Stulnikov Maxim

Forskningsarbejde om emnet "Bionik - videnskaben om de største muligheder"

Hent:

Eksempel:

Regional videnskabelig og praktisk konference

inden for rammerne af det regionale ungdomsforum

"Fremtiden er os!"

Naturvidenskabelig retning (fysik, biologi)

Forskningsarbejde om emnet

"Bionik - videnskaben om de største muligheder"

Kommunal budgetuddannelsesinstitution "Organiseret skole nr. 7" i Petrovsk, Saratov-regionen

Ledere:

Filyanina Olga Alexandrovna,

Lærer i kemi og biologi

Gerasimova Natalya Anatolevna,

underviser i matematik og fysik,

Petrovsk

april 2014

1. Indledning s. 3-4
2. Fra oldtid til modernitet. s. 5-6
3. Bionic sektioner:

3.1. arkitektonisk og konstruktionsbionik; s. 6-8

3.2. biomekanik; s. 8-12

3.3. neurobionics. s. 13-14

4. Store små ting, "set fra naturen." s. 14-15

5. Konklusion side 16

6. Litteratur og brugte internetressourcer. side 16

Fugl -

Aktiv

Ifølge den matematiske lov

værktøj,

For at gøre hvad,

i menneskelig magt...

Leonardo Da Vinci.

Kunne du tænke dig at flyve over biler i ét hop, bevæge dig som Spider-Man, spotte fjender flere kilometer væk og bøje stålbjælker med dine hænder? Vi må antage, at ja, men desværre er dette urealistisk. Det er urealistisk lige nu...

Siden verdens skabelse har mennesket været interesseret i mange ting: hvorfor vand er vådt, hvorfor dag følger nat, hvorfor vi lugter duften af ​​blomster osv. Naturligvis forsøgte mennesket at finde en forklaring på dette. Men jo mere han lærte, jo flere spørgsmål opstod i hans sind: kan en person flyve som en fugl, svømme som en fisk, hvordan "ved" dyr om en storms nærme sig, om et forestående jordskælv, om et kommende vulkanudbrud , er det muligt at skabe kunstig intelligens?

Der er mange "hvorfor"-spørgsmål; ofte bliver disse spørgsmål ikke fortolket videnskabeligt, hvilket giver anledning til fiktion og overtro. For at gøre dette skal du have god viden inden for mange områder: fysik og kemi, astronomi og biologi, geografi og økologi, matematik og teknologi, medicin og rum.

Findes der en videnskab, der ville kombinere alt og være i stand til at kombinere det inkongruente? Det viser sig, at det eksisterer!

Vare min forskning - videnskaben om bionik - " BIO Logia" og "Tech NIKA".

Formål med forskningsarbejdet:behovet for fremkomsten af ​​bionikkens videnskab, dens muligheder og grænser for anvendelighed.

For at gøre dette kan du sætte en række opgaver:

1. Find ud af, hvad "bionics" er.

2. Spor historien om udviklingen af ​​videnskaben om "Bionics": fra antikken til moderniteten og dens forhold til andre videnskaber.

3. Identificer hovedsektionerne af bionikken.

4. Hvad vi skal takke naturen for: bionikkens åbne muligheder og mysterier.

Forskningsmetoder:

Teoretisk:

- undersøgelse af videnskabelige artikler, litteratur om emnet.

Praktisk:

Observation;

Generalisering.

Praktisk betydning.

Jeg tror, ​​at mit arbejde vil være nyttigt og interessant for en bred vifte af elever og lærere, da vi alle lever i naturen i henhold til de love, den skabte. En person skal kun dygtigt mestre viden for at omsætte alle antydninger af naturen til teknologi og afsløre dens hemmeligheder.

Fra antikken til moderne tid

Bionics, en anvendt videnskab, der studerer muligheden for at kombinere levende organismer og tekniske anordninger, udvikler sig i et meget hurtigt tempo i dag.

Ønsket om at have evner, der overgår dem, naturen har givet os, sidder dybt inde i enhver person – enhver fitnesstræner eller plastikkirurg vil bekræfte dette. Vores kroppe har en utrolig tilpasningsevne, men der er nogle ting, de ikke kan. For eksempel ved vi ikke, hvordan vi skal tale med dem, der er uden for hørevidde, vi er ikke i stand til at flyve. Det er derfor, vi har brug for telefoner og fly. For at kompensere for deres ufuldkommenheder har folk længe brugt forskellige "eksterne" enheder, men med udviklingen af ​​videnskaben blev værktøjerne gradvist mindre og kom tættere på os.

Derudover ved alle, at hvis der sker noget med hans krop, vil læger udføre "reparationer" ved hjælp af de mest moderne medicinske teknologier.

Hvis vi sætter disse to simple koncepter sammen, kan vi få en idé om det næste skridt i menneskets evolution. I fremtiden vil læger ikke kun være i stand til at genoprette "beskadigede" eller "ude af drift" organismer, de vil begynde aktivt at forbedre mennesker, hvilket gør dem stærkere og hurtigere end naturen klarede. Dette er netop essensen af ​​bionik, og i dag står vi på tærsklen til fremkomsten af ​​en ny type person. Måske bliver en af ​​os det...

Leonardo da Vinci betragtes som bionikkens stamfader. Hans tegninger og diagrammer af fly var baseret på strukturen af ​​en fugls vinge. I vores tid, ifølge tegningerne af Leonardo da Vinci, blev modellering gentagne gange udført ornithoptera (fra græsk órnis, køn órnithos - fugl og pterón - vinge), svinghjul , et fly, der er tungere end luften med flagrende vinger). Blandt levende væsner bruger fugle f.eks. flagrende bevægelser af deres vinger til at flyve.

Blandt moderne videnskabsmænd kan man nævne navnet Osip M.R. Delgado.

Ved hjælp af sine radioelektroniske apparater studerede han dyrs neurologiske og fysiske egenskaber. Og på deres grundlag forsøgte jeg at udvikle algoritmer til at kontrollere levende organismer.

Bionics (fra det græske Biōn - element af liv, bogstaveligt talt - levende), en videnskab, der grænser op til biologi og teknologi, der løser tekniske problemer baseret på modellering af organismers struktur og vitale funktioner. Bionics er tæt knyttet til biologi, fysik, kemi, kybernetik og ingeniørvidenskab - elektronik, navigation, kommunikation, maritime anliggender osv. /BSE.1978/

Det formelle fødselsår for bionikken anses for at være 1960 Bioniske videnskabsmænd valgte en skalpel og en loddekolbe, forbundet med et integreret skilt, som deres emblem, og deres motto er "Levende prototyper er nøglen til ny teknologi».

Mange bioniske modeller begynder, inden de får teknisk implementering, deres liv på en computer, hvor der kompileres et computerprogram - en bionisk model.

I dag har bionik flere retninger.

Bionic sektioner

1. Arkitektonisk og konstruktionsbionik.

Et slående eksempel på arkitektonisk og konstruktionsbionik - kompletanalogi af strukturen af ​​kornstænglerog moderne højhuse. Stænglerne af kornplanter er i stand til at modstå store belastninger uden at bryde under vægten af ​​blomsterstanden. Hvis vinden bøjer dem til jorden, genopretter de hurtigt deres lodrette position. Hvad er hemmeligheden? Det viser sig, at deres struktur ligner designet af moderne højhuse. fabriksrør - en af ​​de seneste resultater inden for ingeniørtænkning.

Berømte spanske arkitekter M.R. Cervera og H. Ploz, aktive tilhængere af bionik, begyndte at forske i "dynamiske strukturer" i 1985, og i 1991 organiserede de "Society for Supporting Innovation in Architecture." En gruppe under deres ledelse, som omfattede arkitekter, ingeniører, designere, biologer og psykologer, udviklede projektet "Lodret bionisk tårnby" Om 15 år skulle der dukke en tårnby op i Shanghai (ifølge videnskabsmænd kan Shanghais befolkning om 20 år nå op på 30 millioner mennesker). Tårnbyen er designet til 100 tusinde mennesker, projektet er baseret på "princippet om trækonstruktion".

Tårnbyen vil have formen cypres 1128 m højt med en omkreds i bunden på 133 gange 100 m og på det bredeste punkt 166 gange 133 m. Tårnet får 300 etager, og de bliver placeret i 12 lodrette blokke á 80 etager.

Til 100-året for den franske revolution blev der arrangeret en verdensudstilling i Paris. På denne udstillings område var det planlagt at opføre et tårn, der skulle symbolisere både den franske revolutions storhed og de seneste teknologiske landvindinger. Mere end 700 projekter blev indsendt til konkurrencen; det bedste blev anerkendt som broingeniør Alexandre Gustave Eiffels projekt. I slutningen af ​​det 19. århundrede forbløffede tårnet, opkaldt efter dets skaber, hele verden med dets gennembrudte og skønhed. Det 300 meter høje tårn er blevet en slags symbol på Paris. Der var rygter om, at tårnet blev bygget efter tegningerne af en ukendt arabisk videnskabsmand. Og først efter mere end et halvt århundrede gjorde biologer og ingeniører en uventet opdagelse: designet Eiffeltårnet gentager præcis strukturen af ​​den store tibia , let at modstå vægten af ​​den menneskelige krop. Selv vinklerne mellem de bærende flader er sammenfaldende. Dette er endnu et illustrativt eksempel på bionik i aktion.

I arkitektonisk og konstruktionsbionik lægges der stor vægt på nye byggeteknologier. For eksempel inden for udvikling af effektive og affaldsfri byggeteknologier er skabelsen en lovende retninglagdelte strukturer. Idéen er lånt fradybhavsbløddyr. Deres holdbare skaller, såsom dem fra den udbredte abalone, består af skiftevis hårde og bløde plader. Når en hård plade revner, absorberes deformationen af ​​det bløde lag, og revnen kommer ikke længere. Denne teknologi kan også bruges til at dække biler.

2. Biomekanik

Naturlokaliser. Live barometre og seismografer.

Den mest avancerede forskning inden for bionik er udviklingen af ​​biologiske midler til detektion, navigation og orientering; et sæt undersøgelser relateret til modellering af funktioner og strukturer i hjernen hos højere dyr og mennesker; oprettelse af bioelektriske kontrolsystemer og forskning i "mand-maskine"-problemet. Disse områder er tæt forbundet med hinanden. Hvorfor er naturen så langt foran mennesket på det nuværende teknologiske udviklingsniveau?

Det har længe været kendt, at fugle, fisk og insekter reagerer meget følsomt og præcist på vejrændringer. Den lave flugt af svaler varsler et tordenvejr. Ved ophobning af vandmænd nær kysten vil fiskere vide, at de kan fiske, havet vil være roligt.

Dyr - "biosynoptics"af natur er udstyret med unikke ultrafølsomme "enheder". Bionics opgave er ikke kun at finde disse mekanismer, men også at forstå deres handling og genskabe den i elektroniske kredsløb, enheder og strukturer.

Studiet af det komplekse navigationssystem for fisk og fugle, der dækker tusindvis af kilometer under vandringer og fejlfrit vender tilbage til deres steder for at gyde, overvintre og opdrætte unger, bidrager til udviklingen af ​​meget følsomme sporings-, vejlednings- og objektgenkendelsessystemer.

Mange levende organismer har analytiske systemer, som mennesker ikke har. For eksempel har græshopper en tuberkel på det 12. antennesegment, der registrerer infrarød stråling. Hajer og rokker har kanaler på hovedet og foran på kroppen, der opfatter temperaturændringer på 0,10 C. Snegle, myrer og termitter har apparater, der opfatter radioaktiv stråling. Mange reagerer på ændringer i magnetfeltet (hovedsageligt fugle og insekter, der trækker på lange afstande). Ugler, flagermus, delfiner, hvaler og de fleste insekter opfatter infra- og ultralydsvibrationer. En bis øjne reagerer på ultraviolet lys, en kakerlaks på infrarødt lys.

Klapslangens varmefølsomme organ registrerer temperaturændringer på 0,0010 C; fiskens elektriske organ (stråler, elektriske ål) opfatter potentialer på 0,01 mikrovolt, øjnene på mange natlige dyr reagerer på enkelte lysmængder, fisk fornemmer en ændring i koncentrationen af ​​et stof i vand på 1 mg/m3 (=1 µg/l).

Der findes mange flere rumlige orienteringssystemer, hvis struktur endnu ikke er undersøgt: bier og hvepse er godt orienteret af solen, hansommerfugle (f.eks. natpåfugleøje, dødens hovedhøgmøl osv.) finder en hun kl. en afstand på 10 km. Havskildpadder og mange fisk (ål, stør, laks) svømmer flere tusinde kilometer fra deres oprindelige kyster og vender umiskendeligt tilbage for at lægge æg og gyde til det samme sted, hvor de begyndte deres livsrejse. Det antages, at de har to orienteringssystemer - fjernt, ved stjernerne og solen, og nær ved lugten (kystvandets kemi).

Flagermus er som regel små, og lad os være ærlige, for mange af os ubehagelige og endda frastødende skabninger. Men det er tilfældigt at behandle dem med fordomme, hvis grundlag som regel er forskellige slags legender og overbevisninger, der udviklede sig tilbage, da folk troede på ånder og onde ånder.

Flagermusen er et unikt objekt for bioakustikforskere. Hun kan navigere helt frit i fuldstændig mørke, uden at støde ind i forhindringer. Med dårligt syn opdager og fanger flagermusen desuden små insekter på flue, skelner en flyvende myg fra en plet, der suser i vinden, et spiseligt insekt fra en smagløs mariehøne.

Den italienske videnskabsmand Lazzaro Spallanzani blev først interesseret i denne usædvanlige evne hos flagermus i 1793. Først forsøgte han at finde ud af, på hvilke måder forskellige dyr finder vej i mørke. Han formåede at fastslå: ugler og andre natlige væsner ser godt i mørket. Sandt nok, i fuldstændig mørke bliver de også, som det viser sig, hjælpeløse. Men da han begyndte at eksperimentere med flagermus, opdagede han, at et sådant fuldstændigt mørke ikke var en hindring for dem. Så gik Spallanzani videre: han fratog simpelthen flere flagermus deres syn. Og hvad? Dette ændrede ikke noget i deres adfærd, de var lige så fremragende til at jage insekter som seende mennesker. Spallanzani blev overbevist om dette, da han åbnede maven på forsøgsmus.

Interessen for mysteriet voksede. Især efter at Spallanzani stiftede bekendtskab med den schweiziske biolog Charles Jurins forsøg, som i 1799 kom til den konklusion, at flagermus kan klare sig uden syn, men enhver alvorlig høreskade er dødelig for dem. Så snart de tilstoppede deres ører med specielle kobberrør, begyndte de blindt og tilfældigt at støde ind i alle de forhindringer, der dukkede op på deres vej. Sideløbende hermed har en række forskellige eksperimenter vist, at forstyrrelser i syns-, berørings-, lugt- og smagsorganernes funktion ikke har nogen indvirkning på flagermusenes flugt.

Spallanzanis eksperimenter var uden tvivl imponerende, men de var klart forud for deres tid. Spallanzani kunne ikke besvare det vigtigste og ganske videnskabeligt korrekte spørgsmål: Hvis ikke hørelse eller syn, hvad hjælper så flagermus i dette tilfælde med at navigere så godt i rummet?

På det tidspunkt vidste de intet om ultralyd, eller at dyr kunne have nogle andre perceptionsorganer (systemer), ikke kun ører og øjne. Forresten var det i denne ånd, at nogle videnskabsmænd forsøgte at forklare Spallanzanis eksperimenter: de siger, flagermus har en subtil følesans, hvis organer højst sandsynligt er placeret i membranerne på deres vinger ...

Slutresultatet var, at Spallanzanis eksperimenter blev glemt i lang tid. Først i vores tid, mere end hundrede år senere, blev det såkaldte "spallanzaniske problem med flagermus", som videnskabsmænd selv kaldte det, løst. Dette blev muligt takket være fremkomsten af ​​nye elektronikbaserede forskningsværktøjer.

Harvard University fysiker G. Pierce var i stand til at opdage, at flagermus producerer lyde, der ligger uden for tærsklen for hørbarhed af det menneskelige øre.

Aerodynamiske elementer.

Grundlæggeren af ​​moderne aerodynamik N. E. Zhukovsky studerede omhyggeligt fuglenes flyvemekanisme og de forhold, der tillader dem at svæve i luften. Baseret på undersøgelsen af ​​fugleflyvning opstod luftfart.

Insekter har endnu mere avancerede flyvemaskiner i naturen. Med hensyn til flyveeffektivitet, relativ hastighed og manøvredygtighed har de ingen sidestykke af natur. Ideen om at skabe et fly baseret på princippet om insektflyvning afventer dens godkendelse. For at forhindre skadelige vibrationer i at opstå under flyvningen, har hurtigtflyvende insekter kitinøse fortykkelser i enderne af deres vinger. Flydesignere bruger nu lignende enheder til flyvinger og eliminerer derved faren for vibrationer.

Jet fremdrift.

Jetfremdrift, der bruges i fly, raketter og rumfartøjer, er også karakteristisk for blæksprutter - blæksprutter, blæksprutter, blæksprutter. Blækspruttens jetfremdrift er af største interesse for teknologien. I det væsentlige har blæksprutten to fundamentalt forskellige fremdriftsmekanismer. Når den bevæger sig langsomt, bruger den en stor diamantformet finne, der med jævne mellemrum bøjer. Til et hurtigt kast bruger dyret en jetfremdrift. Muskelvæv - kappen omgiver bløddyrets krop på alle sider, dens volumen er næsten halvdelen af ​​dens krops volumen. Med jetsvømmemetoden suger dyret vand ind i kappehulen gennem kappegabet. Blækspruttens bevægelse skabes ved at kaste en vandstrøm ud gennem en smal dyse (tragt). Denne dyse er udstyret med en speciel ventil, og musklerne kan dreje den og derved ændre bevægelsesretningen. Blækspruttens fremdriftssystem er meget økonomisk, takket være hvilket det kan nå hastigheder på 70 km/t, mener nogle forskere endda op til 150 km/t.

Vandflyver Kropsformen ligner en delfin. Svæveflyet er smukt og kører hurtigt og har evnen til naturligt at lege i bølgerne som en delfin, der vifter med sin finne. Kroppen er lavet af polycarbonat. Motoren er meget kraftig. Den første sådan delfin blev bygget af Innespace i 2001.

Under Første Verdenskrig led den britiske flåde store tab på grund af tyske ubåde. Det var nødvendigt at lære at opdage og spore dem. Til dette formål er der skabt specielle enheder. hydrofoner. Disse enheder skulle opdage fjendens ubåde ved støjen fra propellerne. De blev installeret på skibe, men mens skibet bevægede sig, skabte bevægelsen af ​​vand ved hydrofonens modtagehul støj, der overdøvede ubådens støj. Fysiker Robert Wood foreslog, at ingeniører lærer... af sæler, som hører godt, når de bevæger sig i vand. Som et resultat var hydrofonens modtagehul formet som en sæls øre, og hydrofonerne begyndte at "høre" selv ved fuld fart på skibet.

3. Neurobionics.

Hvilken dreng ville ikke være interesseret i at spille robotter eller se en film om Terminator eller Wolverine? De mest dedikerede bionikere er ingeniørerne, der designer robotter. Der er et synspunkt om, at robotter i fremtiden kun vil kunne fungere effektivt, hvis de minder så meget om mennesker som muligt. Udviklere af bionik går ud fra det faktum, at robotter skal fungere i bymæssige og hjemlige forhold, det vil sige i et "menneskeligt" miljø med trapper, døre og andre forhindringer af en bestemt størrelse. Derfor skal de som minimum svare til en person i størrelse og bevægelsesprincipper. Robotten skal med andre ord have ben, og hjul, spor osv. egner sig slet ikke til byen. Og hvem skal vi kopiere design af ben fra, hvis ikke dyr? En miniature, omkring 17 cm lang, seksbenet robot (hexapod) fra Stanford University kører allerede med en hastighed på 55 cm/sek.

Et kunstigt hjerte er blevet skabt af biologiske materialer. En ny videnskabelig opdagelse kan afslutte organdonormanglen.

En gruppe forskere fra University of Minnesota forsøger at skabe en fundamentalt ny metode til at behandle 22 millioner mennesker – sådan lever mange mennesker i verden med hjertesygdomme. Forskere var i stand til at fjerne muskelceller fra hjertet og bevarede kun rammen af ​​hjerteklapperne og blodkarrene. Nye celler blev transplanteret ind i denne ramme.

Bionikkens triumf - en kunstig hånd. Forskere fra Institute of Rehabilitation of Chicago formåede at skabe en bionisk protese, der tillader patienten ikke kun at kontrollere hånden med tanker, men også at genkende visse fornemmelser. Ejeren af ​​den bioniske hånd var Claudia Mitchell, som tidligere tjente i den amerikanske flåde. I 2005 blev Mitchell såret i en ulykke. Kirurger måtte amputere Mitchells venstre arm op til hendes skulder. Som følge heraf blev nerver, der kunne have været brugt til at kontrollere protesen, ikke brugt.

Fantastiske små ting "set fra naturen"

Det berømte lån blev foretaget af den schweiziske ingeniør George de
Mestral i 1955. Han gik ofte tur med sin hund og lagde mærke til, at nogle mærkelige planter hele tiden klistrede til dens pels. Efter at have studeret fænomenet fastslog de Mestral, at det var muligt takket være små kroge på frugterne af cocklebur (burre). Som et resultat indså ingeniøren vigtigheden af ​​hans opdagelse, og otte år senere patenterede han en bekvem "velcro".

Suckers blev opfundet, mens de studerede blæksprutter.

Sodavandsproducenter leder konstant efter nye måder at pakke deres produkter på. Samtidig løste et almindeligt æbletræ dette problem for længe siden. Et æble er 97% vand, pakket ikke i træpap, men i en spiselig skræl, der er appetitlig nok til at tiltrække dyr til at spise frugten og fordele kornene.

Edderkoppetråde, en fantastisk skabelse af naturen, har tiltrukket ingeniørers opmærksomhed. Nettet var prototypen til konstruktionen af ​​en bro på lange fleksible kabler og markerede dermed begyndelsen på konstruktionen af ​​stærke, smukke hængebroer.

Der er nu udviklet en ny type våben, der kan chokere fjendens tropper ved hjælp af ultralyd. Dette princip om indflydelse blev lånt fra tigre. Et rovdyrs brøl indeholder ultralave frekvenser, som, selvom de ikke opfattes af mennesker som lyd, har en lammende virkning på dem.

Scarifiernålen, der bruges til at tage blod, er designet efter princippet, der fuldstændigt gentager strukturen af ​​en flagermuss fortand, hvis bid er smertefrit og ledsages af alvorlig blødning.

Stempelsprøjten, der er kendt for os, efterligner det blodsugende apparat - myg og lopper, hvis bid enhver person er bekendt med.

Fluffy "faldskærme" bremser mælkebøttefrøens fald til jorden, ligesom en faldskærm bremser en persons fald.

Konklusion.

Bionikkens potentiale er virkelig ubegrænset...

Menneskeheden forsøger at se nærmere på naturens metoder for derefter at bruge dem klogt i teknologien. Naturen er som et kæmpestort ingeniørbureau, der altid har den rigtige vej ud af enhver situation. Det moderne menneske skal ikke ødelægge naturen, men tage den som model. Med sin mangfoldighed af flora og fauna kan naturen hjælpe en person med at finde den rigtige tekniske løsning på komplekse problemstillinger og en vej ud af enhver situation.

Det var meget interessant for mig at arbejde med dette emne. I fremtiden vil jeg fortsætte med at arbejde med at studere bionikkens resultater.

NATUREN SOM STANDARD – OG DER ER BIONIK!

Litteratur:

1. Bionics. V. Martek, red.: Mir, 1967

2. Hvad er bionik. Serien "Populærvidenskabeligt bibliotek". Astasjenkov P.T. M., Voenizdat, 1963

3. Arkitektonisk bionik Yu.S. Lebedev, V.I. Rabinovich og andre. Moskva, Stroyizdat, 1990. 4.

Brugte internetressourcer

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/Bionics

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

Oprettelse af en model i bionik- det er halvdelen af ​​kampen. For at løse et specifikt praktisk problem er det nødvendigt ikke kun at kontrollere tilstedeværelsen af ​​de modelegenskaber, der er af interesse for praksis, men også at udvikle metoder til beregning af forudbestemte tekniske egenskaber for enheden og at udvikle syntesemetoder, der sikrer opnåelsen af de indikatorer, der kræves i problemet.

Og det er derfor mange bionisk modeller, før de modtager teknisk implementering, begynder deres liv på en computer. Der opstilles en matematisk beskrivelse af modellen. Et computerprogram er kompileret fra det - bionisk model. Ved hjælp af en sådan computermodel kan forskellige parametre behandles på kort tid, og designfejl kan elimineres.

Det er rigtigt, baseret på software modellering, som regel analysere dynamikken i modellens funktion; Hvad angår den specielle tekniske konstruktion af modellen, er et sådant arbejde uden tvivl vigtigt, men deres målbelastning er anderledes. Det vigtigste i dem er at finde det bedste grundlag, hvorpå modellens nødvendige egenskaber kan genskabes mere effektivt og præcist. Akkumuleret i bionik praktisk erfaring modellering ekstremt komplekse systemer har generel videnskabelig betydning. Et stort antal af dets heuristiske metoder, absolut nødvendige i værker af denne art, er allerede blevet udbredt til at løse vigtige problemer med eksperimentel og teknisk fysik, økonomiske problemer, problemer med at designe flertrins forgrenede kommunikationssystemer osv.

I dag har bionik flere retninger.

Arkitektonisk og konstruktionsbionik studerer lovene for dannelse og strukturdannelse af levende væv, analyserer de strukturelle systemer af levende organismer på princippet om at spare materiale, energi og sikre pålidelighed. Neurobionics studerer hjernens funktion og udforsker hukommelsens mekanismer. Dyrenes sanseorganer og de indre reaktionsmekanismer for miljøet hos både dyr og planter undersøges intensivt.

Et slående eksempel på arkitektonisk og konstruktionsbionik er en komplet analogi af strukturen af ​​kornstængler og moderne højhuse. Stænglerne af kornplanter er i stand til at modstå store belastninger uden at bryde under vægten af ​​blomsterstanden. Hvis vinden bøjer dem til jorden, genopretter de hurtigt deres lodrette position. Hvad er hemmeligheden? Det viser sig, at deres struktur ligner designet af moderne højhuse fabriksrør - en af ​​de seneste resultater inden for ingeniørarbejde. Begge strukturer er hule. Plantestammens sclerenchymstrenge fungerer som langsgående forstærkning. Stænglernes internoder er ringe af stivhed. Der er ovale lodrette hulrum langs stilkens vægge. Rørvæggene har samme designløsning. Rollen som en spiralforstærkning placeret på ydersiden af ​​røret i stammen af ​​kornplanter spilles af en tynd hud. Ingeniørerne kom dog til deres konstruktive løsning på egen hånd, uden at "kigge" ind i naturen. Strukturens identitet blev senere afsløret.

I de senere år har bionik bekræftet, at de fleste menneskelige opfindelser allerede er blevet "patenteret" af naturen. Opfindelsen af ​​det 20. århundrede, såsom lynlåse og velcro, blev lavet baseret på strukturen af ​​en fugls fjer. Fjerskæg af forskellige rækkefølger, udstyret med kroge, giver pålideligt greb.

Berømte spanske arkitekter M. R. Cervera og J. Ploz, aktive tilhængere af bionik, begyndte forskning i "dynamiske strukturer" i 1985, og i 1991 organiserede de "Society for Supporting Innovation in Architecture." En gruppe under deres ledelse, som omfattede arkitekter, ingeniører, designere, biologer og psykologer, udviklede projektet "Vertical Bionic Tower City". Om 15 år skulle der dukke en tårnby op i Shanghai (ifølge videnskabsmænd kan Shanghais befolkning om 20 år nå op på 30 millioner mennesker). Tårnbyen er designet til 100 tusinde mennesker, projektet er baseret på "princippet om trækonstruktion".

Bytårnet får form som et cyprestræ med en højde på 1128 m med en omkreds i bunden på 133 gange 100 m og på det bredeste sted 166 gange 133 m. Tårnet får 300 etager, og de bliver placeret i 12 lodrette blokke på 80 etager. Mellem blokkene er der afretningsgulve, som fungerer som bærende struktur for hvert blokniveau. Inde i blokkene er der huse i forskellige højder med lodrette haver. Dette udførlige design ligner strukturen af ​​grenene og hele kronen på cyprestræet. Tårnet kommer til at stå på et pælefundament efter harmonikaprincippet, som ikke er nedgravet, men udvikler sig i alle retninger, efterhånden som det får højde - svarende til hvordan et træs rodsystem udvikler sig. Vindudsving på de øverste etager minimeres: luft passerer let gennem tårnstrukturen. For at dække tårnet vil der blive brugt et specielt plastmateriale, der efterligner den porøse overflade af læder. Hvis byggeriet lykkes, er det planlagt at bygge flere sådanne byggebyer.

I arkitektonisk og konstruktionsbionik lægges der stor vægt på nye byggeteknologier. For eksempel inden for udvikling af effektive og affaldsfrie byggeteknologier er skabelsen af ​​lagdelte strukturer en lovende retning. Idéen er lånt fra dybhavsbløddyr. Deres holdbare skaller, såsom dem fra den udbredte abalone, består af skiftevis hårde og bløde plader. Når en hård plade revner, absorberes deformationen af ​​det bløde lag, og revnen kommer ikke længere. Denne teknologi kan også bruges til at dække biler.

Hovedområderne for neurobionik er studiet af nervesystemet hos mennesker og dyr og modellering af nerveceller-neuroner og neurale netværk. Dette gør det muligt at forbedre og udvikle elektronisk og computerteknologi.

Levende organismers nervesystem har en række fordele i forhold til de mest moderne analoger opfundet af mennesket:

Fleksibel opfattelse af ekstern information, uanset hvilken form den kommer i (håndskrift, skrifttype, farve, klang, osv.).

Høj pålidelighed: Tekniske systemer svigter, når en eller flere dele går i stykker, og hjernen forbliver operationel, selvom flere hundrede tusinde celler dør.

Miniature. For eksempel vil en transistorenhed med det samme antal elementer som den menneskelige hjerne optage et volumen på omkring 1000 m3, mens vores hjerne optager et volumen på 1,5 dm3.

Energieffektivitet - forskellen er ganske enkelt indlysende.

En høj grad af selvorganisering - hurtig tilpasning til nye situationer og ændringer i aktivitetsprogrammer.

Eiffeltårnet og skinnebenet

Til 100-året for den franske revolution blev der arrangeret en verdensudstilling i Paris. På denne udstillings område var det planlagt at opføre et tårn, der skulle symbolisere både den franske revolutions storhed og de seneste teknologiske landvindinger. Mere end 700 projekter blev indsendt til konkurrencen; det bedste blev anerkendt som broingeniør Alexandre Gustave Eiffels projekt. I slutningen af ​​det 19. århundrede forbløffede tårnet, opkaldt efter dets skaber, hele verden med dets gennembrudte og skønhed. Det 300 meter høje tårn er blevet en slags symbol på Paris. Der var rygter om, at tårnet blev bygget efter tegningerne af en ukendt arabisk videnskabsmand. Og kun mere end et halvt århundrede senere gjorde biologer og ingeniører en uventet opdagelse: designet af Eiffeltårnet replikerer nøjagtigt strukturen af ​​skinnebenet, som let kan modstå vægten af ​​den menneskelige krop. Selv vinklerne mellem de bærende flader er sammenfaldende. Dette er endnu et godt eksempel bionik I aktion.

Naturen og mennesker bygger efter de samme love, idet de overholder princippet om at spare materiale og vælge optimale designløsninger til de systemer, der skabes (belastningsomfordeling, stabilitet, materialebesparelse, energi).

Videnskaben, der studerer levende organismers struktur og funktion for at bruge dette til at løse tekniske problemer og skabe nye enheder og mekanismer, kaldes bionik (fra det græske bios "liv"). Dette udtryk blev første gang brugt den 13. september 1960 i Daytona ved det amerikanske nationale symposium "Living Prototypes - the Key to New Technology" og udpegede en ny videnskabelig retning, der opstod i skæringspunktet mellem biologi og teknik. Leonardo da Vinci betragtes som bionikkens forfader. Hans tegninger og diagrammer af fly er baseret på strukturen af ​​en fugls vinge.

I lang tid udviklede bionikken sig med spring og grænser. Først fandt ingeniører og designere en vellykket løsning på et problem, og efter nogen tid blev det opdaget, at levende organismer har lignende designløsninger og som regel optimale.

I dag har bionik flere retninger. Arkitektonisk og konstruktionsbionik studerer lovene for dannelse og strukturdannelse af levende væv, analyserer de strukturelle systemer af levende organismer på princippet om at spare materiale, energi og sikre pålidelighed. Neurobionics studerer hjernens funktion og udforsker hukommelsens mekanismer. Dyrenes sanseorganer og de indre reaktionsmekanismer for miljøet hos både dyr og planter undersøges intensivt.

Et slående eksempel på arkitektonisk og konstruktionsbionik er en komplet analogi af strukturen af ​​kornstængler og moderne højhuse. Stænglerne af kornplanter er i stand til at modstå store belastninger uden at bryde under vægten af ​​blomsterstanden. Hvis vinden bøjer dem til jorden, genopretter de hurtigt deres lodrette position. Hvad er hemmeligheden? Det viser sig, at deres struktur ligner designet af moderne højhuse fabriksrør - en af ​​de seneste resultater inden for ingeniørarbejde. Begge strukturer er hule. Plantestammens sclerenchymstrenge fungerer som langsgående forstærkning. Stænglernes internoder er ringe af stivhed. Der er ovale lodrette hulrum langs stilkens vægge. Rørvæggene har samme designløsning. Rollen som en spiralforstærkning placeret på ydersiden af ​​røret i stammen af ​​kornplanter spilles af en tynd hud. Ingeniørerne kom dog til deres konstruktive løsning på egen hånd, uden at "kigge" ind i naturen. Strukturens identitet blev senere afsløret.

I de senere år har bionik bekræftet, at de fleste menneskelige opfindelser allerede er blevet "patenteret" af naturen. Opfindelsen af ​​det 20. århundrede, såsom lynlåse og velcro, blev lavet baseret på strukturen af ​​en fugls fjer. Fjerskæg af forskellige rækkefølger, udstyret med kroge, giver pålideligt greb.

Berømte spanske arkitekter M.R. Cervera og H. Ploz, aktive tilhængere af bionik, begyndte at forske i "dynamiske strukturer" i 1985, og i 1991 organiserede de "Society for Supporting Innovation in Architecture." En gruppe under deres ledelse, som omfattede arkitekter, ingeniører, designere, biologer og psykologer, udviklede projektet "Vertical Bionic Tower City". Om 15 år skulle der dukke en tårnby op i Shanghai (ifølge videnskabsmænd kan Shanghais befolkning om 20 år nå op på 30 millioner mennesker). Tårnbyen er designet til 100 tusinde mennesker, projektet er baseret på "princippet om trækonstruktion".

Bytårnet får form som et cyprestræ med en højde på 1128 m med en omkreds i bunden på 133 gange 100 m og på det bredeste sted 166 gange 133 m. Tårnet får 300 etager, og de bliver placeret i 12 lodrette blokke på 80 etager. Mellem blokkene er der afretningsgulve, som fungerer som bærende struktur for hvert blokniveau. Inde i blokkene er der huse i forskellige højder med lodrette haver. Dette udførlige design ligner strukturen af ​​grenene og hele kronen på cyprestræet. Tårnet kommer til at stå på et pælefundament efter harmonikaprincippet, som ikke er nedgravet, men udvikler sig i alle retninger, efterhånden som det får højde - svarende til hvordan et træs rodsystem udvikler sig. Vindudsving på de øverste etager minimeres: luft passerer let gennem tårnstrukturen. For at dække tårnet vil der blive brugt et specielt plastmateriale, der efterligner den porøse overflade af læder. Hvis byggeriet lykkes, er det planlagt at bygge flere sådanne byggebyer.

I arkitektonisk og konstruktionsbionik lægges der stor vægt på nye byggeteknologier. For eksempel inden for udvikling af effektive og affaldsfrie byggeteknologier er skabelsen af ​​lagdelte strukturer en lovende retning. Idéen er lånt fra dybhavsbløddyr. Deres holdbare skaller, såsom dem fra den udbredte abalone, består af skiftevis hårde og bløde plader. Når en hård plade revner, absorberes deformationen af ​​det bløde lag, og revnen kommer ikke længere. Denne teknologi kan også bruges til at dække biler.

Hovedområderne for neurobionik er studiet af nervesystemet hos mennesker og dyr og modellering af nerveceller-neuroner og neurale netværk. Dette gør det muligt at forbedre og udvikle elektronisk og computerteknologi.

Levende organismers nervesystem har en række fordele i forhold til de mest moderne analoger opfundet af mennesket:
1. Fleksibel opfattelse af ekstern information, uanset hvilken form den kommer i (håndskrift, skrifttype, farve, klang, etc.).
2. Høj pålidelighed: Tekniske systemer svigter, når en eller flere dele går i stykker, og hjernen forbliver operationel, selvom selv flere hundrede tusinde celler dør.
3. Miniature. For eksempel vil en transistorenhed med det samme antal elementer som den menneskelige hjerne optage et volumen på omkring 1000 m 3, mens vores hjerne optager et volumen på 1,5 dm 3.
4. Økonomisk energiforbrug - forskellen er ganske enkelt indlysende.
5. Høj grad af selvorganisering - hurtig tilpasning til nye situationer og ændringer i aktivitetsprogrammer.

Studiet af hukommelsesmekanismer fører til skabelsen af ​​"tænkende" maskiner til at automatisere komplekse produktions- og styringsprocesser.

Det har længe været kendt, at fugle, fisk og insekter reagerer meget følsomt og præcist på vejrændringer. Den lave flugt af svaler varsler et tordenvejr. Ved ophobning af vandmænd nær kysten vil fiskere vide, at de kan fiske, havet vil være roligt. "Biosynoptiske" dyr er naturligt udstyret med unikke ultrafølsomme "enheder". Bionics opgave er ikke kun at finde disse mekanismer, men også at forstå deres handling og genskabe den i elektroniske kredsløb, enheder og strukturer.

Studiet af det komplekse navigationssystem for fisk og fugle, der dækker tusindvis af kilometer under vandringer og fejlfrit vender tilbage til deres steder for at gyde, overvintre og opdrætte unger, bidrager til udviklingen af ​​meget følsomme sporings-, vejlednings- og objektgenkendelsessystemer.

I øjeblikket yder forskning i dyrs og menneskers analytiske systemer et stort bidrag til den videnskabelige og teknologiske udvikling. Disse systemer er så komplekse og følsomme, at de endnu ikke har nogen lige blandt tekniske enheder. For eksempel registrerer klapperslangens varmefølsomme organ temperaturændringer på 0,0010C; fiskens elektriske organ (stråler, elektriske ål) opfatter potentialer på 0,01 mikrovolt, øjnene på mange natlige dyr reagerer på enkelte lysmængder, fisk fornemmer en ændring i koncentrationen af ​​et stof i vand på 1 mg/m3 (=1 µg/l).

Mange levende organismer har analytiske systemer, som mennesker ikke har. For eksempel har græshopper en tuberkel på det 12. antennesegment, der registrerer infrarød stråling. Hajer og rokker har kanaler på hovedet og foran på kroppen, der mærker temperaturændringer på 0,10C. Snegle, myrer og termitter har enheder, der registrerer radioaktiv stråling. Mange reagerer på ændringer i magnetfeltet (hovedsageligt fugle og insekter, der trækker på lange afstande). Der er dem, der opfatter infra- og ultralydsvibrationer: ugler, flagermus, delfiner, hvaler, de fleste insekter osv. En bis øjne reagerer på ultraviolet lys, en kakerlak - på infrarød osv.

Der findes mange flere rumlige orienteringssystemer, hvis struktur endnu ikke er undersøgt: bier og hvepse er godt orienteret af solen, hansommerfugle (f.eks. natpåfugleøje, dødens hovedhøgmøl osv.) finder en hun kl. en afstand på 10 km. Havskildpadder og mange fisk (ål, stør, laks) svømmer flere tusinde kilometer fra deres oprindelige kyster og vender umiskendeligt tilbage for at lægge æg og gyde til det samme sted, hvor de begyndte deres livsrejse. Det antages, at de har to orienteringssystemer - fjernt, ved stjernerne og solen, og nær ved lugten (kystvandets kemi).

Hvorfor er naturen så langt foran mennesket på det nuværende teknologiske udviklingsniveau? For det første, for at forstå strukturen og driftsprincippet for et levende system, modellere det og implementere det i specifikke strukturer og enheder, er universel viden nødvendig. Og i dag, efter en lang proces med fragmentering af videnskabelige discipliner, begynder behovet for en sådan organisering af viden, der ville gøre det muligt for dem at blive omfavnet og forenet på grundlag af fælles universelle principper, kun at dukke op.

Og for det andet, i den levende natur, opretholdes konstanten af ​​biologiske systemers former og strukturer gennem deres kontinuerlige restaurering, da vi har at gøre med strukturer, der kontinuerligt ødelægges og genoprettes. Hver celle har sin egen delingsperiode, sin egen livscyklus. I alle levende organismer kompenserer forfalds- og restaureringsprocesserne hinanden, og hele systemet er i dynamisk ligevægt, hvilket gør det muligt at tilpasse sig, genopbygge dets strukturer i overensstemmelse med skiftende forhold. Hovedbetingelsen for eksistensen af ​​biologiske systemer er deres kontinuerlige funktion. Tekniske systemer skabt af mennesket har ikke en intern dynamisk ligevægt af forfalds- og restaureringsprocesserne, og i denne forstand er de statiske. Deres operation er normalt periodisk. Denne forskel mellem naturlige og tekniske systemer er meget væsentlig fra et ingeniørmæssigt synspunkt.

Levende systemer er meget mere forskelligartede og komplekse end tekniske strukturer. Biologiske former kan ofte ikke beregnes på grund af deres ekstraordinære kompleksitet. Vi kender simpelthen endnu ikke lovene for deres dannelse. Hemmelighederne bag strukturdannelsen af ​​levende organismer, detaljerne i de livsprocesser, der forekommer i dem, strukturen og principperne for funktion kan kun læres ved hjælp af det mest moderne udstyr, som ikke altid er tilgængeligt. Men selv med den nyeste teknologi er der meget tilbage bag kulisserne.

Bionics (fra det græske biōn - element af liv, bogstaveligt talt - levende), en videnskab, der grænser op til biologi og teknologi, der løser tekniske problemer baseret på en analyse af organismers struktur og vitale aktivitet. Biologi er tæt forbundet med biologi, fysik, kemi, kybernetik og ingeniørvidenskaber - elektronik, navigation, kommunikation, maritime anliggender osv.

Ideen om at bruge viden om levende natur til at løse tekniske problemer tilhører Leonardo da Vinci, der forsøgte at bygge et fly med flagrende vinger, som fuglenes - en ornithopter. Fremkomsten af ​​kybernetik, som overvejer de generelle principper for kontrol og kommunikation i levende organismer og maskiner, er blevet et incitament til en bredere undersøgelse af strukturen og funktionerne af levende systemer for at klarlægge deres fælles lighed med tekniske systemer, samt brug den information, der opnås om levende organismer for at skabe nye anordninger, mekanismer, materialer mv. I 1960 blev det første symposium om biokemi afholdt i Daytona (USA), som formaliserede fødslen af ​​en ny videnskab.

De vigtigste arbejdsområder inden for biologi dækker følgende problemer: studiet af nervesystemet hos mennesker og dyr og modellering af nerveceller - neuroner - og neurale netværk til yderligere forbedring af computerteknologi og udvikling af nye elementer og enheder til automatisering og telemekanik (neurobionik); forskning i levende organismers sanseorganer og andre perceptive systemer for at udvikle nye sensorer og detektionssystemer; at studere principperne for orientering, placering og navigation hos forskellige dyr til brug af disse principper i teknologi; undersøgelse af de morfologiske, fysiologiske, biokemiske egenskaber ved levende organismer for at fremsætte nye tekniske og videnskabelige ideer.

Undersøgelser af nervesystemet har vist, at det har en række vigtige og værdifulde funktioner og fordele i forhold til alle de mest moderne computerenheder. Disse funktioner, hvis undersøgelse er meget vigtig for yderligere forbedring af elektroniske computersystemer, er følgende: 1) Meget perfekt og fleksibel opfattelse af ekstern information, uanset hvilken form den ankommer i (f.eks. håndskrift, skrifttype, tekstfarve, tegninger, klangfarve og andre stemmetræk osv.). 2) Høj pålidelighed, der væsentligt overstiger pålideligheden af ​​tekniske systemer (sidstnævnte fejler, når en eller flere dele går i stykker i kredsløbet; hvis millioner af nerveceller ud af de milliarder, som hjernen udgør, dør, opretholdes systemets funktionalitet). 3) Miniature af elementerne i nervesystemet: med antallet af elementer 1010-1011 er volumenet af den menneskelige hjerne 1,5 dm3. En transistorenhed med det samme antal elementer ville optage et volumen på flere hundrede eller endda tusinder m3. 4) Økonomisk drift: energiforbruget i den menneskelige hjerne overstiger ikke flere titusinder af watt. 5) En høj grad af selvorganisering af nervesystemet, hurtig tilpasning til nye situationer, til ændringer i aktivitetsprogrammer.

Forsøg på at modellere nervesystemet hos mennesker og dyr begyndte med konstruktionen af ​​analoger af neuroner og deres netværk. Forskellige typer af kunstige neuroner er blevet udviklet (fig. 1). Der er skabt kunstige "nervenetværk", der er i stand til selvorganisering, det vil sige at vende tilbage til stabile tilstande, når de er taget ud af balance. Studiet af hukommelse og andre egenskaber ved nervesystemet er den vigtigste måde at skabe "tænkende" maskiner til at automatisere komplekse produktions- og styringsprocesser. Studiet af de mekanismer, der sikrer nervesystemets pålidelighed, er meget vigtigt for teknologien, fordi løsning af dette primære tekniske problem vil være nøglen til at sikre pålideligheden af ​​en række tekniske systemer (f.eks. flyudstyr, der indeholder 105 elektroniske elementer).

Forskning af analysatorsystemer. Hver analysator af dyr og mennesker, som opfatter forskellige stimuli (lys, lyd osv.), består af en receptor (eller sanseorgan), veje og et hjernecenter. Disse er meget komplekse og følsomme formationer, der ikke har nogen lige blandt tekniske enheder. Miniature og pålidelige sensorer, ikke ringere i følsomhed over for f.eks. øjet, som reagerer på enkelte lysmængder, en klapperslanges varmefølsomme organ, som skelner mellem temperaturændringer på 0,001 °C, eller fiskens elektriske organ, som opfatter potentialer i brøkdele af en mikrovolt, kunne fremskynde processen betydeligt, teknologiske fremskridt og videnskabelig forskning.

Gennem den vigtigste analysator - den visuelle - kommer størstedelen af ​​informationen ind i den menneskelige hjerne. Fra et ingeniørmæssigt synspunkt er følgende funktioner i den visuelle analysator interessante: en bred vifte af følsomhed - fra enkeltkvanter til intense lysstrømme; ændring i synets klarhed fra centrum til periferi; kontinuerlig sporing af objekter i bevægelse; tilpasning til et statisk billede (for at se et stationært objekt laver øjet små oscillerende bevægelser med en frekvens på 1-150 Hz). Til tekniske formål er udviklingen af ​​en kunstig nethinde af interesse. (Nethinden er en meget kompleks formation; for eksempel har det menneskelige øje 108 fotoreceptorer, som er forbundet til hjernen ved hjælp af 106 ganglieceller.) En version af den kunstige nethinde (svarende til nethinden i et frøøje) består af 3 lag: den første omfatter 1800 fotoreceptorceller, den anden - "neuroner", der opfatter positive og hæmmende signaler fra fotoreceptorer og bestemmer billedkontrasten; i det tredje lag er der 650 "celler" af fem forskellige typer. Disse undersøgelser gør det muligt at oprette automatiske genkendelsessporingsenheder. At studere fornemmelsen af ​​rumlig dybde, når man ser med det ene øje (monokulært syn) gjorde det muligt at skabe en rumlig dybdemåler til analyse af luftfotos.

Der arbejdes på at efterligne den auditive analysator af mennesker og dyr. Denne analysator er også meget følsom - personer med akut hørelse opfatter lyd, når trykket i øregangen svinger omkring 10 µn/m2 (0,0001 dyn/cm2). Det er også teknisk interessant at studere mekanismen for informationsoverførsel fra øret til det auditive område af hjernen. Dyrenes lugteorganer undersøges for at skabe en "kunstig næse" - en elektronisk enhed til at analysere små koncentrationer af lugtende stoffer i luft eller vand [nogle fisk fornemmer en koncentration af et stof på flere mg/m3 (µg/l )]. Mange organismer har analytiske systemer, som mennesker ikke har. For eksempel har en græshoppe en tuberkel på det 12. antennesegment, der opfatter infrarød stråling; hajer og rokker har kanaler på hovedet og i den forreste del af kroppen, der opfatter temperaturændringer på 0,1 ° C. Snegle og myrer er følsomme over for radioaktiv stråling. Fisk opfatter tilsyneladende vildfarne strømme forårsaget af elektrificeringen af ​​luften (dette er bevist ved, at fisken bevæger sig til dybder før et tordenvejr). Myg bevæger sig ad lukkede ruter inden for et kunstigt magnetfelt. Nogle dyr fornemmer infra- og ultralydsvibrationer godt. Nogle vandmænd reagerer på infrasoniske vibrationer, der opstår før en storm. Flagermus udsender ultralydsvibrationer i området 45-90 kHz, og de møl, de lever af, har organer, der er følsomme over for disse bølger. Ugler har også en "ultralydsmodtager" til at opdage flagermus.

Det er sandsynligvis lovende at designe ikke kun tekniske analoger af dyresanseorganer, men også tekniske systemer med biologisk følsomme elementer (for eksempel øjnene på en bi til at detektere ultraviolette stråler og øjnene på en kakerlak til at detektere infrarøde stråler).

Af stor betydning i teknisk design er de såkaldte. Perceptroner er "selv-lærende" systemer, der udfører logiske funktioner med genkendelse og klassificering. De svarer til hjernecentre, hvor modtaget information behandles. Det meste forskning er afsat til genkendelse af visuelle, lyd eller andre billeder, det vil sige dannelsen af ​​et signal eller kode, der entydigt svarer til et objekt. Genkendelse skal udføres uanset ændringer i billedet (f.eks. dets lysstyrke, farve osv.), mens dets grundlæggende betydning bevares. Sådanne selvorganiserende kognitive enheder fungerer uden forudgående programmering med gradvis træning udført af en menneskelig operatør; det præsenterer billeder, signalerer fejl og forstærker korrekte svar. Perceptronens inputenhed er dets perceptive receptorfelt; når man genkender visuelle objekter, er det et sæt fotoceller.

Efter en periode med "træning" kan perceptronen træffe selvstændige beslutninger. Ud fra perceptroner skabes der apparater til at læse og genkende tekst, tegninger, analysere oscillogrammer, røntgenbilleder mv.

Studiet af detektions-, navigations- og orienteringssystemer hos fugle, fisk og andre dyr er også en af ​​biologiens vigtige opgaver, fordi miniature og nøjagtige opfattelses- og analysesystemer, der hjælper dyr med at navigere, finde bytte og migrere tusinder af kilometer (se Dyrevandringer) kan hjælpe med at forbedre instrumenter, der bruges i luftfart, maritime anliggender osv. Ultralydsplacering er blevet opdaget i flagermus, en række marine dyr (fisk, delfiner). Det er kendt, at havskildpadder svømmer flere tusinde kilometer ud i havet og altid vender tilbage til det samme sted på kysten for at lægge æg. Det antages, at de har to systemer: langdistanceorientering ved stjerner og kortdistanceorientering ved lugt (kemi af kystvande). Natpåfuglehannen søger efter en hun i en afstand på op til 10 km. Bier og hvepse navigerer godt efter solen. Forskning i disse mange og varierede detektionssystemer har meget at tilbyde teknologi.

Studiet af de morfologiske træk ved levende organismer giver også nye ideer til teknisk design. At studere strukturen af ​​huden på højhastighedsvanddyr (for eksempel er en delfins hud ikke fugtet og har en elastisk-elastisk struktur, som sikrer eliminering af turbulent turbulens og glidning med minimal modstand) har gjort det muligt at øge farten på skibe. En speciel belægning blev skabt - kunstlæder "laminflo" (fig. 2), som gjorde det muligt at øge hastigheden af ​​havfartøjer med 15-20%. Diptera-insekter har vedhæng - halter, som konstant vibrerer sammen med vingerne. Når flyveretningen ændres, ændres halternes bevægelsesretning ikke, bladstilken, der forbinder dem med kroppen, strækkes, og insektet modtager et signal om at ændre flyveretningen. En gyrotron (fig. 3) er bygget på dette princip - en gaffelvibrator, der giver høj stabilisering af flyets flyveretning ved høje hastigheder. Et fly med en gyrotron kan automatisk genoprettes fra et spin. Insekternes flugt er ledsaget af lavt energiforbrug. En af grundene til dette er den særlige form for vingebevægelse, der ligner et ottetal.

Vindmøller med bevægelige vinger udviklet efter dette princip er meget økonomiske og kan fungere ved lave vindhastigheder. Nye principper for flyvning, hjulløs bevægelse, konstruktion af lejer, forskellige manipulatorer mv. er udviklet med udgangspunkt i studiet af fugles og insekters flugt, bevægelse af hoppende dyr, strukturen af ​​led mv. Analyse af knoglestrukturen, som sikrer dens større lethed og samtidig styrke, kan åbne op for nye muligheder inden for byggeri mv.

Ny teknologi baseret på biokemiske processer, der forekommer i organismer, er også i det væsentlige problem B. I denne forbindelse er studiet af biosynteseprocesser og bioenergi af stor betydning, fordi energimæssigt er biologiske processer (for eksempel muskelsammentrækning) ekstremt økonomiske. Samtidig med teknologiens fremskridt, som er sikret af biologiens succeser, gavner det også selve biologien, fordi hjælper med aktivt at forstå og modellere visse biologiske fænomener eller strukturer.

Bionics slogan er: "Naturen ved bedst." Hvad er det for en videnskab? Selve navnet og dette motto får os til at forstå, at bionik er forbundet med naturen. Mange af os møder elementer og resultater af bionikkens videnskab hver dag uden at vide det.

Har du hørt om sådan en videnskab som bionik?

Biologi er en populær viden, som vi bliver introduceret til i skolen. Af en eller anden grund tror mange mennesker, at bionik er et af biologiens underområder. Faktisk er denne udtalelse ikke helt korrekt. Faktisk er bionik i ordets snævre betydning en videnskab, der studerer levende organismer. Men oftest er vi vant til at forbinde noget andet med denne undervisning. Anvendt bionik er en videnskab, der kombinerer biologi og teknologi.

Genstand og genstand for bionisk forskning

Hvad studerer bionik? For at besvare dette spørgsmål skal vi overveje den strukturelle opdeling af selve undervisningen.

Biologisk bionik udforsker naturen, som den er, uden at forsøge at blande sig. Formålet med dens undersøgelse er de processer, der foregår indeni

Teoretisk bionik beskæftiger sig med studiet af de principper, der er blevet bemærket i naturen, og skaber på baggrund af dem en teoretisk model, som efterfølgende bruges i teknologien.

Praktisk (teknisk) bionik er anvendelsen af ​​teoretiske modeller i praksis. Så at sige den praktiske introduktion af naturen i den tekniske verden.

Hvor startede det hele?

Den store Leonardo da Vinci kaldes bionikkens fader. I noterne fra dette geni kan man finde de første forsøg på den tekniske implementering af naturlige mekanismer. Da Vincis tegninger illustrerer hans ønske om at skabe et fly, der er i stand til at bevæge sine vinger, som en fugl, der flyver. På et tidspunkt var sådanne ideer for vovede til at blive populære. De tiltrak sig opmærksomhed meget senere.

Den første person til at anvende bionikkens principper i arkitektur var Antoni Gaudí i Cournet. Hans navn er fast indprentet i denne videnskabs historie. Arkitektoniske strukturer designet af den store Gaudi var imponerende på tidspunktet for deres konstruktion, og de fremkalder den samme glæde mange år senere blandt moderne iagttagere.

Den næste person til at støtte ideen om symbiosen mellem natur og teknologi var Under hans ledelse begyndte den udbredte brug af bioniske principper i bygningsdesign.

Etableringen af ​​bionik som en uafhængig videnskab fandt sted først i 1960 ved et videnskabeligt symposium i Daytona.

Udviklingen af ​​computerteknologi og matematisk modellering giver moderne arkitekter mulighed for at implementere naturens signaler i arkitektur og andre industrier meget hurtigere og med større nøjagtighed.

Naturlige prototyper af tekniske opfindelser

Det enkleste eksempel på videnskaben om bionik er opfindelsen af ​​hængsler. Fastgørelsen er velkendt for alle, baseret på princippet om rotation af en del af strukturen omkring en anden. Dette princip bruges af muslingeskaller til at styre deres to ventiler og åbne eller lukke dem efter behov. Stillehavsgigantiske hjertefisk når størrelser på 15-20 cm.. Det hængslede princip i at forbinde deres skaller er tydeligt synligt med det blotte øje. Små repræsentanter for denne art bruger den samme metode til fastgørelse af ventilerne.

I hverdagen bruger vi ofte en række forskellige pincet. Godwittens skarpe og tangformede næb bliver en naturlig analog til en sådan enhed. Disse fugle bruger et tyndt næb, stikker det ind i blød jord og fjerner små biller, orme osv.

Mange moderne enheder og enheder er udstyret med sugekopper. For eksempel bruges de til at forbedre designet af benene på forskellige køkkenmaskiner for at forhindre dem i at glide under drift. Sugekopper bruges også til at udstyre vinduespudsernes specielle sko i højhuse for at sikre deres sikre fiksering. Denne simple enhed er også lånt fra naturen. Løvfrøen, der har sugekopper på benene, holder sig usædvanligt behændigt på planters glatte og glatte blade, og blæksprutten har brug for dem til tæt kontakt med sine ofre.

Du kan finde mange sådanne eksempler. Bionics er netop den videnskab, der hjælper mennesker med at låne tekniske løsninger fra naturen til deres opfindelser.

Hvem kommer først - naturen eller mennesker?

Nogle gange sker det, at en eller anden opfindelse af menneskeheden længe har været "patenteret" af naturen. Det vil sige, at opfindere, når de skaber noget, ikke kopierer, men selv kommer med teknologien eller driftsprincippet, og senere viser det sig, at det har eksisteret i naturen i lang tid, og man kunne simpelthen spionere på det og adoptere det .

Det skete med den sædvanlige velcrolukning, som bruges af en person til at fastgøre tøj. Det er bevist, at kroge, der ligner dem, der findes på velcro, også bruges til at forbinde tynde modhager sammen.

Strukturen af ​​fabriksskorstene ligner de hule stængler af korn. Den langsgående armering, der anvendes i rør, ligner sclerenchymstrengene i stilken. Stål afstivningsringe - mellemrum. Den tynde hud på ydersiden af ​​stilken er en analog af spiralforstærkning i strukturen af ​​rør. På trods af strukturens kolossale lighed opfandt videnskabsmænd uafhængigt netop en sådan metode til at konstruere fabriksrør og så først senere identiteten af ​​en sådan struktur med naturlige elementer.

Bionik og medicin

Brugen af ​​bionik i medicin gør det muligt at redde mange patienters liv. Uden at stoppe arbejdes der på at skabe kunstige organer, der kan fungere i symbiose med den menneskelige krop.

Danskeren Dennis Aabo var den første til at teste den. Han mistede halvdelen af ​​sin arm, men har nu evnen til at opfatte genstande ved berøring ved hjælp af en medicinsk opfindelse. Hans protese er forbundet med nerveenderne i det skadede lem. Kunstige fingersensorer er i stand til at indsamle information om at røre ved genstande og overføre den til hjernen. Designet er endnu ikke færdiggjort, det er meget omfangsrigt, hvilket gør det svært at bruge i hverdagen, men nu kan vi kalde denne teknologi for en reel opdagelse.

Al forskning i denne retning er udelukkende baseret på kopiering af naturlige processer og mekanismer og deres tekniske implementering. Dette er medicinsk bionik. Anmeldelser fra videnskabsmænd siger, at deres arbejde snart vil gøre det muligt at erstatte slidte levende menneskelige organer og bruge mekaniske prototyper i stedet. Dette vil virkelig være det største gennembrud inden for medicin.

Bionics i arkitektur

Arkitektonisk og konstruktionsbionik er en særlig gren af ​​bionisk videnskab, hvis opgave er den organiske genforening af arkitektur og natur. For nylig, oftere og oftere, når de designer moderne strukturer, vender de sig til bioniske principper lånt fra levende organismer.

I dag er arkitektonisk bionik blevet en separat arkitektonisk stil. Det blev født fra en simpel kopiering af formularer, og nu er opgaven for denne videnskab blevet at vedtage principperne, organisatoriske funktioner og teknisk implementere dem.

Nogle gange kaldes denne arkitektoniske stil for øko-stil. Dette skyldes, at de grundlæggende regler for bionik er:

• søge efter optimale løsninger;
• princippet om at spare materialer;
• princippet om maksimal miljøvenlighed;
• princippet om energibesparelse.

Som du kan se, er bionik i arkitektur ikke kun imponerende former, men også progressive teknologier, der gør det muligt at skabe en struktur, der opfylder moderne krav.

Karakteristika for arkitektoniske bioniske bygninger

Baseret på tidligere erfaringer inden for arkitektur og byggeri kan vi sige, at alle menneskelige strukturer er skrøbelige og kortlivede, hvis de ikke bruger naturens love. Bioniske bygninger er ud over fantastiske former og dristige arkitektoniske løsninger robuste og i stand til at modstå ugunstige naturfænomener og katastrofer.

I det ydre af bygninger bygget i denne stil kan man se elementer af relieffer, former og konturer, dygtigt kopieret af designingeniører fra levende, naturlige genstande og mesterligt inkarneret af bygningsarkitekter.

Hvis det pludselig, når du overvejer et arkitektonisk objekt, ser ud til, at du ser på et kunstværk, er der stor sandsynlighed for, at der foran dig er en bygning i bionisk stil. Eksempler på sådanne strukturer kan ses i næsten alle hovedstæder i lande og store teknologisk avancerede byer i verden.

Design til det nye årtusinde

Tilbage i 90'erne skabte et spansk team af arkitekter et byggeprojekt baseret på et helt nyt koncept. Dette er en 300-etagers bygning, hvis højde vil overstige 1200 m. Det er planlagt, at bevægelse langs dette tårn vil finde sted ved hjælp af fire hundrede lodrette og vandrette elevatorer, hvis hastighed er 15 m/s. Det land, der gik med til at sponsorere dette projekt, var Kina. Den mest folkerige by, Shanghai, blev valgt til byggeri. Gennemførelsen af ​​projektet vil løse det demografiske problem i regionen.

Tårnet får en fuldstændig bionisk struktur. Arkitekter mener, at kun dette kan sikre strukturens styrke og holdbarhed. Prototypen af ​​strukturen er et cyprestræ. Den arkitektoniske sammensætning vil ikke kun have en cylindrisk form, der ligner en træstamme, men også "rødder" - en ny type bionisk fundament.

Bygningens ydre beklædning er et plastik og åndbart materiale, der efterligner træbark. Klimaanlægget i denne lodrette by vil være analogt med hudens varmeregulerende funktion.

Ifølge videnskabsmænd og arkitekter vil en sådan bygning ikke forblive den eneste af sin slags. Efter vellykket implementering vil antallet af bioniske bygninger i planetens arkitektur kun stige.

Bioniske bygninger omkring os

Hvilke berømte kreationer har brugt bionikkens videnskab? Eksempler på sådanne strukturer er lette at finde. Tag for eksempel processen med at skabe Eiffeltårnet. I lang tid var der rygter om, at dette 300 meter lange symbol på Frankrig blev bygget efter tegningerne af en ukendt arabisk ingeniør. Senere blev dens fuldstændige analogi med strukturen af ​​den menneskelige tibia afsløret.

Ud over Eiffeltårnet kan du finde mange eksempler på bioniske strukturer over hele verden:

• blev opført i analogi med en lotusblomst.
• Beijing National Opera House - imiteret vanddråbe.
• Svømmekompleks i Beijing. Udvendigt gentager den vandgitterets krystallinske struktur. En fantastisk designløsning kombinerer også strukturens nyttige evne til at akkumulere solenergi og efterfølgende bruge den til at drive alle elektriske apparater, der arbejder i bygningen.
• Aqua-skyskraberen ligner en strøm af faldende vand. Beliggende i Chicago.
• Huset til grundlæggeren af ​​arkitektonisk bionik, Antonio Gaudi, er en af ​​de første bioniske strukturer. Den dag i dag har det bevaret sin æstetiske værdi og er stadig et af de mest populære turiststeder i Barcelona.

Viden alle har brug for

Sammenfattende kan vi roligt sige: alt, hvad bionik studerer, er relevant og nødvendigt for udviklingen af ​​det moderne samfund. Alle bør blive fortrolige med bionikkens videnskabelige principper. Uden denne videnskab er det umuligt at forestille sig tekniske fremskridt inden for mange områder af menneskelig aktivitet. Bionics er vores fremtid i fuldstændig harmoni med naturen.