Применение бионики. Бионика — учимся у природы Теоретическая бионика
Бионика. И её достижения
Выполнил:
Стёпин К.С.
Учитель:
Пономарева О.Н.
Введение_________________________________________________ 3
Первые применения бионики_________________________________ 4
Классические примеры:
Внутреннее строение стебля травянистого растения...................................... 5
Распространение плодов и семян............................................................... 5
Класс насекомые. Отряд двукрылые........................................................... 7
Строение и функции отделов головного мозга............................................. 6
Современные открытия:
Скелет глубоководных губок..................................................................... 8
Стаи термитов, на благо общества.............................................................. 9
Бегающие и прыгающие роботы................................................................ 9
Заключение______________________________________________ 10
Приложение_____________________________________________ 11
Список литературы________________________________________ 15
Введение
Био́ника (от греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий) - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. 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.
Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области бионики [новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст. Появление этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, космической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум в Дайтоне (США) в сентябре 1960г. дал название новой науке – бионика. Лозунг симпозиума: «Живые прототипы – ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики на многие годы.] В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при создании технических систем или архитектурных объектов исследует не одна, а несколько биофизических наук.
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.
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.
Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:
à изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
à исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
à изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
à исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Первые применения бионики
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. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал (приложение рис. №1).
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 (приложение рис. №2).
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 (приложение рис. №3).
Классические примеры
«Внутреннее строение стебля травянистого растения»
У поперечных срезов стеблей травянистых растений - иное строение по сравнению с древесными. Например, в поперечном разрезе стебель растения пухоноса (приложение
рис. №5 -б) имеет форму круга. Стебель пухоноса полый и в нем воздухоносные полости 2, предназначенные для циркуляции воздуха. Склеренхимные тяжи 1 придают прочность растению при воздействии на них ветровых нагрузок. Кожица 3 защищает стебель от атмосферных и климатических явлений. Сердцевина стебля растет быстрее, чем кожица. Последняя как бы сдерживает ее рост. Сердцевина растянута, кожица сжата. Вследствие этого в структуре стебля создаются внутренние напряжения. Это и придает упругость стеблю.
Бионики, изучая закономерности формообразования природы, создают оригинальные, экономичные строительные конструкции. Фабричная труба (приложение рис. №5 -в) на поперечном срезе по структуре похожа на стебель пухоноса. Продольная арматура 1 придает ей прочность подобно тяжам в стебле, пустоты 2 облегчают конструкции. Центральное круглое отверстие в срезе - дымоотвод, спиральная арматура 3. На изготовление трубы, конструкция которой заимствована у природы, использовано меньше строительных материалов, чем если бы она была монолитная, затрачено меньше физического труда. Противостойкость ветровым нагрузкам у такой трубы не хуже природного аналога.
«Распространение плодов и семян»
Образцом для формы крыльев австрийского самолета «Таубе» (приложение рис. №6 -а) еще на заре самолетостроения послужило летающее семя лианы зенония (приложение рис. №6 -б). Оно напоминает тыквенную семечку с изогнутыми концами. Благодаря малой массе семя обладает превосходными летными качествами. Именно это обстоятельство и привлекло внимание изобретателя Этриха из Богемии. В 1904 г. он построил свой первый планер без хвостового оперения. Размах крыльев 6 м. Планер мог нести полезную нагрузку в 25 кг. В течение последующих лет Этрих, заимствуя природные аналогии, создавал новые модели планеров, совершенствовал их, улучшая летные качества.
Пыльца злаковых растений имеет две оболочки, наполненные воздухом, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха. Это создает пыльце подъемную силу, и поэтому она перемещается по воздуху на большие расстояния.
Принцип подъемной силы, реализуемый в природе, человек использовал в первых созданных им летательных аппаратах: воздушном шаре, наполненном горячим воздухом, в аэростате, дирижабле. Падающий волан в бадминтоне напоминает плод-парашют одуванчика. Возможно, он или ему подобный плод-парашют подсказал Леонардо да Винчи идею парашюта.
«Класс насекомые. Отряд двукрылые»
Обратим внимание на наличие у комнатной мухи на ногах хеморецепторов - своеобразных миниатюрных биологических датчиков. У мухи их четыре типа: одни анализируют состав воды, другие определяют сахар, третьи исследуют различные соли, четвертые указывают на наличие белковой пищи. Такие же рецепторы есть и в ее хоботке. Благодаря им муха всегда знает, что именно у нее под ногами: еда, питье или что-то несъедобное. Хоботок мухи автоматически отвечает на показания кожных рецепторов. Он вытянулся - и муха начинает пить или есть. По выпрямлению хоботка можно судить, какие вещества и в каких концентрациях улавливает насекомое. Анализ вещества производится за несколько секунд. Таким образом, природа приобрела самые совершенные методы химического анализа. Физики и химики могут воспользоваться ими, разгадав до конца методы, которыми пользуется муха.
В лаборатории геофизики Института теплообмена и массообмена АН БССР из порошка кремнезема создано клейкое вещество, имеющее вязкость вазелина. Если его нанести на колесо в электромагнитное поле,- оно мгновенно затвердевает. Колесо надежно приклеивается к опорной поверхности. При снятии магнитного поля вещество приобретает прежнее вязкое состояние. Инженеры создали шагающий робот (приложение рис. №7). Он ищет дефекты на металлической поверхности. К корпусу 5 крепятся шесть ног 4 и каждая из них имеет два привода (двигатель с передаточными механизмами). Один для горизонтального, другой для вертикального перемещения. Нога заканчивается башмаком с подушкой 3, пропитанной клейким веществом. Он подается из резервуара к полым опорам ног. Шесть ног робота объединены в две группы, по три в каждой. Шагает робот одновременно одной группой ног, а другая приклеена к опорной поверхности. Попеременно к башмакам то одной, то другой группы ног подается электрический ток - и подушки ног приклеиваются к опорной поверхности.
Робот имеет глаз - телекамеру 1, шланг 2 с электрокабелем и трубку для подачи сжатого воздуха к пневмоприводам.
«Строение и функции отделов головного мозга»
Раскрыть принципы работы мозга, которые еще во многом остаются тайной, значит найти ключ к проектированию ЭВМ будущего. Новая наука - нейрокибернетика занимается конструированием искусственного мозга. Первой ЭВМ поручали выполнять арифметические операции. По мере развития вычислительной техники ЭВМ стала выполнять более сложные операции, работать быстрее, размеры ее уменьшались (табл. стр. 8).
| Параметры | Мозг человека | ЭВМ | |||
| Носитель информации | Нервное возбуждение | Электрический ток | |||
| Скорость ввода ин- | Менее 1 бит/с в дли- | Более 106 бит/с | |||
| формации в память | тельную память | ||||
| Время проведения операции | Всю жизнь | Миллиарды операций в секунду | |||
| Преимущества | Сосредоточение исключительно | Сосредоточение менее | |||
| сложных | сложных функций в | ||||
| функций в исключи- | гораздо большем | ||||
| тельно малом объеме. | объёме. Низкая степень | ||||
| Высокая степень со- | совершенства элек- | ||||
| вершенства физиоло- | тронного нейрона | ||||
| гических процессов в нейроне | |||||
| Зависимость запо- | Зависит | Не зависит | |||
| минания индивиду- | |||||
| альных особенно- | |||||
| стей и эмоциональ- | |||||
| ного состояния | |||||
| Емкость памяти | Теоретический макси- | 107 бит в данный мо- | |||
| мум 108-1010 бит в | мент | ||||
| течение жизни | |||||
| Тип памяти | Смешанный | Смешанный | |||
| Особенности па- | Запоминание осмыс- | Запоминание механи- | |||
| мяти | ленное | ческое | |||
| Вид обработки по- | Параллельный | Последовательный | |||
| ступившей инфор- | |||||
| мации | |||||
| Фильтрация инфор- | Очень эффективная | Бедная | |||
| мации | |||||
| Время хранения ин- | Непостоянное | Постоянное | |||
| формации в памяти | |||||
| Извлечение из па- | |||||
| мяти нужной ин- | |||||
| формации: | |||||
| недавно введенной | Быстрое | Быстрое | |||
| давно введенной | Медленное | быстрое | |||
| При повреждении | Работает | Не работает | |||
| Восприятие информации | По многим каналам: по форме, цвету, от- | По одному каналу | |||
| тенку предмета, по | |||||
| шрифту, почерку, | |||||
| обонянию, осязанию, | |||||
| тембру голоса, инто- | |||||
| нации, чертежу и т. д. | |||||
| Масса | 1,2-1,3 кг | В 3-10 раза больше, | |||
| чем мозг человека | |||||
Современные открытия
Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар 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).
Скелет глубоководных губок
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 (приложение рис. №8).
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.
Стаи термитов, на благо общества
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 (приложение рис. №9).
Бегающие и прыгающие роботы
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. (приложение рис. №10) 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 (приложение рис. №11).
Заключение
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 материале я перечислел несколько перспективных направлений современной бионики и привел самые известные случаи заимствований у природы.
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.
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.
Глазкова Настя
С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.
Скачать:
Предварительный просмотр:
- Введение……………………………………2
- Что такое «Бионика»?................................4
- Патенты живой природы…………………9
- Архитектурная бионика………………….16
- Нейробионика…………………………… 29
- Техническая бионика……………………...37
- Заключение…………………………………39
- Литература………………………………….40
Птица – действующий по математическом закону
инструмент, сделать который в человеческой власти
Со всеми его движениями…
Леонардо да Винчи.
С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.
Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:
«От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ...»
Прочитав высказывание Демокрита, я задумалась, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы.
Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.
К примеру:
- Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий.
- Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса?
- ...Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море.
- ...Крысы ощущают радиацию?
- ...Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации?
- …Обыкновенный черный таракан радиацию видит?
- …Комар развивает при укусе удельное давление до I миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2, показывает, как велика “комариная сила”.
- …Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера?
- …Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний “прощупывает” свой путь в воде?
Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи - создать своими руками то, что уже создала природа?
Задача моего исследования: Выяснить, как человек использует «естественные» изобретения животных и растений при создании искусственных устройств на благо человека.
Что такое «Бионика»?
Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи.
Его чертежи и схема летательных аппаратов
Были основаны на строении крыла птиц
Чертежи Леонардо да Винчи..
В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществлялось моделирование орнитоптера.
В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом.
Био логия + электро ника = Бионика.
Бионика (от греческого слова «bion» -элемент жизни, буквально- живущий), наука пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.
Девиз бионики: « Живые прототипы – ключ к новой технике»
У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто.
Патенты живой природы.
Известно, что растения – «зеленые фильтры», очищающие воздух и воду от вредных примесей. Они пополняют атмосферу кислородом, увлажняют и ионизируют воздух, снижают количество микробов.
Хлорофитум- природный кондиционер.
Созданы бытовые и промышленные электровоздухоочистители, по функциям подобные природным зеленым фильтрам.
Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением.
Деревья – мощнейшие растительные насосы. Большое значение для перемещения воды имеют корневое давление и транспирация (испарение воды листьями), а также сила сцепления между молекулами воды и стенками сосудов.
Как дерево корнями обеспечивает себя питательными веществами и влагой, так люди пытаются добывать из земли полезные ископаемые.
Гидрометаллургический метод прост и экономичен по сравнению с огневым (в доменных печах). В залежи урановой руды накачивают карбонат натрия. Затем по шлангам, как растение корнями, насосом отсасывают из шахты жидкую смесь, содержащую уран. После отстаивания получают уран в более чистом виде, чем добытый иными способами. Так же извлекают уран и из медных руд, в которых он содержится в очень малых количествах.
Гидрометаллургия применяется при обработке сложных руд и рудных концентратов.
Архитектурная бионика.
Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей. Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием температурновлажностных факторов, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т.д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком (технологией) производства работ.
Архитектура, ставшая в процессе своего развития большим общественным явлением, нацелена вместе с тем на удовлетворение не только общественных, но и биологических потребностей человека. И здесь через изучение биологической организации человека архитектура получает особые импульсы формообразования, значение которых повышается в условиях научно-технической революции, роста требований к экономии общественной энергии и интенсификации человеческого труда.
Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе. Сюда относятся: уточнение обще теоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов - тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т.д.; решение проблемы создания благоприятного микроклимата в зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментально го конструирования на физических моделях и др.
Таким образом, результаты исследований, проводимых в области архитектурной бионики, оказываются полезными при решении проблем социального и эстетического совершенствования архитектуры в самых ее различных типологических отраслях: в жилых комплексах, в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, в градостроительстве. Конечно, все это не означает, что она в состоянии решить все эти вопросы до конца. Нет, она не подменяет и не исключает существующие методы и лишь готова помочь их дальнейшему прогрессу. Вместе с тем в отдельных областях она может оказать революционизирующее воздействие. Архитектурная бионика, следовательно, приобретает большое значение в дальнейшем развитии не толь ко практики, но и архитектурной науки.
ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРНОЙ БИОНИКИ
Интересно проследить, как складывались исторические предпосылки формировании теории и практики архитектурной бионики, подтверждающие ее правомерность, неизбежность развития и одновременно проливающие свет на становление тех ее направлений, которые получили развитие в наше время.
На всем протяжении истории человек в своей архитектурно-строительной деятельности сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы.
Хижина южноамериканских индейцев и термитник; гнездо птицы ткач; глинобитный дом африканца
Конечно, не с подражания начал человек. Вероятнее всего, можно говорить об органически присущих ему формах трудовой строительной деятельности. Чело век, как известно, постепенно развивался от древнейших приматов млекопитающих к состоянию «гомо сапиенс». Но, по-видимому, постепенное удаление человека во времени от своих животных предков, самостоятельное развитие человеческой ветви, формирование деятельности по принципу «я сам» сгладили органическую непосредственность животного происхожде- ния и перевели ее на уровень более или менее осмысленного подражания живой природе, строительной деятельности живых организмов.
Оформление капителей колонн храмов Древнего Египта по аналогии с формами цветов лотоса и папируса: от акцентирования внимания на декоративной стороне (1-4) до тектонического освоения (5-6)
Японская народная архитектура. Разрез здания, напоминающего ель
Образное представление пространства живой природы в интерьере готического собора: собор в Амьене (Франция) и аллея в лесу (фото Ю. Лебедева)
Единство форм архитектуры и окружающей природы. Саввино-Сторожевский монастырь вблизи Звенигорода под Москвой (ХУ- ХУМ вв.) (фото Ю. Лебедева)
Радиотелевизионная башня в Москве, 1922 г. Инж. В.Г. Шухов. Общий вид и вид изнутри (фото Л.В. Кучинского)
Специалисты по бионике рассуждают 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.
Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.
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.
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 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.
Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов.
Можно выделить три хронологических этапа, предшествующих современному и соответствующих изменениям по существу этого процесса.
Первый этап - наиболее древний, уходящий в глубь истории можно считать этапом стихийного использования конструктивных и функционально-пространственных средств живой природы и результатов «строительной» деятельности животных, птиц и насекомых в создании убежищ-гнезд, шалашей, дольменов или «общественных сооружений», каковыми могли быть менгиры, кромлехи и т.д. Насколько здесь заимствованные из природы формы осмысливались эстетически, трудно сказать. Несомненно, лишь одно: они были, прежде всего, функциональными (на своем уровне и в своем роде). Вместе с функцией в искусственные сооружения механически привносилась и природная форма, поэтому многие древние человеческие сооружения - гнезда, шалаши и т.п. - часто трудно отличить от построек каких-либо животных или насекомых, например термитов.
Второй этап - от начала формирования архитектуры как искусства и примерно до середины XIX в. Несмотря на большую протяженность этого периода по времени, все его возможные промежуточные ступени объеди -нены одной основой - принципом подражания природе. Это означало главным образом использование форм природы с изобразительно-декоративными целя ми и копирование внешних форм природы. Примером могут служить колонны египетских храмов в Луксоре и Карнаке; коринфские и ионические капители колонн греческих храмов; палаццо Ренессанса и двор- цы классицизма; образно-художественные приемы формообразования в русских храмах; капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах; народная японская архитектура и т.д.
Говоря об этом периоде, нельзя отрицать также и интерпретацию некоторых конструктивно-тектонических принципов живой природы. Например, тектоника колонн с периодичностью ее диаметров по высоте интерпретирует тектонику ствола дерева; каннелюры колонн подобны встречающимся каннелированным стеблям растений, придающим им дополнительную прочность. Логика перехода одной формы в другую в конструктивных узлах ордеров греческих храмов повторяет, по существу, принципы изменения форм по вертикали стебля растения, ствола дерева, скелетов животных; нервюры покрытий готических храмов выполняют ту же конструктивную функцию, что и нерватура (прожилки) зеленого листа дерева и т.д.
Природная тектоника в архитектурных формах присутствует не всегда стихийно, доказательством чему служат высказывания Витрувия, Альберти, Пал-ладио и др. Но высказываемые мысли, касающиеся конструктивных решений, в большинстве своем из- за ограниченности технических возможностей не могли быть претворены в жизнь. Проще было сделать из камня или глины форму, подобную природной, с художественными целями, чем создать конструктивную систему, подобную природной.
Третий этап - конец XIX - начало XX в., нашедший свое выражение в архитектуре «модерн» . На этом этапе природные принципы одновременно, хотя и в разной степени, проявились в функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях.
Большое влияние на использование средств природы на этом этапе оказали бурное развитие биологии и небывалые успехи строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения металлических конструкций, керамики и т.д.).
Именно в архитектуре модерн, как показали последние исследования русского модерна, получило начало функционально-структурное развитие архитектурных форм по принципу приспособляемости к функционально усложняющимся задачам архитектуры и окружающей среды. Именно модерн открыл путь к самым различным интерпретациям архитектурных форм, не связанным какой-либо установившейся жесткой системой, подобной классической. Здесь также вольно или невольно воплотился природный принцип многообразия форм при их «стилевом» единстве. Именно в модерне нашли свое применение новые пространственные конструкции, напоминающие природные. И наконец, использование биоформ с деко -ративными целями.
Достижения биологии XIX -начала XX в., комплексные, системные принципы развития живой природы нашли отражение и в такой широкой области деятельности, как градостроительство. Подразумевается попытка практического претворения в жизнь теории «города-сада» Э. Говарда в Англии, Германии/ России и т.д. Рост индустриальных городов заставил задуматься над проблемой экономии городских территорий, планомерного их формирования, поисков мер, предотвращающих хаос, над решением вопросов, транспорта, размещения общественных центров и т.д. И здесь также не обошлось без попыток обращения к живой природе. В конце XIX -начале XX в. было сделано много подобных предложений: Т. Фрич- город, развивающийся подобно раковине моллюска по спирали, 1896 г.; проекты Сант Элиа, Э. Гледена и др.
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.
Нейробионика.
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) Весьма совершенное и гибкое восприятие внешней информации вне зависимости от формы, в которой она поступает (например, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.).
2) Высокая надёжность, значительно превышающая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких деталей; при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов, составляющих головной мозг, работоспособность системы сохраняется).
3) Миниатюрность элементов нервной системы: при количестве элементов 10 10 - 10 11 объём мозга человека 1,5 дм 3 . Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч м 3 .
4) Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков вт.
5 ) Высокая степень самоорганизации нервной системы, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.
Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов. Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение памяти и других свойств нервной системы - основной путь создания «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Изучение механизмов, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень важно для техники, т.к. решение этой первоочередной технической проблемы даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (например, оборудования самолёта, содержащего 10 5 электронных элементов).
Исследования анализаторных систем. Каждый анализатор животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований.
Через наиболее важный анализатор - зрительный - в мозг человека поступает большая часть информации. С инженерной точки зрения интересны следующие особенности зрительного анализатора: широкий диапазон чувствительности - от единичных квантов до интенсивных световых потоков; изменение ясности видения от центра к периферии; непрерывное слежение за движущимися объектами; адаптация к статичному изображению (для рассматривания неподвижного объекта глаз совершает мелкие колебательные движения с частотой 1-150 гц ) . Для технических целей представляет интерес разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка - очень сложное образование; например, глаз человека имеет 10 8 фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 10 6 ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: первый включает 1800 фоторецепторных ячеек, второй - «нейроны», воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в третьем слое имеется 650 «клеток» пяти разных типов. Эти исследования дают возможность создать следящие устройства автоматического распознавания. Изучение ощущения глубины пространства при видении одним глазом (монокулярном зрении) дало возможность создать определитель глубины пространства для анализа аэрофотоснимков.
Ведутся работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен - люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10 мкн/м 2 (0,0001 дин/см 2 ) . Технически интересно также изучение механизма передачи информации от уха к слуховой области мозга. Изучают органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» - электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде [некоторые рыбы чувствуют концентрацию вещества в несколько мг/м 3 (мкг / л )]. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45-90 кгц , мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.
Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы - для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана - для обнаружения инфракрасных лучей).
Большое значение в техническом конструировании имеют т. н. персептроны - «самообучающиеся» системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой информации. Большинство исследований посвящено опознаванию зрительных, звуковых или иных образов, т. е. формированию сигнала или кода, однозначно соответствующего объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от изменений изображения (например, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без предварительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, сигнализирует об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона - его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов - это набор фотоэлементов.
После периода «обучения» персептрон может принимать самостоятельные решения. На основе персептронов создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д.
Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из важных задач бионики., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км , могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация обнаружена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч км и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу. Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике.
Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе.
Спроектировать такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с "тараканьими мозгами".
Ученые же из Австралийского национального университета подробно изучили полет стрекозы. Они пришли к выводам, что "несмотря на очень маленький мозг, эти насекомые способны выполнять быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения". Новые летательные аппараты, сконструированные по "образу и подобию" хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы.
А вот еще какие уникальные идеи "подбрасывает" природа. Как выяснилось, паутина в пять раз прочнее стали и на 30% эластичнее нейлона. Из нового материала, "позаимствованного" у пауков, ученые предлагают делать ремни безопасности, невесомые провода, пуленепробиваемые ткани, медицинские нити, автомобильные шины и даже искусственные связки, ведь паутинный белок практически не отторгается организмом, так как имеет преимущественно белковую основу и обладает уникальными свойствами: она необычайно прочная, лёгкая, долго не разрушается под воздействием окружающей среды, почти не подвержена поражению микроорганизмами и грибками. Но так как добывать натуральную паутину в должном количестве достаточно проблематично, то генетики канадской биотехнологической компании Nexia имплантировали гены, ответственные за синтез паутины у пауков, нигерийским козам. И те стали давать молоко, содержащее такие же белки, что и паутина. Из молока извлекают сырье для получения нитей и ткут сверхпрочный шелк.
В свою очередь, ученые Лабораторий Белла, научно-исследовательского центра Lucent Technologies, обнаружили, что кристаллы кальцита, формирующие скелет морских звезд класса офиур (змеехвостки), обладают уникальными функциями: они не только служат офиурам панцирем, но еще и выполняют функции оптических рецепторов составного глаза. По словам ученых, изучение этого нового биоматериала может содействовать совершенствованию конструкции оптических элементов для телекоммуникационных сетей. "Перед нашими глазами - прекрасный пример того, чему мы можем научиться у природы, - сказал вице-президент Лабораторий Белла Федерико Капассо. - Эти маленькие кристаллы кальцита представляют собой практически идеальные микролинзы, значительно лучше тех, что мы можем производить на сегодняшний день".
А вот пример, который можно взять с другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции. Однако для получения всего 1 грамма протеинового клея требуется 10 тысяч моллюсков. В связи с этим ученые рассматривают следующий шаг своих исследований - имплантацию нужного гена моллюска в какое-нибудь растение.
В центре же нанотехнологий в Манчестере ученые работали над "задачей" поставленной примитивно организованной группой ящериц (гекконами), которые могут перемещаться практически по любой поверхности. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса - по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10 -7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается.
Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Не исключено, что массовый выпуск "гекконовых лапок" возможен с помощью не столь дорогих технологий, как, например, электронно-лучевая литография. Если обратить свое внимание на других позвоночных - китов и дельфинов, то обнаружится, что они "упакованы" в ткань наподобие очень упругой резины, которая состоит из сложной сети волокон коллагена. Это открытие дает возможность начать производство ее синтетического аналога. Если одеть в этот чудо-материал морские суда и подводные лодки, то повысится их обтекаемость, уменьшится расход топлива, увеличится устойчивость.
А вот к олимпиаде-2004 специально был создан новый "акулий" костюм Fastskin FSII американской компании Speedo. Его поверхность выстлана сотнями мельчайших зубчиков. Эта "кожа" была подсмотрена у акулы и дополнительно просчитана на компьютере. Она снижает трение о воду, которое, по утверждению компании, достигает 29% от общего сопротивления, а не 8-10%, как считали ранее, сообщает Мембрана.ру. Как результат - сокращение на 4% общего сопротивления движению и соответствующий рост скорости передвижения в воде. Для профессионального спорта этот выигрыш может оказаться критичным.
Не остались в стороне и военные. Так, профессор Хоуи Чозет на деньги военных разрабатывает колёсного робота с подобием хобота слона, военно-морские силы США финансируют создание роботов-лобстеров, а агентство передовых оборонных разработок оплачивает строительство механических насекомых.
Техническая бионика.
Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер - внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход - крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.
В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)
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 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.
Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек
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.
Заключение.
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.
В прошлом отношение человека к природе было потребительским. Техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды.
Природа как эталон - это и есть бионика.
Список литературы.
1. Бионика в школе. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович, Киев, 1990.
2. Живые приборы . Ю.Г.Симвков, М., 1986.
3. Тайны бионики. И.И.Гармаш, Киев, 1985.
4. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
5. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
7. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
Интернет-ресурсы
http://www.studik.ru
http://www.BankReferatov.ru
http://www.bestreferat.rureferat-42944.html
http://referat.ru/pub/item/9920
http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html
Бионика в жизни человека
Говорят, что раз в столетие на Земле рождается гений. Таким гением был Леонардо да Винчи. Величайший художник, скульптор, математик, инженер и анатом Леонардо да Винчи стремился найти истину, познать и описать ее.
«В наставницы себе я взял природу – учительницу всех учителей».
Почему этот великий ученый в учителя себе взял природу?
Жизнь в самой примитивной форме возникла на Земле около 2 млрд. лет назад. Миллионы столетий длился беспощадный естественный отбор, в результате которого выжили самые сильные и совершенные. Позаимствовать самое лучшее у природы, чтобы расширить возможности человека первым и предложил Леонардо да Винчи. В 1485 году он создал механический летательный аппарат – орнитоптель, принцип работы которого он скопировал у птиц. И хоть тогда человеку не удалось научиться летать, но это положило начало новой науке – бионики. Бионика – это симбиоз биологии и техники.
Если историю Земли – 4,5 млрд. лет − представить как один день, то получится, что человек разумный появился на планете меньше минуты назад. Миновали буквально доли секунды, а он уже возомнил себя творцом и уже может создавать не хуже природы. До недавнего времени, изобретая новое, человек не догадывался, что это уже существует. Надо только увидеть и применить. 99% научных открытий человек подсмотрел у природы. Все, что нас окружает имеет свой природный аналог.
Био́ника (от Βίον - живущее ) - прикладная о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур . Проще говоря, бионика - это соединение и . Дата рождения бионики: 13 сентября 1960 года. 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.
Человек всегда мечтал покорить небо. Но оно было доступно только птицам. И именно птицы подарили людям идею полета.
Мечты о полетах и их реальное воплощение – это очень разные вещи. И не смотря на смелые идеи, такие как у Леонардо да Винчи, человечество еще долгие века оставалось бы приковано к земле. Изучение птиц, строения их крыльев и хвоста, привело к тому, что человек изобрел самолет. Строение глаза человека положило начало фотообъективу, строение соцветия подсолнуха – солнечным батареям. Вычесывая соцветия репейника и шерсти совей собаки после прогулки, знаменитый дизайнер изобрел застежки-липучки. Насекомые подсказали ученым идею о вертолетах. Рыбы натолкнули на создание подводных лодок. Корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.
Мы сталкиваемся каждый день с бионическими изобретениями даже не подозревая об этом. Чаще всего принципы, принятые у природы, встречаются в архитектуре. Например, в конструкции знаменитой Эйфелевой башни лежит строение бедренной кости человека. На головке кости имеется множество опорных точек, благодаря им, нагрузка на сустав распределяется равномерно. Это позволяет изогнутой бедренной кости выдерживать большой вес тела. Такие же опорные точки можно найти и в основании Эйфелевой башни. Ее конструкция считается архитектурным эталоном устойчивости.
Природный аналог есть и у другой башни – Останкинской. Ее стройный силуэт узнаваем. Прототипом Останкинской башни является стебель пшеницы. Его способность не ломаться под тяжестью соцветия и легли в основу башни.
Архитекторы все чаще обращаются к принципам функционирования живых организмов. Чтобы понять, как это работает, конструктору приходится изучать биологию. Природными прототипами архитектурных конструкций становятся рыбы, птицы, растения и даже человеческое тело.
Бионика не стоит на месте. Эта наука творит настоящую революцию. Обычное наблюдение, моделирование способно на многое. Моя будущая профессия связана с машиностроением. Машиностроительная отрасль является наиболее роботизированной. Впервые своё практическое применение промышленные роботы получили благодаря американским инженерам Д. Деволу и Д. Энгельбергу в конце 50-х начале 60-х годов ХХ века. Их используют для выполнения разных технологических процессов с целью повышения эффективности деятельности предприятия.
В конструкции робот может содержать один или несколько манипуляторов, при этом сам манипулятор может обладать различной грузоподъемностью, точностью позиционирования, степенью свободы. При создании промышленного робота активно используют бионические модели. Манипулятор промышленного робота состоит из определенного количества подвижных соединенных друг с другом звеньев (осей). Он устроен по принципу конечностей членистоногих. Чем больше осей, тем более универсальная конструкция у робота. Расположение и гибкость соединения осей робота были тщательно сделаны по человеческому образцу (соединение суставов). Регулирование осей манипулятора происходит с помощью датчиков. Они аналогичны органам чувств и реагируют на свет, положение в пространстве
Природа хранит ещё множество загадок, гармония её творений всегда удивляла и будет удивлять мир человека. Но вот вопрос: «Успеем ли мы воспользоваться оставшимися «патентами живой природы»? Учитывая темпы, с которыми растения и животные исчезают с лика земли, а статистика неумолимо констатирует: ежегодно – один вид животных и ежедневно – один вид растений, − поставленный вопрос звучит очень тревожно. В связи с этим сохранение редких и исчезающих видов животных и растений, поддержание окружающей среды в условиях, благоприятных для жизни всего живого на Земле, − насущная проблема, и залог дальнейшего развития человечества.
Бионика (от греч. biоn — элемент жизни, буквально — живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.
Совсем недавно родилась наука бионика (в 1960 г.), цель которой — помочь человеку перенять «секреты» у живой природы. Природа создала необыкновенно совершенные живые механизмы. Ученых привлекает скорость и принцип передвижения дельфинов, китов, кальмаров, пауков, кротов, кенгуру, искусство полета птиц и насекомых, особенности органов зрения мух, лягушек, органов слуха медузы, «секреты» эхолокаторов летучих мышей, термолокаторов гремучих змей и т.д. и т.п.
Бионика нашла применение в таких сферах деятельности как самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, архитектура, навигационное приборостроение, горном деле и др.
Бионика в строительстве и промышленности
Рассмотрим некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практических целях.
Пингвины передвигаются, скользя по снегу, отталкиваясь ластами. Снегоходная машина была разработана по такому же принципу в Горьковском политехническом институте. Лежа на снегу широким днищем она не образует колею, не буксует и не вязнет.
Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным.
Конусообразную формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, грибов. Именно такую форму имеют угледобывающие комбайны. Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Архитекторы нередко используют конусовидный конструкции (Останкинская телебашня.)
Сооружения, созданные природой, намного совершеннее того, что пока умеет делать человек.
Богат и разнообразен мир животных, обитающих под землей. Дождевые черви, кроты имеют удивительные приспособления, с помощью которых они прокладывают подземные ходы.
Они представляют большой интерес при создании подземных роющих агрегатов. Разработана, например, оригинальная модель, которая, двигаясь под землей подобно кроту, пробивает туннель с гладкими плотными стенками.
Бионика взяла от земноводных принцип строения задней конечности. Воплотив это в таком предмете, как ласты.
Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются, или могут быть использованы человеком: ультразвуковое видение летучих мышей, эхолокация дельфинов (на расстоянии 20–30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм).
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
Выполнила: Крюкова Олеся ученица 11 класса Руководитель: Войтихина Г.А. учитель химии и биологии
2
слайд
Описание слайда:
Актуальность исследования: В каждом творении Природы мы видим высочайшую степень целесообразности, надежности, прочности, экономичности, и в то же время разнообразие форм и конструкций природных творений бесконечно. Этот синтез биологии и человеческого разума открывает для нас мир растений и животных как неиссякаемый источник новых идей для различных форм моделирования.
3
слайд
Описание слайда:
4
слайд
Описание слайда:
Цель:изучение Природы как гениального конструктора, инженера, художника и великого строителя.
5
слайд
Описание слайда:
Задачи: При изучении живой мастерской природы, выяснить, что изучает наука бионика. Историю ее развития, символы, направления бионики, перспективы развития науки. Изучить литературу и Интернет - ресурсы по данному вопросу; Провести наблюдение в природе, фотографирование и изучение природных объектов. Развивать умения находить необходимый материал в учебных и справочных изданиях, сети Интернет, грамотно излагать материал; Подготовить презентацию по данному вопросу и выступление на научном форуме исследовательских работ.
6
слайд
Описание слайда:
Содержание проекта: Что изучает наука бионика? Символ бионики. Прародитель бионики. Виды бионики. Моделирование живых организмов. Направления бионики. Примеры использования принципов работы и устройства биологических объектов в бионике. Упор бионики на человекоподобных роботов. Торжество бионики - искусственная рука. Перспективы развития бионики. Источники информации
7
слайд
Описание слайда:
Что изучает наука бионика? Бионика - наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г.
8
слайд
Описание слайда:
Символ бионики Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике». 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.
9
слайд
Описание слайда:
Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера. Чертеж аэроплана, выполненный Леонардо да Винчи
10
слайд
Описание слайда:
Орнитоптер Термин "орнитоптер" происходит от греческих слов ornithos, что означает птица, и pteron - крыло. Орнитоптер представляет собой летательный аппарат, передвигающийся за счёт маха крыльев. Упоминания людей, способных летать подобно птицам при помощи искусственных крыльев, встречаются, например, в мифах Древней Греции.
11
слайд
Описание слайда:
Виды бионики: биологическая бионика, изучающая процессы, происходящие в биологических системах; теоретическая бионика, которая строит математические модели этих процессов; техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач. Воздушный колокол паука-серебрянки Водолазный колокол Галлея
12
слайд
Описание слайда:
Природа знает лучше. В последнее десятилетее бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с переходом современных технологий на гига- и наноуровень и позволяют копировать природные конструкции с небывалой точностью. Именно в этой области, граничащей на стыке биологии и техники, свершаются величайшие открытия современности.
13
слайд
Описание слайда:
14
слайд
Описание слайда:
Архитектурная бионика Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.
15
слайд
Описание слайда:
Что же такое сооружение в бионическом стиле? Дома хоббитов построены по всем законам бионики. Постройки в бионическом стиле выбиваются из правильной геометрии. В бионике стены подобны живым мембранам. Пластичные и протяженные стены и окна выявляют направленную сверху вниз силу нагрузки и противодействующую ей силу сопротивления материалов. Благодаря ритмической игре меняющихся вогнутых и выпуклых поверхностей стен сооружений кажется, что здание дышит. Здесь стена уже не просто перегородка, она живет подобно организму.
16
слайд
Описание слайда:
17
слайд
Описание слайда:
Нейробионика 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.
18
слайд
Описание слайда:
Бионика нашла свое широкое применение практически везде: в моде, в медицине,в устройстве некоторых объектов, в танцевальном направлении.
19
слайд
Описание слайда:
1. Застёжка - молния. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже "запатентовано" природой. Такое изобретение XX века, как застежки "молния" и "липучки", было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление. Примеры использования принципов работы и устройства биологических объектов в бионике
20
слайд
Описание слайда:
2.Изобретение застежек «липучки» Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. 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» Плод дурнишника на рубашке Застежка - липучка
21
слайд
Описание слайда:
3. Эйфелева башня 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. Костная структура Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости
22
слайд
Описание слайда:
4. Обшивка торпед Благодаря изучению гидродинамических особенностей китов и рыб, удалось создать особую обшивку торпед, которая при той же мощности двигателя обеспечивает повышение скорости на 20 - 25%.
23
слайд
Описание слайда:
5. Китоподобное судно Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма тела кита совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское китоподобное судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же.
24
слайд
Описание слайда:
6. Снегоход «Пингвин» Бионический принцип положен и в основу конструкции снегоходной машины «Пингвин». Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем, скользит по поверхности снега и «Пингвин» механический.
25
слайд
Описание слайда:
6. Фабричные трубы Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей - кольца жесткости.
26
слайд
Описание слайда:
В Штутгарте создали новый экспериментальный «бионический автомобиль Mercedes», который в точности похож на рыбу! Работу над проектом мерседесовцы начали с того, что запустили в аквариум тропическую рыбу-кузовок (boxfish). Изучив ее вдоль и поперек, инженеры сделали точную модель рыбки и отправили на продувку в аэродинамическую трубу. Инженеры также обратили внимание на рыбью чешую - шестиугольные чешуйки образуют прочную поверхность при минимальном весе. Если подобную технологию применить, например, при формовке внешних дверных панелей, то их жесткость увеличится на 40%. А если чешуйчатым сделать весь кузов, то он станет на треть легче традиционного, не потеряв при этом в прочности! 7.«Бионический автомобиль Mercedes»,
27
слайд
Описание слайда:
28
слайд
Описание слайда:
29
слайд
Описание слайда:
30
слайд
Описание слайда:
31
слайд
Описание слайда:
32
слайд
Описание слайда:
33
слайд
Описание слайда:
34
слайд
Описание слайда:
35
слайд
Описание слайда:
36
слайд
Описание слайда:
37
слайд
Описание слайда:
Бионика делает упор на человекоподобных роботов Как известно, самые преданные адепты бионики - это инженеры, которые конструируют роботов. Сегодня среди разработчиков очень популярна такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики -бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде - с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек