Исследовательская работа Бионика синтез биологии и техники в области Проблемы биосферы



жүктеу 165.58 Kb.
Дата24.07.2018
өлшемі165.58 Kb.
түріИсследовательская работа


Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Гимназия №1»

Исследовательская работа
Бионика – синтез биологии и техники

в области

Проблемы биосферы


Выполнили: учащиеся 11 т класса

Юшковская Елизавета Михайловна

Фомичёва Юлия Вячеславовна

Проверил: Учитель биологии Барановская

Лилия Александровна

Сосновоборск 2010-2011

Содержание


Глава I. Бионика 6

1.1Что такое бионика 6

1.2 История развития 7

1.3 Направления бионики 7

1.4 Моделирование живых организмов 9

1.5 Последние достижения 10

1.6 Перспективы бионики 16

Выводы по 1 главе 18

Глава II Бионика в жизни 19

2.1 Первые шаги в науку 19

Заключение 20




Введение

Современный человек привык считать свои творения совершенными. Он считает, что превзошел природу, создав автомобили, самолеты, высотные здания. Но в последнее время мы видим множество примеров, доказывающих обратное: обрушаются здания, падают самолеты, и из-за всего этого гибнет множество людей. Всем известны страшные события, произошедшие 14 февраля 2004 года, когда в московском аквапарке обрушилась кровля, в результате чего погибло 28 человек и более 100 пострадали. Еще один пример - смерть молодого грузинского спортсмена-саночника на Олимпиаде в Ванкувере. 2 февраля 2010 года во время тренировочного заезда Нодар Кумариташвили разбился на скорости 145 километров в час и скончался на месте происшествия. Причиной этой смерти стала неграмотно построенная трасса. И таких примеров можно привести сотни. Все это происходит потому, что человек забывает о законах природы, пренебрегает ими, изобретая свои собственные. Но выход из сложившейся ситуации есть – это молодая наука бионика, которая позволяет совмещать современные изобретения и органические структуры жизни, что делает эти изобретения более совершенными.

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.

Гипотеза: Творения природы - самые совершенные на Земле.

Цель: проверить состоятельность гипотезы

Задачи


  • Подобрать и проанализировать соответствующую литературу по теме

  • Найти факты, подтверждающие существование объектов, при проектировании которых использованы законы природы

  • Рассмотреть перспективные инновационные проекты

  • Предложить собственные перспективные идеи



Глава I. Бионика

    1. Что такое бионика


Био́ника (от греч. βίον — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Различают:

* биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

* теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

* техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
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

1.2 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.

Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Подобные опыты проводились и в СССР, в Российской Федерации в связи с общим упадком науки - многие программы свёрнуты, а специалисты трудятся в зарубежных исследовательских центрах.

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.


1.3 Направления бионики

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.

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.

Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:

1. Гибкое восприятие внешней информации, независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).

2. Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.

3. Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м3, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм3.

4. Экономичность потребления энергии — разница просто очевидна.

5. Высокая степень самоорганизации — быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

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. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. 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. 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 ХХ века, как застежки "молния" и "липучки", было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.




1.4 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 основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Прил 1 Накопленный в бионике практический опыт 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 экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т.п.




1.5 Последние достижения

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.

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 1128 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 этажей. 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 еще 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.

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более, чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это ещё один показательный пример бионики в действии.

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.


1.6 Перспективы бионики

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 очень дешевы 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?



Выводы по 1 главе

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.



Глава II Бионика в жизни

2.1 Первые шаги в науку

Изучение этих материалов вдохновило нас на рождение идеи собственного устройства, основанного на использовании законов живой природы, которая в будущем, возможно, будет реализована. Идея заключается в следующем: прибор в виде датчика закрепляется на одежде ребенка и во время опасности (встреча с преступником, угроза нападения собаки…) появляется звуковой сигнал и параллельно с этим информация о том, что ребенок в беде будет передаваться родителям. Прототипом этого прибора послужила акула, а точнее ее уникальная способность распознавать больных жертв, ведь в плане пищи она очень избирательна. Скорее всего, это происходит с помощью специальных импульсов, посылаемых хищником, которые доходят до жертвы, а по их возвращении акула анализирует полученную информацию.




Заключение


По результатам нашей работы мы убедились, что гипотеза: «Творения природы – самые совершенные на Земле» состоятельна. Поработав с информацией, мы не встретили случаев, когда бы здания, построенные с соблюдением законов бионики, разрушались и это бы приводило к человеческим жертвам. Ведь природа на протяжении 6 миллиардов лет оттачивала экономичность и безопасность функционирования живых организмов, а это значит, что потенциал, накопленный природой бесконечен по сравнению с потенциалом, накопленным человеком. И благодаря развитию бионики и других смежных дисциплин можно считать век использования природных, экологически безопасных и экономически выгодных технологий все более и более близким.

Бионика находится лишь на начальном этапе своего развития. Однако имеются достаточно многочисленные примеры успешных исследований. Одновременно с этим достижения в области бионики позволили углубить понимание многих биологических процессов, которые в свою очередь могут быть использованы при построении многих технических устройств.
Библиографический список
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. http://bio-nica.narod.ru/

3. http://www.luxurynet.ru/architecture/3634.html

4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/stroitel/1032

5. http://cih.ru/ab/b1.html

6. http://moikompas.ru/compas/bionic

7. http://www.visual-form.ru/article/004.html

8. http://www.existenzia.ru/idea/bionika

9. http://www.formundraum.ru/stili-v-dizajne/bionika/

10. http://kraevedenie.net/2010/01/24/bionika-neftesbor/

11. http://suslov-oleg.com.ua/ocherk.php

12. http://www.bazil-maestro.com/articles/bionika





Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет