Тема: «Біоніка – техніка природи».

Вступ.

На протязі всієї своєї історії людини вчилася у природи, створювала штучні системи на зразок природних, але багато таємниць природи ще не розгадано.

Сьогодні ми ознайомимось з наукою біонікою, її напрямками ; з частиною досягнень науково-технічного прогресу, якому сприяли саме живі організми. Отже, біоніка!

Розділ І. Біоніка як наука. Відкриття та напрямки біоніки.

Біо́ніка — використання біологічних методів та структур для розробки інженерних рішень та технологічних методів. Слово «біоніка» було запропоноване Джеком Стілі в 1958 році, ймовірно від грецького βίον — «одиниця життя» і суфіксу -ic — «-подібний», тобто «біоніка» означає «життєподібний». Деякі словники, проте, вказують походження від англійських слів biology + electronics (тобто біологія + електроніка).

Біоніка – наука, що виникла на стику кібернетики, біофізики інженерної психології.

Біоніка – наука про використання в техніці, архітектурі та дизайні знань про конструкцію та форму, принципи та технологічні процеси живої природи. Основу біоніки становлять дослідження по моделюванню живих систем.

Біоніка – це новий напрямок досліджень, який виник в середині ХХ століття і викликаний ходом розвитку науки, техніки, виробництва. Задачі нової науки пов`язані з відтворенням в штучних умовах особливо технічних системах окремих властивостей і закономірностей самої складної в природі – біологічної форми руху матерії. Виходячи з цього, для біонічних досліджень і розробок необхідні спеціалісти широкого профілю, які знайомі з принципами будови, функціонування і розвитку живих організмів, які мають інженерні навички, і можуть втілити всі свої званння в науковії творчості при створенні нової техніки і технологій, в питаннях сучасного виробництва.

Мал.1

Історія біоніки.

Біоніка, як самостійна наука відносно молода. Вона зародилася в 1960 році на міжнародному симпозіумі в Дейтроні (США). Перші роботи з біоніки почали появлятися в США та СРСР на початку сімдесятих. Вчені обрали своєю емблемою скальпель і паяльник, що об’єднані знаком інтеграла, а девізом – «Живі прототипи - ключ до нової техніки.».

Вперше “біонікою” стали займатися в епоху бурного розквіту Відродження після середньовікового застою, коли такі геніальні науковці, як Леонардо да Вінчі, виявили аналогію між творінням людини і природи, і показали, що імітація або використання моделей природи може дати технічні переваги. Відомо, що політ птахів або плавання риб навели великого художника на думку про створення перших планерів, парашутів, підводних човнів. Він намагався побудувати літальний апарат з рухомими крилами, як у птахів, і назвав його орнітоптер. Геніальний митець Леонардо да Вінчі писав: « Птах – це діючий за математичним законом інструмент, зробити який спроможна людина…»

ма

ма

мал.2, 3, 4,5

Важливим моментом в історії біоніки був розвиток механіки, основу якої заклав англійський фізик Ісаак Ньютон (1642-1727) в роботі “Математичні начала натуральної філософії”. Його механіка була доповнена законом Гука (1635-1703), який став основою техніки, фундаментом раціонального проектування машин і механізмів.

Крок вперед у біоніці був зроблений одночасно з прогресом автоматики, що дозволило зробити перехід від декоративних механізмів до підказаних природою механізмів, які можуть ефективно працювати в промисловості. Вони переносили моделі з природного середовища в область техніки на основі аналогій.

В останні роки біоніка підтверджує, що більшість людських винаходів уже «запатентовано» природою.

Основні напрямки біоніки.

Розрізняють:

• біологічну біоніку, що вивчає процеси в живих системах;

• теоретичну біоніку, яка будує математичні моделі цих процесів;

• технічну біоніку, яка застосовує моделі теоретичної біоніки для вирішення математичних задач.

Вчені-біоніки охоплюють наступні проблеми:

• вивчення нервової системи людини та тварин; моделювання нервових клітин для вдосконалення обчислювальної техніки, автоматики, телемеханіки;

• вивчення органів чуття живих організмів з метою розробки нових датчиків і систем стеження;

• вивчення принципів орієнтації, навігації у різних тварин для їх застосування в техніці;

• вивчення морфологічних, фізіологічних особливостей тварин для появи нових ідей.

Отже, сьогодні основні напрямки біоніки:

• архітектурна біоніка.

• нейробіоніка.

Розпочинаємо нашу презентацію та ознайомимось на прикладах із досягненнями в галузі біоніки.

Розділ ІІ. Біологія рослин і біоніка.

1. Вивчаючи будову листків рослин та їх жилкування вчені звернули увагу на архітектоніку та призначення різноманітних жилок. Подібно до будови листка будують дерев’яні основи для дахів будинків. Вздовж розміщують основну балку, перпендикулярно прикріплюються поперечні, а вже на них накладаються дошки. Таким чином, у конструкціях дахів створюється необхідна жорсткість та стійкість, даючи можливість без опор перекривати широкі простори. Тому будівлі, які створює людина, як і зелені листки добре протистоять впливу кліматичних та інших несприятливих умов.

мал.6

2. Одним з успіхів біоніки до теперішнього часу є розробка брудо- і водовідштовхуючих покриттів. Їх винайшли, використовуючи дослідження поверхні листка індійського лотосу, що майже не змочується водою за рахунок так званого ефекту лотоса.

Мал..7

3. Вивчаючи ріст стебла у висоту та формування крони, помітили, що крона дерева нагадує форму конуса – конусом вниз. С ам стовбур від кореня і до верхівки також має форму конуса, але конусом вгору. Тобто дерево має два конуси. Такий вигляд забезпечує протидію зовнішнім впливам, наприклад, вітру і тому створює умови для кращого освітлення кожного листочка сонцем. У багатьох країнах будують будинки по аналогії з формою крони дерева. Мал..8

4. Стебла злакових рослин досить цікаві для біоніки тим, що будова соломини така, яка дозволяє їм постійно колихатися, а при великому вітрі нахилятися і знову виправлятися. Адже висота злаків у 200-300 разів більша за діаметр стебла. Таємниця збереження рослинами гнучкості та міцності знаходиться у будові стебла: меживузля порожнисті, а вузли заповнені тканинами.
   За принципом будови стебла злакових рослин та стовбура дерев побудована Останкінська телевізійна вежа. Її основа потовщена, верхівка гострокінцева, а по периферії вздовж стін розміщені металеві конструкції як у стеблі всередині. При сильному вітрі вежа може розгойдуватись, як стебло пшениці до 10 м із сторони в сторону, причому зберігаючи міцність. За дослідженнями вчених вона може витримати, навіть, землетрус у 8 балів. І проіснувати ця споруда повинна не менше, ніж 300 років.
   У містах будують багатоповерхові будинки, які схожі на початки кукурудзи. Вони досить міцні і красиві зовні.
   На основі принципу будови гнучкого та міцного стебла бамбука також споруджують висотні споруди. Вони необхідні у місцевостях, де можливі поштовхи землі. Верхні поверхи можуть відхилятися на кілька десятків сантиметрів, зберігаючи стійкість.

мал..9 мал.10

5. Одним із вдалих прикладів біоніки є поширена «ліпучка», прототипом якої стали плоди лопуха справжнього, які чіплялись за шерсть собаки швейцарського інженера Жоржа де Местраля. Він помітив, що колючки міцніше тримаються за кошлату шерсть і виготовив на цьому принципі застібку. В 1955 році отримав патент за цей винахід. Сьогодні виробляється більше 50 млн метрів ліпучки за рік. Мал..11,12.

Винахід застібки «молнії» теж не обійшовся без живих організмів. Прототипом молнії стало пташине перо, точніше, як борозни пера зчеплені між собою. Мал.. 11а,12а.

мА

ма

6. Після знайомства з будовою квітки, нам відомо, що пелюстки можуть відкриватися і закриватися, захищаючи головні частини та утримуючи тепло. Для того, щоб зберегти тепло, пелюстки згортаються, але не повністю, утворюючи всередині ввігнуту поверхню. Промені, проникаючи в квітку, відбиваються від внутрішніх поверхонь пелюсток і концентруються на маточці. Такий принцип концентрації розсіяної енергії в одному напрямку, люди використовують у техніці. Це, наприклад, ввігнуте дзеркало – рефлектор, що концентрує світлові промені в одному напрямку. Такі рефлектори використовуються у медицині, кіноапаратурі та різних приладах .

Мал..13

7. Особливості будови квіток використовують архітектори при проектуванні споруд.

Наприклад, у Москві відкритий Олімпійський стадіон схожий на екзотичну рослину вікторію регію;

мал..14 мал.15

Храм Лотоса в Делі (Індія, 1986) має надзвичайно красивий вигляд й приваблює млн. туристів.

Мал..16 мал.16 а

Розділ ІІІ. Біологія тварин і біоніка.

1. На основі будови та переміщення у грунті дощового черв’яка, вченими було створені установки для буріння свердловин. Тому що, скорочуючи кільцеві м’язи, дощові черви роблять передній край тіла досить тонким, який легко проникає між частинками грунту. Коли скорочуються поздовжні м’язи, передній кінець потовщується, чим і розштовхує грунт, утворюючи нірку. Мал..17,18

2. Молюски також стали прикладами для біоніки. Придивившись до черепашки конструктори віднайшли, що її форма зручна і може використовуватись при спорудженні різних будівль,

посуду тощо.

Мал..19 мал.20

У більшості слимаків черепашка росте у формі логарифмічної спіралі. Мексиканський архітектор і дизайнер Хавьер Сеносіан розробив проект будинку у вигляді черепашки наутилуса. Ця архітектурна споруда була побудова на в 2006 році в Мексиці. Мал..21,22

Оперний театр Сіднея був побудований у формі в 1973 році, визнаний архітектурним шедевром і візитною карткою Австралії. Дах театру має складну конструкцію, нагадує черепашки молюска, що перекриваються. Мал..23,24

2 А. Перші спроби використати природні форми в архітектурі зробив ще в 19 століття Антоніо Гауді. Ці дивовижні витвори мистецтва можна побачити в місті Барселона , Іспанія. Мал..24 – 31.

2 Б.Ще один приклад архітектурної біоніки – Пекінський Національний стадіон, що має назву «пташине гніздо». Корпус стадіону ,обвитий міцними звивистими металічними прутами, нагадує гніздо як символ миру, затишку, нового життя.

мал.32.

3. На основі будови кінцівок мухи вченими були створені крокуючі роботи, які відшукують на металевій поверхні дефекти. Чому саме муха була об’єктом для такого відкриття. Мабуть, тому, що на лапках у цих комах наявні р ізноманітні хеморецептори – мініатюрні біологічні датчики. Їх 4 типи: одні аналізують склад води, інші визначають наявність цукру, треті досліджують різні мінеральні солі, а останні вказують на наявність білкової їжі. Такі ж рецептори наявні і на хоботку ротового апарату. Завдяки всім цим рецепторам муха завжди знає, що у неї під ногами: якого хімічного складу рідина чи їжа, а можливо щось неїстівне. Мал..33

Мал..34

Також вчені з’ясували функцію жужелиць мух. Під час польоту вони визначають відхилення від горизонтального положення. На цьому принципі винайшли прилад гіротрон, що використовується в літаках для визначення кутового відхилення стабільності польоту. Мал..35,36

4. В природі в процесі еволюції збереглись найбільш досконалі у функціональному відношенні та найбільш економні по затраті матеріалу форми. Наприклад, бджолині стільники, найбільш економна об’ємна форма, елементом якої є шестигранна призма. Конструкція бджолиних стільників лягла в основу виготовлення панелей для будівництва, для покриття парників і теплиць.

мал..37-39

Давайте згадаємо стільникові (сотові) телефони.. Основою стільникового зв’язку є власне стільник (сота), в центрі якої знаходиться базова станція. Сектора базових станцій схожі на бджолині стільники. Розміри соти стільникового зв’язку визначаються максимальною дальністю зв’язку телефону з базовою станцією, типом мережі, потужністю станції тощо. мал.40,41

5. Вивчення будови та форми тіла водних тварин, таких як риби та кити, допомогло побудувати та довести до досконалості нові апарати, які б відповідали принципам пропорційності в природі. Підводні човни та кораблі мають веретеноподібну обтічну форму тіла із необхідною пропорційністю довжини і ширини. Це сприяє зниженню протидії апарату у воді.
   Спостерігаючи за швидкістю плавання тунця та його стрімкими рухами у воді, на вантажних судах почали встановлювати горизонтальні стабілізатори як плавці у тунця, завдяки чому покращилось маневрування суден. А японські кораблебудівники носи своїх суден роблять схожими за формою на голови вусатих китів, і дотримуються також пропорцій тіла цієї морської тварини.
   Суднобудівники використовують не лише форму тіла риби чи кита, вони досягли успіхів у створенні пристосувань для байдарок та спортивних човнів. Адже тварини у воді коливаються всім тілом, і хвостом найбільше, неначе по тілу біжить хвиля. Вчені визначили, що хвилеподібний рух економічно вигідний, так як іде мінімальна затрата енергії і досягається велика швидкість. Мал..42-45

5 А. Реактивний рух, який використовується в літаках, космічних кораблях, властивий головоногим молюскам – кальмарам, каракатицям, восьминогам. Найбільший інтерес викликає реактивний рух кальмара, що має швидкість понад 70 км/год.

5Б. Сконструйовані також автомобілі, форма яких нагадує форму тіла риб. Прототипом автомобіля «Мерседес –біонік» стала тропічна рибка кузовок. Мал..46-47

5В .Вивчення бічної лінії риб також допомогло створенню цікавого приладу. Бічна лінія має численну кількість електрорецепторів, завдяки яким риба сприймає напрямок течії, стан каламутності води та коливання хвилі, відбитої від різних предметів. Цими електрорецепторами риби сприймають зовнішнє електричне поле, низькочастотні коливання води та інфразвуки як провісників землетрусів. Тому люди прибережних зон знають, коли глибоководні риби плавають біля поверхні води, треба чекати землетрусу. Тому біоники, вивчивши поведінку риб, створили прилад, що прогнозує землетруси – сейсмоприймач.

Мал..48 мал. 49

5 Г. Під час першої світової війни англійський флот ніс великі втрати через німецькі підводні човни. Потрібно було навчитись їх вистежувати. Для цього створили прилади – гідрофони. Але рух води створював шум, що блокував шум підводного човна. Фізик Роберт Вуд запропонував повчитися у тюленів, які добре чують у воді. В результаті гідрофону надали форму вуха тюленя і проблема була вирішена.

6. Цікавими для біоніки є птахи відкритих водних просторів: альбатроси, фрегати, буревісники. Уміння ефективно керувати своїм польотом досить важливо для кожного птаха, але саме ці види уміло використовують переміщення повітряних потоків під час польотів. Раціональність польоту заключається у мінімальній затраті сил при максимальній дальності польоту і максимальному використанню повітряних потоків. Авіаторів постійно приваблюють польоти птахів, тому створюючи планери, вони також використовують енергію руху повітряних мас, літаючи у повітрі без мотору. Тривалість польоту залежить від уміння планериста використовувати повітряні потоки.

Мал.. 50 мал.51

7. У кажанів досить розвинена система ехоорієнтування. Передатчиком є гортань, яка виробляє ультразвуки. Приймачем є слуховий апарат, налаштований на ту ж саму частоту. Від комахи, яку відчув кажан і якою він хоче поживитися, відбиваються звуки, уже змінені за силою або частотою, у залежності від виду комахи. Тварина точно визначає будову «запеленгованого» об’єкта та відстань до нього. На основі уміння кажанів сприймати ультразвуки у минулому столітті створено радіолокаційні станції. У простір посилається імпульс, який відбивається від об’єкту, що відшуковується, потім сприймається приймачем, і у вигляді сигналів виявляється на певному екрані.

Мал..52 мал .53

8. До 100 річниці Великої французької революції в Парижі була організована всесвітня виставка. На території цієї виставки планувалось побудувати вежу, яка б символізувала велич французької революції та новітні досягнення в техніці. В кінці 19 століття 300 –метрова вежа за проектом Олександра Ейфеля вразила світ ажурністю та красою й стала символом Парижа. Конструкція Ейфелевої вежі точно повторює будову стегнової кістки, що легко витримує вагу людини. Співпадають навіть кути між несучими поверхнями.

Мал..54 мал.55

Розділ ІY. Нейробіоніка

9.Чудове створення природи – людська рука – давно привертала увагу вчених – конструкторів. Винайдено багато маніпуляторів, в яких у різних ступенях повторюються елементи конструкції руки. Найбільша схожість в активних протезах людської руки, які працюють під дією біопотенціалів, що виникають у м’язах передпліччя. Мал..56,57

10. Із органів чуття людини та тварин найбільший інтерес являють очі. Фотографічний апарат являю собою технічний аналог ока, в якому об’єктив заміняє кристалик, діафрагма – оболонку веселки, а світлочутлива плівка – сітчатку. В біоніці вже існує модель ока, на основі якої розроблені автомати для сортування листів на пошті, а також інші пристрої, які дозволяють з електронною швидкістю різні візуальні документи.

Мал..58 мал.59

11. Основними напрямками нейробіоніки є вивчення фізіології нервової системи людини та тварин й моделювання нервових клітин і нервових зв’язків. Це дає можливість вдосконалювати електронні технології та створити штучний інтелект.

Живі організми, і в першу чергу людський мозок, як орган вищої нервової системи і діяльності людини становить одну із самих складних проблем біоніки. Конструкцію рахувальної машини можна співставити із людським мозком. Порівнюючи компактність біологічного монтажу з технічним, академік В. В. Парін приводить інтересний розрахунок: технічний аналог людського мозку при використанні сучасних напівпровідників деталей мав би об’єм башні з основою в плані 10×10 м, висотою 100 м. А головний мозок людини займає об’єм 1,5дм3 і містить 10-15 млр. нейронів. Це є вершина еволюції. У сучасній техніці при всій її вдосконаленості, надійність роботи машин поки що не може конкурувати з надійністю роботи мозку, тому що нервова система вищих організмів має наступні переваги :

• гнучне сприйняття зовнішньої інформації, незалежно від форми, в якій вона надходить ( колір, почерк, шрифт тощо);

• висока надійність (технічні системи виходять з ладу ,коли якась деталь ламається, а мозок зберігає функції навіть при загибелі тисяч клітин);

• економічне використання енергії;

• високий ступінь саморегуляції (швидке пристосування до нових ситуацій, до зміни програми діяльності).

Мал..60

Хоча сьогодні різноманіть створених вченими роботів зі штучним інтелектом просто вражає. мал..61 -68:

12. Біоніка майбутнього.

А) місто-кипарис:

В Китаї планують побудувати місто-башту на 100 тис осіб. Ця унікальна споруда, що імітує природні конструкції (дерево кипарис), повинно створене на основі новітніх технологій та зможе протистояти самим потужним природним впливам. Спираюсь на постулати біоніки, архітектори приступили до розробки нового типу споруд, які не схожі на все те, що людство побудувало до цих пір. Місто-кипарис - це 300-поверхова споруда висотою 1228 м, загальною площею 2 млн.кв.м. В ньому повинні рацювати 400 горизонтальних й вертикальних ліфтів, швидкість яких – 15 м/сек, т.т з першого на останній поверх можна буде піднятися на 2 хвилини. Місто будуватимуть на штучному острові посеред штучного озера. Діаметр острова – 1 км. Озеро буде амортизатором сейсмічних поштовхів й коливань. Мал..69 ,70

ма

Б) Японці планують побудувати місто-будинок висотою 4 км на 800 поверхів. X-Seed 4000 буде вміщувати від 700 000 до 1 млн жителів. Ширина будівлі у основи становитиме 6 км. Проект розробляється для столиці Японії як будинок майбутнього, де буде суміщена ультрасучасне життя та взаємодія з природою. Його конструкція передбачає використання сонячної енергії для енергозабезпечення всієї системи, підтримання мікроклімату в споруді. Ліфти розраховані на 200 пасажирів й прибувають на верхній поверх за 30 хвилин.

Чи будуть реалізовані ці проекти в життя? Поживемо – побачимо… хоча вони й здаються сьогодні дуже фантастичними…

Мал..71 мал.72

Висновок:

Завершуючи нашу презентацію, розповідь про досягнення біоніки (далеко не всі), необхідно пам’ятати, що жива природа – геніальний конструктор, інженер, технолог, будівельник, найкращий метеоролог. У ході еволюційного розвитку в організмах сформувались тонкі органи чуття, досконалі механізми обміну речовин, перетворювачі енергії та інформації. Ці біоінженерні системи природи функціонують точно, надійно та економно, відрізняються разючою цілеспрямованістю та гармонійністю дій.

Яку б задачу ми не вирішували, який механізм не розробляли, обов’язково вже є аналогічне творіння універсальної майстерні – природи. В більшості випадків вони перевершують все те, що винайдено до сьогодні інженерною майстерністю людини.

Хоча треба визнати, що те, над чим працювала природа млрд. років, людина створила за набагато менший період існування розвиненої матеріальної культури. Майбутні винахідники повинні брати у природи аналоги й прототипи своїх рішень.