Реферат: Бионика – синтез биологии и техники. Бионика реферат

Реферат - Бионика – синтез биологии и техники

В.Д. Ильичев

Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. – день открытия в США Международного симпозиума «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике». Однако в действительности основные концепции бионики сложились задолго до этого, а симпозиум лишь ознаменовал начало широкого международного сотрудничества в этой области.

Доисторический человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. В известном смысле такой подход можно назвать бионикой. В какой-то степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталике глаза. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц.

После того как бионика получила официальное признание как самостоятельная область знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д.

Изучая биологические системы, бионика ищет оптимальные решения инженерных проблем. При этом она не только занимается коренным усовершенствованием существующих, но и созданием принципиально новых машин, аппаратов, приборов, строительных конструкций и технологических процессов, построением технических устройств, характеристики которых приближаются к таковым у живых систем.

Конечно, такое определение существенно упрощает ее понятийное содержание. Однако здесь имеется одно существенное ограничение. Оно заключается в том, что далеко не все природные системы опережают уже созданные технические.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития. Основными направлениями бионики считаются следующие.

Изучение и моделирование нейронов, нейронных сетей нервных центров, принципов организации мозга с целью их использования в технических системах.

Изучение принципов повышения надежности биологических систем, их резервирования и способности к адаптации.

Изучение органов зрения, слуха и обоняния с целью их моделирования.

Изучение систем навигации, локации, ориентации и стабилизации движения у животных в целях создания принципиально новых технических устройств.

Изучение методов кодирования, передачи и обмена информацией в биологических системах на уровне коллектива, отдельного организма, органа, на клеточном и молекулярном уровне с целью создания новых средств связи.

Разработка методов изучения психофизиологических возможностей и способностей человека, оптимальных методов обучения и тренировки, облегчения работы человека-оператора, контроля и прогнозирования его состояния (бионические аспекты проблемы «человек–машина»).

Изучение гидродинамических свойств рыб и китообразных, аэродинамических характеристик насекомых и птиц, рыхлящих и землеройных приспособлений животных с последующим моделированием в авиа и судостроении, робототехнике.

Получение энергии в технических системах по аналогии с биологическими, в том числе непосредственно от биологических систем.

Разработка биологических способов добычи полезных ископаемых, биологических методов в технологиях производства сложных органических веществ.

Изучение природных конструкций и форм в целях их использования в строительной технике и архитектуре.

Здесь перечислены наиболее важные, но далеко не все направления исследований, из которых складывается современная бионика. В настоящее время началось и прогнозируется на последующие годы бурное развитие таких направлений, как математическая бионика, занятая совершенствованием и созданием компьютерных моделей, в том числе информационных; медико-биологическая бионика, использующая достижения природы для разработки методов лечения заболеваний человека, их профилактики; ветеринарно-биологическая, занимающаяся близкими задачами, но применительно к домашним и диким животным.

Рассмотрим некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практических целях. Начнем наши очерки с водных и околоводных объектов.

Водолазный колокол Галлея. «Костюм ныряльщика», изобретенный Кингертом

Воздушный колокол паука-серебрянки

Снегоходная машина, имитирующая принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу, была разработана в Горьковском политехническом институте под руководством А.Ф. Николаева. Пингвины передвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежа на снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители наших северных регионов – охотники, оленеводы и т.д. Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могут использоваться и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего не могут применяться.

Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирского парохода «Куренаи Маару». По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% он сохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка «Скипджек», корпус которой по форме напоминает тунца, имеет более высокую скорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судами.

В последнее время ученые приблизились к разгадке высокоскоростного плавания рыб. Обитатели открытых морских просторов развивают скорость до 42 км/ч, морские млекопитающие, например, киты, до 40 км/ч, а рыба-меч – 130 км/ч.

Традиционно считалось, что рыбы при плавании используют движение хвоста и отчасти плавников. Но вот рыб пустили в аквариум, заполненный молоком, чтобы проследить за движением жидкости при плавании рыбы. При каждом ударе хвоста наблюдалось движение жидкости у жабр, а не у хвоста. При этом основная движущая сила возникала при колебательных движениях туловища; слои жидкости, вдоль которых скользила рыба, превращались в завихрения с вертикальной осью вращения. Рыба как бы плыла, отталкиваясь от водоворотов, которые выталкивали ее вперед.

Остроумный опыт подтвердил эти предположения. В доску вбили два ряда гвоздей и положили рыбу между ними и она «поплыла» посуху, отталкиваясь корпусом и хвостом от гвоздей как от водоворотов. На основе этого принципа кораблестроители начали работать над созданием подводных судов, двигающихся с легкостью рыбы.

Вскоре эти исследования дополнились работами ученых, изучающих плавание дельфинов. Последние способны развивать в воде скорость до 56 км/ч, сопровождая часами и даже днями быстроходные корабли. Расчеты показали, что для достижения такой скорости мышцы дельфинов должны быть в 10 раз мощнее, чем они есть на самом деле. Однако оказалось, что точно воспроизведенная по весу и форме тела модель дельфинов, получающая равную тягу, плывет гораздо медленнее живого дельфина. При этом было замечено, что вокруг живого дельфина возникает струйное течение, не переходящее в вихревое. Обтекание модели дельфина было турбулентным, и, вынужденная преодолевать турбулентность со значительной затратой сил, она перемещалась гораздо медленнее.

Секрет высокой скорости движения дельфина разгадали советские ученые В.Е. Соколов и А.Г. Томилин с сотрудниками.

Оказалось, антитурбулентность дельфина обеспечивается особенностями строения кожи. Его эпидермис очень эластичен и напоминает лучшие сорта автомобильной резины. Он состоит из тонкого наружного и лежащего под ним росткового (шиловидного) слоев. В ячейки росткового слоя входят упругие сосочки дермы, точно зубцы резиновой щетки для замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы особенно развиты в лобной части головы и на передних краях плавников, где давление воды максимальное. Ниже сосочков дермы располагаются коллагеновые и эластиновые волокна, а между ними – жир. Все вместе действует подобно демпферу, предотвращающему турбулентность и срыв потока.

Под давлением подкожный жир меняет форму клеток, а затем восстанавливает ее. Буферность кожи достигается еще и упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.

Благодаря этим приспособлениям поток, обтекающий тело дельфина, остается ламинарным – линейным, без завихрений.

Кроме того, на упругой коже дельфинов имеется специальная смазка, обладающая водоотталкивающими свойствами. Поэтому тело дельфина при движении в воде как бы катится по шарикоподшипникам, обеспечивая еще одно преимущество, заменой трения скольжения на трение качения.

Когда же дельфины достигают максимальной скорости, и их тело не в состоянии погасить вихри ни демпферными, ни гидрофобными свойствами кожи, кожный покров сам начинает совершать волновые движения в виде складок, продвигающихся по туловищу. Эти волнообразные складки кожи не только гасят вихри, но и уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного.

Что же позаимствовали инженеры из этих сведений?

В 1960 г. немецкий инженер М.Крамер изобрел мягкие оболочки «ламинфло» из двух и трех слоев резины толщиной 2, 3 мм. При этом гладкий наружный слой имитировал эпидермис кожи, эластичный средний с гибкими стержнями и демпфирующей жидкостью был аналогичен дерме с коллагенами и жиром, а нижний выполнял функции опорной пластины. Демпфирующая жидкость, перемещаясь между стерженьками, гасила вихри в слое воды ближайшем к корпусу модели. При этом торможение снижалось наполовину, скорость увеличивалась вдвое. А затем подтвердилась возможность снижать сопротивление воды на 40–60%.

Р.Пелт (США), выстлав внутреннюю поверхность трубы имитатором дельфиньей кожи (уретановая смола на полиэфирной основе), получил снижение потерь давления при перемещении жидкости на 35%. Тем самым возникла реальная возможность экономично перекачивать на сотни тысяч километров по трубам воду, сжиженные горючие газы, спирт, патоку, жидкие удобрения, гранулы (в виде смеси с водой в соотношении 1:1), кормовую пасту, помидоры и другие овощи, даже живую рыбу.

Однако кораблестроители уже думают о создании и развитии подводного грузового и пассажирского транспорта, как более экономичного в энергетическом отношении, защищенного от любой непогоды. Одновременно с этим рассматривается вопрос и о специальных двигателях для подводного транспорта, сходных с ракетными прямоточно-реактивными или турбореактивными установками. Именно так передвигаются головоногие моллюски – осьминоги, кальмары, каракатицы. У них, как и у всех подводных обитателей, функции двигателя и движителя совмещены в одном мышечном механизме, что способствует эффективной отдаче энергии, повышению КПД, надежности работы системы.

В движителе, основанном на принципе движения кальмара, вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается через сопло. Судно при этом движется в противоположном направлении. Движитель кальмара очень экономичен. Кальмары развивают скорость до 70 км/ч. По предположениям ученых они могут двигаться со скоростью вдвое большей. Стартуя из глубины в воздух они пролетают над волнами более 50 м на высоте 7–10 м. В воде они совершают стремительные повороты в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Все это открывает перед кораблестроителями новые многообещающие перспективы.

www.ronl.ru

Бионика — реферат

Реферат по биологии

На тему:

Бионика

Работу выполнил:

Залилов А.И

Студент 1 курса, 131 группы

Руководитель: Хайруллина Г.Б

Введение:

Бурный научно-технический процесс, свойственный современности, сопровождается возникновением новых наук на стыке различных отраслей знания. К таким наукам, возникшим в смежных областях знания в ХХ., в относится бионика.

Бионика – это многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий. Первым человеком, предложившим применить знания о живой природе в инженерных целях, был Леонардо да Винчи. Однако официальной датой открытия бионики считается 13 сентября 1960 года. Именно в этот день был проведен первый американский национальный симпозиум, посвященный живым прототипам искусственных систем. Однако, само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.

Название «бионика» происходит от древнегреческого корня «bion» — элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы. В англоязычной литературе часто применяется термин «биомиметика». Бионика открывает новые горизонты в изучении биологии и техники путем демонстрации общих и отличных черт, существующих в природе и технике. Бионика тесно связана с такими естественными науками как биология, физика, химия, кибернетика, а также с некоторыми инженерными науками, например, с навигацией, электроникой, связью и даже морским делом.

Различают несколько видов этой науки:

1. Биологическая бионика – это наука, изучающая процессы биосистем.
2. Теоретическая бионика – это наука, строящая математические модели этих процессов.
3. Техническая бионика – это наука, применяющая теоретическую бионику в решении технических задач.

В последнее время бионика стремительно развивается. Это связано с переходом технологий на новый гига- и нано-уровень. Современная бионика позволяет копировать миниатюрные природные конструкции с детальной точностью. Основные направления работ по бионике включают: изучение нервной системы живых организмов и моделирование нервных клеток, исследование органов чувств и разработка новых датчиков обнаружения, изучение принципов ориентации и локации, изучение биохимических и физиологических особенностей живых организмов для разработки новых научных идей, и некоторые другие задачи.

Моделирование живых организмов в бионике – это лишь половина дела. Многие бионические модели до своего технического воплощения проходят компьютерную обработку. На этой стадии устраняются конструктивные недостатки. По этой причине, программное моделирование играет немаловажную роль в бионике.

Особым подвидом бионики является нейробионика. Это моделирование нервных клеток и нейроновых сетей путем детального изучения физиологии нервной системы человека и других живых существ. Некоторые ученые считают, что на основе нейробионики в будущем станет возможным создание искусственного интеллекта.

Благодаря такой науке, как бионика были придуманы многие разнообразные транспортные средства, архитектура и т.д. об этом и поговорим дальше.

1. Наземный транспорт:

Обратимся в начале к транспорту.

Природа не создала ни колеса, ни грибного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств в том виде, в котором мы привыкли их наблюдать в различных современных нам моделях транспорта.

И все же ни одна отрасль техники, так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как транспортная промышленность во всем разнообразии.

Идея создания реактивного двигателя, конструкция которого знакома в настоящее время едва ли не каждому, безусловно брала свое начало в опытах, объектам которых были животные, относящиеся к типу простейших, классу жгутиковых, а именно - четырехжгутиковая медузохлорис фиоле и краспедотелла пилеолюс. Медузохлорис фиоле несколько походит на медузу как морфологически, так и по типу передвижения: сдвигая сидящие по краям зонтиковидного тела жгутики, это простейшее выбрасывает струю воды и благодаря этому движется в противоположном направлении. Еще совершеннее принцип реактивного движения реализуется у краспедотеллы пилеолюс: вода набирается внутрь тела, а затем с силой выбрасывается через сужаемые к тому времени отверстия. Более наглядно сходный тип движения проявляется у некоторых кишечнополостных (гидр и медуз) и головоногих моллюсков (осьминогов и кальмаров), но большинство ученых-энциклопедистов, в том числе и великий Леонардо да Винчи, считали этот принцип движения интересным, однако не пригодным для практического использования человеком, т. к. реализация принципа реактивного движения наблюдалась только в морской воде и для животных, которым свойственна малая плотность тела. И только обнаружение реактивного принципа движения у жгутиковых, живущих в пресной воде, подтолкнуло к внедрению этого принципа в технику. Таким образом, можно сказать, что природа научила человека строить самолеты, плавать и сооружать речные, морские и океанские корабли. Бесчисленное количество видов транспорта существует в современном нам мире техники, и стоит отметить, что к большинству из них «приложила руку» Природа. Идея создания снегоходов также заимствована у нее. В основу конструкции снегохода положен принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Значительные снеговые преграды пингвины преодолевают достаточно своеобразным способом - скользя на брюхе и отталкиваясь от снега ластами, что спасает птицу от проваливания в снежную толщу и одновременно позволяет развивать весьма приличную скорость - до 20 км/ч. Сконструированная по этому принципу машина-снегоход достигает большей скорости - до 50 км/ч.

ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ МАШИНЫ   Большое значение имеют принципы бионики в создании землеройных машин. Не стоит даже упоминать известного всем дождевого червя: если возможно было бы распределить по всей поверхности суши почву, перепахиваемую дождевыми червями за каждые 10 лет, то получился бы слой толщиной более 5 см. Этот по сути своей крайне примечательный факт имел бы для бионики весьма скудное значение, если бы человек не обратил внимание на своеобразный землеройный механизм, присущий как дождевому червю, так и другим кольчецам.  Рассмотрим этот механизм на примере червей приапулид, относящихся к первичнополостным. Эти черви длиной от 2 до 20 мм, живут неглубоко под морским дном в зонах отмелей и являются непревзойденными мастерами по прокладке ходов в достаточно плотном грунте. Способ, используемый ими при строительстве ходов, по праву можно назвать гидравлическим. Основным «буровым инструментом» для приапулид служит короткий и мощный выбросной хоботок. Упираясь в грунт, червь при помощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся за счет поступающей из тела жидкости, червь расширяет и обжимает ход. Далее приапулида подтягивается, заполняет расширенное и обжатое отверстие своим туловищем. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный - весьма небольшой - вес.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ:

Использование принципов бионики в авиастроении также весьма значительно. Повтор схемы ветвления птеростигм (крыловых шилок) комаров при конструкции крыла самолета значительно облегчил и упрочнил крыло. Использование в конструкции принципа строения кромки крыла совы позволило добиться практически бесшумного полета. Или тот же самый вертолет, был придуман по принципу стрекозы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ БИОНИКИ В АРХИТЕКТУРЕ:

Из приведенных выше примеров видно, что значение бионики применительно к транспортной промышленности переоценить трудно, но не менее весом вклад бионики в архитектуру. Начать хотя бы с того, что известное еще архитекторам древности «золотое сечение», при использовании которого здания оказываются наиболее красивыми, полностью повторяет пропорции живого организма.

Множество принципов постройки зданий и других сооружений человек заимствовал у природы. Например, результат совместного изучения биологами и архитекторами Эйфелевой башни был крайне неожиданным: оказалось, что изящная, почти кружевная конструкция этого своеобразного символа Парижа практически полностью повторяет расположение костных балок большеберцовой кости, выдерживающей тяжесть человеческого тела. Нельзя точно сказать, что было первично - идея создания башни с чисто инженерной точки зрения или применение принципов бионики, но красота и прочность конструкции известны на весь мир. 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.

Не всегда обращение к наиболее высокоорганизованным животным - птицам и млекопитающим - оказывается наиболее удачным. Например, французские инженеры создали мост, в основу конструкции которого положен принцип строения скелета морской звезды, имеющей треугольную форму. Прочность полученной конструкции превзошла все результаты теоретических расчетов.  Используемый в современном строительстве монолитный метод является практически полным повторением многовекового образования коралловых рифов, возводимых над рифовыми кораллами в Тихом океане.

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.

Многое привнесено в архитектуру из мира насекомых. Так, в создании панелей, из которых сейчас построены многие дома, использован принцип строения пчелиных сот, позволивший параллельно с увеличением запаса прочности конструкции значительно облегчить и удешевить их. Некоторые из ультрасовременных покрытий для крыш и стен домов буквально имитируют покрытие верхних крыльев жуков, обладающих терморегулирующим действием.

Большое значение в современной технике имеют те принципы бионики, которые берут свое начало в жизни пауков. Это и паутинные коконы, в которые паук «укутывает» свои жертвы, являющиеся прообразом изоляции по типу муфты, и конструкции подвесных мостов, впервые разработанные инженером Сэмюэлем Брауном именно в ходе наблюдений за провисавшими между деревьями нитями паутины. Из «паучьей жизни» достался человеку принцип сетчатых фильтров, используемых в различных устройствах и основанный на конденсации капель жидкости на сетчатой основе. Такой фильтр очень легок в очистке, обладает высокой надежностью и длительным сроком эксплуатации.

Итак вывод:

Все описанные выше примеры использования открытий бионики в хозяйственной деятельности человека показывают и важность развития этой науки, и неисчерпаемость сокровищницы инженерной мысли природы. Человек еще только пытается понять бесконечные приспособления живых организмов к условиям существования, а природа уже веками использует многие и многие законы, которые по праву могут считаться венцом инженерной творческой мысли.

Экономичность и безотказность принципов функционирования живых организмов оттачивались в горниле эволюции гораздо дольше, чем на земле существует человек, считающий себя венцом творения.

Благодаря развитию бионики и многих других смежных дисциплин можно считать век использования природных, экономически безопасных и экономически выгодных технологий все более и более близким. Кто знает, может быть, уже через десять лет мы будем летать, как птицы, и не бояться, что дом, в котором живут люди, внезапно рухнет, потому что использованные при его создании принципы вступят в противоречие с принципами природы...

yaneuch.ru

Доклад - Практическое значение биологии. Роль бионики для человека

Практическое значение биологии. Роль бионики для человека

Реферат по биологии

Подготовила Совалкина Мария Валерьевна, ученица 102 класса

МОУ Гимназия №19

Омск 2009

Вступление

Биология – это наука о жизни, живой природе, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.

Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру,

функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости, достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. Ученые вывели сотни сортов зерновых, бобовых, масличных и других культур, отличающихся от своих предшественников более высокой продуктивностью и другими полезными качествами. На основе этих знаний проводится селекция микроорганизмов, продуцирующих антибиотики.

В наши дни значение биологии постоянно возрастает. Познание законов жизни важно для сельского хозяйства и космоса, медицины и экологии. Не случайно некоторые учёные утверждают, что XXI век – век биологии, который приведёт человечество к управлению основными законами жизни.

В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, а также с постоянно возрастающей численностью городского населения, непосредственно не участвующего в сельскохозяйственном производстве. В такой ситуации основой увеличения пищевых ресурсов может быть лишь интенсификация сельского хозяйства. Важную роль в этом процессе будет играть выведение новых высокопродуктивных форм микроорганизмов, растений животных, рациональное, научно обоснованное использование природных богатств.

В самых различных областях биологии все больше возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с другими науками — физикой, химией, математикой, кибернетикой и т.д. Так возникли биофизика, биохимия, и такая продуктивная наука как бионика.

Введение в бионику

Всем известно, что возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание этих законов позволяет не только составить точную картину мира, но и использовать их для практических целей. Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики.

В науке сложилось новое направление – бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин.

Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион» — «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения инженерных задач. Другими словами, бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

В отличие от многих других научных дисциплин, время зарождения которых установить трудно, а порой и не возможно, датой появления на свет бионики официально принято считать 13 сентября 1960 года – день открытия в Дайтоне американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Бионика – наука междисциплинарная. Она сформировалась на базе естественных и многочисленных инженерно-технических наук. По существу она синтезирует накопленные знания в биологии и радиотехнике, химии и кибернетике, физики и психологии, и т.д. бионика соединяет разнородные знания в соответствии с единством живой природы.

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.

Бионика как наука

Предмет бионики – изучение принципов построения и функционирования живых организмов с целью применения этих принципов в технике, для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов.

Основной метод бионических исследований, построения бионических систем – моделирование.

В многообразной тематике ведущихся ныне бионических исследований наиболее четко вырисовались пять направлений:

— нейробионика

— моделирование анализаторных систем

— ориентация и навигация

— биомеханика

— биоэнергетика

— биоархитектура

Расскажем о них по порядку.

Нейробионика – одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании способов преобразования информации в биологических системах. Широкие возможности в моделировании нервных процессов проявляются в моделировании нервных сетей, что привело к построению ряда специальных бионических устройств, позволяющих успешно решать множество задач, связанных с передачей и обработкой информации. Примером таких устройств являются перцептроны – обучающиеся самоорганизующиеся системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации образов.

Моделирование анализаторных систем — одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия. К примеру, бионическое устройство – «визиолог», давно разработанное американскими учеными, может выполнять некоторые функции человеческого глаза: воспринимать изображение, проводить измерения и перерабатывать информацию.

Ориентация и навигация — одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия, на изучении конструктивных особенностей созданных природой слуховых анализаторов.

Уже давно была разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха, и тому подобные устройства.

Биомеханика — одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании морфологических особенностей живых организмов. Так, на основе анализа способа передвижения пингвина конструктор А.Ф. Николаев создал оригинальную снегоходную машину «Пингвин», развивающую скорость до 30 км в час. Так же бег кенгуру подсказал идею «прыгающей машины». Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческих конечностей.

Биоэнергетика — одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании биоэнергетики живых организмов. В частности, большое внимание уделяется изучению и моделированию работы мышцы. Основанной на непосредственном превращении химическое энергии в механическую.

Биоархитекрура — одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании органических конструктивных систем. Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.

Бионика в настоящее время. Перспективы развития этой науки.

В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины — кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов.

Вывод:

Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

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

Список литературы

«На пути к бионике». И.Б. Литинецкий.

«Основы биологии» С.Г. Мамонтов.

«Значение бионики» Л.Б. Ладожский.

www.ronl.ru

Реферат на тему бионика

РЕФЕРАТ

на тему

БИОНИКА

В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные случаи заимствований у природы.

^

Бионика (англоязычные названия – «биомиметика») – многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

Предмет бионики известен под разными названиями: например, в Америке обычно используется термин «биомиметика», но иногда говорят о биогенезе. Суть этого перспективного научно-технологического направления состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

^

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» — оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой . В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

^

Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар (уже упоминавшийся выше) появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

^

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного.

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.

По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.

Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

^

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — 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 (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

^

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.

^

В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы.

^

Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела.

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

^

Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды.

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.

Костная структура головки бедренной кости

Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости

Наноструктуры на лапках геккона подсказали ученым новый состав клея для плитки

Саранча, приклеенная к металлическому стержню, «смотрит» фильм «Звездные войны». Она подсказала ученым простую искусственную систему, предотвращающую автомобильные столкновения