Бионика

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по биологии

На тему:

Бионика

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил:

Залилов А.И

Студент 1 курса, 131 группы

Руководитель: Хайруллина Г.Б

Введение:

Бурный научно-технический процесс, свойственный современности, сопровождается возникновением новых наук на стыке различных отраслей знания. К таким наукам, возникшим в смежных областях знания в ХХ., в относится бионика.

Бионика – это многообещающее научно-технологическое направление по заимствованию у природы ценных идей и реализации их в виде конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий. Первым человеком, предложившим применить знания о живой природе в инженерных целях, был Леонардо да Винчи. Однако официальной датой открытия бионики считается 13 сентября 1960 года. Именно в этот день был проведен первый американский национальный симпозиум, посвященный живым прототипам искусственных систем. Однако, само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники.

Название «бионика» происходит от древнегреческого корня «bion» — элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы. В англоязычной литературе часто применяется термин «биомиметика». Бионика открывает новые горизонты в изучении биологии и техники путем демонстрации общих и отличных черт, существующих в природе и технике. Бионика тесно связана с такими естественными науками как биология, физика, химия, кибернетика, а также с некоторыми инженерными науками, например, с навигацией, электроникой, связью и даже морским делом.

Различают несколько видов этой науки:

1. Биологическая бионика – это наука, изучающая процессы биосистем.
2. Теоретическая бионика – это наука, строящая математические модели этих процессов.
3. Техническая бионика – это наука, применяющая теоретическую бионику в решении технических задач.

В последнее время бионика стремительно развивается. Это связано с переходом технологий на новый гига- и нано-уровень. Современная бионика позволяет копировать миниатюрные природные конструкции с детальной точностью. Основные направления работ по бионике включают: изучение нервной системы живых организмов и моделирование нервных клеток, исследование органов чувств и разработка новых датчиков обнаружения, изучение принципов ориентации и локации, изучение биохимических и физиологических особенностей живых организмов для разработки новых научных идей, и некоторые другие задачи.

Моделирование живых организмов в бионике – это лишь половина дела. Многие бионические модели до своего технического воплощения проходят компьютерную обработку. На этой стадии устраняются конструктивные недостатки. По этой причине, программное моделирование играет немаловажную роль в бионике.

Особым подвидом бионики является нейробионика. Это моделирование нервных клеток и нейроновых сетей путем детального изучения физиологии нервной системы человека и других живых существ. Некоторые ученые считают, что на основе нейробионики в будущем станет возможным создание искусственного интеллекта.

Благодаря такой науке, как бионика были придуманы многие разнообразные транспортные средства, архитектура и т.д. об этом и поговорим дальше.

1. Наземный транспорт:

Обратимся в начале к транспорту.

Природа не создала ни колеса, ни грибного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств в том виде, в котором мы привыкли их наблюдать в различных современных нам моделях транспорта.

И все же ни одна отрасль техники, так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как транспортная промышленность во всем разнообразии.

Идея создания реактивного двигателя, конструкция которого знакома в настоящее время едва ли не каждому, безусловно брала свое начало в опытах, объектам которых были животные, относящиеся к типу простейших, классу жгутиковых, а именно - четырехжгутиковая медузохлорис фиоле и краспедотелла пилеолюс. Медузохлорис фиоле несколько походит на медузу как морфологически, так и по типу передвижения: сдвигая сидящие по краям зонтиковидного тела жгутики, это простейшее выбрасывает струю воды и благодаря этому движется в противоположном направлении. Еще совершеннее принцип реактивного движения реализуется у краспедотеллы пилеолюс: вода набирается внутрь тела, а затем с силой выбрасывается через сужаемые к тому времени отверстия. Более наглядно сходный тип движения проявляется у некоторых кишечнополостных (гидр и медуз) и головоногих моллюсков (осьминогов и кальмаров), но большинство ученых-энциклопедистов, в том числе и великий Леонардо да Винчи, считали этот принцип движения интересным, однако не пригодным для практического использования человеком, т. к. реализация принципа реактивного движения наблюдалась только в морской воде и для животных, которым свойственна малая плотность тела. И только обнаружение реактивного принципа движения у жгутиковых, живущих в пресной воде, подтолкнуло к внедрению этого принципа в технику. Таким образом, можно сказать, что природа научила человека строить самолеты, плавать и сооружать речные, морские и океанские корабли. Бесчисленное количество видов транспорта существует в современном нам мире техники, и стоит отметить, что к большинству из них «приложила руку» Природа. Идея создания снегоходов также заимствована у нее. В основу конструкции снегохода положен принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Значительные снеговые преграды пингвины преодолевают достаточно своеобразным способом - скользя на брюхе и отталкиваясь от снега ластами, что спасает птицу от проваливания в снежную толщу и одновременно позволяет развивать весьма приличную скорость - до 20 км/ч. Сконструированная по этому принципу машина-снегоход достигает большей скорости - до 50 км/ч.

ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ МАШИНЫ   Большое значение имеют принципы бионики в создании землеройных машин. Не стоит даже упоминать известного всем дождевого червя: если возможно было бы распределить по всей поверхности суши почву, перепахиваемую дождевыми червями за каждые 10 лет, то получился бы слой толщиной более 5 см. Этот по сути своей крайне примечательный факт имел бы для бионики весьма скудное значение, если бы человек не обратил внимание на своеобразный землеройный механизм, присущий как дождевому червю, так и другим кольчецам.  Рассмотрим этот механизм на примере червей приапулид, относящихся к первичнополостным. Эти черви длиной от 2 до 20 мм, живут неглубоко под морским дном в зонах отмелей и являются непревзойденными мастерами по прокладке ходов в достаточно плотном грунте. Способ, используемый ими при строительстве ходов, по праву можно назвать гидравлическим. Основным «буровым инструментом» для приапулид служит короткий и мощный выбросной хоботок. Упираясь в грунт, червь при помощи шипов хоботка пробивает во влажной почве ход, поначалу тонкий. Затем хоботком, раздувающимся за счет поступающей из тела жидкости, червь расширяет и обжимает ход. Далее приапулида подтягивается, заполняет расширенное и обжатое отверстие своим туловищем. При таком передвижении червь обнаруживает большую двигательную силу, в десятки раз превышающую его собственный - весьма небольшой - вес.

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ:

Использование принципов бионики в авиастроении также весьма значительно. Повтор схемы ветвления птеростигм (крыловых шилок) комаров при конструкции крыла самолета значительно облегчил и упрочнил крыло. Использование в конструкции принципа строения кромки крыла совы позволило добиться практически бесшумного полета. Или тот же самый вертолет, был придуман по принципу стрекозы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ БИОНИКИ В АРХИТЕКТУРЕ:

Из приведенных выше примеров видно, что значение бионики применительно к транспортной промышленности переоценить трудно, но не менее весом вклад бионики в архитектуру. Начать хотя бы с того, что известное еще архитекторам древности «золотое сечение», при использовании которого здания оказываются наиболее красивыми, полностью повторяет пропорции живого организма.

Множество принципов постройки зданий и других сооружений человек заимствовал у природы. Например, результат совместного изучения биологами и архитекторами Эйфелевой башни был крайне неожиданным: оказалось, что изящная, почти кружевная конструкция этого своеобразного символа Парижа практически полностью повторяет расположение костных балок большеберцовой кости, выдерживающей тяжесть человеческого тела. Нельзя точно сказать, что было первично - идея создания башни с чисто инженерной точки зрения или применение принципов бионики, но красота и прочность конструкции известны на весь мир. Французскому профессору Ле-Риколе человеческий скелет дал идею создания дырчатых конструкций, имеющих большую прочность и сравнительно небольшой вес. Строение арочного моста практически полностью повторяет позвоночно-реберный каркас позвоночных животных.

Не всегда обращение к наиболее высокоорганизованным животным - птицам и млекопитающим - оказывается наиболее удачным. Например, французские инженеры создали мост, в основу конструкции которого положен принцип строения скелета морской звезды, имеющей треугольную форму. Прочность полученной конструкции превзошла все результаты теоретических расчетов.  Используемый в современном строительстве монолитный метод является практически полным повторением многовекового образования коралловых рифов, возводимых над рифовыми кораллами в Тихом океане.

В основу проекта древнегреческих амфитеатров с их поистине великолепной и непревзойденной до сегодняшнего дня акустикой было положено чашеобразное строение цветка водяной кувшинки, жужжание насекомых в котором звучит наиболее громко. Это было подмечено еще до нашей эры, но конструкции древних театров не кажутся устаревшими и сейчас.

Многое привнесено в архитектуру из мира насекомых. Так, в создании панелей, из которых сейчас построены многие дома, использован принцип строения пчелиных сот, позволивший параллельно с увеличением запаса прочности конструкции значительно облегчить и удешевить их. Некоторые из ультрасовременных покрытий для крыш и стен домов буквально имитируют покрытие верхних крыльев жуков, обладающих терморегулирующим действием.

 

 

Большое значение в современной технике имеют те принципы бионики, которые берут свое начало в жизни пауков. Это и паутинные коконы, в которые паук «укутывает» свои жертвы, являющиеся прообразом изоляции по типу муфты, и конструкции подвесных мостов, впервые разработанные инженером Сэмюэлем Брауном именно в ходе наблюдений за провисавшими между деревьями нитями паутины. Из «паучьей жизни» достался человеку принцип сетчатых фильтров, используемых в различных устройствах и основанный на конденсации капель жидкости на сетчатой основе. Такой фильтр очень легок в очистке, обладает высокой надежностью и длительным сроком эксплуатации.

 

Итак вывод:

Все описанные выше примеры использования открытий бионики в хозяйственной деятельности человека показывают и важность развития этой науки, и неисчерпаемость сокровищницы инженерной мысли природы. Человек еще только пытается понять бесконечные приспособления живых организмов к условиям существования, а природа уже веками использует многие и многие законы, которые по праву могут считаться венцом инженерной творческой мысли.

Экономичность и безотказность принципов функционирования живых организмов оттачивались в горниле эволюции гораздо дольше, чем на земле существует человек, считающий себя венцом творения.

Благодаря развитию бионики и многих других смежных дисциплин можно считать век использования природных, экономически безопасных и экономически выгодных технологий все более и более близким. Кто знает, может быть, уже через десять лет мы будем летать, как птицы, и не бояться, что дом, в котором живут люди, внезапно рухнет, потому что использованные при его создании принципы вступят в противоречие с принципами природы...