Конспект урока Бионика-техника живых организмов

8

Бионика- техника живых организмов

Учитель биологии МКОУ СОШ №1 с.п. Нартан

Мокова Залина Ауладиновна

С давних пор человек стремился заглянуть в мир живых систем, разгадать их секреты. Природа - гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы представляет собой совершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надёжностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.

Бурный рост технической мысли, начавшийся в XX столетии, развитие биологии и вторжение в неё таких точных наук, как физика, химия, математика и особенно кибернетика - всё это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название бионики (от слова "бион" - элемент, ячейка жизни)

Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960г., т.е. совсем недавно она отмечала свое 52 летие.

С незапамятных времен люди пытались подражать природе, копировать внешний вид различных организмов при создании машин и устройств. Бионика нашла применение в таких сферах деятельности как самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, архитектура, навигационное приборостроение и тд.

Бионика соединяет разнородные значения в соответствии с единством живой природы. Не случайно бионики избрали своей эмблемой скальпель, паяльник, соединенные знаком

интеграла. Скальпель - символ творчества биолога, паяльник - инструмент инженера- физика, интеграл - математика. Соединение этих специальностей как нельзя лучше отражает основу, на которой формировалась и развивалась бионика.

_Бионика - это наука, которая применяет знания о живой природе для решения инженерных задач. Свое название бионика получила от греческого слова Ыоп - элемент жизни. Круг проблем и объектов, которые она изучает , очень широк, и это требует объединенных усилий ученых самых разных специальностей - биологов и физиков, медиков и инженеров, химиков и математиков. 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.

Еще Леонардо да Винчи, наблюдая за полетом птиц, пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями - орнитоптер. А в наши дни конструкторы построили снегоходную машину «Пингвин», заимствовав у полярных птиц не только способ передвижения, но и название для нее. Лежа широким днищем на поверхности снега, машина отталкивается от него колесами с лопастями, словно пингвин - ластами, и движется по глубокому рыхлому снегу со скоростью 50 км/ч при массе свыше 1 тонны.

Другие ученые изучают органы чувств животных, чтобы сконструировать приборы, способные видеть в темноте, слышать под водой, улавливать тонкие запахи или самые незначительные колебания температуры. Например, однажды было замечено, что обыкновенный голубь может, не моргая и не щурясь смотреть на солнце. Ученые исследовали строение глаза голубя и обнаружили в нем специальный микроорган, похожий на гребешок. Оказалось, что этот «гребешок» особым образом рассеивает яркий свет и защищает от него глаз птицы. По этому принципу конструкторы смогли создать новую, очень удобную маску для сварщиков, работающих с яркой электрической дугой. Конструкторы смогли значительно увеличить скорость кораблей благодаря знаниям о плавании китов и дельфинов, для создания самолетов потребовались знания о подъемной силе крыла птиц.

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в

0,0010 С;

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.

Наука о насекомых называется энтомология. Насекомые являются одним из любимых объектов специалистов в области бионики

Обратите внимание на глаза мухи. Они занимают почти всю переднюю часть головы. Глаза мухи (как и большинства насекомых) являются фасеточными - то есть, состоят из множества маленьких "глазков". Каждой из "глазков" последовательно

воспринимает изображение предмета, в итоге возникает серия независимых изображений, из которых складывается единая картина. Изучение фасеточных глаз мухи показало, что это насекомое способно очень точно определять скорость объектов, движущихся на огромной скорости. Инженеры скопировали принцип мушиных глаз для создания детекторов, очень быстро определяющих скорость летящих самолетов. Такой прибор получил название "глаз мухи".

Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых шуб, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Яркий пример шубной архитектурной 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 чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних досетижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) стеблей - кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у вншней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. 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.

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и X. 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 1228 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.

Уникальными строителями среди насекомых являются термиты. Здания" термитов построены из натуральных биоразлагаемых "строительных материалов". Сами жители этих строительных шедевров живут и работают в комфортных условиях. Кондиционирование воздуха и регулирование влажности в помещениях осуществляется без каких-либо затрат энергии. Водоснабжение дворцов термитов осуществляется посредством "колодцев", наполняемых подземными водами. Продукты питания также выращиваются в стенах этого удивительного "здания". Стройиндустрии Ношо зар1епз остаётся лишь только учиться у этих насекомых. Человек только сравнительно недавно решил взять на вооружение "строительные ноу-хау" этих древних насекомых. Наверное, первым зданием, при строительстве которого использовались строительные технологии термитов можно назвать торговый центр Еаз*§а{е в Хараре (Зимбабве). Пассивная система вентиляции обеспечивает комфортные условия в здании при минимальном количестве затрачиваемой электроэнергии.

Свое внимание дизайнеры перенесли на объекты природы. Проанализировав механику крыльев насекомых, они разработали новые формы запахивания, наслоения верхней одежды, трансформации деталей. Свечение некоторых насекомых натолкнуло на идею разработки одежды и обуви со встроенным автономным освещением дороги. Бионический подход в дизайне позволяет получить неординарные решения конструктивных узлов, новых свойств поверхностей и фактур. В этом проявляется связь творческой личности с окружающим миром, со средой обитания человека. Моделирование автомобилей будущего. Строение насекомых находит воплощение в моделях транспорта - будущего. Концепт автобуса ЕЬА 2010 - это бионическое расширенное понятие гальванопластики, которое проектировалось как комбинация природы и технологий. Имитация формы глаз насекомого, ноги и крылья реализуются на 8 отделенных колесах, в том числе индивидуальный электрический двигатель, встроенный в структуру колес.

Концепция включает в себя расположенные на крыше солнечные панели, которые могут генерировать вторичную энергию, приводящую колеса в движение. Задняя часть автобуса не несет никакой функциональной нагрузки, поэтому ожидается появление концепции более уникальной конструкции. Когда две боковые двери открываются, этот футуристический автобус становится похожим на летящую бабочку,'

21 век- век грандиознейших открытий в области кибернетики и бурного развития робототехники. Изучая опорно-двигательный аппарат насекомых, конструкторы создают роботов, способных ловко передвигаться по любой поверхности Особенность

передвижения насекомых была заложена японскими биониками в созданного им работа.

Американские ученые разработали робота-насекомого, который способен передвигаться по поверхности воды. Тем самым группа ученых Массачусетского Института Технологий (М1Т) в США подтвердила теорию о том, как этот трюк выходит у некоторых насекомых в природе. То, что эти насекомые не тонут, легко объяснялось поверхностным натяжением воды, но как им удается перемещаться по поверхности, всегда оставалось загадкой.

Средства коммуникации водных насекомых - удивительный механизм действия их звукового и слухового "аппаратов" издавна интересовал биоников. Изучение строения и функционирования этих живых "приборов" позволило разработать оригинальный способ связи между судами в водной среде. Связь стала осуществляться без выхода сигналов в атмосферу во избежание перехвата и расшифровки информации. Бионики предпринимают попытки создать электронный искусственный нос, работающий по принципу совершенных анализаторов запахов насекомых. И хотя ученые добились некоторых успехов, они все же признают, что эти рукотворные приборы невозможно сравнить с живыми анализаторами.

Для химической локации насекомые используют перистые антенны-усики, усаженные хеморецепторами - своеобразными миниатюрными биодатчиками. Их чувствительность просто поразительна. 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 физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и вычислительную техники. Существуют теории, утверждающие, что развитие нейробионики будет основанием создания искусственного интеллекта.

Я хочу закончить свою работу словами автора статьи "Насекомые в жизни человека" Ждановой Т.Д. "Современная наука, со своим широким арсеналом знаний и исследовательской техники так и не может определить истоки "мудрости" организма насекомых и разгадать многочисленные секреты этих существ. Может быть, стоит согласиться с теми учеными, которые уже давно осознали одну из главных истин жизни: чем глубже погружаешься во внутренний мир живого, тем больше проявляется его непостижимая сложность и целесообразность?".