Индивидуальный проект "Бионика - наука будущего"

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

НА ТЕМУ

 «Бионика – наука будущего»

Выполнил:

Тикан Виталий Александрович

обучающийся 11б класса

МОУ Тоншаевская В(с)Ш

р.п. Тоншаево

2023год

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………3-4

I. Основная часть ………………………………………………………………….4-9

I.1 Что такое бионика………………………………………………………………4

I.2 История развития бионики ……………………………………………………4-5

I.3 Направления бионики…………………………………………………………. 5-7

I.4 Использование в технике принципов живых организмов……………………7-9    

Заключение …………………………………………………………………………10

Список литературы…………………………………………………………………11

Введение

Птица –  действующий  по математическому закону

инструмент,  сделать который  в человеческой власти…

Леонардо да Винчи.

Человек на протяжении всего своего существования не только наблюдал и

изучал природу, но и учился у неё. Звери, птицы, растения, рыбы «подсказывали»

первобытному человеку, что нужно делать, чтобы решить насущные для него

«инженерные» задачи. В наш век наука приобрела огромное значение. Мир не стоит на месте, наука так же движется вперед и дает человеку такие возможности, о которых он мог только мечтать. 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?

Люди пытались присмотреться к методам природы, с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды. Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

За многовековую историю существования человека примеров такой изобретательности накопилось настолько много, что в наше время появилась необходимость обобщить весь материал. Появилась и развилась бионика - самостоятельное направление в науке и технике, цель которой - использование биологических знаний для решения инженерных и технических задач.

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 разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

А что же современный человек? Окружив себя множеством машин, живя в

мире больших скоростей и эпоху рассвета нанотехнологий, он снова обращается

за советом к природе. Инженеры ищут технические решения, изучая строение и

функции живых организмов. Конструкторы время от времени «консультируются»

с живой природой, изобретательность которой не знает границ.

Человек учится у природы, наблюдая за ней. Именно с целеустремлённого

подглядывания за природой берёт своё начало новая наука – бионика.

Актуальность темы В наше время создаётся множество новых технологий, изделий упрощающих жизнь общества. А как рождаются все эти идеи? Откуда берутся  гениальные сооружения и механизмы позволяющие сделать жизнь человека комфортной?  Природа – главный и самый опытный строитель и  большинство идей заимствованы человеком у нее.

исследования определяется низким уровнем знаний людей о прикладных биологических науках, глубине познания природы и применении этих знаний в современном мире. Познавая мир природы не устаешь удивляться ее совершенству и ее практичности. Поражаешься тому, что многие живые существа  более приспособлено к миру, нежели человек. Захотелось узнать, использовал ли эти удивительные способности живой природы человек

Цель работы – показать роль бионики в жизни человека

Задачи:
1.Изучить, проанализировать литературные источники  и интернет – ресурсы
2.Узнать, что изучает бионика и познакомиться с историей ее создания.
3. Выделить основные направления в бионике.
4. Показать связь бионики с другими науками.
5. Показать практическое значение бионики через примеры.

Объект – бионика

Предмет –  изобретения человека на основе принципов организации, свойств, функций и структур живой природы.

1.Основная часть

1.1.       Что такое бионика

Бионика (от др.-греч. βίον — живущее) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, бионика — это соединение биологии и техники. Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике.

Название бионики происходит от древнегреческого слова бион — «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения инженерных задач. Бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

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.

1.2.       История развития бионики

Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. В течение всей своей истории человек учился у природы, копировал ее "изобретения", был самым прилежным ее учеником. 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 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 ...» Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.  

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

Датой рождения бионики как науки считается 13 сентября 1960 года. В США, в г. Дайтон состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике». 

После того как бионика получила официальное признание как самостоятельная область знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д. Новый всплеск развитие этой науки можно объяснить следующими факторами:

- во-первых, уровень развития современных технологий позволяет реализовать принципы, о реализации которых мы могли только мечтать;

- во-вторых, дефицит сырья (энергетически кризис) заставляет обращаться к более эффективным и энергосберегающим технологиям.

1.3.       Основные направления  бионики

Архитектурно – строительная 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. В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.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.  В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

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

            Нейробионика.

Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику. 1962 - 1966 гг. учеными-нейробиониками были исследованы биологические системы различных уровней сложности. Моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, также бы проведены разработки методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозгу с помощью электрических токов и магнитного поля.Биологические науки позволяют создать новые технические средства и инженерные решения, дающие возможность человеку неизмеримо увеличить как свои возможности, так и власть над окружающей его средой.

В медицине описаны проекты (частично осуществленные) так называемых следящих систем, призванных поддерживать на определенном уровне функциональное состояние мозга (наркотическое состояние, сна, гипноза, эпилепсия, скорость и количество введения медикаментов). Нейробионику рассматривают с трех позиций:

1. искусственный интеллект

2. нанороботы

3. киборги

Иску́сственный интелле́кт — это наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект.

Различные виды и степени интеллекта существуют у многих людей, животных и некоторых машин, интеллектуальных информационных систем и различных моделей экспертных систем с различными базами знаний. При этом такое определение интеллекта не связано с пониманием интеллекта у человека — это разные вещи. Более того, эта наука моделирует человеческий интеллект, так как с одной стороны, можно изучить кое-что о том, как заставить машины решить проблемы, наблюдая других людей, а с другой стороны, большинство работ в ИИ вовлекают изучение проблем, которые требуется решать человечеству в промышленном и технологическом смысле.

В ближайшем будущем просматриваются два направления развития ИИ:

• первое заключается в решении проблем, связанных с приближением специализированных систем ИИ к возможностям человека, и их интеграции, которая реализована природой человека.

• второе заключается в создании Искусственного Разума, представляющего интеграцию уже созданных систем ИИ в единую систему, способную решать проблемы человечества.

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 Кибернетика и робототехника тесно связаны с бионикой.

Первые упоминания о человекоподобных машинах встречаются ещё в древнегреческих мифах. Термин "робот" был впервые введён К. Чапеком в пьесе (1920 г.), где Роботами называли механических людей. Робот - машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром.

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

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);

исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

1.4 Использование в технике принципов живых организмов

После того, как ученые исследовали под микроскопом колючки различных растений, швейцарский инженер Джорж де Местраль (George de Mestral) заметил, что они содержат сотни маленьких крючков, которые расположены так, что волосы или одежда цепляются за них. Он воссоздал эффект крючков, используя двусторонний материал, который мы называем липучкой (или велкро).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.   Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах репейника. В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку». 

Присоски были изобретены при изучении осьминогов.

Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров.  Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов.

     Сейчас разработан новый тип оружия, способный вводить войска противника в шоковое состояние с помощью ультразвука. Этот принцип воздействия был позаимствован у тигров. Рев хищника содержит ультранизкие частоты, которые хотя и не воспринимаются человеком как звук, оказывают на него паралитическое воздействие.

Игла-скарификатор, служит для забора крови, сконструирована по принципу, полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением.

Привычный нам поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат – комара и блохи, с укусом которых знаком каждый человек.

Пушистые «парашютики» замедляют падение семян одуванчика на землю, точно также, как парашют замедляет падение человека.

          Муха одновременно видит не одно, а много изображений какого-либо предмета. Когда это предмет движется, то он как бы переходит от одного изображения в другое. А это дает возможность с большой точностью определять скорость движения тела.  После того, как принцип устройства  глаз мухи был изучен, инженеры  создали новый прибор - “глаз мухи”, предназначенный для определения скорости летящих самолетов.

         «Подводные лодки» в природе известны давно – это обычные рыбы, способные изменять свою плавучесть, впуская  газ в плавательный пузырь или выпуская его.

Конструкторы промышленных роботов, изучив особенности движения конечностей животных наделили ими механическую руку робота: захват предмета, перемещение его в пространстве     и освобождение.

            По надежности сложнейших устройств, по их чувствительности и способности приспосабливаться к новым условиям, с живыми организмами не могут сравниться даже самые совершенные механизмы. Для эффективного торможения на дорогах вспомнили о строении кошачьих лап, и инженерам удалось решить эту проблему, внеся изменения в конструкцию шин и форму профиля.

         Зубы змеи послужили прототипом игл для подкожных инъекций.

 Изучив медузу, удалось создать копию "барометра" и сконструировать систему, обладающую высокой чувствительностью. Прибор предсказывает шторм за 20 часов до начала.

   Изобретение анестезии в медицине способствовало наблюдение за осами. Осы впрыскивали нервнопаралитическое вещество в область нервных стволов пауку, полностью его парализуя, но не убивая его, который неподвижно лежал в осином гнезде до появления личинок и служил им кормом.       

            Морские звезды знают секрет вечной молодости, так как научились клонировать сами себя. Эти животные умеют воспроизводить особый вид нестареющих ДНК, которые надежно защищают организм от старения и различных губительных факторов.

  Внутри скользящего замка застёжки-молнии находятся клинья, которые либо соединяют, либо разъединяют зубчики. Эти зубчики плотно и надёжно цепляются крючками друг за друга. Внутри скользящего замка застёжки-молнии находятся клинья, которые либо соединяют, либо разъединяют зубчики. Эти зубчики плотно и надёжно цепляются крючками друг за друга.

          Бобры перекрывают плотинами небольшие реки, создавая запруды, где сооружают хижины. Их дамбы настолько хорошо построены, что могут держаться веками. Люди возводят дамбы для создания больших искусственных водоёмов, содержащих миллионы литров воды. Эти огромные запасы воды используются в домах, на фабриках, заводах.

Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать.

В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.

В полете насекомые тратят мало энергии благодаря тому, что их крылья двигаются крылышками – “восьмеркой”. Спроектированные с использованием этого принципа ветряные мельницы чрезвычайно экономичные и способны работать даже при слабом потоке ветра.

Нынешние буровые машины являются увеличенной механической копией дождевых червей. Также как и они, буровые машины "проедают" землю (и выпускают ее через заднюю часть), непрерывно двигаясь вперед, оставляя большой тоннель позади себя.

Кожа дельфина как известно не смачивается водой и имеет эластично-упругую структуру. Это помогает дельфинам развивать большую скорость в воде. Используя эти принципы ученые создали специальную обшивку для кораблей -”ламинфло”, благодаря которой они двигаются быстрее на 15 – 20 процентов.

Заключение

 Бионика – наука будущего Год за годом бионические принципы все больше внедряются в наш быт. Вопрос подобных технологий, безусловно, относится не только к проблеме оптимизации человеческой деятельности, но и к проблеме сближения человека и природы. Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Оттого, насколько разумно и бережно мы будем сегодня пользоваться созданиями мастерской природы, зависит не только материальное благополучие людей на планете, но и развитие техники, искусства и всего прогресса на Земле. Бионика играет большую роль в жизни человека. Это одна из самых быстроразвивающихся наук нашего времени, мощный ускоритель научнотехнической революции. Подводя итог работы, можно смело сказать, что с поставленными задачами я справился. Я узнал, что такое бионика, какую роль в жизни человека она играет. Я узнал, что природа не только нас окружает, но и открывает для нас что-то новое, нужно только внимательно вглядеться, и может быть, новые открытия уже сделаем мы, поколение 21 века. Для себя я сделал важные выводы:

 · всё, что изучает бионика, актуально и нужно для развития современного общества,

· каждый должен ознакомиться с научными принципами бионики, так как без этой науки невозможно представить технический прогресс во многих сферах деятельности человека,

· бионика – это наше будущее в полной гармонии с природой,

 · живые прототипы – ключ к новой технике, одним словом, природа содержит в себе миллионы идей и моделей для созидания.

 Достижения бионики важны и имеют большое практическое значение в жизни. Появляется все больше и больше областей для исследований, расширяются перспективы в создании различных приборов и материалов, которые в будущем должны помочь сделать мир лучше

Список литературы

1.    Белько Т. В. Бионические принципы проектирования костюма. Монография. – М.: МГТУ, 2007.

2.    Бионика. Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

3.    Блик Е. Бионика - это какая наука? Что изучает бионика? Применение бионики. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fb.ru/article/188187/bionika---eto-kakaya-nauka-chto-izuchaet-bionika-primenenie-bioniki#image789054

4.    Семкина Т.А. Учебное пособие по дисциплине «Бионика». [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://reftrend.ru/900333.html

5.         Цойх М. Бионика. – М.: Мир книги (Серия: Зачем и почему), 2007. – 48 с.

6.         Энциклопедия животного мира. Что такое бионика. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zoodrug.ru/topic1798.html