Сообщение на тему бионика насекомых

Обновлено: 19.05.2024

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

3. ПОЛЕТ НАСЕКОМЫХ (24 – 33)

24.СЛАЙД. Одним из изумительных творений мастерской природы является летательный аппарат насекомых. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе, ни в современной авиационной технике.

26.СЛАЙД. Скорость полета насекомых невелика по сравнению с современными самолетами (самая большая — у стрекозы-дозорщика — достигает 144 км/час). Но если сравнивать, сколько раз укладывается длина тела летуна в расстоянии, пройденном за единицу времени, то окажется, что относительная скорость у насекомых намного больше.

27.СЛАЙД. Несравнимо выше и маневренность полета насекомых. Так, мухи из семейства сирфид могут подолгу зависать в воздухе, а затем быстро снижаться и мягко вертикально садиться даже на неровную площадку.

28.СЛАЙД. Бабочка языкан на лету останавливается перед цветком, чтобы собрать нектар.

29.СЛАЙД. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх и вниз. Чтобы не возникали при полете вредные колебания, на конце крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения (птеростигмы). Авиаконструкторы после долгих поисков придумали самостоятельно подобное для крыльев самолетов. Но если бы они в свое время обратили внимание на птеростигмы насекомых, то разгадка причины флаттера — вибрации самолетного крыла — пришла бы гораздо раньше.

30.СЛАЙД. Маленьким чудом природы является водяной клоп гладыш. Спинка у него выпуклая, с острым килем посередине, а брюшко плоское, поэтому плавает гладыш на спинке, брюшком вверх. Когда же надо взлететь, клоп переворачивается и взмывает в воздух прямо с воды. С точки зрения техники, гладыш — это лодка, способная при необходимости выдвигать крылья и превращаться в самолет.

31.СЛАЙД. Полет насекомых — процесс сложный и во многом еще не разгаданный. Но идея создания летательного аппарата по принципу полета насекомых — энтомоптера — зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня биоников.

Изучение летных особенностей насекомых открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных устройств и авиаконструкций. И там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные.

Так, например, был разгадан секрет жужжальцев — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у некоторых насекомых, например у мух. Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат насекомому органом, определяющим отклонение от положения равновесия.

32.СЛАЙД. На том же принципе был создан прибор — гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для обнаружения углового отклонения и обеспечения стабилизации полета.

33.СЛАЙД. Инженеры военно-воздушных сил США, NASA и компании Boeing, в проекте стоимостью в 40 миллионов долларов, несколько лет изучали строение крыльев бабочек.

В итоге, они приступили к созданию реактивного истребителя с такими крыльями, которые смогут самостоятельно сгибаться и принимать в полете нужную для маневра форму. Они будут легкими, что уменьшит расход топлива.

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

С момента возникновения жизни на Земле эволюция была главной движущей силой совершенствования живых организмов. С появлением человека началось технологическое развитие. Оно позволяет людям конструировать потрясающие вещи, аналогов которым в природе просто не существует. Значит ли это, что человек превзошел природу? Пожалуй, нет. За миллиарды лет эволюция испробовала невообразимое количество механизмов и способов взаимодействия между живыми существами и окружающей средой. И очень часто эти решения настолько уникальны, что встает правомерный вопрос: смог бы до этого додуматься человек?

Фасеточный глаз и омматидии

Большая часть современных оптических приборов, таких как фотоаппараты и видеокамеры, сделаны по подобию человеческого глаза: свет, попадающий на собирающую линзу, фокусируется на поверхности светочувствительной матрицы, которая состоит из миллионов рецепторов. Чем больше фоторецепторов, тем большим разрешением обладает оптическая система. Интересная особенность такого зрительного аппарата в том, что изображение на матрице (сетчатке в случае человеческого глаза) первоначально перевернуто из-за собирающей линзы (хрусталика) и только после обработки (в мозге) становится таким, каким должно быть.

Рис. 1. Схема строения фасеточного глаза: роговичные фасетки (1), светопреломляющий аппарат (2), пигментные (3) и зрительные (4) клетки, светочувствительный элемент омматидия (5), аксоны зрительных клеток, идущие в оптические ганглии (6), покровы головы (7), глазная капсула (8)

Членистоногие (насекомые, ракообразные, паукообразные и многоножки) обладают большим разнообразием фоторецепторных механизмов [1]. Самое главное отличие состоит в том, что у них весьма распространены фасеточные (сложные) глаза, состоящие из большого количества омматидиев (простых глазков). Омматидий в первом приближении выглядит как конус, у которого основание представляет собой шестиугольную фасетку (роговичную линзу) на поверхности глаза, а вершина заканчивается нервными отростками в глубине головы (рис. 1). Размеры фасетки обычно лежат в пределах от 5 до 50 мкм.

Фасеточные глаза подразделяют на два типа — аппозиционный и суперпозиционный. Пигментные клетки аппозиционного глаза расположены таким образом, чтобы на фоторецепторную часть каждого омматидия не попадал свет от соседних. Простой глаз в такой системе представляет собой длинную узкую трубу с толстыми непроницаемыми стенками и светочувствительными рецепторами на дне, в результате изображения от разных омматидиев не перекрываются. Такая конструкция хорошо работает при высокой освещенности, поэтому ею обладает большая часть дневных насекомых. В суперпозиционном глазе изображения, поступающие от соседних омматидиев, могут суммироваться, что позволяет видеть при меньшей освещенности благодаря увеличению доли проходящего света. Если объединение изображений происходит за счет того, что в ночное время пигмент в клетках перераспределяется, делая стенки прозрачными (при этом из-за выигрыша в светосиле уменьшается разрешение), такой подтип строения глаза называется оптикосуперпозиционным. Такие глаза имеются преимущественно у ночных видов, например мотыльков. Если же изображение от соседних омматидиев поступает из-за небольшого перекрывания их видимой области, а дальнейшая обработка суммарного изображения ложится на нервную систему, то это нейросуперпозиционный тип строения глаза. Такой механизм позволяет, например, мухам хорошо ориентироваться и днем, и в сумерках.

Рис. 2. Фасетчатый глаз и его бионический аналог [2]. Вверху — сложные глаза вымершего трилобита Erbenochile erbeni (слева; doi:10.1126/science.1088713) и плодовой мушки Drosophila melanogaster (doi:10.1126/science.1182228). Внизу изображен прибор CurvACE (Curved Artificial Compound Eye), кандидат на самый маленький искусственный сложный глаз (объем 2,2 см3, масса 1,75 г и потребляемая мощность менее 0,9 Вт), и его схематичное изображение рядом с аналогичным по угловому разрешению фасетчатым глазом.

Итак, фасеточный глаз имеет определенные преимущества, и исследователи пытаются поставить их на службу современным технологиям, изобретая разнообразные датчики (рис. 2). Практически все вышеперечисленное обнаружили с помощью светового микроскопа на микроуровне. Но не менее интересные открытия ждали ученых на более мелких масштабах.

Нанобугорки

В 60-х годах прошлого века ученые решили рассмотреть поверхность сложного глаза бабочек под электронным микроскопом. Неожиданностью стало то, что поверхность фасетки у некоторых видов могла быть покрыта большим количеством плотно посаженных нанобугорков (рис. 3). В ходе детального анализа выявили физические особенности такого покрытия, а методом атомно-силовой микроскопии уточнили размеры наноструктур — 200–400 нм в ширину и 10–250 нм в высоту [3, 4]. Оказалось, что наноструктурированная поверхность фасетки обладает антиотражательной функцией — похожий прием человек использует для создания просветляющего оптического покрытия у фотоаппаратов. Наноструктуры фасеток, с одной стороны, снижают заметность насекомого благодаря уменьшению блеска глаз, а с другой стороны, позволяют ему лучше видеть за счет увеличения доли проходящего света. Эти исследования проводились на насекомых, пойманных в живой природе. Следующим шагом стало изучение модельного организма — плодовой мушки Drosophila melanogaster.

Анализ большого количества разных видов насекомых показал, что внешне наноструктуры на поверхности глаз могут значительно различаться (рис. 6, 7, а–г). Встречаются не только нанобугорки, но и лабиринтообразные, и сильно вытянутые структуры, а также более сложные образования (как у ногохвостки). Таким образом, мир наноструктур у насекомых представлен гораздо большим разнообразием по сравнению с микроструктурой (см. рис. 7, д–е).

Итак, физические свойства нанопокрытий зависят от геометрии поверхности. Применение их антибликовых и грязеотталкивающих функций уже достаточно широко распространено. Учитывая большое разнообразие природных объектов, ученые продолжают изучать и использовать их свойства в практических целях (например, для создания гидрофобных покрытий экрана смартфонов или антиотражательных поверхностей ячеек солнечных батарей).

Литература:

1. Руководство по физиологии органов чувств насекомых / Под ред. Г. А. Мазохина-Поршнякова. М., 1983.
2. Floreano D., Pericet-Camara R., Viollet S. et al. Miniature curved artificial compound eyes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. P. 9267–9272. doi:10.1073/pnas.1219068110.
3. Bernhard C. G., Miller W. H. A corneal nipple pattern in insect compound eyes // Acta Physiol. Scand. 1962. V. 56. P. 385–386.
4. Stavenga D. G., Foletti S., Palasantzas G. et al. Light on the moth-eye corneal nipple array of butterflies // Proc. Biol. Sci. 2006. V. 273. P. 661–667. doi:10.1098/rspb.2005.33695.
5. Kryuchkov M., Katanaev V. L., Enin G. A. et al. Analysis of micro- and nano-structures of the corneal surface of Drosophila and its mutants by atomic force microscopy and optical diffraction // PloS One. 2011. V. 6. e22237. doi:10.1371/journal.pone.0022237.
6. Blagodatski A., Kryuchkov M., Sergeev A. et al. Under- and over-water halves of Gyrinidae beetle eyes harbor different corneal nanocoatings providing adaptation to the water and air environments // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6004. doi:10.1038/srep06004.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Артем Сергеевич Благодатский — кандидат биологических наук, сотрудник Института белка РАН. Занимается молекулярной и клеточной биологией, иммунологией, энтомологией.

Фасеточный глаз и омматидии

Рис. 2. Фасетчатый глаз и его бионический аналог [2]. Вверху — сложные глаза вымершего трилобита Erbenochile erbeni (слева; doi:10.1126/science.1088713) и плодовой мушки Drosophila melanogaster (doi:10.1126/science.1182228). Внизу изображен прибор CurvACE (Curved Artificial Compound Eye), кандидат на самый маленький искусственный сложный глаз (объем 2,2 см 3 , масса 1,75 г и потребляемая мощность менее 0,9 Вт), и его схематичное изображение рядом с аналогичным по угловому разрешению фасетчатым глазом

Нанобугорки

Рис. 3. Устройство сложного глаза насекомого. Последовательно изображены голова осы, глаз насекомого, роговичные линзы омматидиев (фасетки) и нанобугорки на их поверхности

Рис. 5. Изображение надводной (а, б) и подводной (в, г) частей глаза жука-вертячки (атомно-силовая микроскопия) [6] в трехмерном (вверху) и двумерном виде (приведены фрагменты размером 10×10 мкм). Видна ярко выраженная лабиринтообразная наноструктура на надводной части глаза и гладкая на подводной. Цветовая шкала характеризует высоту нанобугорков

Анализ большого количества разных видов насекомых показал, что внешне наноструктуры на поверхности глаз могут значительно различаться (рис. 6, 7, а–г). Встречаются не только нанобугорки, но и лабиринтообразные, и сильно вытянутые структуры, а также более сложные образования (как у ногохвостки). Таким образом, мир наноструктур у насекомых представлен гораздо большим разнообразием по сравнению с микроструктурой (см. рис. 7, д–е).

Рис. 6. Наноструктуры глаз ночных бабочек и ногохвостки. У ночных бабочек (а) глаза обладают самыми высокими антибликовыми свойствами среди насекомых, что достигается за счет строгой упорядоченности нанобугорков и их большой высоты — 200 нм. Специфические наноструктуры на поверхности глаз ногохвостки (б) обеспечивают гидрофобность, благодаря чему вода не попадает в глаза насекомому

Рис. 7. Нано- и микроструктуры глаз насекомых. Наноструктуры глаз могут заметно различаться у разных видов насекомых, например, мух (а, б), клопов (в) и мотыльков (г). Какой эффект достигается за счет такой геометрии поверхности в каждом случае — неизвестно. Несмотря на большое разнообразие наноструктур, микроструктура глаз обычно сходна у всех видов. Однако есть и исключения, например, у бабочек (д) фасетки могут сильно отличаться от обычных (е)

Литература:
1. Руководство по физиологии органов чувств насекомых / Под ред. Г. А. Мазохина-Поршнякова. М., 1983.
2. Floreano D., Pericet-Camara R., Viollet S. et al. Miniature curved artificial compound eyes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013. V. 110. P. 9267–9272. doi:10.1073/pnas.1219068110.
3. Bernhard C. G., Miller W. H. A corneal nipple pattern in insect compound eyes // Acta Physiol. Scand. 1962. V. 56. P. 385–386.
4. Stavenga D. G., Foletti S., Palasantzas G. et al. Light on the moth-eye corneal nipple array of butterflies // Proc. Biol. Sci. 2006. V. 273. P. 661–667. doi:10.1098/rspb.2005.33695.
5. Kryuchkov M., Katanaev V. L., Enin G. A. et al. Analysis of micro- and nano-structures of the corneal surface of Drosophila and its mutants by atomic force microscopy and optical diffraction // PloS One. 2011. V. 6. e22237. doi:10.1371/journal.pone.0022237.
6. Blagodatski A., Kryuchkov M., Sergeev A. et al. Under- and over-water halves of Gyrinidae beetle eyes harbor different corneal nanocoatings providing adaptation to the water and air environments // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 6004. doi:10.1038/srep06004.

Немецкая компания Festo в рамках проекта Bionic Learning Network создала две новые модели роботов, созданных по образу и подобию насекомых, - искусственные муравьи BionicANTS и роботы-бабочки eMotionButterflies, которые способны взаимодействовать между собой.

Роботы не только копируют насекомых внешне, но и воспроизводят их поведение. Каждый искусственный муравей оснащен радиомодулем, с помощью которого осуществляется координация с "собратьями". На голове робота установлена 3D-стереокамера, а на брюшке - инфракрасный оптический сенсор, отслеживающий передвижение робота. Два встроенных аккумулятора обеспечивают 13,5-саниметровому роботу 40 минут автономной работы, а подзарядку BionicANTS осуществляют при помощи усиков.

Робот-бабочка, при скромном весе в 32 грамма, оснащен двумя сервомоторами и парой компактных аккумуляторов, которые позволяют ему летать в течение четырех минут. Чтобы eMotionButterflies могли не сталкиваюсь порхать в замкнутом помещении, в нем устанавливаются специальные инфракрасные камеры, которые отслеживают движение роботов и координируют полет каждого из них.

Подробности 22 октября 2015

Читайте также: