Stulnikov Maxim

Výskumná práca na tému "Bionika - veda najväčších možností"

Stiahnuť ▼:

Náhľad:

Krajská vedecká a praktická konferencia

v rámci regionálneho fóra mládeže

"Budúcnosť sme my!"

Prírodovedný smer (fyzika, biológia)

Výskumná práca na danú tému

"Bionika - veda o najväčších možnostiach"

Mestská rozpočtová vzdelávacia inštitúcia "Organizovaná škola č. 7" v Petrovsku, Saratovská oblasť

Lídri:

Filyanina Olga Alexandrovna,

Učiteľ chémie a biológie

Gerasimova Natalya Anatolevna,

učiteľka matematiky a fyziky,

Petrovsk

apríla 2014

1. Úvod s. 3-4
2. Od antiky po modernu. s. 5-6
3. Bionické sekcie:

3.1. architektonická a stavebná bionika; s. 6-8

3.2. biomechanika; s.8-12

3.3. neurobionika. s.13-14

4. Veľké maličkosti, „videné z prírody“. s. 14-15

5. Záver strana 16

6. Literatúra a použité internetové zdroje. strana 16

Vták -

Aktívne

Podľa matematického zákona

nástroj,

Ak chcete urobiť,

v ľudskej moci...

Leonardo da Vinci.

Chceli by ste preletieť ponad autá jedným skokom, pohybovať sa ako Spider-Man, zbadať nepriateľov niekoľko kilometrov ďaleko a ohýbať oceľové trámy rukami? Musíme predpokladať, že áno, ale, bohužiaľ, je to nereálne. Zatiaľ je to nereálne...

Od stvorenia sveta sa človek zaujímal o mnoho vecí: prečo je voda mokrá, prečo deň nasleduje po noci, prečo cítime vôňu kvetov atď. Prirodzene, človek sa na to snažil nájsť vysvetlenie. Ale čím viac sa učil, tým viac otázok sa vynáralo v jeho mysli: môže človek lietať ako vták, plávať ako ryba, ako zvieratá „vedia“ o blížiacej sa búrke, o blížiacom sa zemetrasení, o nadchádzajúcom sopečnom výbuchu , je možné vytvoriť umelú inteligenciu?

Existuje veľa otázok „prečo“; tieto otázky často nie sú vedecky interpretované, čo vedie k fikcii a poverám. Na to je potrebné mať dobré znalosti v mnohých oblastiach: fyzika a chémia, astronómia a biológia, geografia a ekológia, matematika a technika, medicína a vesmír.

Existuje veda, ktorá by spojila všetko a dokázala spojiť nesúrodé? Ukazuje sa, že existuje!

Položka môj výskum – veda o bionike – “ BIO Logia“ a „Tech NIKA“.

Cieľ výskumnej práce:potreba vzniku vedy o bionike, jej možnosti a hranice použiteľnosti.

Ak to chcete urobiť, môžete vložiť riadokúlohy:

1. Zistite, čo je to „bionika“.

2. Sledujte históriu vývoja vedy „bionika“: od staroveku po modernosť a jej vzťah s inými vedami.

3. Identifikujte hlavné sekcie bioniky.

4. Za čo sa musíme prírode poďakovať: otvorené možnosti a tajomstvá bioniky.

Výskumné metódy:

teoreticky:

- štúdium vedeckých článkov, literatúry na danú tému.

Praktické:

Pozorovanie;

Zovšeobecnenie.

Praktický význam.

Myslím si, že moja práca bude užitočná a zaujímavá pre široký okruh študentov a učiteľov, keďže všetci žijeme v prírode podľa zákonov, ktoré vytvorila. Človek musí len šikovne ovládať vedomosti, aby pretavil do technológie všetky náznaky prírody a odhalil jej tajomstvá.

Od staroveku až po súčasnosť

Bionika, aplikovaná veda, ktorá skúma možnosti spájania živých organizmov a technických zariadení, sa dnes rozvíja veľmi rýchlym tempom.

Túžba mať schopnosti, ktoré prevyšujú tie, ktoré nám príroda nadelila, sedí hlboko v každom človeku – potvrdí to každý fitness tréner či plastický chirurg. Naše telá majú neuveriteľnú prispôsobivosť, no sú veci, ktoré nedokážu. Nevieme sa napríklad rozprávať s tými, ktorí sú mimo doslechu, nie sme schopní lietať. Preto potrebujeme telefóny a lietadlá. Na kompenzáciu svojich nedokonalostí ľudia už dlho používali rôzne „externé“ zariadenia, no s rozvojom vedy sa nástroje postupne zmenšovali a približovali nám.

Navyše každý vie, že ak sa s jeho telom niečo stane, lekári vykonajú „opravy“ pomocou najmodernejších medicínskych technológií.

Ak spojíme tieto dva jednoduché koncepty, môžeme získať predstavu o ďalšom kroku ľudskej evolúcie. V budúcnosti budú lekári nielen schopní obnoviť „poškodené“ alebo „nefunkčné“ organizmy, ale začnú aktívne zlepšovať ľudí, čím sa stanú silnejšími a rýchlejšími, ako to zvládla príroda. Presne toto je podstata bioniky a dnes stojíme na prahu vzniku nového typu človeka. Možno sa ním stane jeden z nás...

Leonardo da Vinci je považovaný za predchodcu bioniky. Jeho kresby a schémy lietadiel boli založené na štruktúre vtáčieho krídla. V našej dobe sa podľa kresieb Leonarda da Vinciho modelovanie opakovane vykonávalo ornitoptera (z gréčtiny órnis, rod órnithos - vták a pterón - krídlo), zotrvačník , lietadlo ťažšie ako vzduch s mávajúcimi krídlami). Zo živých tvorov napríklad vtáky používajú na lietanie mávanie krídel.

Medzi modernými vedcami možno pomenovať meno Osip M.R. Delgado.

Pomocou svojich rádioelektronických zariadení študoval neurologické a fyzikálne vlastnosti zvierat. A na ich základe som sa pokúsil vyvinúť algoritmy na riadenie živých organizmov.

Bionika (z gréckeho Biōn - živel života, doslova - živý), veda hraničiaca s biológiou a technikou, riešiaca inžinierske problémy na základe modelovania stavby a životných funkcií organizmov. Bionika úzko súvisí s biológiou, fyzikou, chémiou, kybernetikou a inžinierskymi vedami - elektronika, navigácia, komunikácie, námorné záležitosti atď. /BSE.1978/

Za formálny rok narodenia bioniky sa považuje 1960 Bionickí vedci si zvolili za svoj emblém skalpel a spájkovačku, spojené integrálnym znakom a ich mottom je „Živé prototypy sú kľúčom k novej technológii».

Mnohé bionické modely predtým, ako dostanú technickú implementáciu, začnú svoj život na počítači, kde sa zostaví počítačový program – bionický model.

Dnes má bionika niekoľko smerov.

Bionické sekcie

1. Architektonická a stavebná bionika.

Pozoruhodný príklad architektonickej a stavebnej bioniky – kompletanalógia stavby obilných stonieka moderné výškové budovy. Stonky obilnín sú schopné vydržať veľké zaťaženie bez toho, aby sa zlomili pod váhou kvetenstva. Ak ich vietor ohne k zemi, rýchlo obnovia svoju vertikálnu polohu. Aké je to tajomstvo? Ukazuje sa, že ich štruktúra je podobná dizajnu moderných výškových budov. továrenské potrubia - jeden z najnovších výdobytkov inžinierskeho myslenia.

Slávni španielski architekti M.R. Cervera a H. Ploz, aktívni prívrženci bioniky, začali skúmať „dynamické štruktúry“ v roku 1985 av roku 1991 zorganizovali „Spoločnosť na podporu inovácií v architektúre“. Skupina pod ich vedením, ktorá zahŕňala architektov, inžinierov, dizajnérov, biológov a psychológov, vypracovala projekt „Vertikálne bionické vežové mesto" O 15 rokov by sa v Šanghaji malo objaviť vežové mesto (podľa vedcov by za 20 rokov mohla populácia Šanghaja dosiahnuť 30 miliónov ľudí). Vežové mesto je navrhnuté pre 100 tisíc ľudí, projekt je založený na „princípe drevenej konštrukcie“.

Vežové mesto bude mať tvar cyprus 1128 m vysoká s obvodom v základni 133 x 100 m, v najširšom mieste 166 x 133 m. Veža bude mať 300 podlaží, ktoré budú umiestnené v 12 vertikálnych blokoch po 80 podlaží.

K 100. výročiu Francúzskej revolúcie bola v Paríži zorganizovaná svetová výstava. Na území tejto výstavy sa plánovalo postaviť vežu, ktorá by symbolizovala veľkosť Francúzskej revolúcie a najnovšie technologické výdobytky. Do súťaže bolo prihlásených viac ako 700 projektov, za najlepší bol ocenený projekt mostného inžiniera Alexandra Gustava Eiffela. Koncom 19. storočia veža, pomenovaná po svojom tvorcovi, udivovala celý svet prelamovaním a krásou. 300-metrová veža sa stala akýmsi symbolom Paríža. Povrávalo sa, že veža bola postavená podľa nákresov neznámeho arabského vedca. A až po viac ako polstoročí biológovia a inžinieri urobili nečakaný objav: dizajn Eiffelova veža presne opakuje štruktúru veľkého holennej kosti , ľahko odolávať hmotnosti ľudského tela. Dokonca aj uhly medzi nosnými plochami sa zhodujú. Toto je ďalší názorný príklad bioniky v praxi.

V architektonickej a stavebnej bionike sa veľká pozornosť venuje novým stavebným technológiám. Napríklad v oblasti vývoja efektívnych a bezodpadových stavebných technológií je perspektívnym smerom tvorbavrstvené štruktúry. Nápad bol vypožičaný zhlbokomorské mäkkýše. Ich odolné ulity, ako napríklad lastúry rozšírených mušlí, pozostávajú zo striedajúcich sa tvrdých a mäkkých plátov. Keď tvrdá platňa praskne, deformáciu pohltí mäkká vrstva a prasklina neprejde ďalej. Táto technológia sa dá použiť aj na zakrytie áut.

2. Biomechanika

Lokátory prírody. Živé barometre a seizmografy.

Najpokročilejším výskumom v bionike je vývoj biologických prostriedkov detekcie, navigácie a orientácie; súbor štúdií súvisiacich s modelovaním funkcií a štruktúr mozgu vyšších zvierat a ľudí; vytváranie bioelektrických riadiacich systémov a výskum problému „človek-stroj“. Tieto oblasti spolu úzko súvisia. Prečo je príroda na súčasnej úrovni technologického rozvoja tak ďaleko pred človekom?

Už dlho je známe, že vtáky, ryby a hmyz reagujú veľmi citlivo a presne na zmeny počasia. Nízky let lastovičiek predznamenáva búrku. Nahromadením medúz pri brehu budú rybári vedieť, že môžu ísť na ryby, more bude pokojné.

Zvieratá - "biosynoptici"od prírody sú obdarené jedinečnými ultracitlivými „zariadeniami“. Úlohou bioniky nie je len nájsť tieto mechanizmy, ale aj pochopiť ich pôsobenie a znovu ho vytvoriť v elektronických obvodoch, zariadeniach a štruktúrach.

Štúdium komplexného navigačného systému rýb a vtákov, ktoré počas migrácií prekonávajú tisíce kilometrov a neomylne sa vracajú na svoje miesta na trenie, zimovanie a chov kurčiat, prispieva k vývoju vysoko citlivých systémov sledovania, navádzania a rozpoznávania objektov.

Mnohé živé organizmy majú analytické systémy, ktoré ľudia nemajú. Napríklad kobylky majú na 12. segmente antény tuberkulózu, ktorá sníma infračervené žiarenie. Žraloky a raje majú na hlave a v prednej časti tela kanály, ktoré vnímajú zmeny teploty o 0,10 C. Slimáky, mravce a termity majú zariadenia, ktoré vnímajú rádioaktívne žiarenie. Mnohé reagujú na zmeny v magnetickom poli (hlavne vtáky a hmyz migrujúce na veľké vzdialenosti). Sovy, netopiere, delfíny, veľryby a väčšina hmyzu vníma infra- a ultrazvukové vibrácie. Oči včiel reagujú na ultrafialové svetlo, šváby na infračervené.

Orgán štrkáča citlivý na teplo zaznamená zmeny teploty o 0,0010 C; elektrický orgán rýb (lúče, elektrické úhory) vníma potenciál 0,01 mikrovoltu, oči mnohých nočných živočíchov reagujú na jednotlivé kvantá svetla, ryby vnímajú zmenu koncentrácie látky vo vode o 1 mg/m3 (=1 ug/l).

Existuje oveľa viac systémov priestorovej orientácie, ktorých štruktúra ešte nie je preskúmaná: včely a osy sa dobre orientujú podľa slnka, samce motýľov (napríklad nočné pávie oko, jastrab morský a pod.) nájdu samičku pri vzdialenosť 10 km. Morské korytnačky a mnohé ryby (úhory, jesetery, lososy) plávajú niekoľko tisíc kilometrov od svojich rodných brehov a neomylne sa vracajú naklásť vajíčka a trieť na to isté miesto, kde začali svoju životnú púť. Predpokladá sa, že majú dva orientačné systémy - vzdialené, podľa hviezd a slnka a blízke, podľa vône (chémia pobrežných vôd).

Netopiere sú spravidla malé a, povedzme si úprimne, pre mnohých z nás nepríjemné až odpudivé stvorenia. Stalo sa však, že sa s nimi zaobchádzalo s predsudkami, ktorých základom sú spravidla rôzne druhy legiend a povier, ktoré vznikli v čase, keď ľudia verili v duchov a zlých duchov.

Netopier je pre vedcov z oblasti bioakustiky jedinečný objekt. Môže sa pohybovať úplne voľne v úplnej tme, bez toho, aby narážala na prekážky. Okrem toho, so slabým zrakom, netopier za letu zisťuje a chytá malý hmyz, rozlišuje lietajúceho komára od škvrnky rútiacej sa vo vetre, jedlého hmyzu od lienky bez chuti.

Taliansky vedec Lazzaro Spallanzani sa prvýkrát začal zaujímať o túto nezvyčajnú schopnosť netopierov v roku 1793. Najprv sa snažil zistiť, akými spôsobmi si rôzne zvieratá nachádzajú cestu v tme. Podarilo sa mu ustanoviť: sovy a iné nočné tvory dobre vidia v tme. Pravda, v úplnej tme sa aj oni, ako sa ukázalo, stávajú bezmocnými. Keď však začal experimentovať s netopiermi, zistil, že takáto úplná tma im neprekáža. Potom Spallanzani išiel ďalej: jednoducho pripravil niekoľko netopierov o zrak. A čo? To nič nezmenilo na ich správaní, boli rovnako skvelí v love hmyzu ako vidiaci ľudia. Spallanzani sa o tom presvedčil, keď otvoril žalúdky pokusným myšiam.

Záujem o záhadu rástol. Najmä po tom, čo sa Spallanzani zoznámil s pokusmi švajčiarskeho biológa Charlesa Jurinu, ktorý v roku 1799 dospel k záveru, že netopiere sa zaobídu bez zraku, ale akékoľvek vážne poškodenie sluchu je pre nich fatálne. Len čo si zapchali uši špeciálnymi medenými trubičkami, začali slepo a náhodne narážať na všetky prekážky, ktoré sa im objavili v ceste. Spolu s tým množstvo rôznych experimentov ukázalo, že poruchy vo fungovaní orgánov zraku, hmatu, čuchu a chuti nemajú žiadny vplyv na let netopierov.

Spallanzaniho experimenty boli nepochybne pôsobivé, no jednoznačne predbehli dobu. Spallanzani nedokázal odpovedať na hlavnú a celkom vedecky správnu otázku: ak nie sluch alebo zrak, čo potom v tomto prípade pomáha netopierom tak dobre sa pohybovať vo vesmíre?

Vtedy ešte nevedeli nič o ultrazvuku, ani o tom, že zvieratá môžu mať aj nejaké iné orgány (systémy) vnímania, nielen uši a oči. Mimochodom, v tomto duchu sa niektorí vedci pokúsili vysvetliť Spallanzaniho experimenty: hovoria, že netopiere majú jemný hmat, ktorého orgány sú s najväčšou pravdepodobnosťou umiestnené v membránach ich krídel...

Konečným výsledkom bolo, že Spallanzaniho experimenty boli na dlhú dobu zabudnuté. Až v našej dobe, o viac ako sto rokov neskôr, bol vyriešený takzvaný „spallanzanský problém netopierov“, ako ho samotní vedci nazvali. To sa stalo možným vďaka vzniku nových výskumných nástrojov založených na elektronike.

Fyzik z Harvardskej univerzity G. Pierce bol schopný objaviť, že netopiere vydávajú zvuky, ktoré presahujú hranicu počuteľnosti ľudského ucha.

Aerodynamické prvky.

Zakladateľ modernej aerodynamiky N. E. Žukovskij starostlivo študoval letový mechanizmus vtákov a podmienky, ktoré im umožňujú vznášať sa vo vzduchu. Na základe štúdia letu vtákov vzniklo letectvo.

Hmyz má v prírode ešte vyspelejšie lietajúce stroje. Čo sa týka letovej efektívnosti, relatívnej rýchlosti a manévrovateľnosti, nemajú v prírode obdobu. Myšlienka vytvorenia lietadla na princípe letu hmyzu čaká na schválenie. Aby sa zabránilo škodlivým vibráciám počas letu, rýchlo lietajúci hmyz má na koncoch krídel chitínové zhrubnutia. Konštruktéri lietadiel teraz používajú podobné zariadenia pre krídla lietadiel, čím eliminujú nebezpečenstvo vibrácií.

Prúdový pohon.

Prúdový pohon, používaný v lietadlách, raketách a kozmických lodiach, je charakteristický aj pre hlavonožce – chobotnice, kalmáre, sépie. Pre technológiu je najväčší záujem o prúdový pohon chobotnice. V podstate má chobotnica dva zásadne odlišné pohonné mechanizmy. Pri pomalom pohybe používa veľkú plutvu v tvare diamantu, ktorá sa periodicky ohýba. Na rýchly hod zviera používa prúdový pohon. Svalové tkanivo - plášť obklopuje telo mäkkýša zo všetkých strán, jeho objem je takmer polovičný ako objem jeho tela. Pri metóde prúdového plávania zviera cez plášťovú medzeru nasáva vodu do plášťovej dutiny. Pohyb chobotnice vzniká vyvrhovaním prúdu vody cez úzku trysku (lievik). Táto tryska je vybavená špeciálnym ventilom a svaly ju môžu otáčať, čím sa mení smer pohybu. Pohonný systém chobotnice je veľmi ekonomický, vďaka čomu dokáže dosiahnuť rýchlosť 70 km/h, niektorí výskumníci sa domnievajú, že dokonca až 150 km/h.

Hydroplán Tvar tela je podobný delfínovi. Vetroň je krásny a jazdí rýchlo, má schopnosť prirodzene sa hrať vo vlnách ako delfín a mávať plutvou. Telo je vyrobené z polykarbonátu. Motor je veľmi výkonný. Prvý takýto delfín postavil Innespace v roku 2001.

Počas prvej svetovej vojny utrpela britská flotila obrovské straty kvôli nemeckým ponorkám. Bolo potrebné naučiť sa ich odhaľovať a sledovať. Na tento účel boli vytvorené špeciálne zariadenia. hydrofóny. Tieto zariadenia mali podľa hluku vrtúľ odhaliť nepriateľské ponorky. Boli inštalované na lodiach, ale kým sa loď pohybovala, pohyb vody v prijímacom otvore hydrofónu vytvoril hluk, ktorý prehlušil hluk ponorky. Fyzik Robert Wood navrhol, aby sa inžinieri učili... od tuleňov, ktorí dobre počujú, keď sa pohybujú vo vode. Výsledkom bolo, že prijímací otvor hydrofónu bol tvarovaný ako ucho tuleňa a hydrofóny začali „počuť“ aj pri plnej rýchlosti lode.

3. Neurobinika.

Ktorý chlapec by nemal záujem hrať sa na robotov alebo pozerať film o Terminátorovi či Wolverinovi? Najoddanejší bionici sú inžinieri, ktorí navrhujú roboty. Existuje názor, že v budúcnosti budú roboty schopné efektívne fungovať iba vtedy, ak budú čo najviac podobné ľuďom. Vývojári bioniky vychádzajú zo skutočnosti, že roboty budú musieť fungovať v mestských a domácich podmienkach, teda v „ľudskom“ prostredí so schodmi, dverami a inými prekážkami špecifickej veľkosti. Minimálne teda musia zodpovedať človeku veľkosťou a pohybovými princípmi. Inými slovami, robot musí mať nohy a do mesta sa vôbec nehodia kolesá, pásy atď. A od koho by sme mali kopírovať dizajn nôh, ak nie od zvierat? Miniatúrny, asi 17 cm dlhý, šesťnohý robot (hexapod) zo Stanfordskej univerzity už beží rýchlosťou 55 cm/s.

Umelé srdce bolo vytvorené z biologických materiálov. Nový vedecký objav by mohol ukončiť nedostatok darcov orgánov.

Skupina výskumníkov z University of Minnesota sa snaží vytvoriť zásadne novú metódu liečby 22 miliónov ľudí – toľko ľudí na svete žije so srdcovými chorobami. Vedcom sa podarilo odstrániť svalové bunky zo srdca, pričom sa zachovala iba kostra srdcových chlopní a ciev. Do tohto rámca boli transplantované nové bunky.

Triumf bioniky - umelá ruka. Vedcom z Inštitútu rehabilitácie v Chicagu sa podarilo vytvoriť bionickú protézu, ktorá pacientovi umožňuje nielen ovládať ruku myšlienkami, ale aj rozpoznávať určité vnemy. Majiteľkou bionickej ruky bola Claudia Mitchell, ktorá predtým slúžila v americkom námorníctve. V roku 2005 sa Mitchell zranil pri nehode. Chirurgovia museli Mitchellovej amputovať ľavú ruku až po rameno. Výsledkom bolo, že nervy, ktoré mohli byť použité na ovládanie protézy, zostali nevyužité.

Skvelé maličkosti „videné z prírody“

Slávnu pôžičku urobil švajčiarsky inžinier George de
Mestral v roku 1955. Často chodil so svojím psom a všimol si, že sa mu na srsť neustále lepia nejaké zvláštne rastliny. Po preštudovaní tohto javu de Mestral zistil, že je to možné vďaka malým háčikom na plodoch kúkoľa (lopúcha). V dôsledku toho si inžinier uvedomil dôležitosť svojho objavu a o osem rokov neskôr si nechal patentovať pohodlný „suchý zips“.

Prísavky boli vynájdené pri štúdiu chobotníc.

Výrobcovia nealkoholických nápojov neustále hľadajú nové spôsoby balenia svojich produktov. Tento problém zároveň dávno vyriešila obyčajná jabloň. Jablko je z 97 % voda, zabalené nie v drevenom kartóne, ale v jedlej šupke, ktorá je dostatočne chutná na to, aby prilákala zvieratá jesť ovocie a distribuovať zrná.

Pavúčie nite, úžasný výtvor prírody, pritiahli pozornosť inžinierov. Web bol prototypom pre stavbu mosta na dlhých flexibilných kábloch, čím sa začal stavať silné, krásne visuté mosty.

Teraz bol vyvinutý nový typ zbrane, ktorá dokáže šokovať nepriateľské jednotky pomocou ultrazvuku. Tento princíp vplyvu bol vypožičaný od tigrov. Hukot dravca obsahuje ultranízke frekvencie, ktoré síce ľudia nevnímajú ako zvuk, no pôsobia na nich paralyticky.

Vertikutačná ihla, ktorá sa používa na odber krvi, je navrhnutá podľa princípu, ktorý úplne kopíruje štruktúru netopierieho rezáka, ktorého uhryznutie je nebolestivé a je sprevádzané silným krvácaním.

Nám známa piestová striekačka napodobňuje prístroj na sanie krvi - komára a blchy, ktorých uštipnutie pozná každý človek.

Nadýchané „padáky“ spomaľujú pád semien púpavy na zem, rovnako ako padák spomaľuje pád človeka.

Záver.

Potenciál bioniky je skutočne neobmedzený...

Ľudstvo sa snaží bližšie pozrieť na prírodné metódy, aby ich potom múdro využilo v technike. Príroda je ako obrovský inžiniersky úrad, ktorý má vždy to správne východisko z každej situácie. Moderný človek by prírodu nemal ničiť, ale brať si ju za vzor. Príroda svojou rozmanitosťou flóry a fauny môže človeku pomôcť nájsť správne technické riešenie zložitých problémov a východisko z každej situácie.

Bolo pre mňa veľmi zaujímavé spracovať túto tému. V budúcnosti budem pokračovať v práci na štúdiu výdobytkov bioniky.

PRÍRODA AKO ŠTANDARD – A EXISTUJE BIONIKA!

Literatúra:

1. Bionika. V. Martek, vyd.: Mir, 1967

2. Čo je to bionika. Séria "Populárna vedecká knižnica". Astašenkov P.T. M., Voenizdat, 1963

3. Architektonická bionika Yu.S. Lebedev, V.I. Rabinovich a ďalší. Moskva, Stroyizdat, 1990. 4.

Použité internetové zdroje

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/bionika

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

Vytvorenie modelu v bionika- to je polovica úspechu. Na vyriešenie konkrétneho praktického problému je potrebné nielen skontrolovať prítomnosť vlastností modelu, ktoré sú pre prax zaujímavé, ale aj vyvinúť metódy na výpočet vopred určených technických charakteristík zariadenia a vyvinúť metódy syntézy, ktoré zabezpečia dosiahnutie indikátorov požadovaných v probléme.

A preto mnohí bionický modely predtým, ako dostanú technickú implementáciu, začnú svoj život na počítači. Vytvorí sa matematický popis modelu. Z toho sa skompiluje počítačový program - bionický model. Pomocou takéhoto počítačového modelu je možné v krátkom čase spracovať rôzne parametre a odstrániť konštrukčné chyby.

To je pravda, na základe softvéru modelovanie spravidla analyzovať dynamiku fungovania modelu; Čo sa týka špeciálnej technickej konštrukcie modelu, takéto práce sú nepochybne dôležité, no ich cieľové zaťaženie je iné. Hlavnou vecou v nich je nájsť najlepší základ, na ktorom je možné efektívnejšie a presnejšie vytvoriť potrebné vlastnosti modelu. Nahromadené v bionika praktická skúsenosť modelovanie mimoriadne zložité systémy majú všeobecný vedecký význam. Obrovské množstvo jeho heuristických metód, ktoré sú v prácach tohto druhu absolútne nevyhnutné, sa už rozšírilo na riešenie dôležitých problémov experimentálnej a technickej fyziky, ekonomických problémov, problémov navrhovania viacstupňových rozvetvených komunikačných systémov atď.

Dnes má bionika niekoľko smerov.

Architektonická a stavebná bionika študuje zákonitosti vzniku a tvorby štruktúry živých tkanív, analyzuje štruktúrne systémy živých organizmov na princípe úspory materiálu, energie a zabezpečenia spoľahlivosti. Neurobinika študuje fungovanie mozgu a skúma mechanizmy pamäti. Intenzívne sa skúmajú zmyslové orgány živočíchov a vnútorné mechanizmy reakcie na prostredie u živočíchov aj rastlín.

Pozoruhodným príkladom architektonickej a stavebnej bioniky je úplná analógia štruktúry stoniek obilnín a moderných výškových budov. Stonky obilnín sú schopné vydržať veľké zaťaženie bez toho, aby sa zlomili pod váhou kvetenstva. Ak ich vietor ohne k zemi, rýchlo obnovia svoju vertikálnu polohu. Aké je to tajomstvo? Ukazuje sa, že ich štruktúra je podobná dizajnu moderných výškových továrenských potrubí - jeden z najnovších úspechov inžinierstva. Obe konštrukcie sú duté. Sklerenchýmové vlákna stonky rastliny pôsobia ako pozdĺžna výstuž. Internódiá stoniek sú krúžky tuhosti. Pozdĺž stien stonky sú oválne vertikálne dutiny. Steny potrubia majú rovnaké konštrukčné riešenie. Úlohu špirálovej výstuže umiestnenej na vonkajšej strane potrubia v stonke obilnín zohráva tenká šupka. Inžinieri však prišli na svoje konštruktívne riešenie sami, bez „pozerania“ do prírody. Identita štruktúry bola odhalená neskôr.

V posledných rokoch bionika potvrdila, že väčšina ľudských vynálezov si už dala „patentovať“ príroda. Vynález 20. storočia, ako sú zipsy a suchý zips, bol vyrobený na základe štruktúry vtáčieho peria. Pérové ​​fúzy rôznych rádov, vybavené háčikmi, poskytujú spoľahlivé uchopenie.

Slávni španielski architekti M. R. Cervera a J. Ploz, aktívni prívrženci bioniky, začali v roku 1985 výskum „dynamických štruktúr“ a v roku 1991 zorganizovali „Spoločnosť na podporu inovácií v architektúre“. Skupina pod ich vedením, ktorá zahŕňala architektov, inžinierov, dizajnérov, biológov a psychológov, vyvinula projekt „Vertical Bionic Tower City“. O 15 rokov by sa v Šanghaji malo objaviť vežové mesto (podľa vedcov by za 20 rokov mohla populácia Šanghaja dosiahnuť 30 miliónov ľudí). Vežové mesto je navrhnuté pre 100 tisíc ľudí, projekt je založený na „princípe drevenej konštrukcie“.

Mestská veža bude mať tvar kosodreviny s výškou 1128 m s obvodom v základni 133 x 100 m, v najširšom bode 166 x 133 m. Veža bude mať 300 poschodí a budú nachádza sa v 12 vertikálnych blokoch po 80 poschodí. Medzi blokmi sú mazaninové podlahy, ktoré slúžia ako nosná konštrukcia pre každú úroveň bloku. Vo vnútri blokov sú domy rôznej výšky s vertikálnymi záhradami. Tento prepracovaný dizajn je podobný štruktúre konárov a celej koruny cyprusu. Veža bude stáť na pilótovom základe podľa harmonikového princípu, ktorý sa nezakopáva, ale pri naberaní výšky sa rozvíja do všetkých strán – podobne ako sa vyvíja koreňový systém stromu. Kolísanie vetra na horných poschodiach je minimalizované: vzduch ľahko prechádza konštrukciou veže. Na pokrytie veže bude použitý špeciálny plastový materiál, ktorý imituje porézny povrch kože. Ak bude výstavba úspešná, plánuje sa postaviť niekoľko ďalších takýchto stavebných miest.

V architektonickej a stavebnej bionike sa veľká pozornosť venuje novým stavebným technológiám. Napríklad v oblasti vývoja efektívnych a bezodpadových stavebných technológií je perspektívnym smerom vytváranie vrstvených štruktúr. Myšlienka je vypožičaná z hlbokomorských mäkkýšov. Ich odolné ulity, ako napríklad lastúry rozšírených mušlí, pozostávajú zo striedajúcich sa tvrdých a mäkkých plátov. Keď tvrdá platňa praskne, deformáciu pohltí mäkká vrstva a prasklina neprejde ďalej. Táto technológia sa dá použiť aj na zakrytie áut.

Hlavnými oblasťami neurobiológie sú štúdium nervového systému ľudí a zvierat a modelovanie nervových buniek-neurónov a neurónových sietí. To umožňuje zlepšovať a rozvíjať elektronickú a výpočtovú techniku.

Nervový systém živých organizmov má oproti najmodernejším analógom vynájdeným človekom množstvo výhod:

Flexibilné vnímanie vonkajších informácií bez ohľadu na formu, v ktorej prichádzajú (rukopis, písmo, farba, zafarbenie atď.).

Vysoká spoľahlivosť: technické systémy zlyhajú pri poruche jednej alebo viacerých častí a mozog zostáva funkčný, aj keď odumrie dokonca niekoľko stoviek tisíc buniek.

Miniatúrne. Napríklad tranzistorové zariadenie s rovnakým počtom prvkov ako ľudský mozog by zaberalo objem asi 1000 m3, kým náš mozog zaberá objem 1,5 dm3.

Energetická účinnosť – rozdiel je jednoducho zrejmý.

Vysoký stupeň sebaorganizácie - rýchle prispôsobenie sa novým situáciám a zmenám v programoch aktivít.

Eiffelova veža a holenná kosť

K 100. výročiu Francúzskej revolúcie bola v Paríži zorganizovaná svetová výstava. Na území tejto výstavy sa plánovalo postaviť vežu, ktorá by symbolizovala veľkosť Francúzskej revolúcie a najnovšie technologické výdobytky. Do súťaže bolo prihlásených viac ako 700 projektov, za najlepší bol ocenený projekt mostného inžiniera Alexandra Gustava Eiffela. Koncom 19. storočia veža, pomenovaná po svojom tvorcovi, udivovala celý svet prelamovaním a krásou. 300-metrová veža sa stala akýmsi symbolom Paríža. Povrávalo sa, že veža bola postavená podľa nákresov neznámeho arabského vedca. A len o viac ako polstoročie neskôr urobili biológovia a inžinieri nečakaný objav: dizajn Eiffelovej veže presne kopíruje štruktúru holennej kosti, ktorá ľahko vydrží váhu ľudského tela. Dokonca aj uhly medzi nosnými plochami sa zhodujú. Toto je ďalší dobrý príklad bionika V akcii.

Príroda a ľudia stavajú podľa rovnakých zákonitostí, dodržiavajúc princíp šetrenia materiálom a výber optimálnych konštrukčných riešení vytváraných systémov (prerozdelenie zaťaženia, stabilita, šetrenie materiálom, energiou).

Veda, ktorá študuje štruktúru a fungovanie živých organizmov, aby ich využila na riešenie technických problémov a vytváranie nových zariadení a mechanizmov, sa nazýva bionika (z gréckeho bios „život“). Tento termín bol prvýkrát použitý 13. septembra 1960 v Daytone na americkom národnom sympóziu „Živé prototypy – kľúč k novej technológii“ a označil nový vedecký smer, ktorý vznikol na priesečníku biológie a inžinierstva. Leonardo da Vinci je považovaný za praotca bioniky. Jeho kresby a schémy lietadiel sú založené na štruktúre vtáčieho krídla.

Po dlhú dobu sa bionika rozvíjala míľovými krokmi. Najprv inžinieri a dizajnéri našli úspešné riešenie problému a po určitom čase sa zistilo, že živé organizmy majú podobné konštrukčné riešenia a spravidla optimálne.

Dnes má bionika niekoľko smerov. Architektonická a stavebná bionika študuje zákonitosti vzniku a tvorby štruktúry živých tkanív, analyzuje štruktúrne systémy živých organizmov na princípe úspory materiálu, energie a zabezpečenia spoľahlivosti. Neurobinika študuje fungovanie mozgu a skúma mechanizmy pamäti. Intenzívne sa skúmajú zmyslové orgány živočíchov a vnútorné mechanizmy reakcie na prostredie u živočíchov aj rastlín.

Pozoruhodným príkladom architektonickej a stavebnej bioniky je úplná analógia štruktúry stoniek obilnín a moderných výškových budov. Stonky obilnín sú schopné vydržať veľké zaťaženie bez toho, aby sa zlomili pod váhou kvetenstva. Ak ich vietor ohne k zemi, rýchlo obnovia svoju vertikálnu polohu. Aké je to tajomstvo? Ukazuje sa, že ich štruktúra je podobná dizajnu moderných výškových továrenských potrubí - jeden z najnovších úspechov inžinierstva. Obe konštrukcie sú duté. Sklerenchýmové vlákna stonky rastliny pôsobia ako pozdĺžna výstuž. Internódiá stoniek sú krúžky tuhosti. Pozdĺž stien stonky sú oválne vertikálne dutiny. Steny potrubia majú rovnaké konštrukčné riešenie. Úlohu špirálovej výstuže umiestnenej na vonkajšej strane potrubia v stonke obilnín zohráva tenká šupka. Inžinieri však prišli na svoje konštruktívne riešenie sami, bez „pozerania“ do prírody. Identita štruktúry bola odhalená neskôr.

V posledných rokoch bionika potvrdila, že väčšina ľudských vynálezov si už dala „patentovať“ príroda. Vynález 20. storočia, ako sú zipsy a suchý zips, bol vyrobený na základe štruktúry vtáčieho peria. Pérové ​​fúzy rôznych rádov, vybavené háčikmi, poskytujú spoľahlivé uchopenie.

Slávni španielski architekti M.R. Cervera a H. Ploz, aktívni prívrženci bioniky, začali skúmať „dynamické štruktúry“ v roku 1985 av roku 1991 zorganizovali „Spoločnosť na podporu inovácií v architektúre“. Skupina pod ich vedením, ktorá zahŕňala architektov, inžinierov, dizajnérov, biológov a psychológov, vyvinula projekt „Vertical Bionic Tower City“. O 15 rokov by sa v Šanghaji malo objaviť vežové mesto (podľa vedcov by za 20 rokov mohla populácia Šanghaja dosiahnuť 30 miliónov ľudí). Vežové mesto je navrhnuté pre 100 tisíc ľudí, projekt je založený na „princípe drevenej konštrukcie“.

Mestská veža bude mať tvar kosodreviny s výškou 1128 m s obvodom v základni 133 x 100 m, v najširšom bode 166 x 133 m. Veža bude mať 300 poschodí a budú nachádza sa v 12 vertikálnych blokoch po 80 poschodí. Medzi blokmi sú mazaninové podlahy, ktoré slúžia ako nosná konštrukcia pre každú úroveň bloku. Vo vnútri blokov sú domy rôznej výšky s vertikálnymi záhradami. Tento prepracovaný dizajn je podobný štruktúre konárov a celej koruny cyprusu. Veža bude stáť na pilótovom základe podľa harmonikového princípu, ktorý sa nezakopáva, ale pri naberaní výšky sa rozvíja do všetkých strán – podobne ako sa vyvíja koreňový systém stromu. Kolísanie vetra na horných poschodiach je minimalizované: vzduch ľahko prechádza konštrukciou veže. Na pokrytie veže bude použitý špeciálny plastový materiál, ktorý imituje porézny povrch kože. Ak bude výstavba úspešná, plánuje sa postaviť niekoľko ďalších takýchto stavebných miest.

V architektonickej a stavebnej bionike sa veľká pozornosť venuje novým stavebným technológiám. Napríklad v oblasti vývoja efektívnych a bezodpadových stavebných technológií je perspektívnym smerom vytváranie vrstvených štruktúr. Myšlienka je vypožičaná z hlbokomorských mäkkýšov. Ich odolné ulity, ako napríklad lastúry rozšírených mušlí, pozostávajú zo striedajúcich sa tvrdých a mäkkých plátov. Keď tvrdá platňa praskne, deformáciu pohltí mäkká vrstva a prasklina neprejde ďalej. Táto technológia sa dá použiť aj na zakrytie áut.

Hlavnými oblasťami neurobiológie sú štúdium nervového systému ľudí a zvierat a modelovanie nervových buniek-neurónov a neurónových sietí. To umožňuje zlepšovať a rozvíjať elektronickú a výpočtovú techniku.

Nervový systém živých organizmov má oproti najmodernejším analógom vynájdeným človekom množstvo výhod:
1. Flexibilné vnímanie vonkajších informácií bez ohľadu na formu, v ktorej prichádzajú (rukopis, písmo, farba, zafarbenie atď.).
2. Vysoká spoľahlivosť: technické systémy zlyhajú pri poruche jednej alebo viacerých častí a mozog zostáva funkčný, aj keď odumrie aj niekoľko stotisíc buniek.
3. Miniatúra. Napríklad tranzistorové zariadenie s rovnakým počtom prvkov ako ľudský mozog by zaberalo objem asi 1000 m3, kým náš mozog zaberá objem 1,5 dm3.
4. Ekonomická spotreba energie – rozdiel je jednoducho zrejmý.
5. Vysoký stupeň sebaorganizácie – rýchle prispôsobenie sa novým situáciám a zmenám v programoch činností.

Štúdium pamäťových mechanizmov vedie k vytvoreniu „mysliacich“ strojov na automatizáciu zložitých výrobných a riadiacich procesov.

Už dlho je známe, že vtáky, ryby a hmyz reagujú veľmi citlivo a presne na zmeny počasia. Nízky let lastovičiek predznamenáva búrku. Nahromadením medúz pri brehu budú rybári vedieť, že môžu ísť na ryby, more bude pokojné. „Biosynoptické“ zvieratá sú prirodzene vybavené jedinečnými ultracitlivými „zariadeniami“. Úlohou bioniky nie je len nájsť tieto mechanizmy, ale aj pochopiť ich pôsobenie a znovu ho vytvoriť v elektronických obvodoch, zariadeniach a štruktúrach.

Štúdium komplexného navigačného systému rýb a vtákov, ktoré počas migrácií prekonávajú tisíce kilometrov a neomylne sa vracajú na svoje miesta na trenie, zimovanie a chov kurčiat, prispieva k vývoju vysoko citlivých systémov sledovania, navádzania a rozpoznávania objektov.

V súčasnosti výskum analytických systémov zvierat a ľudí výrazne prispieva k vedecko-technickému pokroku. Tieto systémy sú natoľko zložité a citlivé, že medzi technickými zariadeniami zatiaľ nemajú obdobu. Napríklad orgán štrkáča citlivý na teplo zaznamená zmeny teploty o 0,0010C; elektrický orgán rýb (lúče, elektrické úhory) vníma potenciál 0,01 mikrovoltu, oči mnohých nočných živočíchov reagujú na jednotlivé kvantá svetla, ryby vnímajú zmenu koncentrácie látky vo vode o 1 mg/m3 (=1 ug/l).

Mnohé živé organizmy majú analytické systémy, ktoré ľudia nemajú. Napríklad kobylky majú na 12. segmente antény tuberkulózu, ktorá sníma infračervené žiarenie. Žraloky a raje majú na hlave a v prednej časti tela kanály, ktoré snímajú zmeny teploty o 0,10 C. Slimáky, mravce a termity majú zariadenia, ktoré snímajú rádioaktívne žiarenie. Mnohé reagujú na zmeny v magnetickom poli (hlavne vtáky a hmyz migrujúce na veľké vzdialenosti). Sú ľudia, ktorí vnímajú infra- a ultrazvukové vibrácie: sovy, netopiere, delfíny, veľryby, väčšina hmyzu atď. Oči včiel reagujú na ultrafialové svetlo, šváb - na infračervené, atď.

Existuje oveľa viac systémov priestorovej orientácie, ktorých štruktúra ešte nie je preskúmaná: včely a osy sa dobre orientujú podľa slnka, samce motýľov (napríklad nočné pávie oko, jastrab morský a pod.) nájdu samičku pri vzdialenosť 10 km. Morské korytnačky a mnohé ryby (úhory, jesetery, lososy) plávajú niekoľko tisíc kilometrov od svojich rodných brehov a neomylne sa vracajú naklásť vajíčka a trieť na to isté miesto, kde začali svoju životnú púť. Predpokladá sa, že majú dva orientačné systémy - vzdialené, podľa hviezd a slnka a blízke, podľa vône (chémia pobrežných vôd).

Prečo je príroda na súčasnej úrovni technologického rozvoja tak ďaleko pred človekom? Po prvé, aby sme pochopili štruktúru a princíp fungovania živého systému, modelovali ho a implementovali do špecifických štruktúr a zariadení, sú potrebné univerzálne znalosti. A dnes, po dlhom procese fragmentácie vedných disciplín, sa potreba takej organizácie poznania, ktorá by umožnila ich osvojenie a zjednotenie na základe spoločných univerzálnych princípov, len začína objavovať.

A po druhé, v živej prírode je stálosť foriem a štruktúr biologických systémov udržiavaná ich neustálou obnovou, keďže máme do činenia so štruktúrami, ktoré sa neustále ničia a obnovujú. Každá bunka má svoje obdobie delenia, svoj životný cyklus. Vo všetkých živých organizmoch sa procesy rozkladu a obnovy navzájom kompenzujú a celý systém je v dynamickej rovnováhe, čo umožňuje prispôsobovať sa, prestavovať svoje štruktúry v súlade s meniacimi sa podmienkami. Hlavnou podmienkou existencie biologických systémov je ich nepretržité fungovanie. Technické systémy vytvorené človekom nemajú vnútornú dynamickú rovnováhu procesov rozkladu a obnovy av tomto zmysle sú statické. Ich prevádzka je zvyčajne periodická. Tento rozdiel medzi prírodnými a technickými systémami je z inžinierskeho hľadiska veľmi významný.

Živé systémy sú oveľa rozmanitejšie a zložitejšie ako technické štruktúry. Biologické formy sa často nedajú vypočítať pre ich mimoriadnu zložitosť. Zákony ich vzniku jednoducho ešte nepoznáme. Tajomstvá tvorby štruktúry živých organizmov, podrobnosti o životných procesoch, ktoré sa v nich vyskytujú, štruktúra a princípy fungovania sa dajú naučiť iba pomocou najmodernejších zariadení, ktoré nie sú vždy dostupné. Ale aj s najnovšou technológiou zostáva veľa v zákulisí.

Bionika (z gréckeho biōn - prvok života, doslova - živý), veda hraničiaca s biológiou a technológiou, ktorá rieši inžinierske problémy na základe analýzy štruktúry a životnej činnosti organizmov. Biológia úzko súvisí s biológiou, fyzikou, chémiou, kybernetikou a inžinierskymi vedami – elektronikou, navigáciou, komunikáciou, námornými záležitosťami atď.

Myšlienka využiť poznatky o živej prírode na riešenie technických problémov patrí Leonardovi da Vincimu, ktorý sa pokúsil postaviť lietadlo s mávajúcimi krídlami, ako majú vtáky – ornitoptéru. Vznik kybernetiky, ktorá zohľadňuje všeobecné princípy riadenia a komunikácie v živých organizmoch a strojoch, sa stal podnetom pre širšie štúdium štruktúry a funkcií živých systémov s cieľom objasniť ich zhodu s technickými systémami, ako aj využitie. získané informácie o živých organizmoch na vytváranie nových zariadení, mechanizmov, materiálov atď. V roku 1960 sa v Daytone (USA) konalo prvé sympózium o biochémii, ktoré formalizovalo zrod novej vedy.

Hlavné oblasti biológie zahŕňajú nasledujúce problémy: štúdium nervového systému ľudí a zvierat a modelovanie nervových buniek - neurónov - a neurónových sietí pre ďalšie zlepšovanie výpočtovej techniky a vývoj nových prvkov a zariadení automatizácie a telemechanika (neurobinika); výskum zmyslových orgánov a iných systémov vnímania živých organizmov s cieľom vyvinúť nové senzory a detekčné systémy; štúdium princípov orientácie, lokalizácie a navigácie u rôznych zvierat na využitie týchto princípov v technike; štúdium morfologických, fyziologických a biochemických charakteristík živých organizmov s cieľom predložiť nové technické a vedecké myšlienky.

Štúdie nervového systému ukázali, že má množstvo dôležitých a cenných vlastností a výhod oproti všetkým najmodernejším výpočtovým zariadeniam. Tieto vlastnosti, ktorých štúdium je veľmi dôležité pre ďalšie zdokonaľovanie elektronických výpočtových systémov, sú nasledovné: 1) Veľmi dokonalé a flexibilné vnímanie vonkajších informácií bez ohľadu na formu, v akej prichádzajú (napríklad rukopis, písmo, farba textu, kresby, zafarbenie a iné hlasové funkcie atď.). 2) Vysoká spoľahlivosť, výrazne prevyšujúca spoľahlivosť technických systémov (tieto zlyhajú, keď sa jedna alebo viac častí v obvode pokazí; ak odumrú milióny nervových buniek z miliárd, ktoré tvoria mozog, funkčnosť systému je zachovaná). 3) Miniatúra prvkov nervovej sústavy: pri počte prvkov 1010-1011 je objem ľudského mozgu 1,5 dm3. Tranzistorové zariadenie s rovnakým počtom prvkov by zaberalo objem niekoľko stoviek, ba až tisícov m3. 4) Ekonomická prevádzka: spotreba energie ľudským mozgom nepresahuje niekoľko desiatok wattov. 5) Vysoký stupeň sebaorganizácie nervového systému, rýchle prispôsobenie sa novým situáciám, zmenám v programoch činnosti.

Pokusy o modelovanie nervového systému ľudí a zvierat začali konštrukciou analógov neurónov a ich sietí. Boli vyvinuté rôzne typy umelých neurónov (obr. 1). Boli vytvorené umelé „nervové siete“, ktoré sú schopné samoorganizácie, teda návratu do stabilných stavov, keď sú vyvedené z rovnováhy. Štúdium pamäte a iných vlastností nervového systému je hlavným spôsobom, ako vytvoriť „mysliace“ stroje na automatizáciu zložitých výrobných a riadiacich procesov. Štúdium mechanizmov, ktoré zabezpečujú spoľahlivosť nervového systému, je pre techniku ​​veľmi dôležité, pretože vyriešenie tohto primárneho technického problému poskytne kľúč k zabezpečeniu spoľahlivosti množstva technických systémov (napríklad vybavenia lietadla obsahujúceho 105 elektronických prvkov).

Výskum analyzátorových systémov. Každý analyzátor zvierat a ľudí, ktorý vníma rôzne podnety (svetlo, zvuk atď.), pozostáva z receptora (alebo zmyslového orgánu), dráh a mozgového centra. Ide o veľmi zložité a citlivé útvary, ktoré nemajú medzi technickými zariadeniami obdobu. Miniatúrne a spoľahlivé senzory, ktorých citlivosť nie je nižšia ako napríklad oko, ktoré reaguje na jednotlivé kvantá svetla, orgán štrkáča citlivý na teplo, ktorý rozlišuje zmeny teploty o 0,001 °C, alebo elektrický orgán rýb, ktorý vníma potenciály v zlomkoch mikrovoltu, by mohol výrazne urýchliť proces.technologický pokrok a vedecký výskum.

Cez najdôležitejší analyzátor – vizuálny – vstupuje väčšina informácií do ľudského mozgu. Z technického hľadiska sú zaujímavé nasledujúce vlastnosti vizuálneho analyzátora: široký rozsah citlivosti - od jednotlivých kvánt až po intenzívne svetelné toky; zmena jasnosti videnia od stredu k periférii; nepretržité sledovanie pohybujúcich sa objektov; prispôsobenie sa statickému obrazu (pre zobrazenie nehybného predmetu oko robí malé oscilačné pohyby s frekvenciou 1-150 Hz). Na technické účely je zaujímavý vývoj umelej sietnice. (Sietnica je veľmi zložitý útvar; napríklad ľudské oko má 108 fotoreceptorov, ktoré sú spojené s mozgom pomocou 106 gangliových buniek.) Jedna verzia umelej sietnice (podobná sietnici oka žaby) pozostáva z 3 vrstvy: prvá obsahuje 1800 fotoreceptorových buniek, druhá - „neuróny“, ktoré vnímajú pozitívne a inhibičné signály z fotoreceptorov a určujú kontrast obrazu; v tretej vrstve je 650 „buniek“ piatich rôznych typov. Tieto štúdie umožňujú vytvárať zariadenia na automatické rozpoznávanie. Štúdium pocitu priestorovej hĺbky pri videní jedným okom (monokulárne videnie) umožnilo vytvoriť priestorový hĺbkomer na analýzu leteckých fotografií.

Pracuje sa na napodobňovaní sluchového analyzátora ľudí a zvierat. Tento analyzátor je tiež veľmi citlivý - ľudia s akútnym sluchom vnímajú zvuk, keď tlak vo zvukovode kolíše okolo 10 µn/m2 (0,0001 dyna/cm2). Je tiež technicky zaujímavé študovať mechanizmus prenosu informácií z ucha do sluchovej oblasti mozgu. Čuchové orgány zvierat sa skúmajú s cieľom vytvoriť „umelý nos“ – elektronické zariadenie na analýzu malých koncentrácií pachových látok vo vzduchu alebo vo vode [niektoré ryby cítia koncentráciu látky niekoľko mg/m3 (µg/l )]. Mnohé organizmy majú analytické systémy, ktoré ľudia nemajú. Napríklad kobylka má na 12. segmente antény hrbolček, ktorý vníma infračervené žiarenie, žraloky a raje majú na hlave a v prednej časti tela kanály, ktoré vnímajú zmeny teploty o 0,1 °C. Slimáky a mravce sú citlivé na rádioaktívne žiarenie. Ryby zjavne vnímajú bludné prúdy spôsobené elektrifikáciou vzduchu (dokazuje to pohyb rýb do hĺbok pred búrkou). Komáre sa pohybujú po uzavretých cestách v rámci umelého magnetického poľa. Niektoré zvieratá dobre vnímajú infra- a ultrazvukové vibrácie. Niektoré medúzy reagujú na infrazvukové vibrácie, ktoré sa vyskytujú pred búrkou. Netopiere vydávajú ultrazvukové vibrácie v rozsahu 45-90 kHz a nočné motýle, ktorými sa živia, majú orgány citlivé na tieto vlny. Sovy majú aj „ultrazvukový prijímač“ na detekciu netopierov.

Pravdepodobne je sľubné navrhnúť nielen technické analógy zmyslových orgánov zvierat, ale aj technické systémy s biologicky citlivými prvkami (napríklad oči včely na detekciu ultrafialových lúčov a oči švábov na detekciu infračervených lúčov).

Veľký význam v technickom prevedení majú tzv. Perceptróny sú „samoučiace sa“ systémy, ktoré vykonávajú logické funkcie rozpoznávania a klasifikácie. Zodpovedajú mozgovým centrám, kde sa spracovávajú prijaté informácie. Väčšina výskumov sa venuje rozpoznávaniu vizuálnych, zvukových alebo iných obrazov, t. j. vytváraniu signálu alebo kódu, ktorý jednoznačne zodpovedá objektu. Rozpoznávanie sa musí vykonávať bez ohľadu na zmeny v obraze (napríklad jeho jas, farba atď.) pri zachovaní jeho základného významu. Takéto samoorganizujúce sa kognitívne zariadenia fungujú bez predchádzajúceho programovania s postupným školením vykonávaným ľudským operátorom; zobrazuje obrázky, signalizuje chyby a posilňuje správne reakcie. Vstupným zariadením perceptrónu je jeho vnímavé, receptorové pole; pri rozpoznávaní zrakových predmetov je to súbor fotobuniek.

Po období "tréningu" môže perceptrón robiť nezávislé rozhodnutia. Na základe perceptrónov sa vytvárajú zariadenia na čítanie a rozpoznávanie textu, kresieb, analýzu oscilogramov, röntgenových snímok atď.

Štúdium systémov detekcie, navigácie a orientácie u vtákov, rýb a iných živočíchov je tiež jednou z dôležitých úloh biológie, pretože miniatúrne a presné systémy na vnímanie a analýzu, ktoré pomáhajú zvieratám navigovať, nájsť korisť a migrovať tisíce kilometrov (pozri Migrácia zvierat), môžu pomôcť zlepšiť nástroje používané v letectve, námorných záležitostiach atď. Ultrazvuková poloha bola objavená u netopierov zvieratá (ryby, delfíny). Je známe, že morské korytnačky plávajú niekoľko tisíc kilometrov na more a vždy sa vracajú na to isté miesto na brehu, aby nakladali vajíčka. Predpokladá sa, že majú dva systémy: orientáciu na dlhú vzdialenosť podľa hviezd a orientáciu na krátku vzdialenosť podľa pachu (chémia pobrežných vôd). Samček motýľa pávieho nočného hľadá samičku na vzdialenosť až 10 km. Včely a osy sa dobre orientujú na slnku. Výskum týchto mnohých a rôznych detekčných systémov má čo ponúknuť technológii.

Štúdium morfologických znakov živých organizmov tiež poskytuje nové nápady pre technický dizajn. Štúdium štruktúry kože vysokorýchlostných vodných živočíchov (napríklad koža delfína nie je zmáčaná a má elasticko-elastickú štruktúru, ktorá zaisťuje elimináciu turbulentných turbulencií a kĺzania s minimálnym odporom) možné zvýšiť rýchlosť lodí. Vznikol špeciálny poťah – umelá koža „laminflo“ (obr. 2), ktorý umožnil zvýšiť rýchlosť námorných plavidiel o 15 – 20 %. Hmyz dvojkrídlovcov má prívesky - ohlávky, ktoré nepretržite vibrujú spolu s krídlami. Pri zmene smeru letu sa smer pohybu ohlávok nezmení, stopka spájajúca ich s telom sa natiahne a hmyz dostane signál na zmenu smeru letu. Na tomto princípe je postavený gyrotrón (obr. 3) - vidlicový vibrátor, ktorý zabezpečuje vysokú stabilizáciu smeru letu lietadla pri vysokých rýchlostiach. Lietadlo s gyrotrónom môže byť automaticky obnovené z rotácie. Let hmyzu je sprevádzaný nízkou spotrebou energie. Jedným z dôvodov je špeciálna forma pohybu krídla, ktorá vyzerá ako osmička.

Veterné mlyny s pohyblivými lopatkami vyvinuté na tomto princípe sú veľmi ekonomické a môžu pracovať pri nízkych rýchlostiach vetra. Nové princípy letu, bezkolesový pohyb, konštrukcia ložísk, rôzne manipulátory atď. sú vyvinuté na základe štúdia letu vtákov a hmyzu, pohybu skákajúcich zvierat, stavby kĺbov atď. Analýza stavby kosti, ktorá zabezpečuje jej väčšiu ľahkosť a zároveň pevnosť, môže otvoriť nové možnosti v stavebníctve atď.

Problémom B je v podstate aj nová technológia založená na biochemických procesoch prebiehajúcich v organizmoch. V tomto smere má veľký význam štúdium procesov biosyntézy a bioenergie, pretože energeticky biologické procesy (napríklad svalová kontrakcia) sú mimoriadne ekonomické. Súčasne s pokrokom techniky, ktorý zabezpečujú úspechy biológie, prospieva aj samotnej biológii, pretože pomáha aktívne chápať a modelovať určité biologické javy alebo štruktúry.

Slogan bioniky znie: "Príroda vie najlepšie." Čo je to za vedu? Už samotný názov a toto motto nás nútia pochopiť, že bionika je spätá s prírodou. Mnohí z nás sa s prvkami a výsledkami vedy o bionike stretávajú každý deň bez toho, aby o tom vedeli.

Počuli ste už o takej vede ako bionika?

Biológia je populárny poznatok, s ktorým sa oboznamujeme v škole. Z nejakého dôvodu mnohí ľudia veria, že bionika je jednou z podoblastí biológie. V skutočnosti toto tvrdenie nie je úplne presné. V užšom zmysle slova je bionika veda, ktorá študuje živé organizmy. Ale najčastejšie sme zvyknutí spájať s týmto učením niečo iné. Aplikovaná bionika je veda, ktorá spája biológiu a technológiu.

Predmet a objekt bionického výskumu

Čo študuje bionika? Na zodpovedanie tejto otázky musíme zvážiť štrukturálne členenie samotného vyučovania.

Biologická bionika skúma prírodu takú, aká je, bez snahy do nej zasahovať. Predmetom jeho štúdia sú procesy prebiehajúce vo vnútri

Teoretická bionika sa zaoberá štúdiom tých princípov, ktoré boli zaznamenané v prírode, a na ich základe vytvára teoretický model, ktorý sa následne využíva v technike.

Praktická (technická) bionika je aplikácia teoretických modelov v praxi. Takpovediac praktické uvedenie prírody do technického sveta.

Kde sa to všetko začalo?

Veľký Leonardo da Vinci je označovaný za otca bioniky. V zápiskoch tohto génia možno nájsť prvé pokusy o technickú realizáciu prírodných mechanizmov. Da Vinciho kresby ilustrujú jeho túžbu vytvoriť lietadlo schopné pohybovať krídlami ako lietajúci vták. Kedysi boli takéto nápady príliš odvážne na to, aby sa stali populárnymi. Pozornosť upútali oveľa neskôr.

Prvým človekom, ktorý uplatnil princípy bioniky v architektúre, bol Antoni Gaudí i Cournet. Jeho meno je pevne zapísané v histórii tejto vedy. Architektonické stavby navrhnuté veľkým Gaudím boli pôsobivé v čase ich výstavby a o mnoho rokov neskôr vyvolávajú rovnakú radosť medzi modernými pozorovateľmi.

Ďalšia osoba, ktorá podporila myšlienku symbiózy prírody a technológie, bola Pod jeho vedením sa začalo rozšírené používanie bionických princípov v dizajne budov.

K etablovaniu bioniky ako samostatnej vedy došlo až v roku 1960 na vedeckom sympóziu v Daytone.

Rozvoj počítačovej technológie a matematického modelovania umožňuje moderným architektom implementovať prírodné podnety v architektúre a iných odvetviach oveľa rýchlejšie a s väčšou presnosťou.

Prirodzené prototypy technických vynálezov

Najjednoduchším príkladom vedy o bionike je vynález pántov. Upevnenie je každému známe, založené na princípe otáčania jednej časti konštrukcie okolo druhej. Tento princíp využívajú mušle na ovládanie svojich dvoch ventilov a ich otváranie alebo zatváranie podľa potreby. Tichomorské obrovské srdcovky dosahujú veľkosti 15-20 cm.Princíp kĺbového spojenia ich pancierov je jasne viditeľný voľným okom. Malí predstavitelia tohto druhu používajú rovnaký spôsob upevnenia ventilov.

V každodennom živote často používame rôzne pinzety. Ostrý a kliešťovitý zobák boľševníka sa stáva prirodzeným analógom takéhoto zariadenia. Tieto vtáky používajú tenký zobák, zapichujú ho do mäkkej pôdy a vyťahujú malé chrobáky, červy atď.

Mnohé moderné prístroje a zariadenia sú vybavené prísavkami. Používajú sa napríklad na zlepšenie dizajnu nôh rôznych kuchynských spotrebičov, aby sa zabránilo ich skĺznutiu počas prevádzky. Prísavky sa používajú aj na vybavenie špeciálnych topánok čističov okien vo výškových budovách, aby sa zabezpečila ich bezpečná fixácia. Toto jednoduché zariadenie je tiež požičané z prírody. Rosnička, ktorá má na nohách prísavky, sa neobyčajne obratne drží na hladkých a klzkých listoch rastlín a chobotnica ich potrebuje na blízky kontakt so svojimi obeťami.

Takýchto príkladov môžete nájsť veľa. Bionika je práve veda, ktorá pomáha ľuďom požičiavať si technické riešenia od prírody pre ich vynálezy.

Kto je na prvom mieste – príroda alebo ľudia?

Niekedy sa stáva, že ten či onen vynález ľudstva je už dlho „patentovaný“ prírodou. To znamená, že vynálezcovia pri vytváraní niečoho nekopírujú, ale sami vymýšľajú technológiu alebo princíp fungovania a neskôr sa ukáže, že to v prírode existuje už dlho a dalo by sa to jednoducho špehovať a adoptovať. .

Stalo sa tak s bežným suchým zipsom, ktorý človek používa na zapínanie oblečenia. Je dokázané, že háčiky, podobné tým, ktoré nájdeme na suchý zips, sa používajú aj na spájanie tenkých protihrotov.

Štruktúra továrenských komínov je podobná dutým stonkám obilnín. Pozdĺžna výstuž použitá v rúrach je podobná prameňom sklerenchýmu v stonke. Oceľové stužujúce krúžky - medzery. Tenká koža na vonkajšej strane stonky je analógom špirálovej výstuže v štruktúre rúr. Napriek kolosálnej podobnosti štruktúry vedci nezávisle vynašli práve takýto spôsob konštrukcie továrenských potrubí a až neskôr videli identitu takejto štruktúry s prírodnými prvkami.

Bionika a medicína

Využitie bioniky v medicíne umožňuje zachrániť životy mnohých pacientov. Bez zastavenia sa pracuje na vytvorení umelých orgánov schopných fungovať v symbióze s ľudským telom.

Ako prvý ho otestoval Dán Dennis Aabo. Stratil polovicu ruky, ale teraz má schopnosť vnímať predmety dotykom pomocou lekárskeho vynálezu. Jeho protéza je spojená s nervovými zakončeniami poškodenej končatiny. Umelé snímače prstov sú schopné zbierať informácie o dotyku predmetov a prenášať ich do mozgu. Dizajn ešte nie je dokončený, je veľmi objemný, čo sťažuje použitie v každodennom živote, ale teraz môžeme túto technológiu nazvať skutočným objavom.

Všetky výskumy v tomto smere sú úplne založené na kopírovaní prírodných procesov a mechanizmov a ich technickej realizácii. Toto je lekárska bionika. Recenzie vedcov hovoria, že ich práca čoskoro umožní nahradiť opotrebované živé ľudské orgány a namiesto nich použiť mechanické prototypy. Toto bude skutočne najväčší prielom v medicíne.

Bionika v architektúre

Architektonická a stavebná bionika je špeciálnym odvetvím bionickej vedy, ktorej úlohou je organické znovuzjednotenie architektúry a prírody. V poslednej dobe sa čoraz častejšie pri navrhovaní moderných štruktúr obracajú na bionické princípy požičané od živých organizmov.

Dnes sa architektonická bionika stala samostatným architektonickým štýlom. Zrodilo sa z jednoduchého kopírovania formulárov a teraz sa úlohou tejto vedy stalo osvojiť si princípy, organizačné prvky a technicky ich realizovať.

Niekedy sa tento architektonický štýl nazýva eko-štýl. Je to preto, že základné pravidlá bioniky sú:

• hľadať optimálne riešenia;
• princíp šetrenia materiálov;
• zásada maximálnej šetrnosti k životnému prostrediu;
• princíp úspory energie.

Ako vidíte, bionika v architektúre nie sú len pôsobivé formy, ale aj progresívne technológie, ktoré umožňujú vytvoriť štruktúru, ktorá spĺňa moderné požiadavky.

Charakteristika architektonických bionických stavieb

Na základe doterajších skúseností v architektúre a stavebníctve môžeme povedať, že všetky ľudské stavby sú krehké a majú krátku životnosť, ak nevyužívajú zákony prírody. Bionické budovy sú okrem úžasných tvarov a odvážnych architektonických riešení odolné a schopné odolávať nepriaznivým prírodným javom a katastrofám.

V exteriéri budov postavených v tomto štýle možno vidieť prvky reliéfov, tvarov a kontúr, umne skopírované dizajnérmi z živých, prírodných objektov a majstrovsky stelesnené stavebnými architektmi.

Ak sa zrazu pri uvažovaní o architektonickom objekte zdá, že sa pozeráte na umelecké dielo, je vysoká pravdepodobnosť, že pred vami je budova v bionickom štýle. Príklady takýchto štruktúr možno vidieť takmer vo všetkých hlavných mestách krajín a veľkých technologicky vyspelých mestách sveta.

Dizajn pre nové tisícročie

Ešte v 90. rokoch vytvoril španielsky tím architektov projekt budovy založený na úplne novom koncepte. Ide o 300-poschodovú budovu, ktorej výška presiahne 1200 m. Pohyb po tejto veži sa plánuje realizovať pomocou štyroch stoviek vertikálnych a horizontálnych výťahov, ktorých rýchlosť je 15 m/s. Krajinou, ktorá súhlasila so sponzorovaním tohto projektu, bola Čína. Na výstavbu bolo vybrané najľudnatejšie mesto Šanghaj. Realizáciou projektu sa vyrieši demografický problém regiónu.

Veža bude mať úplne bionickú štruktúru. Architekti veria, že len to môže zabezpečiť pevnosť a odolnosť konštrukcie. Prototypom stavby je cyprus. Architektonická kompozícia bude mať nielen valcový tvar, podobný kmeňu stromu, ale aj „korene“ - nový typ bionického základu.

Vonkajší plášť budovy je plastový a priedušný materiál imitujúci kôru stromov. Klimatizačný systém tohto vertikálneho mesta bude analogický s funkciou regulácie tepla pokožky.

Podľa vedcov a architektov takáto stavba nezostane jedinou svojho druhu. Po úspešnej realizácii sa počet bionických budov v architektúre planéty bude len zvyšovať.

Bionické budovy okolo nás

Aké slávne výtvory využili vedu o bionike? Príklady takýchto štruktúr sa dajú ľahko nájsť. Vezmite si napríklad proces vytvárania Eiffelovej veže. Dlho sa hovorilo, že tento 300-metrový symbol Francúzska postavili podľa nákresov neznámeho arabského inžiniera. Neskôr bola odhalená jeho úplná analógia so štruktúrou ľudskej holennej kosti.

Okrem Eiffelovej veže môžete nájsť mnoho príkladov bionických štruktúr po celom svete:

• bol vztýčený analogicky s lotosovým kvetom.
• Pekinská národná opera - imitácia kvapky vody.
• Plavecký komplex v Pekingu. Vonkajšie opakuje kryštalickú štruktúru vodnej mriežky. Úžasné konštrukčné riešenie spája aj užitočnú schopnosť konštrukcie akumulovať slnečnú energiu a následne ju využívať na napájanie všetkých elektrospotrebičov prevádzkovaných v objekte.
• Mrakodrap Aqua vyzerá ako prúd padajúcej vody. Nachádza sa v Chicagu.
• Dom zakladateľa architektonickej bioniky Antonia Gaudího je jednou z prvých bionických stavieb. Dodnes si zachovalo svoju estetickú hodnotu a zostáva jedným z najobľúbenejších turistických miest v Barcelone.

Vedomosti, ktoré potrebuje každý

Stručne povedané, môžeme bezpečne povedať: všetko, čo študuje bionika, je relevantné a potrebné pre rozvoj modernej spoločnosti. Každý by sa mal zoznámiť s vedeckými princípmi bioniky. Bez tejto vedy si nemožno predstaviť technický pokrok v mnohých oblastiach ľudskej činnosti. Bionika je naša budúcnosť v úplnom súlade s prírodou.