I Межрегиональная ЗНПК «Вернадские чтения экология и здоровье человека» - Исследовательская работа 9 класс Изобретения подсмотренные у природы

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ШКОЛА №482 ВЫБОРГСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

I Межрегиональная (с международным участием)  заочная научно-практическая конференция учащихся 

«Вернадские чтения: экология и здоровье человека»

Индивидуальная исследовательская работа

ТЕМА

Изобретения, подсмотренные у природы

                                                                     Работу выполнила:  

                                                                     Николаева Вероника Михайловна, 

          ученица 9 класса ГБОУ школа № 482 Выборгского       района Санкт-Петербурга

                                                                     Руководитель:

          Гаманькова Варвара Анатольевна,           учитель биологии и химии 

                                 Лоскутова Анна Михайловна, учитель математики и информатики

          Отставная Елена Михайловна, учитель     математики

                                                                     Ермакова Ангелина Вадимовна,

                                                                     учитель географии

                                                   ГБОУ школа № 482 Выборгского района Санкт-Петербурга

г. Санкт-Петербург

                                                                                                  2021                                        

Введение Актуальность

Люди веками наблюдают за чудесами природы и черпают идеи для собственных изобретений. Так даже появилась отдельная наука — бионика, и ее подраздел —биомиметика, в основе которой лежит принцип заимствования у животных идей и основных элементов для новых технологий.  Почти все, что изобрел человек, уже существовало в природе. В разное время и в разных культурах понятие роли и значимости окружающего мира для человека существенно отличалось. Отношения между людьми и природой всегда были достаточно сложными - человек стремился подчинить её, использовать для своих нужд и всячески изменить. Люди и природа неразрывно связаны между собой. Мы в огромной степени зависим от окружающего нас мира. Еще не так давно господствовало мнение, что человек является царем природы, ее полноправным хозяином. Однако на сегодняшний день ясно, что мы – всего лишь крошечная частица в мире. Взаимодействие человека с природой может быть гармоничным только тогда, когда мы уважительно и бережно относимся к ее дарам и несем ответственность за свои действия и реально оцениваем их последствия. 

В процессе своей жизнедеятельности мы во многом зависим от природы. Она дает нам столь необходимые вещи, как воздух, вода, свет, пища. Только от нас зависит, в каком виде мы сохраним все эти ценные ресурсы для себя и последующих поколений, и какие технологии они получат. 

Цель работы

Выяснить, на какие изобретения человека вдохновила природа.  Разработать тематическую переменку «Учимся у природы» и составить игру «Найди пару», для учеников начальной школы.   Задачи исследования:

1.     Выяснить, какие первые изобретения были взяты от природы.

2.     Изучить, какие изобретения сделал человек, наблюдая за животными и растениями.

3.     Привести примеры, когда природа, взяла отклик в архитектуре.

4.     Разработать тематическую переменку «Учимся у природы» и составить игру «Найди пару», для учеников начальной школы.

Методы и способы работы: работа с литературными источниками, сбор информации по выбранной теме, встреча с волонтерами Экологического просветительного центра «БЕЛЛОНА», анализ информации.

Практическая значимость

В результате работы над проектом была разработана тематическая переменка «Учимся у природы» и составлена игра «Найди пару», для учеников начальной школы.  Игра и тематическая переменка могут применяться на уроках окружающего мира в начальной школе и на уроках биологии при изучении экологии.

Глава 1.  Великие изобретения, взятые у природы 1.1. Первые великие изобретения, взятые у природы

Когда человек стал засевать поля, разводить скот, строить большие поселения, началась торговля камнем, лесом, зерном... При этом людям приходилось перемещать огромные тяжести на большие расстояния. И идея колеса не могла не родиться. Постоянно имея дело с поваленными деревьями и бревнами, человек обнаружил, что они могут катиться. Оказывается, то самое бревно, которое он с товарищами едва мог перенести на несколько метров, могло катиться само, если, конечно, его подтолкнуть.

Наблюдая за пауками, люди еще в древности научились плести сети. А современному миру они подарили специальный эластичный бинт, который легко и нетравматично отделяется от раны, и вдохновили на создание кевлара, который в сочетании с бронежилетами может создать безупречную защиту.

Из истории нам известен еще один пример заимствования у природы: в Древней Греции было создано великолепное по тем временам изобретение: тараны, которыми разбивали ворота осаждённой крепости, стали делать с торцами в виде бараньих лбов. Неведомые древнегреческие изобретатели подсмотрели это на пастбищах

Леонардо Да Винчи всегда грезил идеей воздухоплаванья. Источником вдохновения для ученого стали птицы. Леонардо пытался создать крыло для летательного аппарата по образу и подобию крыльев пернатых. Один из разработанных им аппаратов приводился в движение с помощью подвижных крыльев, которые поднимались и опускались за счет вращения летчиком педалей. Сам летчик располагался горизонтально (лежа). Еще один вариант летающей машины предполагал задействовать для движения не только ног, ног и рук воздухоплавателя. Практического успеха эксперименты с «птичьим» крылом не имели, и вскоре изобретатель перешел к идее планирующего полета. Так появился прототип дельтаплана.      

1.2.  Что человек подсмотрел у животных

Морские животные вдохновили людей на массу изобретений. Их обтекаемая форма послужила прототипом для создания кораблей, подводных лодок. - Акулья кожа, покрытая мелкими чешуйками, стала основой для разработки энергосберегающего покрытия для авиалайнеров, теплоходов и лопастей ветряных электростанций. По подсчетам немецких ученых-разработчиков, если покрыть самолеты и морские суда этим материалом — особой краской, снижающей сопротивление потоку, можно сэкономить до 4,5 млн т топлива в полетах и около 2000 т в год в морских рейсах.

Сейчас ученые из Гарвардского университета пытаются воссоздать кожу акулы мако с помощью 3D-печати, их конечная цель — изготовить высокотехнологичный костюм для дайвинга, который уменьшит сопротивление воды.

-                     Уникальная способность рыбы черная ножетелка ориентироваться в полной темноте. Робот-разведчик, разработанный американскими инженерами. Исследователь Малкольм МакИвер занимался изучением сенсорной и двигательной систем этих рыб в течение многих лет. Он выяснил, что для ориентации ножетелка посылает слабый электрический импульс, создаваемый особым органом, а для передвижения совершает волнообразные движения длинным нижним плавником. Оба этих свойства были «подарены» новым роботам-водолазам, которые смогут проводить разведку в труднодоступных и малоосвещенных местах, таких как затонувшие корабли.

-                     Стрекоза стала прообразом вертолета. Как и насекомое, машина взлетает с места без предварительного разбега, «зависает» в воздухе, садится без пробега. Ее удивительные летательные способности вдохновляли, в частности, изобретателя Игоря Сикорского. Один из его вертолетов был почти точной копией стрекозы: в распоряжении ученого были 2000 воссозданных на компьютере маневров стрекозы в воздухе. 

-                     Хищные птицы. Французские инженеры пытаются максимально приблизит конструкцию крыла самолета к крыльям крупных хищных птиц. «Это позволит повысить подъемную силу самолета при малых скоростях, понизить сопротивляемость воздуха, затраты энергии на полет. Одной из новинок стали тонкие пластинки, которые вибрируют и снижают турбулентность, — у птиц эту задачу выполняют мелкие перья, расположенные на задней кромке крыльев.

-                     Кошачьи глаза легли в основу еще одного изобретения — светоотражателя. Его придумал англичанин Перси Шо, когда на темной трассе увидел отражение фар своей машины в глазах кошки.

-                     Сова подарила принципы звукоизоляции. Совы должны быть совершенно бесшумными, чтобы настигать свою жертву, им помогает конструкция перьев. Волокна и крошечные деления изолируют поток воздуха от крыльев, что предотвращает любые громкие звуки, в том числе и хлопанье перьев. Единственный звук, который можно будет услышать, — это писк жертвы. - Гидролокаторы были подарены природой китам и дельфинам, благодаря чему они ориентируются под водой, находят различия между объектами с расстояния 15 метров, ищут еду и даже друзей. Подводные лодки, корабли и другие морские суда оснащены такими же гидролокаторами для навигации, отслеживания целей и предотвращения столкновения с препятствиями. Звуковые волны отскакивают от твердых объектов и возвращаются к гидролокатору, который и сообщает информацию об окружающих предметах.

-                     Тихоходки, микроскопические беспозвоночные, также являются одними из самых жизнестойких организмов на Земле. Они побывали в космосе, их подвергали воздействию экстремальных температур (от нуля до 150 градусов по Цельсию), обрабатывали радиацией и держали годы без воды.

В ответ на это тихоходки начинали сохнуть. Но затем, как только окружающие условия снова становились благоприятными, они пробуждались. 

1.3.  Что человек подсмотрел у растений

По сравнению с солнечными батареями, сделанными людьми, солнечные элементы растений прочны, сделаны из недорогих материалов и их много.

Команда ученых из Университета Северной Каролины разработали "искусственные листья", которые представляют собой наполненный гелем мешочек со специальными химическими веществами и частичками растений, включая немного хлорофилла. Они добились того, что молекулы в геле генерируют слабый электрический ток.

-                     Листья,  это по сути окно, через которое растение получает энергию. Грязное окно пропустит меньше энергии, лишая растение важных питательных веществ. Вот почему поверхность большинства листьев, хотя и кажется гладкой, на самом деле покрыта практически микроскопическими бороздками. При этом пыль и грязь не могут удержаться и скапливаются в этих бороздках, после чего дождь смывает все ненужное. Как только люди внимательнее присмотрелись к строению листа, они смогли воссоздать эту технологию для создания самоочищающейся краски. Имитируя возвышения и впадинки на листе, такая краска удерживает поверхность чистой и к тому же создает неблагоприятную среду для бактерий и грибков, снижая уровень содержания микробов на 90 процентов. 

-                     Репейник с его маленькими крючками-зацепками стал прототипом текстильной застежки — липучки. 

-                     Благодаря гибернации - глубокому сну с многократным замедлением обмена веществ, некоторые растения способны к «воскрешению». Пустынный мох, который высыхает при высоких температурах, с возвращением дождей снова начинает пышно расти и зеленеть.

-                     Изоляционный и упаковочный материал, созданный при помощи вешенок Американская компания Ecovative Design, производящая упаковку, создала группу возобновляемых и биоразлагаемых материалов, которые можно использовать для производства термоизоляторов, защиты от пламени, а также упаковки. Для производства этих материалов используется шелуха риса, гречихи и хлопчатника, на которых выращивается особый гриб Pleurotus ostreatus (или вешенка). Смесь, содержащая клетки этого гриба и пероксид водорода, помещается в специальные формы и выдерживается в темноте, чтобы под воздействием грибного мицелия изделие затвердело. Затем изделие высушивается, чтобы оставить рост гриба и предотвратить появление аллергии в процессе использования изделия.

-                     Стоит только насекомому коснуться ловчего листа хищного растения Венериной мухоловки, как форма листа немедленно начинает меняться, и насекомое оказывается в смертельной ловушке. Ученым удалось создать полимерный материал, который в состоянии подобным образом реагировать на малейшие изменения давления, температуры, либо под воздействием электрического тока. 

-                     Все мы пользуемся зонтами, какое растение они вам напоминают? Мне на ум сразу приходит образ гриба, и не зря, ведь ещё в древности люди наблюдали, как со шляпок грибов сказываются капли, так и появились зонты

Глава 2. Тематическая переменка «Учимся у природы» и игра «Найди пару»

Цель этой переменки - рассказать детям об отношениях между человеком и природой, познакомить их с такой наукой, как бионика. 

Игра «Найди пару»: Дети видят карточки животных/растений и должны все вместе найти, что с чем связано. Эта игра помогает узнать, какие идеи человек позаимствовал у природы для своих изобретений. Таким образом, визуализация информации сможет помочь им лучше всё запомнить и провести время с интересом и пользой. План тематической переменки:

•      Беседа – обсуждение с ребятами о том, о какие изобретения подсказанные природой они знают. 

•      Проведение игры «Найди пару», в качестве закрепления и обобщения материала.

•      Творческое задание.

Перчатки с присосками и геккон. «Липкие» лапы геккона легли в основу изобретенных перчаток с присосками. Силиконовые присоски, как и лапы геккона, покрыты тысячами волосков, и благодаря межмолекулярному притяжению материал словно приклеивается к поверхности, благодаря им  любой человек может вскарабкаться на вертикальную стену.  Суперклей и моллюски. Рыба-прилипала, моллюски, морские черви и многие другие живые организмы на планете обладают способностями вырабатывать сверхлипкое вещество. Именно они натолкнули людей на изобретение клея. 

Светодиоды и светлячки. Корейские инженеры изучили наноструктуру брюшка светлячков и создали сверхъяркие светодиоды: для этого они изменили микроструктуру поверхности светодиода, повысив его прозрачность. 

Паутина и сверхпрочная нить. В пять раз крепче стали, в два раза тоньше нейлона, способная растягиваться почти в пять раз и не рваться, паутина — потрясающий материал. Согласно расчетам ученых паутина смогла бы остановить даже авиалайнер, если бы имела толщину карандаша.  Репейник и застёжка-липучка. Семена снабжены крошечными крючками, которые цепляются за всё подряд. Где-то в другом месте они отцепятся, приживутся и смогут прорасти. Ученые опробовали этот способ для соединения двух материалов — куска бархата и полоски с крючками. Реактивный двигатель и осминог. Моллюски  мышечным сокращением выбрасывают струю воды в направлении, обратном движению, тем самым вызывая реактивную силу, толкающую вперед. 

Дом и сосновая шишка. Сосновая шишка очень чувствительна к погоде: в сухую солнечную погоду она раскрывается, а во влажную закрывается, чтобы защитить семена. Именно этот принцип заложили архитекторы-биологи в проект павильона в Орлеане, фасад которого состоит из 28 чешуек из ценных пород дерева. Эти чешуйки раскрываются и смыкаются в зависимости от влажности воздуха. Фасад реагирует на погоду как шишка, совершенно автономно и без каких-либо датчиков, моторчиков или электрического управления.

Игра «Найди пару»

Игра рассчитана на учащихся начальной школы и учеников 5-6 класса. Ребята делятся на малые группы, по 3-4 человека. Каждая группа получает набор  карточек с фотографиями животных и растений и рисунки человеческих изобретений. Задача каждой группы посовещаться и собрать как можно больше правильных пар – животное (растение) и изобретение.

Заключение

Наблюдая за природой, человек может сделать много открытий, использовать её в науке или искусстве. Подсматривая у неё идеи, мы можем совершенствовать свои технологии, разрабатывать что-то новое, использовать её в медицине и других столь нужных для человечества отраслях.  Всё, что окружает нас, имеет взаимосвязь с природой и это важно понимать. Бионика - очень важная наука, ведь благодаря ней нам жить гораздо легче, чем это было в древности. Название бионики происходит от древнегреческого слова бион — «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения технических задач. Я считаю, что в курсе биологии или же окружающего мира, хотя бы один урок должен посвящаться этой теме. Ведь всё это касается нас напрямую, это – наша связь с природой.  А природа - не иссекаемый источник вдохновения для человека, который всегда готов подсказать решение проблемы, другой вопрос – как искать? А у неё много секретов. И кто знает, где скрыто новое гениальное изобретение.

Список литературы: 

Бернацкий А. «100 великих "изобретений" природы» Вече, 2019 г. 384 с.

Билл Брайсон «Краткая история почти всего на свете» (часть 1-я) Гелеос 2007 год, 800 с.

Дыдымова О. В. «Млекопитающие. Удивительная энциклопедия животных».

Эксмо 2015 год, 40 с.

Стив Дженкинс: «Глаза в глаза. Как животные видят мир» И-во Пешком в историю, 2018 г.32 с.

Лернович А.А. «Бионика: подсказано природой» Аванта, 2018 г. 260 с. Мийеро, Дане, Момме: «Великие творения природы и человека» Ридерз Дайджест, 2009 г. 304 с.

Н. А. Мягков  «Акулы. Мифы и реальность» 1992 год, Наука, 160 с. Совинин В.А. «Леонардо да Винчи. Биография. Картины. История создания» Рипол Классик, 2018 год, 40 с. Интернет ресурсы:

https://naked-science.ru/article/history/leonardo-da-vinchi-velichayshie https://www.adme.ru/zhizn-zhivotnye/16-izobretenij-idei-kotoryh-lyudipozaimstvovali-u-zhivotnyh-1626865/ https://www.infoniac.ru/news/10-izobretenii-podskazannyh-samoi-prirodoi.html http://animalworld.com.ua/news/10-neverojatnyh-izobretenij-sozdannyhblagodarja-rastenijam-i-zhivotnym

https://moya-planeta.ru/travel/view/chemu_my_uchimsya_u_prirody_9032 Приложение 1. Таблица к игре «Найди пару»

Репейник	Липучка для одежды
Ствол дерева	Небоскреб
Лист лотоса	Самоочищающаяся ткань
Иголка шприца	Комар
Паутина	Рыболовная сеть
Глаза мухи	Фотокамера
Венерина мухоловка	Капкан
Бумага	Осиный улей
Акваланг	Жук плавунец
Семя одуванчика	Парашют
Стрекоза	Вертолет
Дельфин	Подводная лодка
Птица Сапсан	Поезд скоростной
Крылья бабочки	Ветряная мельница