Исследовательская работа " Биомиметика"

              Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №4 г. Ардона Ардонского района РСО- Алания

__________________________________________________________________________           

                        Биомиметика

            Исследовательская работа  

                                                                Гаглоева Лоида Славиковна                           

                                                                                 8 класс

                                                        Руководитель: учитель биологии                                                                            

Дзитоева Людмила Темирикоевна

Ардон

2016

                                                               Содержание

І.Введение                                                                                       стр. 3          

     II.Основная часть:

   1.Откуда всё начиналось?                                                      стр 5

              2.Наука бионика. Разделы бионики:                                    стр 5                                  

         2.1. архитектурно-строительная бионика                       стр. 7

         2.2. биомеханика                                                               стр.9                    

         2.3. нейробионика                                                             стр.10      

         2.4. Электроника и нанотехнологии                               стр.12

     3. Великие мелочи, «подсмотренные у природы».            стр. 13

     ІІІ.Заключение                                                                               стр. 16

     ІV.Литература и используемые интернет – ресурсы.             стр. 17

1.Введение

С момента создания мира человека  интересовало многое: почему вода – мокрая, почему день сменяет ночь, почему мы ощущаем запахи   и пр.   Человек пытался этому найти объяснение. Но чем больше он узнавал, тем еще больше возникало у него вопросов: может ли человек летать как птица, плавать как рыба, как животные «узнают» о приближении шторма, о надвигающемся землетрясении, о грядущем извержении вулкана?

Вопросов «почему» очень много, часто эти вопросы   истолковывались не с точки зрения науки, порождая вымыслы, суеверия. Для этого нужно обладать хорошими знаниями во многих областях: в физике и химии, астрономии и биологии, географии и экологии, в математике и технике, в медицине и космосе.

А существует ли наука, которая объединила бы в себе все, смогла бы сочетать несочетаемое? Оказывается – существует!

Предмет моего исследования -  наука бионика - “БИОлогия” и “техНИКА”.

Выдвинула две гипотезы( слайд 3), которые будут конкурировать друг с другом в ходе исследования:

1. Животные могут многому научить людей в самых разных сферах их деятельности, и этот процесс может породить много интересных открытий.

2. Человек – «царь природы», и ему глупо учиться у животных, стоящих ниже его по разуму.  

Цель исследовательской работы: изучить возможности бионики

                                                        и границы ее применимости. ( слайд 4)

Для этого можно поставить ряд задач:

1.Узнать, что такое «бионика».

2. Проследить историю развития науки «Бионики»: от древности к    современности и ее взаимосвязь  с другими науками.

3. Выделить основные разделы бионики.

4. За что нужно сказать природе спасибо

Методы исследования:

Теоретические:

 1) изучение научных статей;

 2) изучение литературы по теме.

Практические:

-наблюдение;

-обобщение.

Практическая значимость.

 Я думаю, что моя работа будет  интересна широкому кругу и  учащихся и учителей , 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.

                        1.Откуда всё начиналось?

               Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи( слайд5-6). В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже.   Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антони Гауди-и-Курнет (слайд7). Его имя прочно впечатано в историю этой науки. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей.  Гауди обожествляет природу. У него церковные шпили завершены снопами злаков и початками кукурузы, арки окон увенчаны корзинами с фруктами, с фасадов свисают гроздья винограда; водосточные трубы извиваются в форме змей и рептилий; дымоходы закручены улитками, решетки выкованы в виде пальмовых листьев. Но Гауди совершает то, на что до него не отважился никто: он переносит законы природы на архитектуру. Он сумел добиться непрерывной текучести архитектурных форм, доступных лишь живой природе. Он применяет параболические перекрытия и наклонные древовидные колонны. В его проектах нет ни одной прямой линии, как нет ее в природе.  Следующим, кто поддержал идею симбиоза природы и технологий, стал Рудольф Штайнер( слайд8). Под его руководством началось широкое применение бионических принципов в проектировании зданий.

Бионика, англоязычное название – «биомиметика» ( слайд 9),

 от лат.  bios – жизнь,mimesis - подражание  (создание технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются у живой природы ) .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. /БСЭ.1978г./

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике». ( слайд10)

Многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере, где составляется компьютерная программа – бионическая модель.

Сегодня бионика имеет несколько направлений. ( слайд 11). Это: архитектурно- строительная бионика, биомеханика, нейробионика, электроника и нанотехнологии

                                    2.Разделы бионики                                               

                        2.1 Архитектурно-строительная бионика

          Бионика в архитектуре — это не просто искривленность очертаний форм, внешнее подобие раковинам моллюсков, птичьей скорлупе, пчелиным сотам, ветвям лесной чащи и т.д. Прежде всего, это более удобные, более гармоничные, более надежные пространства жизнедеятельности человека. Метод архитектурной бионики объединяет в себе абстрактное и конкретное — законы математики и эмоции. Он создает предпосылки для синтеза науки и искусства. К началу 1980 г. благодаря многолетним трудам специалистов   архитектурная бионика признана как новое независимое направление в архитектуре. За это время построено уже немало зданий в биостиле.

        С большим нетерпением весь мир ожидает осуществления проекта «Вертикальный бионический город-башня» в Шанхае ( слайд12). Ее форма напоминает форму кипариса высотой 1228 м. Небоскреб будет насчитывать 300 этажей, расположенных в двенадцати вертикальных кварталах. Опорой этого сооружения будут сваи, которые под воздействием тяжести вместо того, чтобы углубляться, будут расширяться по принципу гармошки. Построение такого города-башни поможет в решении проблемы перенаселенности Китая, так как он рассчитан примерно на 100 тысяч жителей. «Кипарис» будет возведен с учетом всех требований архитектурной бионики. Создатели этого проекта Кавьер Пиоф и Роза Тервера скромно заявили: «Природа сделала это до нас и лучше нас».

В конце ХIХ столетия Эйфелева башня ( слайд13), названная именем своего создателя ,Александра Гюстава Эйфеля, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это ещё один показательный пример бионики в действии.

В России законы живой природы также были заимствованы для создания некоторых архитектурных объектов . Примерами можно назвать Останкинскую радиотелевизионную башню в Москве( слайд14). Корень сосны воплощён в постройке самой высокой в мире Останкинской башни.

                                    2.2 Биомеханика

         Биомеханика — раздел естественных наук, изучающий  механические свойства живых тканей, отдельных органов и систем, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления. Биомеханические исследования охватывают различные уровни организации живой материи: биологические макромолекулы, клетки, ткани, органы, системы органов, а также целые организмы и их сообщества.

Чаще всего объектом исследования этой науки является движение животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и системах. Под механическим движением понимается движение всей биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы относительно друг друга — деформация системы.

      Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования полёта птиц появилась авиация.

Ещё более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных   в живой природе. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения. Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации.

                                         2.3  Нейробионика

             Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. Специалистов этой области науки поражают, например, необыкновенные способности птиц к навигации. Всем известно, что почтовые голуби, где бы они ни были, обязательно вернутся в свой «родной дом». Доказано, что вроде бы ничем не примечательная птаха золотистая ржанка без посадки может пересечь Атлантический океан от Новой Шотландии до Южной Америки (около 4 тысяч километров). И из года в год летают стаи золотистых ржанок, летают по одним и тем же воздушным трассам. 
      Как ориентируются  они в пространстве? Как находят  свои невидимые дороги в небе? Что  за «навигационные приборы», точные и  высокочувствительные, «работают» внутри у этих рекордсменов навигации? 
            Ученые вправе надеяться, что вопрос не останется без ответа. Залогом этой уверенности служат интересные эксперименты с птицами, которые они ведут. Например, уже установлено, что почтовые голуби обладают особенно острым зрением и способны выделять детали местности, при случае играющие роль ориентиров. Безупречная память воздушных почтальонов накапливает информацию, как компьютер. 
            А вот  удивительная способность летучих  мышей безошибочно ориентироваться  в самых темных уголках пещер, проноситься сквозь кроны деревьев безлунной ночью уже не секрет для биоников. Они знают, что беспорядочное на первый взгляд ныряние, кручение и другие неожиданные выверты и трюки летучих мышей в погоне за добычей - не что иное, как чрезвычайно точный метод, названный эхолокацией. Это она помогает животным не приблизительно, а строго определенно узнавать расстояние до своей жертвы. Летучие мыши во время охоты необычайно болтливы: они «выстреливают» в насекомых заряды ультразвуков и тут же принимают их отраженными от насекомых

                         2.4 Электроника и нанотехнологии

Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху. Самые преданные  бионики это инженеры, которые конструируют роботов. Существует такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики -бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек. ( слайд 16)

Создано искусственное сердце из биологических материалов.  Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Группа исследователей из университета Миннесоты пытается создать принципиально новый метод лечения 22 млн человек – столько людей в мире живет с больным сердцем.   Ученым удалось изъять мышечные клетки из сердца, сохранив лишь каркас из сердечных клапанов и кровеносных сосудов. В этот каркас пересадили новые клетки.  ( слайд 17)

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. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл, в прошлом служившая в морском флоте США.

 ( слайд18)

  3.Великие мелочи, «подсмотренные у природы» ( слайд 19)

         Знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де
Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения.  Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника(репейника). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку». ( слайд 20)

        Идею создания очков для слепых подали летучие мыши

        Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров. В последние годы ученые также всерьез занялись изучением паука. Они стремятся понять, как он производит свой шелк.  Вообще, шелк производят множество разных насекомых, но шелк паука особенный. Он — один из самых прочных материалов на земле. Шелк паука обладает таким количеством выдающихся свойств, что их список показался бы невероятным.

Почему ученые, говоря о паучьем шелке, употребляют прилагательные в превосходной степени? Дело в том, что он не только в пять раз прочнее стали, но и очень эластичен — а для материалов это очень редкое сочетание. Шелк паука тянется на 30 процентов больше, чем самый эластичный нейлон. Однако он не пружинит, как батут, и не выбрасывает обед паука в воздух. «Если перевести все в человеческие масштабы, то паутина, похожая на рыболовную сеть, сможет поймать пассажирский самолет».

Сумей люди повторить химические чудеса, творимые пауком — а два вида производят по семь разновидностей шелка,— представляете, что можно было бы производить! Во много раз улучшенные ремни безопасности, швы, искусственные связки, легковесные провода и кабели, пуленепробиваемые ткани — и это далеко не все. Ученые также стараются разгадать секрет рациональности, с которой паук производит шелк, обходясь при этом без токсичных материалов.

 Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов. ( слайд 21).

         Игла-скарификатор, служит для забора крови, сконструирована по принципу, полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением.

        Привычный нам поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат – комара и блохи, с укусом которых знаком каждый человек.

        Пушистые «парашютики» замедляют падение семян одуванчика на землю, точно также, как парашют замедляет падение человека. ( слайд 22).

      Устройство роговицы глаза ночной бабочки может лечь в основу конструкции солнечных батарей

     У пера птицы  есть бородки различных порядков, оснащенные крючками, которые обеспечивают надежное сцепление; в застежке-молнии использован тот же принцип соединения зубцов. ( слайд 23).

     Изучив медузу, удалось создать копию "барометра" и сконструировать систему, обладающую  высокой чувствительностью. Прибор предсказывает шторм за 20 часов до  начала. ( слайд 24).

          Муха одновременно видит не одно, а много изображений какого-либо предмета. Когда этот предмет движется, то он как бы переходит от одного изображения в другое. А это дает возможность с большой точностью определять скорость движения тела. После того, как принцип устройства  глаз мухи был изучен, инженеры  создали новый прибор - “глаз мухи”, предназначенный для определения скорости летящих самолетов.

         Один из видов водяных жуков, прихватив воздушный пузырь,  опускается с ним под воду. Пузырь служит в качестве легкого. Идею акваланга позаимствовали   у замечательного насекомого. ( слайд 25). 

         По аналогии с особенностями зрения некоторых хищных животных создан прибор ночного видения «кошачий глаз»

         Изучение механизма работы передних конечностей крота помогло создать землеройные машины.   ( слайд 26).           

        Конечности хищных птиц подсказали идею изобретения  экскаватора

         Осьминог помог придумать технические присоски ( слайд 27).

        В 1920 г. Рауль Франсе создал солонку . Прообразом  послужила
коробочка макового цветка

        Принцип скольжения пингвинов по рыхлому снегу воспроизведён в конструкции снегохода «Пингвин». ( слайд 28).

         Клюв птицы веретенника подал идею создания операционных ножниц и пинцета.  ( слайд 29).
      Специалисты японской фирмы "ID Technica Inc." завершают разработку технологии производства индивидуальных чернил на базе ДНК пользователя.
По словам руководителя проекта Коичи Харагучи, уникальные чернила скоро будут готовы. Подпись, выполненная такими чернилами, не поддается подделке, поскольку содержит генетический код пользователя. С помощью специального лазерного устройства автографы можно будет мгновенно проверять на подлинность. ( слайд 30)

                                   III.  Заключение( слайд 31)

Потенциал бионики поистине безграничен…

Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. 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.   Люди достойны признания своих заслуг,   хвалы за свои творения, которые часто представляют собой неуклюжее подобие того, что встречается в природе. Так не должны ли мы признавать заслуги мудрого Творца, создавшего совершенные оригиналы?

       Изучив научно-популярную литературу по теме, проведя наблюдения, я пришла к выводу, что человек, несмотря на свое особое положение в мире, не должен забывать о родстве с животными и считать, что он достиг вершин познания. В ходе моей исследовательской работы гипотеза №1 « Животные могут многому научить людей в самых разных сферах их деятельности, и этот процесс может породить много интересных открытий» подтвердилась. Вторую гипотезу: «Человек – «царь природы», и ему глупо учиться у животных, стоящих ниже его по разуму» я опровергаю.  

Мне было очень интересно работать над этой темой. В дальнейшем я продолжу работу по изучению достижений бионики.

Литература и используемые интернет – ресурсы.  ( слайд 32) 

1. Бионика. В. Мартека, изд – во :Мир, 1967 г.

2. БСЭ.1978г.

- htth://www/cnews/ru/ news/ top / index . Shtml 2003/08/21/147736;

- bio-nika.narod.ru

- www.computerra.ru/xterra

- http://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

-  www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/‎

-http://factopedia.ru/publication/4097

-http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg

- http://novostey.com

- http://images.yandex.ru/yandsearch

-http://school-collection.edu.ru/catalog