных кухонных приспособлений, чтобы избежать их скольжения во время работы. Также присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.
В каких известных творениях была использована наука бионика? Примеры таких сооружений несложно отыскать. Взять хотя бы процесс создания Эйфелевой башни. Долгое время ходили слухи, что этот 300-метровый символ Франции построен по чертежам неизвестного арабского инженера. Позже была выявлена полная её аналогия со строением большой берцовой кости человека.
Высота пшеницы в 200—300 раз больше диаметра ее стебля. Секрет сохранения растением гибкости и прочности в его строении. У стебля пшеницы междоузлие полое, а узлы заполнены тканями. Благодаря такому строению стебель гнется, но не ломается.
По такому принципу построена Останкинская телевизионная башня , сконструированная инженером Н. В. Никитиным. В ее форме и в натянутых по периферии стальных ван тах, скрытых в толще бетона и стягивающих отдельные барабаны ствола башни, отразились конструктивные принципы строения стебля растений пшеницы. Форма-гравитационный конус- позаимствован у ствола дерева.
Масса 55 тыс. тонн. При сильном ветре башня может раскачиваться, как стебель пшеницы, до 10 м в сторону от своего нормального вертикального положения, сохраняя при этом прочность. Она выдерживает ветер в 15 баллов и землетрясения в 8. Надежность рассчитана на 300 лет.
Ямкоголовые змеи знамениты тем, что у змей этого семейства были найдены на морде непонятные ямки, которые оказались необыкновенными теплолокаторами. Эти теплолокаторы, видимо, произвели на людей такое сильное впечатление, что они создали теплолокатор, построенный по аналогии с таким же устройством у змеи
Когда Джозеф Пакстон, в молодости страстный садовод, принял участие в конкурсе на разработку павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851), его побуждало честолюбивое желание затмить конкурентов. Он хотел создать нечто, рождающее при гигантских размерах ощущение почти невесомости создания. Это должна была быть конструкция, позволяющая экономно расходовать строительные материалы и широко примен ять стекло, стекло и еще раз стекло. В то же время она должна была быть достаточно прочной. В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания.
Пакстон занялся изучением строения огромных листьев водного растения Виктория амазонская (Victoria amazonica), эти занятия подсказали ему идеи для строительства Хрустального дворца.
В воздухе ноги меняют положение, хвост поворачивается так, чтобы сохранить балансировку и приземлившийся BionicKangaroo снова готов к прыжку.
80-сантиметровый робот весит около 7 килограмм. Одним прыжком в длину он покрывает расстояние до 80 сантиметров, максимальная высота прыжка достигает 40 сантиметров.
Первым посчастливилось испытать бионический протез датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещ ё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием. Все исследования в данном направлении полностью основываются на копировании природных процессов и механизмов и их техническом исполнении. Это и есть медицинская бионика. Отзывы учёных гласят, что в скором времени их труды дадут возможность менять износившиеся живые органы человека и вместо них использовать механические прототипы. Это действительно станет величайшим прорывом в медицине
Инфразвуковые колебания, возникающие в штормовом районе за сотни километров от местонахождения медуз, чутко улавливаются их органами равновесия. Медузы не очень хорошие пловцы. Почуяв приближение шторма, они стараются загодя, с большим запасом времени, уйти подальше от прибрежных вод, чтобы не погибнуть в прибойной зоне. Изучив принцип действия "инфрауха" медузы, сотрудники кафедры биофизики МГУ им. М. В. Ломоносова Б. Иванов, Л. Воробьев, Г. Новинский создали электронный аппарат - автоматический предсказатель бурь.
Опираясь на былой опыт в архитектуре и строительстве, можно сказать, что все сооружения человека непрочны и недолговечны, если они не используют законы природы. Бионические здания, помимо удивительных форм и смелых архитектурных решений, обладают стойкостью, способностью выдерживать неблагоприятные природные явления и катаклизмы. В экстерьере зданий, построенных в этом стиле, могут просматриваться элементы рельефов, форм, контуров, умело скопированные инженерами-проектировщикам и с живых, природных объектов и виртуозно воплощенные архитекторами-строителями. Если вдруг при созерцании архитектурного объекта покажется, что вы смотрите на произведение искусства, с большой вероятностью перед вами строение в стиле бионика. Примеры таких конструкций можно увидеть практически во всех столицах стран и больших технологически развитых городах мира.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
Образовательные- способствовать формированию знаний о бионике, как междисциплинарной науке, показать взаимосвязь биологии, физики, химии, математики и кибернетики; Развивающие- продолжить формирование умений работать с текстом, способствовать развитию логического мышления; Воспитательные- способствовать укреплению коммуникативной культуры, стимулировать развитие познавательного интереса.
Бионика - наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы.
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.
Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти… Леонардо да Винчи
Маска для сварщиков, работающих с яркой электрической дугой
Летучие мыши и бионика: совершенствование радаров
Термочувствительный орган гремучей змеи
Фасеточные глаза мухи
Учёные установили функцию жужжальцев мух. Во время полёта жужжальца определяют отклонение от горизонтального положения. На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолётах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полёта
Вертикальный бионический город- башня
Город- башня имеет форму кипариса
Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек
Принцип работы электронного искусственного носа
Успех нейробионики- искусственная рука
Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.
Темы исследований
Оформление работы
Наш баннер
Сайт Обучонок содержит исследовательские работы и проекты учащихся, темы творческих проектов по предметам и правила их оформления, обучающие программы для детей.
Код баннера:
Исследовательские работы и проекты
Бионика: технический взгляд на живую природу
В готовой исследовательской работе по биологии на тему "Бионика: технический взгляд на живую природу" автор проекта дает определение понятия "бионика", рассказывает, когда и при каких обстоятельствах образовалась наука бионика, на стыке каких наук она существует и изучением чего занимается.
Подробнее о работе:
Учебный проект по биологии на тему "Бионика: технический взгляд на живую природу" рассматривает науку бионику, как науку, выявляющую особенности строения и функционирования отдельных представителей животного и растительного мира и применение их на благо человечества. В рамках проекта автор определил важность значения бионики в развитии научно-технического прогресса.
Оглавление
Введение
Ещё в глубокой древности мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.
Человек и сегодня, снова и снова обращается за знаниями к Природе. Это связанно с тем, что люди со временем стали подмечать много преимуществ в творениях природы перед своими техническими изобретениями. Ведь у живой природы наиболее сложные материалы, устройства и процессы по сравнению со всеми творениями человечеств. Вот люди и стали больше наблюдать за окружающим миром и находить в нём необходимые для человека полезные вещи.
Цель моей работы: изучение науки бионики, как науки, выявляющей особенностей строения и функционирования отдельных представителей животного и растительного мира и применение их на благо человечества.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
Следовательно, из поставленной цели и задач определяем предмет исследования и выдвигаем гипотезу нашего проекта.
Предмет исследования: особенности строения и функционирования некоторых представителей живых организмов и технические изобретения человека.
Гипотеза: мир создан совершенно, не требуя доработки, и человек в большинстве технических достижений лишь копирует свойства уже сотворённого.
В ходе работы над проектом применялись следующие методы:
Методы теоретического уровня:
Метод практического уровня:
- Наблюдение – фиксация с помощью органов чувств и жизненного опыта необходимых для проекта представителей флоры и фауны и технических средств в окружающем нас мире.
Практическая значимость работы: багаж знаний, для новых инженерных открытий, в науке и технике.
Что такое бионика?
В России, вместо биомиметики, чаще употребляется термин бионика.
История создания науки
Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи. Великий ученый наблюдал за полетом птиц. Он хотел построить летательный аппарат, чтобы человек мог на нем парить над землей. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляют моделирование орнитоптера[5].
В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом:
Основа бионики - исследования по моделированию различных биологических организмов. Поэтому ученые-бионики избрали своей эмблемой символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика говорит о том, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, что не видел еще никто.
Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д.
Новый всплеск развитие этой науки можно объяснить следующими факторами:
- во-первых, уровень развития современных технологий позволяет реализовать принципы, о реализации которых мы могли только мечтать;
- во-вторых, дефицит сырья (энергетически кризис) заставляет обращаться к более эффективным и энергосберегающим технологиям.
Мудрая природа
Человек всегда стремиться позаимствовать у окружающего мира его феноменальные возможности, такие как:
- природные инженерные конструкции, сооружённые с минимальными энергетическими затратами, так как живые организмы обладают уникальным метаболизмом и оптимально обмениваются энергией между разными формами жизни;
- прочные сверхдешёвые материалы, которые распространены в огромном количестве. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям;
- технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой на клеточном уровне и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства. Например, взрослое дерево 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.
Бионический подход
Бионический подход - это искусство применения биологии для небиологических целей. Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры[9].
Разделы бионики
Существует три основных вида бионики:
- биологическая бионика – изучает процессы, происходящие внутрибиологических систем;
- теоретическая бионика - строитматематические модели этих процессов;
- техническая бионика - применяет модели теоретической бионики для решенияинженерных задач.
Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Основные направления работ в бионике
изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики, телемеханики (нейробионика).
Исследование памяти и других параметров нервной системы - основной путь сотворения "думающих" машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.
исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения.
Например,
Для технических целей представляет энтузиазм разработка искусственной сетчатки. Эти исследования дают возможность сделать следящие устройства автоматического определения;
Изучают органы обоняния животных с целью сотворения "искусственного носа" - электрического прибора для анализа малых концентраций пахнущих веществ в воздухе либо воде.
изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике.
Маленькие и четкие воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, отыскивать добычу, совершать передвижения за тысячи км, могут посодействовать в совершенствовании устройств, применяемых в авиации, морском деле и др.
исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Например,
Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, разных манипуляторов и т.п. разрабатываются на базе исследования полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п.
Анализ структуры кости, обеспечивающей её огромную лёгкость и сразу крепкость, может открыть новые способности в строительстве и т.п.
Исследование структуры кожи быстроходных акваживотных позволило прирастить скорость кораблей.
Основные направления бионики
Бионика имеет несколько направлений:
- Архитектурно-строительная бионика;
- Нейробионика.
Архитектурно – строительная бионика:
- изучает законы формирования и структурообразования живых тканей;
- занимается анализом конструктивных систем живых организмов, созданных по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности;
- уделяет большое внимание новым строительным технологиям[6].
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 дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.
Нейробионику рассматривают с трех позиций:
- искусственный интеллект - наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект;
- нанороботы - микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания;
- киборги - изобретение человечества, которое способно совмещать живой организм и машину. Это люди, которые имеют помимо своих органов, искусственные механические и электронные дополнения позволяющие полноценно жить и двигаться.
Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения.
Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах.
Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.
Полезное применение нанороботов и наномашин планируется использовать в медицинских технологиях и военных технологиях.
Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать.
В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.
Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.
Опорная функция ходульных корней мангровых деревьев легла в основу проекта свайных построек.
Список подобных примеров можно долго продолжать:
Таким образом, для повышения интереса к изучению предмета биология можно рассматривать содержание материала с точки зрения науки бионики,как на уроках окружающего мира (начальное звено), биология (среднее звено), так и на внеклассных мероприятиях.
Заключение
Проведенные наблюдения подтвердили то, что многие изобретения, действительно, были позаимствованы у природы. Природа не прячет от нас свои тайны, она служит для человека эталоном для творения нового. Тот, кто умеет быть внимательным к ней - совершает новые открытия. Таким образом, выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение.
И может кто – то из школьников, а также просто читателей заинтересуется наукой бионикой и в каждом листочке, стебле, насекомом и другом биологическом существе найдет решение возникшей в его сознании проблемы.₽
Великие мелочи, подсмотренные у природы. Что изучает бионика?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I Введение
Вы бы хотели одним прыжком перелетать через автомобили, быстро бегать, как леопард, замечать врагов на расстоянии нескольких километров и сгибать руками стальные балки? Надо полагать, что да, но, увы, это нереально. Пока нереально.
А существует ли наука, которая объединила бы в себе все, смогла бы сочетать несочетаемое? Оказывается – существует!
Предмет нашего исследования - наука бионика - “БИОлогия” и “техНИКА”.
Био́ника (от греч. βίον — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Данная наука сегодня очень востребована. Ее открытия применяются в строительстве, архитектуре, медицине, в технической промышленности. Мы думаем, что наша работа будет полезна и интересна широкому кругу и учащихся, и педагогов, так как все мы живем в природе по законам, которые она создала. Человек должен лишь умело владеть знаниями, чтобы воплотить в технике все подсказки природы и раскрыть ее тайны.
Наша исследовательская работа имеет большое практическое значение, так как может быть использована на уроках биологии, физики, математики, химии, а также при проведении классных часов.
Цель работы: в результате исследования понять, что изучает бионика, и раскрыть ее значение для человека.
Задачи:
- изучить историю возникновения бионики;
- рассмотреть применение на практике некоторых открытий бионики;
- изучить последние достижения бионики;
- собрать коллекцию экспонатов, используемых в бионике.
Методы: описание, наблюдение, сравнительный анализ.
II Теоретическая часть
Основоположник науки бионики
Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. Позднее, к его работам все-таки пришел успех.В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера (от греч. órnis, род.падеж órnithos — птица и pterón — крыло), махолет, летательный аппарат тяжелее воздуха с машущими крыльями). Среди живых существ маховыми движениями крыльев для полёта пользуются, например, птицы.
(Приложение №1 рис. 1- 3)
Бионика (от греч.Biōn– элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.
2)Важнейшие открытия
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.
В) В основу проекта древнегреческих амфитеатров с их поистине великолепной и непревзойденной до сегодняшнего дня акустикой было положено чашеобразное строение цветка водяной кувшинки, жужжание насекомых в котором звучит наиболее громко. Это было подмечено еще до нашей эры, но конструкции древних театров не кажутся устаревшими и сейчас. Приложение №2 рис. 6,7
Г) Система сосудов у крепких древесных растений, позволяющая влаге под значительным давлением подниматься на немалую высоту, была использована при проектировании современных водонапорных башен. Приложение №2 рис.8,9
Д) Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться. у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля. Приложение №2 рис. 10,11
Е) Реактивное движение, используемое сейчас в самолетах, ракетах, свойственно головоногим моллюскам – осьминогам, кальмарам, каракатицам и медузам.
Приложение №2 рис. 12-14
III Практическая часть
Анкетирование
Бионика- это очень интересная, но относительно новая наука. Школьная программа не включает изучение данного курса. Для того, чтобы узнать, а что же известно нашим сверстникам о бионике, мы провели анкетирование.
Как Вы думаете, что изучает бионика?
А) организм человека;
Д) использование особенностей живых организмов в технике
Е) я не знаю, что изучает бионика
2. Что бы Вы хотели узнать об этой науке?
А) последние достижения
Б) использование на практике
В) кто является основоположником этой науки
Результаты анкеты мы поместили в таблицы №1и №2
Таблица №1
Таблица №2
Из графика №1, мы видим, что большинство ребят, не знают, что изучает бионика. Многие считают, что бионика изучает микроорганизмы, организм человека, а некоторые, думают, что бионика изучает растения. Из графика №2, мы видим, что большинство ребят хотят узнать использование на практике этой науки, а также, кто является основоположником этой науки и ее последние достижения. Эти результаты еще более мотивировали нас на проведение исследования. Приложение №3 рис.1,2
2.Описание конкретных открытий с демонстрацией коллекции:
Мы решили, что изучая бионику, можно собрать коллекцию предметов, наиболее известных и используемых в жизни человека.
А) Архитектурно-строительная бионика
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.
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 Густавом Эйфелем, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Приложение №4 рис. 1,2,3
Французскому профессору Ле-Риколе человеческий скелет дал идею создания дырчатых конструкций, имеющих большую прочность и сравнительно небольшой вес. Строение арочного моста практически полностью повторяет позвоночно-реберный каркас позвоночных животных. Приложение № 5рис. Рис.1,2
Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Приложение №6 рис.1,2. Видео
Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров. Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов. Они уменьшают грузоподъемность и требуют меньшей затраты строительного материала. Приложение №7 рис.1-4
Б) Бионика в медицине
Игла-скарификатор, служит для забора крови, сконструирована по принципу, полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением. Приложение №8 рис.1,2
Привычный нам поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат – комара и блохи, с укусом которых знаком каждый человек. Приложение №8Рис.3,4
Пинцет. Человек изобрел инструмент, который выполняет те же функции, что и клюв веретенника. Это пинцет. Его острые концы легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет. Преимущество инструмента, обе половинки которого движутся навстречу друг другу, состоит в том, что захватить предмет довольно легко. Пинцет используют как хирургический инструмент. Приложение №9 рис.1,2
Скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой. Приложение №10 рис.1,2
Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб. Приложение №11 рис.1,2
В) Бионика в быту
Перо птицы имеет очень интересное строение. На стержне находится опахало, которое состоит из бородок первого и второго порядка. Бородки второго порядка имеют зубчики, которые, соединяясь, замыкаются. Но, в тоже время, их очень легко рассоединить. Принцип этого строения положен в создание молнии для верхней одежды. Приложение №12 рис.1,2
Присоски, используемые в быту для прикрепления предметов, изобретены по принципу работы и строения присосок головоногих моллюсков. Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз. На щупальце осьминога хорошо видны присоски, расположенные плотными рядами. Приложение № 14 рис. 1,2,3. Солонка, которую мы используем ежедневно, и у каждого из нас она стоит на кухне, есть не что иное, как прототип коробочки мака. Приложение № 15 рис. 1-4
Г) Бионика в технике, промышленности, науке.
Очень интересной является идея использования строения и работы клешни ракообразных, которая служит для захвата и удержания добычи животных. По этому принципу изобретен инструмент, часто используемый в быту – пассатижи.Приложение № 16 рис.1,2
После многочисленных аварий конструкторы крылья на самолетах стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. Приложение №17рис.1-3
Крылатка клена явилась прототипом дельтаплана. Приложение №20 рис.1-4. Змея имеет орган, улавливающий тепло. По их прототипу изобрели тепловизоры. Живой объект даже обездвиженный как правило имеет разницу с окружающим фоном по тепловому фактору. Уникальные тепловые ямки змеи позволяют определять разницу температур до ноля целых до 2000 тысячных градусов и всё это без участия зрения. Получается, голова змеи снабжена природным инфракрасным локатором. Работает локатор по следующему принципу. В радиусе нескольких десятков метров от змеи появляется жертва, например мышь, ямки сканируя пространство и сравнивая перепады температур, определяют местоположение грызуна, посылают информацию в мозг. Мозг в свою очередь выстраивает три-де проекцию, молниеносно отделяя живое от неживого, то есть ветки и деревья отдельно, мышь отдельно. Долгое время герпетологам не удавалось раскрыть тайну тепловидения. На разгадку природного феномена натолкнулись случайно и вовсе не биологи. Английский астроном Уильям Герший, изучая солнце, открыл инфракрасные лучи. Каково же было удивление учёных, когда они поняли, что в основе инфракрасного излучения лежат тепловые волны, те самые которые улавливает локационный рецептор змеи. Змеи с их помощью могут очень точно определять расстояние до тех или иных объектов и даже охотиться на двигающуюся жертву и ловить её пользуясь только термоямками. В годы второй мировой войны американские инженеры смогли соединить открытие Гершеля со способностями змеи. Так появился первый тепловизор. Змеи являются живым прототипом тепловизора в природе. Принцип работы тепловизора не чем не отличается от инфракрасного виденья змеи. Основа нахождения объекта всё также, разница в тепловом исчислении. Вместо тепловых ямок змеи у тепловизора матрица из микробарометров. Всего за пол века человечество научилось использовать уникальное свойство змеи — теплочутьё во всех отраслях жизнедеятельности. Самая большая область, где используют тепловизоры—это военнная область. Используется для наблюдения на границе, для обнаружения нарушителей, устанавливается также на разной военной технике. Редчайшое свойство змеи улавливать тепловые объекты настолько проникло в нашу жизнь, что многие отрасли не могут и шага сделать без использования тепловизора. Тепловизоры используют в машинах класса люкс, они способны видеть до трехсот метров, то есть даже больше чем свет автомобильных фар. Тепловизоры также встраивают в рулевые датчики элитных яхт, они отлично помогают при ночной навигации. Их также используют для обнаружения утечек тепла в жилых домах. С их помощью спасают людей во время пожара. С помощью тепловизора также спасают экосистему. Их используют в исследовательских группах, они применяются для обнаружения животных. Однако самый мощный тепловизор 21 века проигрывает природному прототипу.
Приложение №21 рис.1-4
Заключение
В наше время оформилось самостоятельное направление в науке и технике, цель которого — использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники.
Можно считать, что бионика находится еще в школьном возрасте. Ведь первая конференция специалистов - биоников, положившая начало ее официальному признанию, состоялась в 1960 г. Сейчас бионикой занимаются, тесно общаясь друг с другом, представители самых разных специальностей — биологи, врачи, физики, инженеры, математики. Круг вопросов, как мы узнали, выполняя нашу работу, которые исследует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться.
Потенциал бионики поистине безграничен. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации. Современный человек должен не разрушать природу, а брать её за образец. Обладая разнообразием флоры и фауны, природа может помочь человеку найти правильное техническое решение сложных вопросов и выход из любой ситуации.
В результате нашего исследования, мы сделали для себя много открытий. И убедились в том, что природный дар бесценен.
Выводы:
- изучили историю возникновения бионики;
- рассмотрели применение на практике некоторых открытий бионики;
- изучили последние достижения бионики;
- собрали коллекцию экспонатов, широко используемых человеком в быту, в архитектуре, в медицине, в промышленности и технике.
Вы здесь: Home Проблемные вопросы 3. Организм как биологическая система Бионика
Бионика
(от греч. biōn — элемент жизни, буквально — живущий) – это наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов.
Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц — орнитоптер.
Читайте также: