XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бионика в нашей жизни
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Название науки «бионика» знакомо многим — оно встречается все чаще. Однако точно себе представить, что это такое, могут не все. Итак, что же собой представляет данное направление?
Слово «бионика» (от греч. "bion") — элемент жизни, или живущий. По сути своей данная наука — это нечто пограничное между биологией и техникой. Она решает инженерные задачи, основываясь на анализе структуры и жизнедеятельности организмов. Такое направление тесно связано сразу с несколькими научными течениями, как: физика, химия, биология. Идея использования знаний о живой природе для решения различных инженерных задач относится к авторству Леонардо да Винчи. Ярким примером такого может служить его попытка построить летательный аппарат, чтобы он махал крыльями, как птицы.
Лозунг бионики — Природа знает лучше! На основе наблюдения за их особенностями создаются технические модели, которые по своей структуре прототипы природным процессам. Наука бионика — сформировалась во второй половине 20-го века. Бионика — наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма. Бионика — это наука, которая применяет знания о живой природе для решения бытовых, инженерных, архитектурных задач и многих других.
Сегодня бионика как наука имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, 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.
Как и у большинства наук, структура бионики неоднородна. В настоящее время принято выделять три методологических направления бионики: биологическое, математическое (теоретическое) и техническое. Биологическая бионика базируется на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана. Содержанием теоретической бионики является разработка математического аппарата биологического моделирования, а также математических моделей явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов. Сферой деятельности технической бионики является реализация математических моделей или иных сторон деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.
В процессе продолжительной эволюции природа создала на Земле бесчисленное множество живых организмов, многие из которых по праву могут быть отнесены к «живым инженерным системам», функционирующим очень точно, научно и экономично, отличающимся поразительной точностью, целесообразностью, способностью реагировать на тончайшие изменения многочисленных факторов внешней среды, запоминать и учитывать эти изменения, отвечать на них многообразными приспособительными реакциями.
Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения.
Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное. Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины.
Природа может помочь найти правильное техническое решение довольно сложных вопросов. Она подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации. Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей.
Проблема: как наука бионика влияет на нашу жизнь? Какие идеи можно подсмотреть у природы и использовать их при создании различных конструкций?
Решение проблемы: после изучения литературы о бионике и наблюдения природных объектов в природе были изготовлены конструкции на основе полученных природных подсказок. На основании результатов проведенных опытов был изготовлен макет светильника в виде лотоса, который включает в себя все изученные природные идеи.
Гипотеза: если изучить природные подсказки, то можно создать на основе их различные конструкции.
Цель работы - показать роль бионики в жизни человека
Задачи:
1.Изучить, проанализировать литературные источники и интернет-ресурсы
2.Узнать, что изучает бионика и познакомиться с историей ее создания.
3. Выделить основные направления в бионике.
4. Показать связь бионики с другими науками.
5. Показать практическое значение бионики через примеры.
Объект исследования: Идея, подсмотренная у природы.
Предмет исследования: изобретение человека на основе принципов организации, свойств и функций живой природы.
Глава I. Теоретическая часть
1.1 Что изучает наука «Бионика»?
Человека, с момента создания мира, интересовало многое: почему вода – мокрая, почему день сменяет ночь, почему мы ощущаем аромат цветов и пр. Естественно 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, можно ли создать искусственный разум?
Вопросов «почему» очень много, часто эти вопросы не научно истолковывались, 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! Это наука бионика – «БИОлогия» и «техНИКА». Суть бионики состоит в том, чтобы заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.
Понятие бионика состоит из частей слов «БИОлогия» и «техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе».
В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин биомиметика (от лат. bios - жизнь, и mimesis – подражание), который дословно можно перевести как "подражание, имитирование природы". Термин биомиметика впервые ввел в научную лексику американский писатель-натуралист Джанин Бениус. В России, вместо биомиметики, чаще употребляется термин бионика.
1.2 История появления бионики
Прародителем бионики считают Леонардо да Винчи, которому принадлежит идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. Т.е. он пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями. В наше время, по чертежам да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.
Из современных учёных известно имя Осипа М. Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных, на основе которых разрабатывал алгоритмы управления живыми организмами. Подобные опыты проводились и в СССР, но в связи с общим упадком науки многие программы были свёрнуты.
13 сентября 1960 года в американском городе Дайтоне состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил появление новой науки. Эта дата стала днем рождения бионики. Учёные избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – "Живые прототипы – ключ к новой технике".
Самая удивительная лаборатория — это живая природа. В этой лаборатории на протяжении сотен миллионов лет идет кропотливая работа: благодаря наследственности и изменчивости организмов в результате естественного отбора совершенствуются те качества и свойства животных и растений, которые лучше всего соответствуют условиям окружающей среды. Так постепенно достигается поразительная приспособленность к окружающим условиям. Человек давно не только удивляется этому совершенству природы и восхищается им, но и учится у природы, подражает ей.
Бионика - прикладная наука, ее основу составляют исследования по моделированию различных биологических организмов, которое осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах. Работа на стыке наук, постоянные поиски сравнений, скрупулёзный анализ найденных аналогий и связей, границ их применимости, и все это в непосредственной связи с биологией – столбовая дорога развития всех разделов современной науки, техники и практического производства.
1.3 Основные направления бионики
Стремление обладать способностями, превосходящими те, что подарила нам природа, сидит глубоко внутри каждого человека – это подтвердит любой тренер по фитнесу или пластический хирург. Наши тела обладают невероятной способностью к адаптации, но есть вещи, которые им не под силу. Например, мы не умеем разговаривать с теми, кто находится вне пределов слышимости, мы не способны летать. Поэтому нам нужны телефоны, и самолеты. Чтобы компенсировать свое несовершенство, люди издавна применяли различные «внешние» приспособления, однако с развитием науки инструменты постепенно уменьшались и становились все ближе к нам.
Сегодня бионика имеет несколько направлений:
1.Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов, созданных по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям.
Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. «Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение». В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Междоузлия 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.
2. Биомеханика. Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.
Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике — это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом.
Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации — дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя — по запаху (химизм прибрежных вод).
3. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток – нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.
Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху. Самые преданные бионики — это инженеры, которые конструируют роботов. 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 они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. 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».
Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах.
Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.
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.
Полезное применение нанороботов и наномашин планируется использовать в медицинских технологиях и военных технологиях.
Тема бионики очень увлекла и заинтересовала кадет. Сейчас идёт более подробное знакомство с этой наукой. Проводится исследовательская работа, в результате которой планируется создание тематических статей и презентаций. Кадеты занимаются очень увлечённо. Работа ведётся с различными источниками информации. Некоторые задания ребята выполняют самостоятельно, другие — в группе. Это помогает развивать чувство коллективного труда, взаимопомощи, взаимоуважения. Наша исследовательская деятельность включает работу по разным направлениям в бионике. Но все их объединяет военная направленность разработок. Эта тематика особенно близка и интересна кадетам, и непосредственно связана с профилем нашего учебного заведения.
В данной работе мы хотели несколько подробнее остановиться на некоторых достижениях в одном из направлений бионике-техническом. Т. к. в одной работе сложно охватить весь спектр успешных инноваций. Поэтому на этом этапе коснёмся некоторых из них, связанных с военно-морской и космической темой исследований.
Изучая особенности строения и поведения морских обитателей, их гидродинамические особенности- учёные стали использовать эти знания при строительстве подводных лодок и судов.
Американская подводная лодка «Скипджек» в точности повторяет форму тунца. Конструкторы добились хорошей обтекаемости, в результате у судна выросла скорость и поворотливость. Поворотливость- очень важное свойство, способность судна к быстрому изменению направления. Большому кораблю для разворота требуется описать полуокружность с радиусом в 4–5 длин корпуса.
Часто говорят: «плавает, как рыба». В действительности, все рыбы плавают по-разному. Угри и миноги не развивают большие скорости. Лучшими пловцами среди рыб считаются лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со скоростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36–42 км/час. Морское млекопитающее кит свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но самой быстрой рыбой является рыба-меч. Она может развивать скорость, достигающую 130 км/час. Что позволяет рыбам так быстро перемещаться в воде?
На этот вопрос пытались ответить многие учёные в течение последних 40–50 лет. Были проделаны сотни экспериментов. Секрет скоростного движения рыб был раскрыт благодаря опыту. В аквариум с рыбами был заполнен не водой, а молоком. Это позволило проследить движения рыбы. Было установлено, что основная «движущая сила» возникает при колебательных движениях туловища рыбы. До этого времени считалось, что рыбы передвигаются под водой за счет движений хвоста и отчасти плавников.
Много исследований учёные посвятили изучению дельфинов. Дельфины развивают очень высокую скорость движения, до 30 узлов в час (около 56 км в час). Это также долго являлось загадкой, которую не могли объяснить. Английский учёный Грей установил, что для достижения такой скорости мышцы дельфина д. б. в 7–10 больше, чем есть на самом деле.
Ещё в 1936 году за изучение этого явления взялась группа русских учёных под руководством В. В. Шулейкина. Учёные выводили формулы движения отдельных животных и целой стаи. В результате этой работы было установлено, что дельфины испытывают меньшее сопротивление в воде, чем другие водные животные. Точно созданная механическая копия дельфина не давала таких результатов. Выяснилось, что при движении дельфина не возникает турбулентности, как у других животных или морских судов.
Учёные разных стран пытались раскрыть секрет необычайно высокой скорости дельфина. Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) течение, не переходящее в вихревое (турбулентное). Однако движение плывущей подводной лодки, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность. На преодоление сопротивления воды при наличии турбулентности тратится около 9/10 движущей силы лодки.
В чем же все-таки секрет необычайно высокой скорости движения дельфина? Исследователи выяснили, вся тайна «антитурбулентности» этого животного заключена в структуре его кожи.
В 1960 г. изучая природный кожный покров дельфина в США немецкий инженер Макс Крамер создал опытные образцы покрытий твердых тел в целях снижения силы трения. Мягкая оболочка — «дельфинья кожа» получила название «ламинфло» (от слов «laminar flow» — ламинарное течение т. е. без завихрения или турбулентности). Сначала она была изготовлена из двух, а затем из трех слоев резины толщиной около 2,5 мм. Она имитировала строение кожи дельфина. Первые же опыты с торпедой и катером, обшитыми такой мягкой оболочкой «ламинфло», были успешны. Торможение снизилось почти наполовину, а скорость увеличилась вдвое. Эксперименты, начатые М. Крамером, продолжались учеными в разных странах. Результаты многочисленных испытаний подтвердили возможность снижения сопротивления воды на 40–60 %.
Американский изобретатель Р. Пелт выстлал внутреннюю поверхность трубы имитатором кожи дельфина и получил снижение потерь от при перемещении жидкости на 35 %. Появилась возможность сделать более экономичным трубопроводный транспорт.
Ещё один пример изучения и применения знаний на практике явился очень важным этапом в развитии науки. Изучение реактивного движения живых организмов привело к созданию реактивных двигателей. Это сделало возможным освоение космического пространства.
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. 12 апреля наша страна отмечает день Космонавтики, и, наверное, немногие знают, что большая заслуга в развитии космонавтики во многом принадлежит животным. На этот раз-головоногим моллюскам.
Мы живём на берегу Чёрного моря и часто, особенно летом, можем встретить медуз. Но редко кто задумывается, что медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Такое движение используется многими моллюсками — осьминогами, кальмарами, каракатицами. Также передвигаются и личинки стрекоз.
Но наибольший интерес для учёных представляет реактивное движение кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Размер некоторых может достигать 20 м. Их тело даже внешними формами напоминает ракету. Точнее сказать — ракета копирует форму кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником. Для резкого и быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань — мантия окружает тело моллюска со всех сторон. Объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Вода засасывается внутрь мантийной полости животного, а затем струя воды резко выбрасывается наружу через сопло. Кальмар толчками движется назад, развивая большую скорость. При этом все десять щупалец собираются над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, что позволяет кальмару изменять направление движения. Он может двигаться и вертикальной, и в горизонтальной плоскости. Кальмар способен развивать скорость до 60–70 км/ч. (некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч). Кальмара часто называют “живой торпедой”.
В мире растений также встречается реактивное движение. Например, при самом легком прикосновении к плодам созревшего “бешенного огурца” из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Огурец при этом может отлететь в противоположном направлении на расстояние до 12 м. Этот принцип реактивного движения лежит в основе работы ружья. Выстрел из ружья сопровождается отдачей. Чем больше масса и скорость выходящих газов, тем больше реактивная сила и сила отдачи, которое испытывает плечо.
Итак, изучение реактивного движения живых организмов, привело к новому направлению в бионике- созданию реактивных двигателей.
Ещё в конце 1 тыс. н. э. в Китае приводились в действие «ракеты» с реактивным движением, созданные из бамбука и начинённые порохом.
Проект первого автомобиля на реактивном двигателе принадлежит И. Ньютону.
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский учёный Н. И. Кибальчич.
Идея использования ракет с реактивным двигателем для космических полётов была предложена в начале 20 века русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Он работал преподавателем в г. Калуге. В 1903 году в печати появилась статья К. Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В ней содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, известное теперь как “формула Циолковского». Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т. е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее, находящееся на самом аппарате, и приобретающий скорость в обратном направлении.
Идея К. Э. Циолковского была успешно воплощена советскими учёными под руководством академика С. П. Королёва. 4 октября 1957 г. с помощью ракеты был запущен первый в истории искусственный спутник Земли.
12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток». Он был первым человеком, который совершил полёт в космическое пространство.
Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. советские космические корабли «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.
Одним из важных направлений в изучении систем живых организмов является исследование систем эхолокации, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных.
Исследователям известен факт, что морские черепахи уходят в море за тысячи километров, а затем всегда возвращаются к одному и тому же месту на берегу для кладки яиц. Учёные предполагают, что возможно они ориентируются по звёздам и по запаху. Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнечному свету.
Многие живые организмы имеют такие сложные анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на усиках есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Улитки, муравьи и термиты способны воспринимать радиоактивное излучение. Некоторые животные реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, а таракана — на инфракрасный. Термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 С.
Совы, летучие мыши, дельфины, киты и большинство насекомых воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания.
Начало изучению полёта летучих мышей положил итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Он провёл ряд экспериментов, доказывающих, что мышь видит преграды не глазами. Ослепленное им животное продолжало свободно летать, не сталкиваясь с препятствиями. Рукокрылые ориентируются при помощи отраженных звуковых импульсов. Их ноздри и рот также составляют части локационного аппарата.
Изучением этих систем животных, способных преодолевать тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, занимаются многие специалисты в различных областях. Это способствует разработке и созданию высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов. Такие инновационные разработки активно используется в оборонной промышленности, в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др.
Также внимание ученых привлекли пауки. Паутина паука толщиной в один простой карандаш может остановить «Боинг» на полной скорости. Знаменательно то, что в состав паутины входит всего 2 вида белков. Один из них отвечает за прочность нити, второй за её эластичность. В настоящее время научные лаборатории многих стран изучают этот удивительный природный материал. Создаются искусственные материалы, близкие по составу к паутине. Они используются в новейших разработках спецзащиты, военной промышленности.
На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптической промышленности, в качестве ниток в микрохирургии. За счет высокого содержания в себе бактерицидных свойств паутина может с успехом применяться в медицине в качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для заживления ран, ожогов и пр.
Наблюдение и изучение этих разнообразных систем обнаружения может помочь в создании новых технических приборов.
Особое направление бионики — исследования нервной системы. Они показали, что нервная система обладает целым рядом важных и ценных преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Изучение этих особенностей очень важно для совершенствования электронных систем.
Современные биотехнологии помогают создавать различные виды защитных материалов. Подсматривая за самой природой и перенимая у нее лучшее, ученые пытаются создать новые образцы пуленепробиваемой защиты.
Повышенный интерес сейчас обращён ещё к одному обитателю морских глубин — миксине, или " слизистому угрю». Название связано с тем, что миксины вырабатывают огромное количество слизи на поверхности тела. Данный вид существует на нашей планете около 300 миллионов лет и за это время существенно не изменился. В случае опасности миксины выпускают очень крепкие нити слизи, которые тоньше человеческого волоса в 100 раз. Выяснилось, что ДНК этого живого организма может помочь в разработке защищающей от пуль одежды.
Ещё одним инновационным проектом является работа голландских ученых. Они провели удачные испытания пуленепробиваемой кожи. В разработке данного материала использовалось вещество, которое было получено из молока домашних коз специальной породы. Прочность материала объясняется наличием в его составе того же белка, который входит в состав паутины. По словам ученых, такую искусственную паутину можно вживить даже в человеческую кожу. В настоящее время эксперименты с человеческим геномом запрещены в мировой науке, по этой причине материал синтезирован в лабораторных условиях.
1.4Взаимосвязь с другими науками.
Достижения бионики используются в различных сферах для усовершенствования уже существующих приборов, строительных конструкций, а также создания принципиально новых технологий и устройств.
Современная бионика объединяет знания, используемые в разных научных областях: ботанике, зоологии, анатомии, биохимии, архитектуре, электронике, механике, биофизике, химии, физиологии, др.
Ещё с древних времён знания о строении объектов природы помогало решить многие задачи. Например, изучая хрусталик глаза, арабские учёные пришли к мысли о создании линз. Первые линзы были изготовлены из хрусталя или стекла, они использовались для увеличения изображения.
В области физики в основу принципов учения об электричестве было положено исследование животного электричества.
В 18 веке Луиджи Гольвани проводил успешные опыты с лапкой лягушки, которые привели к созданию гальванических элементов — химических источников электрической энергии.
Долгое время проблемой при строительстве скоростной авиации было внезапно возникающие вибрации крыла. Из-за этого самолет мог развалиться в воздухе за несколько секунд. После тщательного изучения аварийных ситуаций конструкторы нашли необходимое решение— крылья стали делать с утолщением на конце. Похожие утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекоз.
Русские учённые также внесли свой вклад в развитие бионики. Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить. Он рассчитал подъёмную силу крыла, которая смогла удерживать самолёт в воздухе. На основании проведённых исследований появилась современная авиация.
Очень высокой оказалась способности к полету у насекомых. Так, есть бабочки, которые как и птицы улетают осенью из Европы в Африку. Устройство их крыльев и способность резко изменять направление, а также зависать над цветком- пока не удалось повторить учёным в современных конструкциях самолетов.
1.5 Современные открытия, «подсмотренные у природы».
Природа! Чего только нет в ее «патентном бюро»! В современной технике многое напоминает живую природу. Подвесные мосты, самолёты и вертолёты, передвижение на гусеничном ходу, стрелы подъёмных кранов, землеройные машины — всё это подсказала человеку природа.
1. От одуванчика к парашюту.
Уже в течение миллионов лет растения используют «парашютики» для распространения своих семян. Пушинки одуванчика тормозят падение семян, и ветер относит их очень далеко от того места, где они выросли. Струи тёплого воздуха поднимают семена одуванчика. Вот почему их можно увидеть даже на парапетах высоких зданий. Парашюты, изобретённые человеком, повторяют этот же принцип. Когда ветер подхватывает парашют, его купол создаёт эффект торможения и скорость падения замедляется. Современные парашютисты могут парить в воздухе подобно планеру и управлять парашютом, «сбрасывая» воздух с разных частей купола.
2.От пингвина к снегоходной машине.
В научно-исследовательской лаборатории механизации Горьковского политехнического института разработали под руководством А. Ф. Николаева снегоходную машину, в основе которой лежит 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. Точно так же, лежа на снежной поверхности широким днищем и отталкиваясь от нее колесными плицами, легко скользит по рыхлому снегу новая снегоходная машина «Пингвин», развивая скорость до 50 км/час. В таких машинах давно нуждаются многие отрасли народного хозяйства на Севере нашей страны.
3.Пчелы и распределение энергии.
Несмотря на то что никто никогда не говорит им, что делать, пчелы инстинктивно знают, какую работу выполнять. Regen Energy в США адаптировали "логику роя пчел", чтобы повысить эффективность энергосетей. Вместо использования центральной системы, которая перенаправляет нагрузки, компания размещает локальные системы управления, которые сообщаются друг с другом по беспроводной системе и сами определяют, где необходима энергия.
4.Застежка-липучка Velcro.
Идея изобретения пришла в 1941 г. швейцарскому инженеру Жоржу де Местралю, патент был получен в 1955 г. Жорж де Местраль привык после прогулки с собакой снимать с ее шерсти головки репейника. Однажды он рассмотрел их под микроскопом, благодаря чему увидел крохотные крючки: с их помощью головки цепляются за шерсть животных. Так у де Местраля появилась идея застежки-липучки. На ее реализацию у инженера ушли годы проб и ошибок, в результате которых изобретатель понял, что липучки лучше всего делать из нейлона. В 1955 г. де Местраль смог наконец запатентовать свое изобретение. Первыми текстильные застежки начали использовать космонавты, аквалангисты и горнолыжники. Со временем застежки-липучки получили широкое распространение, став обычной деталью повседневной одежды и обуви.
5.Кожа ящерицы.
Секрет кожи ящерицы, которая, кажется, может лазать вопреки всем законам гравитации, заключается в небольших ворсинках, которые называются хета и расположены на ее лапках. Ворсинки цепляются за поверхность с помощью силы Ван дер Ваальса, работающей на микроскопическом уровне. В результате получается сильный захват, так что ящерица не падает даже там, где, казалось бы, это невозможно. За последние годы многие инженеры стали брать на вооружение технологию ящерицы. Они воспроизводят миллиарды ворсинок для самых разных целей, так что получается достигнуть нужного эффекта без применения клейких веществ.
6.Плавник кита и ветряная турбина.
В магазине сувениров биолог Фрэнк Фиш обратил внимание на то, что у фигурки в форме горбатого кита на плавниках были неровности, и он подумал, что художник, изготовивший фигурку, ошибся. Однако фигурка была сделана абсолютно правильно. Ряд неровностей, идущих вдоль плавника, помогает киту быстрее проходить сквозь воду. Это объясняет невероятную скорость и ловкость животного. После изучения этого эффекта Фиш обнаружил, что подобные неровности на лопастях турбин позволяют снизить уровень шума и повысить эффективность.
7.Кожа акулы.
Изучив микроскопические частицы на коже акулы, ученые НАСА разработали обшивку для кораблей, которая позволяет снизить торможение. Эта технология позволила судну Stars and Stripes выиграть гонку за Кубок Америки в 1987 г. Эта обшивка оказалась такой эффективной, что соревнование было признано несправедливым, а саму технологию запретили, однако потом возродили вновь.
8.Зимородок и скоростной поезд.
Скоростной поезд проходит сквозь туннель с огромным шумом, что связано с давлением воздуха. В 1990-е гг. японский инженер Эйдзи Накацу заметил, что зимородки ныряют в воду за добычей, практически не оставляя брызг. Эйдзи понравилось, как зимородок при помощи клюва безболезненно переходит из одной среды в другую. Его дизайн скоростного поезда основан на форме клюва зимородка. Он позволяет не только существенно снизить шум, но также снизить потребление энергии с повышением скорости.
Глава II. Практическая часть
После изучения литературы о бионике было решено найти в природе объекты, о которых прочитала, изучить их и на основе полученных идей сделать своими руками несколько конструкций. Для выполнения задуманного мне потребовался бумага, картон, ножницы, клей.
2.1. Идея, подсмотренная у природы
Глядя на строение лотоса, решила позаимствовать идею для создания подсвечника. Лотос относится к виду водных многолетних травянистых растений; чашелистики эллиптические или яйцевидные, вогнутые, зеленые или розовато-зеленые. Создание подсвечника начинается с экспериментов над материалами, которые в дальнейшем послужат исходным макетом. Были изучены различные техники, связанные с бумагой: оригами, киригами, квиллинг, папье-маше. Для практики выполнения макета, была выбрана техника оригами. Среди творений рук человека такую конструкцию можно встретить в одежде и мебели.
2.2. Создание макета подсвечника
Работа началась с создания эскиза и чертежа подсвечника. Эскиз – это рисунок замысла работы, предварительное изображение предмета, выполненное от руки, то есть без применения чертёжных инструментов и без точного соблюдения масштаба.
После создания эскиза началась работа над чертежом, который показывает условное изображение изделий, предметов и деталей на листе бумаги с указанием их размеров и масштаба. Масштаб – отношение длины отрезков на чертеже к длине соответствующих им отрезков в действительности. Его обозначают числом, которое показывает, во сколько раз уменьшены или увеличены действительные размеры на чертеже. На моём чертеже масштаб 1:1.
После того, как был сделан чертёж подсвечника, следующим этапом была разработка макета, который в дальнейшем будет выполнен из бумаги. Для создания подсвечника понадобится: формат листа А4 и ножницы и умения в направлении такого вида рукоделия, как оригами.
Вид этого рукоделия берёт истоки в Древней Японии и подразумевает умение складывать фигуры из квадратного листа бумаги без дополнительных вспомогательных приспособлений и состыковок. В настоящее время это понятие видоизменилось, при изготовлении подделок в технике оригами мастера не редко используют клей и сращивание.
Для начала нам понадобятся белые листы в форме квадрата в количестве 6 штук. Для изготовления одного лепестка лотоса нам нужно поделить все квадраты на равные прямоугольники. Следующий этап сгибание, который в последствии придаёт форму лепестка. Таких лепестков понадобится 12 штук. Далее создаём форму лотоса.
Когда был завершён макет стало видно, что он не отражает концепт данной темы, так как лотос вышел слишком геометричным и совершенно не пластичным.
Было решено сделать новый макет с использованием другой техники. Бумажная архитектоника – это ещё один вид рукоделия, который сейчас популярен в современном искусстве. Изучив типы архитектоники, было решено выбрать несколько направлений данного вида рукоделия. За основу идеи лотоса, как подсвечника, был взят силуэт и основные узнаваемые черты цветка. Гибкие линии, овальная форма, нежный силуэт – это то, что непосредственно хотелось сохранить. Для этого было решено вырезать тонкие линии лепестков, чтобы свет от свечи проходил сквозь них и создавал необычные тени на поверхности.
Для выполнения второго макета понадобилась бумага, клей, ножницы и ножик. Работа была поделена на два этапа: первый – это создание пространства для размещения свечи в самом лотосе, а второй – гибкие, изящные и тонкие лепестки вокруг.
Таким образом, лотос вышел нежным с сохранением основных форм цветка. Данный подсвечник подойдёт в любой интерьер, так как в нём присутствует геометрия и плавность, которые дополняют друг друга.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работая над данной темой, я узнала, что такое бионика и как она влияет на нашу жизнь. Мне было интересно узнать, что источником вдохновения для бионики является природа. Она придумала множество идеальных форм и конструкций. Человеку остается только, наблюдая, копировать их. Структура пчелиных сот, спиралевидная морская раковина, анатомическое строение насекомых – это готовые модели, которые можно использовать где угодно, в том числе и в интерьере. Очень многое из того, что человек сделал, он придумал не сам, а с «подсказкой» матери-природы.
Моя гипотеза подтвердилась: если изучить природные подсказки, то можно создать на основе их различные конструкции. Я поняла, что с помощью полученных идей можно сделать своими руками конструкции, которые копируют функции объекта в природе. Цель исследования достигнута. Я изучила идеи природы и реализовал их в виде конструкторских решений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бионика как связь природы и техники - [https://moluch.ru/archive/90/18343/]
Бионика: природные аналоги своими руками – [https://school-science.ru/7/22/40504]
Бионика: что это за наука – [https://zaochnik.ru/blog/bionika-chto-eto-za-nauka/]
Бионика – [https://schoolskills.ru/ru/school-skills-podrobnee/109-bionika]
Бионика в нашей жизни (статья в журнале) – [https://moluch.ru/young/archive/23/1451/]