Бионика что за наука. Бионика: Природа знает лучше

БИОНИКА (греч. bios жизнь + [электро]ника) - наука, изучающая возможности инженерно-технического применения информационно-управляющих и конструкционноэнергетических принципов, реализованных в живых организмах. Возникновению Б. во многом способствовало появление специальных требований, предъявляемых новыми областями техники (ракетно-космическая, авиационная, мед. приборостроение, электронное машиностроение, ЭВМ и др.) к миниатюрной аппаратуре и множеству деталей, которые должны обладать минимальными размерами (объемом), весом (массой) и энергопотреблением при максимуме надежности. Таким требованиям удовлетворяют многие принципы и конструкции как целостного организма, так и отдельных органов, тканей, клеток и, наконец, биомолекул, Б. занимает пограничное положение между медико-биологическими и техническими науками. Научной биол, базой Б. служат экспериментально-теоретические основания таких наук, как физиология, особенно физиология высшей нервной деятельности, нервно-мышечная физиология, физиология органов чувств; анатомия и гистология, особенно морфология центральной и периферической нервной системы, проводящих путей; биофизика, особенно биофизика возбуждения, биоэнергетика, биомеханика, а также биохимия, зоология, ботаника, общая биология и кибернетика. Физико-технической научной базой Б. служат техническая кибернетика, молекулярная физика и физика твердого тела, радиоэлектроника, микроэлектроника, механика, гидравлика, теория автоматического регулирования. Термин «бионика» был предложен Стиллом (D. Still) в 1958 г. Официальное появление Б. как науки относят к концу 1960 г., когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который прошел под лозунгом: «живые прототипы - ключ к новой технике».

Уже к началу 1964 г. только но одной из проблем, вошедших в круг задач новой науки,- моделированию процессов распознавания образов (см.) - было опубликовано более 500 работ.

Возникновение Б. неразрывно связано с появлением новых идей об общности процессов управления в машинах, живых организмах и обществе, возникших в науке об управлении в сороковых годах нашего столетия и оформившихся в результате работ Н. Винера в виде новой науки об управлений и связи - кибернетики (см.). Такой подход имел определенное значение как для техники, так и для мед. и биол, наук и привлек к себе не только инженеров и математиков, но и биологов. В результате возникло два новых научных направления: 1) биокибернетика, цель к-рой - изучить информационно-управляющие процессы в живых организмах, используя методы кибернетики, и 2) бионика, цель к-рой - изучить возможности применения информационно-энергетических свойств биол, объектов, в т. ч. конструкций и схем биоинформационных систем в технике, с целью усовершенствования существующих или создания новых, более совершенных технических систем.

В большинстве ведущих исследований биокибернетический и бионический подходы бывают обычно настолько тесно связаны, что рассмотрение каждого из них в отдельности теряет смысл, и они выступают как неразрывные части некоего единого процесса познания, в к-ром бионический подход возникает как результат определенных успехов биокибернетического подхода.

В свою очередь успех биокибернетического подхода, напр, метод «черного ящика», часто бывает обусловлен бионической, т. е. конструкционно-энергетической технически осмысленной постановкой задачи в части реализации общих гипотез кибернетики.

Основные направления бионики

Свойства биологических систем (см. Биологическая система) представляют интерес для техники. Во-первых, в плане заимствования информационно-управляющих способов живых организмов при реакциях на изменения окружающей среды, для выработки соответствующих поведенческих актов, являющихся ответом на эти изменения. Во-вторых, в плане заимствования структурных и механических свойств биол, систем. В-третьих, представляет интерес применение хим. и энергетических процессов, происходящих с высоким кпд в этих системах. Первый аспект интереса к биол, системам открывает новые возможности в изыскании и технической реализации новых принципов и устройств переработки информации, создании новых элементов систем автоматики и вычислительных устройств; второй - в разработке новых типов конструкций технических устройств, связанных конструкциями и с механическими передвижениями; третий - в освоении новых технологических процессов и аппаратов хим. производства и разработке новых методов превращения хим. энергии в электрическую.

Известно, что способность живых организмов весьма гибко реагировать на изменения окружающей среды связана с деятельностью анализаторов - зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, вкусового. Многие задачи, успешно решаемые анализаторами живых организмов, напр, чтение рукописных текстов и восприятие речи человеком, весьма тонкое распознавание сигналов, которыми различные виды живых организмов обмениваются между собой и т. д., до сих пор еще далеки от решения их с помощью технических устройств.

Одной из загадочных особенностей многих птиц, рыб и морских животных являются их весьма совершенные навигационные способности. При сезонных миграциях эти животные преодолевают огромные расстояния, с высокой, пока необъяснимой точностью отыскивая прежние места обитания. Принципы получения и переработки информации в их навигационных «устройствах», несомненно, представляют интерес для техники.

Весьма совершенными являются пассивные и активные анализаторы (локаторы), имеющиеся у дельфинов, китов, летучих мышей, некоторых видов птиц, бабочек и других животных. Для ориентировки в пространстве летучие мыши излучают короткие импульсы ультразвуковой частоты и производят оценку времени возвращения эха. Локаторы летучих мышей настолько совершенны, что они уверенно маневрируют в темноте между рядами натянутой проволоки и другими препятствиями. Многочисленные эксперименты, проведенные с летучими мышами, показывают, что в том случае, когда в процессе активного лоцирования масса летучих мышей одновременно издает «крики» (ультразвуковые сигналы), эти сигналы, по-видимому, не заглушают друг друга, а ультразвуковой шум значительной силы почти не влияет на их поведение. Эти свойства природных локаторов могут помочь в решении проблемы устранения шумовых сигналов (как естественных, так и искусственно создаваемых), при конструировании новых видов технических локаторов.

Некоторые породы рыб, живущие в условиях полного отсутствия видимости, обнаруживают добычу и ориентируются в пространстве при помощи электрической системы, к-рая представляет собой по существу локатор особого типа. Скат создает вокруг своего тела электрическое поле, к-рое изменяется при его перемещении в пространстве. По изменениям этого поля, воспринимаемым специальными рецепторами, рыба ориентируется и получает возможность находить и преследовать добычу. Исследование такого электрического локатора позволит разработать новые анализаторные устройства, напр, для защиты от подводных лодок, ориентирования их под водой.

Некоторые животные обладают способностью заранее чувствовать приближение опасных для них изменений окружающей среды. Так, медузы за несколько часов предчувствуют приближение шторма, отдельные виды рыб предчувствуют землетрясение. Изучение этих свойств животных поможет создать приборы, выполняющие аналогичные функции.

Биологические системы располагают большим количеством различных датчиков-анализаторов - преобразователей энергии внешних стимулов (тепловой, световой, механической) в энергию нервных импульсов. По миниатюрности. и чувствительности эти анализаторы пока далеко превосходят свои технические аналоги. Так, органы, расположенные на ножках некоторых насекомых, позволяют улавливать смещения в доли микрона. Тепловые рецепторы гремучей змеи регистрируют изменение температуры на 0,001°. В биол, системах имеются также датчики принципиально нового типа, такие как датчики вкусовых и обонятельных сигналов, способные улавливать единичные молекулы. Обонятельный аппарат угря, напр., способен уловить присутствие единичных молекул алкоголя, не определяемых высокочувствительными методами химического анализа.

Технические информационно-управляющие системы по чувствительности и часто по быстродействию превосходят биол, системы, но уступают последним по габаритам, потребляемой мощности и надежности. Один нейрон занимает объем 10 -8 -10 -7 см 3 , объем мозга человека составляет всего 1000 см 3 , мозг потребляет мощность ок. 20 вт и работает, не выходя из строя, в среднем ок. 585 тыс. час.

Мощность, потребляемая современными вычислительными машинами, составляет десятки киловатт, а срок безотказной работы самой высококачественной аппаратуры исчисляется только сотнями часов. Даже если ориентироваться на самые прогрессивные разработки, обеспечивающие объемную плотность 10 3 -10 4 элементов в 1 см 3 и потребление энергии 1 мвт/элемент, то и в этом случае объемная плотность и экономичность биол, систем окажутся на несколько порядков более высокими. Это позволяет надеяться на разработку новых принципов дальнейшей миниатюризации аппаратуры систем управления и вычислительных машин.

Перечисленные свойства живых организмов составляют предмет исследования информационно-анализаторного направления бионики.

Вторым аспектом Б. является изучение возможностей технического применения структуры и конструкций биол, систем, изучение механических, энергетических и хим. процессов, происходящих в них.

В строительных консольных конструкциях, освоенных человеком, отношение высоты к наибольшему диаметру не превосходит 20-30, в то же время в природе существуют конструкции, у которых это отношение значительно выше 30 (ствол эвкалипта, пальмы и др.).

Изучение конструкций туловища рыб и морских животных в плане гидродинамических механизмов их перемещения в воде может дать много полезного для кораблестроения. Рыбы и морские животные весьма экономно расходуют энергию и при этом способны развивать высокие скорости. Так, скорость дельфина достигает 12-16 м/сек, скорость летучих рыб - 18 м/сек (т. е. 65 км/час, что равно скорости курьерского поезда), а скорость тунца - более 30 м/сек.

Третьим важным аспектом Б. является изучение биохим, процессов, происходящих в живой природе, с точки зрения кпд, которые могут служить образцом для разработки новых технологических процессов. В этом аспекте еще только начинаются исследования особенностей процессов тепломассообмена и термодинамики живых организмов популяций и сообществ. В качестве примера можно привести осуществляемые растениями и микроорганизмами с высоким кпд процессы фотосинтеза, синтеза уксусной к-ты, производство полноценного белка, переработку древесины в жиры и белки, осуществляемую микроорганизмами в кишечнике термитов и т. п. Интересными проблемами являются также изучение механизмов работы биохимических источников электроэнергии; исследование биохим, и биоэнергетических процессов применительно к технике процессов и аппаратов в хим. машиностроении.

Все три рассмотренных аспекта Б. показывают, насколько широки возможности постановки бионических исследований.

Направление исследования информационно-анализирующих устройств биообъектов, к-рое в наст, время развивается наиболее интенсивно, подразделяется в свою очередь на ряд самостоятельных направлений, предмет которых составляют:

Общие закономерности способов и устройств переработки информации в нервной системе; сюда относятся моделирование процессов в нейроне, исследование методов кодирования информации на разных уровнях, исследование моделей нейронных сетей;

Информационные способы и устройства в биоанализаторах и процессы распознавания образов; сюда относятся исследования механизмов работы рецепторов, построение моделей различных анализаторных систем и разработка на их основе алгоритмов распознавания образов, исследование способов кодирования при обмене информацией между живыми организмами. Кроме того, для техники представляют интерес механизмы обучения и адаптации, памяти, обеспечения надежности, компенсаторные функции живых организмов, а также механизмы, управляющие регенерацией органов в плане создания самовосстанавливающихся технических устройств;

Системы регулирования, управляющие деятельностью отдельных автономных подсистем высших организмов, которые представляют собой отдельные гомеостатические контуры, напр. система кровообращения, система дыхания, глазодвигательная система, с учетом особенностей реализованного принципа иерархичности в биол, системах, дающих большие возможности для заимствования в технических разработках.

Следует отметить, что успех бионических исследований не может быть обеспечен при простом механическом перенесении в технику схем, выработанных природой.

В природе можно найти много примеров решений и свойств живых организмов, совершенно неудовлетворяющих технику. Достаточно упомянуть только, что нормальная жизнедеятельность биол, систем возможна в узких пределах температуры (0-70°) и давления (0,7- 3 кг/см 2), а быстродействие элементов нервной системы значительно ниже быстродействия технических элементов. Время, необходимое для перевода нейрона из невозбужденного состояния в возбужденное, составляет 10 -2 -10 -1 сек., тогда как для технических элементов оно достигает 10 -7 -10 -8 сек. В силу этого основное внимание обращается на изучение и освоение принципов работы элементов и систем живых организмов, что позволит за счет реализации этих принципов на элементах другой физической природы получить системы более совершенные, чем те, которые созданы в процессе эволюции в живых организмах.

Методы исследования бионики. В основе большинства бионических и биокибернетических исследований, особенно в основе информационного их направления, лежит метод моделирования. Термин «модель в бионике» нередко трактуется очень широко - от физ. устройства, воспроизводящего функции моделируемого объекта и математической модели (либо программы на ЭВМ), до суммы логических представлений, описывающих объект, т. е. согласованной системы фактов и гипотез о сущности изучаемой системы (см. Моделирование).

Моделирование механизмов работы тех или иных отделов биол, системы обычно разбивается на этапы: на первом этапе проводится изучение, систематизация и сопоставление существующих физиол, данных - результатов морфол., электрофизиол. и психофизиол, исследований и получение в случае необходимости новых данных об объекте. На втором этапе- разработка на основе проведенного анализа физиол, данных кибернетической гипотезы о работе исследуемой биол, системы, т. е. такой гипотезы, к-рая включает в себя широкий комплекс технических и математических сведений, используемых современной наукой об управлении; наконец, на последнем этапе осуществляется проверка разработанной гипотезы, к-рая может производиться в двух направлениях: во-первых, посредством расчетов на вычислительных машинах, физических или математических, во-вторых, проверка соответствия гипотезы объективной реальности посредством физиол. эксперимента.

Моделирование биол, систем в кибернетике и Б. может проводиться посредством различных методов. В обобщенных методах кибернетики, важных для Б., ставится задача получить алгоритм, описывающий работу моделируемого объекта, причем не требуется сходства структуры модели со структурой объекта. Этот метод представляет собой метод функционального моделирования, или метод «черного ящика». Метод функциональною моделирования основывается на психофизиологических и поведенческих данных об объекте. Применительно к задачам Б. метод «черного ящика» позволяет получить ряд важных данных, позволяющих выбрать тот или иной биол, принцип построения технической системы (дискретной, аналоговой). В другом, не менее важном для Б. дискретноструктурном методе моделируются принципы и сущность информационно-управляющих нейронных механизмов того или иного отдела мозга. В этом случае требуется выяснять как дискретную структуру моделируемого объекта, так и характер взаимосвязей между его элементами (множествами). В отличие от первого метода, этот метод использует комплекс физиол, данных, полученных психофизиологами, морфологами и электрофизиологами.

Основные результаты бионики

Одним из первых результатов Б., внедренных в технику в области заимствования принципов биоанализаторов, явилась разработка гиротрона - прибора, применяемого вместо гироскопа для стабилизации летательных аппаратов. Изучение некоторых насекомых (бабочек, жуков) показало, что они имеют булавовидные усики, которые во время полета колеблются в горизонтальной плоскости. При отклонении тела насекомого концы усиков продолжают колебаться в той же плоскости, что вызывает у основания усиков механические напряжения, воздействующие на находящиеся здесь нервные клетки. От них сигналы по нервным волокнам поступают в центральные отделы нервной системы, которые вырабатывают соответствующие ответные сигналы для управления органами тела насекомого, восстанавливающими правильное положение его в полете. Принцип работы этого биоаналнзатора применен в техническом устройстве - гиротроне, представляющем собой камертон, ножки к-рого приводятся в колебательное движение электромагнитом, питаемым переменным током. При повороте держателя, на к-ром укреплен камертон, у основания ножек возникает механический момент. Датчик, реагирующий на него, посылает сигнал, пропорциональный углу поворота держателя. Гиротроны применяются в летательных аппаратах, ведется дальнейшая работа по их совершенствованию: увеличению чувствительности, срока службы, уменьшению габаритов.

Другим примером является построение измерителя земной скорости для самолета, использующего принцип работы фасеточного глаза насекомых (пчелы). Прибор состоит из приемников, расположенных у основания двух трубок, разведенных на заданный угол в вертикальной плоскости. Для определения скорости самолета относительно земли производится фиксация определенной точки земной поверхности сначала в одном, потом в другом приемнике. Зная промежуток времени между появлением выбранной точки в первом и во втором приемниках и высоту самолета над поверхностью земли, легко определить скорость.

Наблюдения за поведением пчел позволили выдвинуть гипотезу об ориентировке некоторых видов птиц и насекомых по поляризованному излучению солнца, использующую тот факт, что световые лучи, поступающие от солнца, поляризованы по-разному при расположении солнца на различной высоте над горизонтом. Эти исследования привели к созданию солнечного компаса, дающего возможность ориентироваться но солнцу при наличии облачности. Ряд приборов, необходимых для устройств самонаведения и локации, предложен в результате изучения механизмов функционирования глаза лягушки. На основе исследования свойств некоторых морских организмов улавливать инфразвуки построены приборы для сигнализации о приближении шторма.

Применение в технике нашли также конструкционно-энергетические принципы, заимствованные у биообъектов. Так, использование форм обводов китообразных для строительства кораблей позволило получить выигрыш в мощности силовых установок до 40%. Другим примером является способ передвижения пингвинов по снегу, он использован для постройки нового вездехода для полярных районов.

Интересным результатом является попытка использования некоторых видов микроорганизмов для создания электрических источников тока.

Наиболее существенные результаты информационного направления Б. состоят, во-первых, в разработке моделей одиночных нервных клеток, моделей участков нейронных сетей и целых отделов нервной системы - анализаторов и, во-вторых, в разработке на базе этих моделей обучающихся машин и алгоритмов для распознавания образов. Разработано несколько сот моделей нейронов, различающихся по количеству и сложности воспроизводимых свойств нейрона. Некоторые разработки представляют собой по существу сложные адаптивные элементы нового типа, созданные на базе представлений о нейроне, и предназначены для создания распознающих обучающихся устройств. Успехи, достигнутые при разработке моделей анализаторных отделов мозга, связаны с формулировкой известного в физиологии принципа латерального тормозного взаимодействия между элементами проекционных отделов нервной системы и разработкой теории детекторов как основного механизма работы анализаторов. Согласно этой теории процесс восприятия того или иного раздражителя является результатом выделения некоторых простых признаков этого раздражителя посредством набора специально организованных ансамблей нейронов - детекторов. Напр., при анализе зрительного изображения обнаружены детекторы границы темного и светлого участков, детекторы кривизны, детекторы прямых линий определенного направления, детекторы перекреста прямых линий и т. п. В ходе эволюции у животных функции детекторов усложняются, появляются детекторы движения с определенной скоростью, детекторы движения в определенном направлении. На базе теории детекторов разработаны модельные представления о работе зрительного и слухового анализаторов, объясняющие ряд свойств слухового и зрительного восприятия.

Созданные на базе бионических исследований распознающие и обучающиеся устройства, конечно, еще весьма несовершенны, и создание их должно рассматриваться как первые шаги в этой области. Тем не менее уже созданы устройства для распознавания простейших рисунков, для распознавания ограниченного набора слов (ок. 300), разработаны адаптивные автопилоты и самонастраивающиеся фильтры для выделения на фоне шумов сигнала произвольной формы. Создание совершенных обучающихся распознающих устройств будет иметь большое значение не только для техники, но и для биологии и медицины и особенно для медицинской техники, биотелеметрии, биофизики.

Такие устройства найдут применение в цитологии, гистологии, микробиологии, рентгенологии и других областях биологии и медицины.

В середине 70-х годов в связи с развитием техники ОКГ (см. Оптический квантовый генератор) и развитием голографии (см.) наблюдается пересмотр роли кибернетики и Б. в развитии технических информационно-анализирующих систем.

Научно-исследовательские учреждения, в которых проводятся исследования по бионике: СССР - государственные университеты: Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский; институты биофизики (Москва), проблем управления (Москва), мозга (Москва), радиоэлектроники (Харьков), кибернетики (Киев), автоматики и электрометрии СО АН СССР; США - университеты: Станфордский, Гарвардский, Колумбийский, Иллинойсский, Калифорнийский; Массачусетский технологический институт; Англия - университеты: Бирмингемский, Кельтский, Кембриджский; ФРГ - Институт Макса Планка; ГДР - Высшая техническая школа (Ильменау), Институт кибернетики и информационных процессов; Польша - Институт прикладной кибернетики, Политехнический институт (Варшава); Болгария - Институт технической кибернетики; Чехословакия - Институт теории информации и автоматизации. Работы по Б. обсуждаются на регулярно созываемых конференциях. В СССР проводятся: всесоюзные конференции по бионике (Москва), всесоюзные конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону); в США: национальные симпозиумы по бионике; в ФРГ: конгрессы по кибернетике; международные конгрессы: по кибернетике (Намюр), но медицинской кибернетике (Амстердам), по биокибернетике (Лейпциг), по автоматическому регулированию (ИФАК).

Общепринятых учебных программ для подготовки специалистов в области Б. не существует, однако в ряде университетов и вузов организованы спецкурсы и проводятся студенческие научно-исследовательские работы. К их числу относятся Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский университеты; Московский физико-технический институт, 1-й Московский медицинский институт, Ленинградский политехнический институт.

Библиография: Бионика, под ред. А. И. Берга и др., М., 1965; Бионика, Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы 1958 - 1968 гг., сост. Т. Н. Анисимова, М., 1971; Бонгард М. М. Проблема узнавания, М., 1967; Винер Н. Кибернетика и общество, пер. с англ., М., 1958; Глезер В. Д. Механизмы опознавания зрительных образов, М.- Л., 1966, библиогр.; Дейч С. Модели нервной системы, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Жерарден Л. Бионика, пер. с франц., М., 1971; Мил-сум Д. Анализ биологических систем управления, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; П о з и н Н. В. Моделирование нейронных структур, М., 1970, библиогр.

И. А. Любинский.

Лозунг бионики: «Природа знает лучше». Что же это за наука такая? Уже само название и такой девиз дают нам понять, что бионика связана с природой. Многие из нас ежедневно сталкиваются с элементами и результатами деятельности науки бионики, даже не подозревая об этом.

Вы слышали о такой науке, как бионика?

Биология - популярное знание, с которым нас знакомят ещё в школе. Почему-то многие считают, что бионика - один из подразделов биологии. На самом деле это утверждение не совсем точное. Действительно, в узком смысле слова бионика - это наука, изучающая живые организмы. Но чаще всего мы привыкли ассоциировать с этим учением нечто другое. Прикладная бионика - наука, которая сочетает в себе биологию и технику.

Предмет и объект бионических исследований

Что изучает бионика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть структурное деление самого учения.

Биологическая бионика исследует природу такой, какая она есть, без попытки вмешательства. Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем.

Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.

Практическая (техническая) бионика - это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.

Откуда всё начиналось?

Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже.

Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антони Гауди-и-Курнет. Его имя прочно впечатано в историю этой науки. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей.

Следующим, кто поддержал идею симбиоза природы и технологий, стал Под его руководством началось широкое применение бионических принципов в проектировании зданий.

Утверждение бионики как самостоятельной науки произошло лишь в 1960 году на научном симпозиуме в Дайтоне.

Развитие компьютерной техники и математического моделирования позволяют современным архитекторам намного быстрее и с большей точностью воплощать в архитектуре и других отраслях подсказки природы.

Природные прототипы технических изобретений

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. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.

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.

Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, их используют для усовершенствования конструкций ножек различных кухонных приспособлений, чтобы избежать их скольжения во время работы. Также присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.

Можно найти множество таких примеров. Бионика - это как раз та наука, которая помогает человеку заимствовать у природы технические решения для своих изобретений.

Кто первый - природа или люди?

Иногда случается, что то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть и перенять.

Так произошло с обычной липучей застёжкой, которая используется человеком для застегивания одежды. Было доказано, что в для сцепления тонких бородочек между собой тоже применяются крючочки, подобно тем, которые есть на застёжке-липучке.

В строении фабричных труб наблюдается аналогия с полыми стеблями злаков. Продольная арматура, используемая в трубах, сходна со склеренхимными тяжами в стебле. Стальные кольца жёсткости - междоузлия. Тонкая кожица с внешней стороны стебля - это аналог спиральной арматуры в строении труб. Несмотря на колоссальное сходство структуры, учёные самостоятельно изобрели именно такой метод постройки фабричных труб, а уже позже увидели тождество такого строения с природными элементами.

Бионика и медицина

Применение бионики в медицине даёт возможность спасти жизнь многим пациентам. Не прекращаясь, ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека.

Первым посчастливилось испытать датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием.

Все исследования в данном направлении полностью основываются на копировании природных процессов и механизмов и их техническом исполнении. Это и есть медицинская бионика. Отзывы учёных гласят, что в скором времени их труды дадут возможность менять износившиеся живые органы человека и вместо них использовать механические прототипы. Это действительно станет величайшим прорывом в медицине.

Бионика в архитектуре

Архитектурно-строительная бионика - особая отрасль бионической науки, задачей которой становится органическое воссоединение архитектуры и природы. В последнее время всё чаще при проектировании современных конструкций обращаются к бионическим принципам, позаимствованным у живых организмов.

Сегодня архитектурная бионика стала отдельным архитектурным стилем. Рождалась она с простого копирования форм, а сейчас задачей этой науки стало перенять принципы, организационные особенности и технически их воплотить.

Иногда такой архитектурный стиль называют экостилем. Всё потому, что основные правила бионики - это:

• поиск оптимальных решений;
• принцип экономии материалов;
• принцип максимальной экологичности;
• принцип экономии энергии.

Как видите, бионика в архитектуре - это не только впечатляющие формы, но и прогрессивные технологии, позволяющие создавать сооружение, отвечающие современным требованиям.

Характеристики архитектурных бионических строений

Опираясь на былой опыт в архитектуре и строительстве, можно сказать, что все сооружения человека непрочны и недолговечны, если они не используют законы природы. Бионические здания, помимо удивительных форм и смелых архитектурных решений, обладают стойкостью, способностью выдерживать неблагоприятные природные явления и катаклизмы.

В экстерьере зданий, построенных в этом стиле, могут просматриваться элементы рельефов, форм, контуров, умело скопированные инженерами-проектировщиками с живых, природных объектов и виртуозно воплощенные архитекторами-строителями.

Если вдруг при созерцании архитектурного объекта покажется, что вы смотрите на произведение искусства, с большой вероятностью перед вами строение в стиле бионика. Примеры таких конструкций можно увидеть практически во всех столицах стран и больших технологически развитых городах мира.

Конструкция нового тысячелетия

Ещё в 90-х годах испанской командой архитекторов был создан проект здания, основывающийся на совершенно новой концепции. Это 300-этажное строение, высота которого будет превышать 1200 м. Задумано, что передвижение по этой башне будет происходить с помощью четырёх сотен вертикальных и горизонтальных лифтов, скорость которых - 15 м/с. Страной, согласившейся спонсировать данный проект, оказался Китай. Для строительства был выбран самый густонаселённый город - Шанхай. Воплощение проекта позволит решить демографическую проблему региона.

Башня будет иметь полностью бионическую структуру. Архитекторы считают, что только это сможет обеспечить прочность и долговечность конструкции. Прототипом строения является дерево кипарис. Архитектурная композиция будет иметь не только цилиндрическую форму, похожую на ствол дерева, но и «корни» — новый вид бионического фундамента.

Наружное покрытие здания - это пластичный и воздухопроницаемый материал, имитирующий кору дерева. Система кондиционирования этого вертикального города будет аналогом теплорегулирующей функции кожи.

По прогнозам учёных и архитекторов, такое здание не останется единственным в своём роде. После успешного воплощения количество бионических строений в архитектуре планеты будет только увеличиваться.

Бионические здания вокруг нас

В каких известных творениях была использована наука бионика? Примеры таких сооружений несложно отыскать. Взять хотя бы процесс создания Эйфелевой башни. Долгое время ходили слухи, что этот 300-метровый символ Франции построен по чертежам неизвестного арабского инженера. Позже была выявлена полная её аналогия со строением большой берцовой кости человека.

Кроме башни Эйфеля во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений:

• возводилась по аналогии с цветком лотоса.
• Пекинский национальный оперный театр - имитация водяной капли.
• Плавательный комплекс в Пекине. Внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.
• Небоскрёб "Аква" внешне похож на поток падающей воды. Находится в Чикаго.
• Дом основателя архитектурной бионики Антонио Гауди - это одно из первых бионических сооружений. До сегодняшнего дня он сохранил свою эстетическую ценность и остаётся одним из самых популярных туристических объектов в Барселоне.

Знания, необходимые каждому

Подводя итоги, можно смело заявить: всё, что изучает бионика, актуально и нужно для развития современного общества. Каждый должен ознакомиться с научными принципами бионики. Без этой науки невозможно представить технический прогресс во многих сферах деятельности человека. Бионика - это наше будущее в полной гармонии с природой.

Бионика - это наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека. Проблемы бионики: изучение закономерностей структуры и функции отдельных частей живых организмов (нервной системы, анализаторов, крыльев, кожи) с целью создания на этой основе нового типа вычислительных машин, локаторов, летательных, плавательных аппаратов и т. д.; изучение биоэнергетики для создания экономичных двигателей, подобных мышце; исследование процессов биосинтеза веществ с целью развития соответствующих отраслей химии. Бионика тесно связана с техническими (электроника, связь, морское дело и др.) и естественнонаучными ( , медицина) дисциплинами, а также с кибернетикой (см.).

Бионика (англ. bionics, от bion - живое существо, организм; греч. Bioo - живу)- наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека.

Термин бионика впервые появился в 1960 г., когда специалисты различных профилей, собравшиеся на симпозиум в Дайтоне (США), выдвинули лозунг: «Живые прототипы - ключ к новой технике». Бионика явилась своеобразным мостом, связавшим биологию с математикой, физикой, химией и техникой. Одна из важнейших целей бионики - установить аналогии между физико-химическими и информационными процессами, встречающимися в технике, и соответствующими процессами в живой природе. Специалиста-бионика привлекает все многообразие «технических идей», выработанных живой природой за многие миллионы лет эволюции. Особое место среди задач бионики занимают разработка и конструирование систем управления и связи на основе использования знаний из биологии. Это - бионика в узком смысле слова. Бионика имеет важное значение для кибернетики, радиоэлектроники, аэронавтики, биологии, медицины, химии, материаловедения, строительства и архитектуры и др. К задачам бионики относятся также освоение биологических методов добычи полезных ископаемых, технологии производства сложных веществ органической химии, строительных материалов и покрытий, которые использует живая природа. Бионика учит искусству рационального копирования живой природы, изысканию технических условий целесообразного использования биологических объектов, процессов и явлений.

Один из возможных путей здесь - функциональное (математическое, или программное) моделирование, заключающееся в изучении структурной схемы процесса, функций объекта, числовых характеристик этих функций, их назначения и изменения во времени. Такой подход дает возможность изучать интересующий процесс математическими средствами, а техническое воплощение модели осуществить тогда, когда в принципе установлена ее эффективность и осталось проверить экономические, энергетические и другие возможности конструирования такого рода модели имеющимися техническими средствами. Существует и другой путь - физико-химическое моделирование, когда специалист в области бионики изучает биохимические и биофизические процессы с целью исследования принципов превращения (включая разложение и синтез) веществ, происходящих в живом организме. Этот путь более всего примыкает к химико-технологической проблематике и открывает новые возможности в развитии энергетики и химии полимеров. Третий подход, развиваемый бионикой,- это непосредственное использование живых систем и биологических механизмов в технических системах. Такой подход принято называть методом обратного моделирования, так как в этом случае специалист-бионик изыскивает возможности и условия приспособления живых систем для решения чисто инженерных задач, иначе говоря, пытается моделировать на биологическом объекте техническое устройство или процесс. Возникшая в ответ на запросы практики, бионика послужила началом исследований, основанных на применении биологических знаний во всех областях техники. Основной ее результат заключается в установлении первых путей для все большего технического освоения биологии.

Бионика (от греч. biōn - элемент жизни, буквально - живущий)

наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Б. тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

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. Появление кибернетики (См. Кибернетика), 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 и т.п. В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по Б., который официально закрепил рождение новой науки.

Основные направления работ по Б. 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.

Исследования нервной системы показали, что она обладает рядом важных и ценных особенностей и преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Эти особенности, изучение которых очень важно для дальнейшего совершенствования электронно-вычислительных систем, следующие: 1) Весьма совершенное и гибкое восприятие внешней информации вне зависимости от формы, в которой она поступает (например, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.). 2) Высокая надёжность, значительно превышающая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких деталей; при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов, составляющих головной мозг, работоспособность системы сохраняется). 3) Миниатюрность элементов нервной системы: при количестве элементов 10 10 - 10 11 объём мозга человека 1,5 дм 3 . Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч м 3 . 4) Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков вт. 5 ) Высокая степень самоорганизации нервной системы, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов (рис. 1 ). Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение памяти (См. Память) и других свойств нервной системы - основной путь создания «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Изучение механизмов, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень важно для техники, т.к. решение этой первоочередной технической проблемы даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (например, оборудования самолёта, содержащего 10 5 электронных элементов).

Исследования анализаторных систем. Каждый Анализатор животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований.

Через наиболее важный анализатор - зрительный - в мозг человека поступает большая часть информации. С инженерной точки зрения интересны следующие особенности зрительного анализатора: широкий диапазон чувствительности - от единичных квантов до интенсивных световых потоков; изменение ясности видения от центра к периферии; непрерывное слежение за движущимися объектами; адаптация к статичному изображению (для рассматривания неподвижного объекта глаз совершает мелкие колебательные движения с частотой 1-150 гц ). Для технических целей представляет интерес разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка - очень сложное образование; например, глаз человека имеет 10 8 фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 10 6 ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: первый включает 1800 фоторецепторных ячеек, второй - «нейроны», воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в третьем слое имеется 650 «клеток» пяти разных типов. Эти исследования дают возможность создать следящие устройства автоматического распознавания. Изучение ощущения глубины пространства при видении одним глазом (монокулярном зрении) дало возможность создать определитель глубины пространства для анализа аэрофотоснимков.

Ведутся работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен - люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10 мкн/м 2 (0,0001 дин/см 2 ). Технически интересно также изучение механизма передачи информации от уха к слуховой области мозга. Изучают органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» - электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде [некоторые рыбы чувствуют концентрацию вещества в несколько мг/м 3 (мкг /л )]. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45-90 кгц , мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.

Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы - для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана - для обнаружения инфракрасных лучей).

Большое значение в техническом конструировании имеют т. н. Персептрон ы - «самообучающиеся» системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой информации. Большинство исследований посвящено опознаванию зрительных, звуковых или иных образов, т. е. формированию сигнала или кода, однозначно соответствующего объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от изменений изображения (например, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без предварительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, сигнализирует об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона - его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов - это набор фотоэлементов.

После периода «обучения» персептрон может принимать самостоятельные решения. На основе персептронов создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д.

Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из важных задач Б., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км (см. Миграции животных), могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация обнаружена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч км и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу. Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике.

Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт новые идеи для технического конструирования. Так, изучение структуры кожи быстроходных водных животных (например, кожа дельфина не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что обеспечивает устранение турбулентных завихрений и скольжение с минимальным сопротивлением) позволило увеличить скорость кораблей. Создана специальная обшивка - искусственная кожа «ламинфло» (рис. 2 ), которая дала возможность увеличить скорость морских судов на 15-20%. У двукрылых насекомых имеются придатки - жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон (рис. 3 ) - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого - особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.

Разработанные на этом принципе ветряные мельницы с подвижными лопастями очень экономичны и могут работать при малой скорости ветра. Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, различных манипуляторов и т.п. разрабатываются на основе изучения полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п. Анализ структуры кости, обеспечивающей её большую лёгкость и одновременно прочность, может открыть новые возможности в строительстве и т.п.

Новая технология на основе биохимических процессов, происходящих в организмах, - также, по существу, проблема Б. В этом плане большое значение имеет изучение процессов Биосинтез а, биоэнергетики (См. Биоэнергетика), т.к. энергетически биологические процессы (например, сокращение мышц) чрезвычайно экономичны. Одновременно с прогрессом техники, который обеспечивается успехами Б., она приносит пользу и самой биологии, т.к. помогает активно понять и моделировать те или иные биологические явления или структуры (см. Моделирование). См. также Кибернетика , Биомеханика , Биоуправление .

Лит.: Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963: Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963; Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967; Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967; Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968; Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968: Библиографический указатель по бионике, М., 1965.

Р. М. Баевский.

Рис. 1. Схематическое изображение нейрона (слева), его модели (в середине) и электрическая схема искусственного нейрона (справа): 1 - тело клетки; 2 - дендриты; 3 - аксон; 4 - коллатерали; 5 - концевое разветвление аксона; P n , P i , P 2 , P 1 - входы нейрона; S n , S i , S 2 , S 1 - синаптические контакты; Р - выходной сигнал; К - пороговое значение сигнала; R 1 - R 6 , R m - сопротивления; C 1 - C 3 , C m - конденсаторы; T 1 -T 3 - транзисторы; D - диод.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Бионика" в других словарях:

- [Словарь иностранных слов русского языка

- [от био... и (электро) ника], наука, изучающая живые организмы с целью использования результатов познания механизмов их функционирования при конструировании машин и создании новых техничеких систем. Например, данные бионики, полученные при… … Экологический словарь

бионика - Этимология. Происходит от греч. biо жизнь. Категория. Научная дисциплина. Специфика. Изучает принципы функционирования живых систем для использования их в области инженерной практики. Начала свое формирование в 60 х гг. ХХ в. Основным методом… … Большая психологическая энциклопедия

Стульников Максим

Исследовательская работа по теме "Бионика - наука величайших возможностей"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Областная научно - практическая конференция

в рамках регионального молодёжного форума

«Будущее-это мы!»

Естественнонаучное направление (физика, биология)

Исследовательская работа по теме

«Бионика – наука величайших возможностей»

МБОУ «ООШ №7» г.Петровска Саратовской области

Руководители:

Филянина Ольга Александровна,

Учитель химии и биологии

Герасимова Наталья Анатольевна,

Учитель математики и физики,

г. Петровск

апрель 2014 г.

1. Введение стр. 3-4
2. От древности к современности. стр. 5-6
3. Разделы бионики:

3.1. архитектурно-строительная бионика; стр. 6-8

3.2. биомеханика; стр.8-12

3.3. нейробионика. стр.13-14

4. Великие мелочи, «подсмотренные у природы». стр. 14-15

5. Заключение стр. 16

6. Литература и используемые интернет – ресурсы. стр. 16

Птица –

Действующий

По математическому закону

инструмент,

Сделать который,

в человеческой власти…

Леонардо да Винчи .

Вы бы хотели одним прыжком перелетать через автомобили, двигаться как Человек – Паук, замечать врагов на расстоянии нескольких километров и сгибать руками стальные балки? Надо полагать, что да, но, увы, это нереально. Пока нереально...

Человека, с момента создания мира, интересовало многое: почему вода – мокрая, почему день сменяет ночь, почему мы ощущаем аромат цветов и пр. Естественно человек пытался этому найти объяснение. Но чем больше он узнавал, тем еще больше возникало у него вопросов: может ли человек летать как птица, плавать как рыба, как животные «узнают» о приближении шторма, о надвигающемся землятресении, о грядущем извержении вулкана, можно ли создать искусственный разум?

Вопросов «почему» очень много, часто эти вопросы не научно истолковывались, порождая вымыслы, суеверия. Для этого нужно обладать хорошими знаниями во многих областях: в физике и химии, астрономии и биологии, географии и экологии, в математике и технике, в медицине и космосе.

А существует ли наука, которая объединила бы в себе все, смогла бы сочетать несочетаемое? Оказывается – существует!

Предмет моего исследования - наука бионика - “ БИО логия” и “тех НИКА ”.

Цель исследовательской работы: необходимость возникновения науки бионики, ее возможности и границы применимости.

Для этого можно поставить ряд задач:

1.Узнать, что такое «бионика».

2. Проследить историю развития науки «Бионики»: от древности к современности и ее взаимосвязь с другими науками.

3. Выделить основные разделы бионики.

4. За что нужно сказать природе спасибо: открытые возможности и загадки бионики.

Методы исследования:

Теоретические:

- изучение научных статей, литературы по теме.

Практические:

Наблюдение;

Обобщение.

Практическая значимость.

Я думаю, что моя работа будет полезна и интересна широкому кругу и учащихся, и педагогов, так как все мы живем в природе по законам, которые она создала. Человек должен лишь умело владеть знаниями, чтобы воплотить в технике все подсказки природы и раскрыть ее тайны.

От древности к современности

Бионика – прикладная наука, изучающая возможность объединения живых организмов и технических устройств, – сегодня развивается очень быстрыми темпами.

Стремление обладать способностями, превосходящими те, что подарила нам природа, сидит глубоко внутри каждого человека – это подтвердит любой тренер по фитнесу или пластический хирург. Наши тела обладают невероятной способностью к адаптации, но есть вещи, которые им не под силу. Например, мы не умеем разговаривать с теми, кто находится вне пределов слышимости, мы не способны летать. Поэтому нам нужны телефоны, и самолеты. Чтобы компенсировать свое несовершенство, люди издавна применяли различные «внешние» приспособления, однако с развитием науки инструменты постепенно уменьшались и становились все ближе к нам.

Кроме того, каждый знает, что если что-то случится с его телом, то доктора проведут «ремонт», используя наиболее современные медицинские технологии.

Если сложить вместе эти две простые концепции, мы сможем получить представление о следующем шаге эволюции человека. В будущем врачи смогут не только восстанавливать «поврежденные» или «вышедшие из строя» организмы, они начнут активно улучшать людей, делать их сильнее и быстрее, чем это удалось природе. Именно в этом заключается суть бионики, и сегодня мы с вами стоим на пороге появления человека нового типа. Возможно, им станет кто-то из нас…

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера (от греч. órnis, род. падеж órnithos - птица и pterón - крыло), махолет , летательный аппарат тяжелее воздуха с машущими крыльями). Среди живых существ маховыми движениями крыльев для полёта пользуются, например, птицы.

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.

Бионика (от греч. Biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. /БСЭ.1978г./

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – « Живые прототипы – ключ к новой технике ».

Многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере, где составляется компьютерная программа – бионическая модель.

Сегодня бионика имеет несколько направлений.

Разделы бионики

1. Архитектурно-строительная бионика.

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.

Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. 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 1128 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.

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости , легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это ещё один показательный пример бионики в действии.

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.

2. Биомеханика

Локаторы природы. Живые барометры и сейсмографы.

Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом. Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным.

Животные -"биосиноптики" от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики - не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Совы, летучие мыши, дельфины, киты и большинство насекомых воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана - на инфракрасный.

Термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации - дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя - по запаху (химизм прибрежных вод).

Летучие мыши, как правило,- это небольшие и, будем откровенны, для многих из нас неприятные и даже отталкивающие существа. Но так уж повелось относиться к ним с предубеждением, основа которого, как правило, разного рода легенды и поверья, сложившиеся еще тогда, когда люди верили в духов и нечистую силу.

Летучая мышь - уникальный объект для ученых-биоакустиков. Она совершенно свободно ориентируется в полной темноте, не натыкаясь на препятствия. Более того, имея плохое зрение, летучая мышь на лету обнаруживает и ловит маленьких насекомых, отличает летящего комара от несущейся по ветру соринки, съедобное насекомое - от невкусной божьей коровки.

Впервые этой необычной способностью летучих мышей заинтересовался в 1793 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Вначале он пытался выяснить, какими способами различные животные находят дорогу в темноте. Ему удалось установить: совы и другие ночные существа хорошо видят в темноте. Правда, в полной темноте и они, как оказалось, становятся беспомощными. Но когда он начал экспериментировать с летучими мышами, то обнаружил, что такая полная темнота для них не помеха. Тогда Спалланцани пошел дальше: он попросту лишил зрения нескольких летучих мышей. И что же? Это ничего не изменило в их поведении, они так же превосходно охотились на насекомых, как и зрячие. В этом Спалланцани убедился, когда вскрыл желудок экспериментальных мышей.

Интерес к загадке возрастал. Особенно после того, как Спалланцани познакомился с опытами швейцарского биолога Шарля Жюрин, который в 1799 году пришел к выводу, что летучие мыши могут обходиться без зрения, но всякое серьезное повреждение слуха для них гибельно. Стоило заткнуть им уши специальными медными трубочками, как они начинали слепо и беспорядочно натыкаться на все препятствия, возникающие на их пути. Наряду с этим на целом ряде разнообразных опытов было показано, что нарушения деятельности органов зрения, осязания, обоняния и вкуса никакого влияния на полет летучих мышей не оказывают.

Опыты Спалланцани были, несомненно, впечатляющими, но они явно опережали время. Спалланцани не мог ответить на главный и вполне по-научному корректный вопрос: если не слух или зрение, то что же в таком случае помогает летучим мышам так хорошо ориентироваться в пространстве?

В то время ничего не знали ни об ультразвуке, ни о том, что у животных могут быть какие-то иные органы (системы) восприятия, а не только уши и глаза. Кстати, именно в таком духе и пытались объяснить некоторые ученые опыты Спалланцани: дескать, летучие мыши обладают тончайшим чувством осязания, органы которого расположены, скорее всего, в перепонках их крыльев...

Дело кончилось тем, что об опытах Спалланцани надолго забыли. Только в наше время, сто с лишним лет спустя, так называемая «спалланцаниевая проблема летучих мышей», как ее окрестили сами ученые, была разрешена. Это стало возможным благодаря появлению новых средств исследования на основе электроники.

Физику из Гарвардского университета Г. Пирсу удалось обнаружить, что летучие мыши издают звуки, лежащие за порогом слышимости человеческого уха.

Элементы аэродинамики.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования полёта птиц появилась авиация.

Ещё более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения. Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации.

Реактивное движение .

Реактивное движение, используемое в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техники представляет реактивный движитель кальмара. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально разными движителями. При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее составляет почти половину объёма его тела. При реактивном способе плавания животное засасывает воду внутрь мантийной полости через мантийную щель. Движение кальмара создается за счёт выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку). Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, чем достигается изменение направление движения. Движитель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч, некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч.

Глиссер по форме корпуса похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфин был построен компанией Innespace в 2001 году.

Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться... у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля.

3. Нейробионика.

Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху. Самые преданные бионики это инженеры, которые конструируют роботов. Существует такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики - бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек.

Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Группа исследователей из университета Миннесоты пытается создать принципиально новый метод лечения 22 млн человек – столько людей в мире живет с больным сердцем. Ученым удалось изъять мышечные клетки из сердца, сохранив лишь каркас из сердечных клапанов и кровеносных сосудов. В этот каркас пересадили новые клетки.

Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл, в прошлом служившая в морском флоте США. В 2005 году Митчелл пострадала в аварии. Хирургам пришлось ампутировать левую руку Митчелл по самое плечо. Как следствие, нервы, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для контроля над протезом, остались без применения.

Великие мелочи, «подсмотренные у природы»

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 дурнишника (репейника). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку».

Присоски были изобретены при изучении осьминогов.

Производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна.

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.

Заключение.

Потенциал бионики поистине безграничен…

Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации. Современный человек должен не разрушать природу, а брать её за образец. Обладая разнообразием флоры и фауны, природа может помочь человеку найти правильное техническое решение сложных вопросов и выход из любой ситуации.

Мне было очень интересно работать над этой темой. В дальнейшем я продолжу работу по изучению достижений бионики.

ПРИРОДА КАК ЭТАЛОН – И ЕСТЬ БИОНИКА!

Литература:

1. Бионика. В. Мартека, изд – во:Мир, 1967 г.

2. Что такое бионика. Серия "Научно-популярная библиотека". Асташенков П.Т. М., Воениздат, 1963

3.Архитектурная бионика Ю.С. Лебедев, В.И.Рабинович и др.Москва, Стройиздат, 1990. 4.

Использованные интернет-ресурсы

Htth://www/cnews/ru/ news/ top / index . Shtml 2003/08/21/147736;

Bio-nika.narod.ru

Www.computerra.ru/xterra

- http://ru.wikipedia.org/ wiki/Бионика

Www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/‎

Http://factopedia.ru/publication/4097

Http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg

Http://novostey.com

Http://images.yandex.ru/yandsearch

Http://school-collection.edu.ru/catalog