творческий проект

Содержание

1. Введение.
2. Цели и задачи.
3. История развития.
4. Основные направления работ.
5. Моделирование живых организмов.
6. Архитектурно - строительная бионика.
7. Бионика в нашей жизни.
8. Заключение.
9. Литература.
10. Приложение.

                                     «Птица – действующий по математическому

                                             закону инструмент, сделать который в

                                            человеческой власти со всеми его движениями»

Леонардо да Винчи

     С незапамятных времен 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. В моей работе мы познакомимся с некоторыми такими примерами.

     Что общего между цветком белого лотоса и краской, прусаками и автомобилями, пауками и сталью?  Приспособления растений и животных к окружающей среде удивительны. 
Перечислите некоторые из них. Какие вы хотели бы воплотить в жизнь? Природа может научить человека многому. Все организмы на земле совершенны и уникальны. 

     Ответы на эти вопросы знает молодая наука БИОНИКА (англоязычное названия – «биомиметика»), оно произошло от латинских слов: «биос» - жизнь и «мимесис» - подражание.
     Задача бионики - заимствовать у природы технические идеи.

Человек представляет собой  высшую ступень развития живой природы не потому, что его чувствительные  или рабочие  органы и системы лучше, чем у животных. Многочисленные примеры убеждают в том, что у многих животных та или иная система  жизнедеятельности   во много раз совершенней, чем у человека. Приведем лишь некоторые из них.

Цель: Узнать, что изучает бионика и какое значение она играет в развитии научно-технического прогресса 

Задачи: 

1- углубить и расширить знания о сущности естественного отбора и приспособленности организмов к среде обитания.

2- показать значение биологических знаний для развития техники, медицины, архитектуры.

 3- формировать умения анализировать, сравнивать и прогнозировать результаты. 

История развития

     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.

     Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

История развития

     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.

    Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Моделирование живых организмов

     Создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

     И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

     Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

Сегодня бионика имеет несколько направлений.

Архитектурно-строительная бионика

     Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых шуб, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

       Яркий пример шубной архитектурной 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 чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) 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, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение XX века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

     Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

       Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1228 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 метров. Между кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты — аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить ещё несколько таких зданий-городов.

     В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Бионика в нашей жизни.

     Лучшие спортсмены-бегуны на короткие дистанции развивают скорость 40-42 км/час. В мире животных  в 2-3 раза быстрее бегает гепард, страус и некоторые другие. Более того, относительная скорость передвижения и расстояние, на которое могут перемещаться животные, еще разительнее отличаются от естественных возможностей человека. Количество движений, которое человек способен совершить за 1 сек., составляет максимум 10-12(к примеру, постукивания пальцем по столу),а частота взмахов крыла у обыкновенной пчелы-250-300 в секунду.

        Преимущество человека заключается  в уникальной способности мозга к мышлению  и способности к общественному труду.

       В своей практической деятельности  человек использует  в качестве моделей для конструирования сооружений и механизмов  наиболее удачные приспособления живых организмов  к среде их обитания. В наше время  появилось самостоятельное направление в науке  и технике, цель которого-использовать биологические знания для решения инженерных  задач и развития техники. Это направление было названо бионикой (от греч. слова bion-ячейка жизни).

        Круг вопросов, которые использует бионика, довольно обширен и продолжает расширяться. Для того чтобы получить о них представление, лучше всего рассмотреть несколько примеров.

        В 1889 году в Париже по проекту  Ж.Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая ажурная башня, ставшая впоследствии своеобразным символом столицы Франции. Эта  конструкция- яркий пример единства закона формирования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что силовые линии в конструкциях башни  и в костях птиц и млекопитающих распределяются очень сходно, хотя при создании башни инженер не пользовался жировыми моделями.

       Легкая и хрупкая кость, способна выдержать большие нагрузки, стала предметом пристального изучения  ученых и архитекторов. Всесторонне  исследуя скелет  позвоночных  и скелетные образования  беспозвоночных  животных  как комплекс  расположенных  в пространстве опорных элементов,  известный математик и конструктор Ле-Реколе установил, что прочность этих биологических конструкций обусловлена  соответствующим расположением в них обрамлений отверстий, соединяемых различным образом, а не  плоскостей и пустых пространств. На основе изучения структуры костей и других природных моделей в архитектуре родился принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так, французские инженеры использовали  этот принцип при строительстве моста, придав ему форму скелета морской звезды.

         Для творчества архитекторов природа предоставляет немало образцов подобных конструкций , например скелеты некоторых глубоководных губок и особенно радиолярий-микроскопических организмов, относящихся к типу простейших. Скелеты радиолярий поражают богатством и разнообразием форм и расположением опорных элементов. При удивительной экономии материала они обладают высокой устойчивостью, выдерживая давление воды на больших глубинах .Это яркий пример достижения максимальной прочности при минимальной  затрате материала.

        Ле-Реколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд конструкций  универсальных ячеек, которые могут быть использованы в создании различных сооружений-от перекрытий залов до мостов и плотин. Возможно, в будущем они найдут применение и в оборудовании, предназначенном для полетов в космос, поскольку в подобных условиях требуется принимать во внимание не только прочность конструкции, но и количество материала, необходимого для его изготовления.

       Дырчатые конструкции – не единственная возможность построения объектов. В природе встречаются разнообразные формы скелетных элементов- окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и многоугольники. Комбинируя их, природа создала бесконечное множество  сложных красивых, легких, прочных и экономичных конструкций. Часто живых организмов нередко построены из элементов сходной формы. Таковы лепестки цветков, чешуи семян злаков, чешуя рыб, панцирь броненосцев и т.д. Повторяемость однотипных структурных  элементов в природе- закономерное явление. Естественный отбор сохраняет структуры, наиболее совершенные в функциональном отношении и наиболее экономные по затрате материала в  этом отношении хорошим примером служит фигура, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников. Она очень часто встречается в природе: панцири черепах, чешуя змей, проводящие сосуды растений содержат в своей структуре шестиугольники. Однако среди этих природных  шестигранных конструкций наиболее замечательное творение- пчелиные соты. Это самая экономная и самая емкая форма, единственным элементом которой является шестигранная призма.

       Принцип строения живых конструкций из унифицированных элементов используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов. Конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления « сотовых панелей» для строительства жилых домов. Шестигранная призма-основной элемент «сотовых» элеваторов под Новосибирском и в Целинограде. Успешно используют принцип построек и гидростроители при наведении плотин и создании других гидротехнических сооружений.

         Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет в строительстве биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются или могут быть использованы человеком. Основоположник современной аэродинамики Н.Е.Жуковский тщательно изучил механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе. На основании исследования полета птиц появилась авиация.

         Еще более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе, ни тем более в современной авиационной технике. Бабочки адмиралы или репейницы, совершая дальние полеты из Европы в Африку, находятся в воздухе  в течении многих часов. Они преодолевают такие гигантские расстояния благодаря высокой  экономичности работы своего организма. Бабочки  расходуют «горючего»(жиры, углеводы и др.)гораздо меньше, чем птицы при дальних перелетах или современный самолет. Хотя скорость их полета, казалось бы,  невелика по сравнению с современными авиалайнерами (самая большая у стрекозы- дозорщика достигает 144 км/ч), но если сравнивать сколько раз укладывается длина тела летуна в полете за единицу времени, то окажется, что относительная скорость у насекомых намного больше. Несравнимо выше и маневренность полета насекомых. Так, некоторые виды мух могут подолгу зависать в воздухе, а затем быстро снижаться и мягко вертикально садиться даже на неровную площадку. Бабочки на лету останавливаются перед  цветком, чтобы собрать нектар. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только в перед, но и назад, вправо, влево, вверх и вниз. Чтобы в полете не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолетов, тем самым устраняя опасность вибрации машины.

     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. Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

        Полет насекомых- процесс сложный и во многом еще не изученный. Однако идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полета насекомых , ждет своего разрешения. Изучения способности насекомых к полету открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных решений в конструкции летательных аппаратов. Там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные системы. Там, например, была выявлена Функция 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 животному органом, определяющим отклонения равновесия. На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полета.

       Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в полной темноте и ловить насекомых, не задевая встречные предметы. Лишь  в наше время было установлено, что летучие мыши могут издавать и воспринимать звуки с частотой выше 20 тыс. Гц, т.е. ультразвуки, недоступны слуху человека. Беспрерывно испуская в полете ультразвуковые сигналы и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство. У некоторых видов летучих мышей ультразвук распространяется через рот, у других видов- через ноздри. «Приемником» отраженного звука служат уши, которые у некоторых видов, например ушанов, достигают значительных размеров. С помощью такого «ультразвукового» видения летучие мыши способны обнаружить в темноте натянутую  проволоку диаметром всего лишь 0,05 мм, уловить эхо, которое в 2 тыс. раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделить тот звук, который им   нужен.

       Интересно, что некоторые ночные бабочки также чувствительны к ультразвуковым сигналам. Они воспринимают  импульсы летучих мышей на гораздо большем расстоянии, чем сама мышь, т.е. несколько раньше, чем та может их обнаружить, и таким образом избегают опасности. Другие бабочки сами способны издавать ультразвуковые сигналы, которые отпугивают мышей, предупреждая их о несъедобности насекомого.

      Изучение природных ультразвуковых локаторов только начинается. Моделирование локаторов по живым образцам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем. По аналогии с принципом , лежащим в основе эхолокации у  летучих мышей, конструируются модели приборов-локаторов для слепых и приборы для народного хозяйства.

       Ориентироваться  в пространстве  животные могут и не прибегая к эхолокаторным  системам, тем более, что они высокоэффективны на небольшом расстоянии. Один из примеров ориентации на основе иных принципов- способность к навигации у перелетных птиц и некоторых водных животных.

       С наступлением осени большая часть птиц покидает свои гнездовья и отправляется в далекое путешествие к местам зимовок, а весной снова возвращается «домой». Птицы летят группами и в одиночку, днем и ночью, в туман и сильный ветер, подчас покрывая огромные расстояния. Так, в далекую Африку улетают наши горихвостки, мухоловки-пеструшки, ласточки, журавли, аисты, утки. Замечательны своими дальними перелетами полярные крачки. В течении трех месяцев они достигают Антарктиды, пролетая только в один конец около 16 тыс.км.

     Способность к навигации у птиц- врожденное чувство. Кукушонок, выросший в чужом гнезде, не летит в ту сторону, куда зовут его приемные родители, а следует традиционным кукушиным путем, хотя летит впервые. У некоторых птиц, например у аистов, молодняк улетает зимовать раньше взрослых. Врожденный «птичий компас» укажет молодому аисту правильный путь к незнакомой ему далекой Африке.

       Не только птицы, но и рыбы, например лососи, совершают путешествие  из океана в родные реки. Преодолевая течения и пороги, они плывут на нерест вверх по рекам, стремясь во что бы то ни стало попасть туда, где появились на свет.

      Навигационные способности мигрирующих животных поражает своей  точностью, однако устройство и принцип работы систем, обеспечивающих ориентацию, пока не разгаданы. Ученые предполагают, что птицы и другие животные днем ориентируются по Солнцу, а ночью- по звездам. Но поскольку Земля вращается вокруг своей оси и положение звезд и Солнца непрерывно меняется, для правильного определения направления полета необходимо знать время. Оказалось, что у птиц есть своеобразные биологические часы. Птицы хорошо чувствуют и магнитное поле Земли, силовые линии которого, возможно, также служат ориентиром в полете.

       Инженеры-бионики многих стран работают над выяснением механизмов ориентации животных, раскрытие которых даст возможность человеку создать принципиально новые навигационные приборы.

        Не менее интересным  и перспективным для использования оказалось проявление электрической активности в живой природе, обнаруженное в конце XVIII в. Знаменитыми учеными Гальвани и Вольта у животных (лягушки). В дальнейшем  оказалось, что электрическая активность- неотъемлемое свойство живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ. Эта способность наиболее изучена у рыб.  В настоящее время  известно, что около 300 видов рыб способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По силе и характеру разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические  и слабоэлектрические. К первым относятся южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты. Эти рыбы генерируют очень сильные заряды: угри создают напряжение до 600 В, сомы-350 В. Напряжение тока у морских скатов невысоко, но сила тока их разрядов иногда достигает 60 А, что позволяет им парализовать даже крупную добычу.

      Рыбы второго типа- обитатели мутных, илистых водоемов Африки- не испускают отдельных разрядов. Они посылают в воду почти непрерывные и ритмичные импульсы высокой частоты, создавая вокруг своего тела электрическое поле. Конфигурация этого поля, которую можно представить в виде магнитно-силовых линий, зависит от формы самой рыбы. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводимости от воды, конфигурация поля изменится. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют электрическую локацию, позволяющую на расстоянии найти пищу, избежать встречи с врагами и столкновения с неодушевленными предметами в мутной воде, где  всецело полагаться на зрение не приходится.

      Приемы, с помощью которых электрические рыбы ловят добычу и защищаются от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для промыслового электролова или отпугивания рыб от разводимых в водоемах моллюсков и растений. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации у рыб. В современной подводной локации технике пока не существует систем поиска различных объектов в водной среде, которые работали бы по образцу электролокаторов  рыб. Работа по созданию подобной аппаратуры ведется учеными многих стран.

Заключение

        На протяжении многих миллионов лет биологической эволюции на Земле в процессе естественного отбора возникало и вымирало огромное количество самых разнообразных видов живых организмов. Изучение существующих и вымерших в далекие геологические эпохи видов живых организмов показало, что и в древности существовали формы жизни, изучение организации которых  может пригодиться для воздания или усовершенствования некоторых машин и механизмов.

        Перечислить все, чем занимается бионика, нелегко; трудно также охарактеризовать все живые объекты, принципы организации которых могут помочь человеку в решении разнообразных научно-технических задач. Однако проблемы, так или иначе связанные с бионикой, можно разделить на три группы. К первой относятся те, для решения которых достаточно имеющихся знаний биологии. Ко второй группе относятся вопросы, решение которых нужно искать, изучая живую природу и совершенствуя биологические знания. Наконец, есть вопросы, и, быть может, самые увлекательные, которые природа пока еще тает в себе.

        Задачи бионики решаются сегодня силами ученых многих специальностей: физиков, химиков, математиков, кибернетиков, инженеров различных специальностей.    

Литература

• Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
• Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963.
• Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
• Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.
• Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
• Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
• Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
• Игнатьев М. Б. «Артоника» Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений"изд. Высшая школа, М., 2004.
• Мюллер, Т., Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112—135.
• Lakhmi C. Jain; N.M. Martin Fusion of Neural Networks, Fuzzy Systems and Genetic Algorithms: Industrial Applications. — CRC Press, CRC Press LLC, 1998
• Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. Н. Теория и практика эволюционного моделирования. — М: Физматлит, 2003.
• Архитектурная бионика. Под редакцией Ю. С. Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 269с.
• Г. В. Васильков. Эволюционная теория жизненного цикла механических систем. Теория сооружений.-М.Издательство ЛКИ, 2008. 320с.

II школьная научно - исследовательская конференция

«Организация учебно — воспитательного процесса, научно — исследовательской, методической и инновационно —

экспериментальной работы в МКОУ «СОШ № 9»

Направление: естественно-научное

Исследовательский проект

БИОНИКА В НАШЕЙ ЖИЗНИ

                                                Работу выполнила  

ученица 4 «В» кл.

Шейкина Виктория

Научный руководитель

Шейкина  М. А.

г. Благодарный 2013 год.