бионика. Реферат Предмет биология Бионика это интересно Ловягин Георгий Дмитриевич Класс 11
 Скачать 42.44 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Тверская Епархиальная православная средняя образовательная школа во имя свт. Тихона Задонского Реферат Предмет биология Бионика - это интересно Выполнил: Ловягин Георгий Дмитриевич Класс 11 Научный руководитель: Чугунова Н.Н. Учитель биологии ТЕПСОШ Тверь 2020 г. Содержание Введение 3 Литературный обзор 4 Глава 1. Наука бионика 4 Глава 2. История создания 5 Глава 3. Техническая бионика 6 Бионика в быту людей 6 Бионика в архитектуре и дизайне 7 Бионика в медицине 9 Воссоздание поведения животных 10 Полёт 11 Зрение 11 Плавание 11 Заключение и выводы 13 Список литературы 14 Введение Не для кого ни секрет, что жизнь возникла и функционирует по естественным законам. Отсюда вытекает актуальность данной темой: знание этих законов позволяет не только подобрать ключ к пониманию мира, но и использовать их для практических целей. Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики. В науке сложилось новое направление - бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин. Выделяют теоретическую бионику и техническую бионику. Но в этом реферате я бы хотел в основном рассмотреть техническую бионику. Цель: Раскрыть основные положения бионики, установить взаимосвязь между миром техники и животным миром Задачи: Рассмотреть основные направления бионики Изучить взаимосвязь природы и техники Привести примеры заимствования техники от природы Литературный обзор Глава 1. Наука бионика. Бионика (от греч. piov — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы: изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика); исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей. У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто. В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами. Глава 2. История создания. Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. - день открытия в США Международного симпозиума «Живые прототипы искусственных систем - ключ к новой технике». Однако в действительности основные концепции бионики сложились задолго до этого, а симпозиум лишь ознаменовал начало широкого международного сотрудничества в этой области. Доисторический человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. В известном смысле такой подход можно назвать бионикой. В какой-то степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталике глаза. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц. Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п. В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития. Глава 3. Техническая бионика. . Бионика в быту людей. Восемь веков назад в Китае жители деревни Хонг-Чун, расположенной в горах Хуанг-Шань (что означает Желтые горы), проявили себя как первые архитекторы-бионики. Они придали своей деревне форму быка и для обеспечения подачи воды придумали водную (гидрологическую) сеть, имитирующую пищеварительную систему. Головой такого быка служил холм, рогами — два больших дерева. Четыре моста изображали ноги, а деревенские дома — тело быка. По кишечнику чистая вода подавалась к подножию каждого дома и затем стекалась к озеру-желудку в форме полумесяца, а потом —к озеру побольше, которое имитировало живот быка, и, наконец, впадала в реку. Эта канализационная система вплоть до наших дней способна подавать воду, пригодную для питья и орошения сельскохозяйственных культур. Правда, сейчас жители деревни используют ее скорее в туристических видах, нежели в практических целях, тем более что деревня Хонг-Чун была включена в список мирового наследия ЮНЕСКО... «Этот пример имеет еще и символическую интерпретацию. В Китае бык олицетворяет долговечность. Происхождение и источники других заимствований у природы очертить труднее. Предполагают, например, что искусственные плотины из камня, датируемые 3-м тысячелетием до нашей эры, были заимствованы у бобров, что устройство паутины натолкнуло древних рыбаков на идею рыболовных сетей. Кроме того, полагают, что прекрасная терморегуляция ячеистых домов индейцев пуэбло в Новой Мексике — домов, построенных из смешанной с водой глины, — объясняется имитацией архитектуры глиняного гнезда ос- отшельников. Имена некоторых первооткрывателей забылись, но другие сумели войти в историю. Китайца Чай-Луна* (или Тсай-Луна) считают изобретателем бумаги. Этот материал он создал в 105 году нашей эры, смешивая бамбук с водой, после внимательного изучения гнезд общественных, т.е. живущих роем, ос родственниц упомянутых выше одиночных ос. Гнезда этих перепончатокрылых на самом деле состоят из дерева, смешанного со слюной. Они строятся вокруг сот, закрепленных на столбе или другой опоре, которые окружены множеством слоев из того же материала. Гораздо позже, в XIX веке большинство изобретателей, полагаясь на интуицию и продвигаясь на ощупь, все же получили патенты на свои устройства. Ремесленные рынки остались в прошлом. Хороший пример перехода от эры ремесленной к эре индустриальной — история колючей проволоки. На западе США заменителем проволоки с железными колючками изначально служили ветки колючего техасского апельсинового дерева I'oranger des Osages, которые использовались индейцами племени сиу. Французские миссионеры вместо исконного местного « Wazhdzhe» дали дереву более легкопроизносимое название «Osage», или озаж. Из веток этого дерева индейцы сиу делали луки, а напоминающий каучук сок его несъедобных плодов использовали для раскраски лиц. Первые колонисты-американцы придумали ограждать свои владения зарослями апельсинового терновника, чтобы уберечь домашний скот. Про эту изгородь говорили, что она: «достаточно высокая для лошадей, достаточно прочная для быков и достаточно частая для свиней». Однако такая живая изгородь росла медленно, и некоторые находчивые фермеры заменили естественные заграждения металлической проволокой с железными колючками, имитирующими колючки на ветках терновника. Изобретение, названное индейцами «поясом дьявола», было усовершенствовано *Рене Реомюр (16831757) — человек незаурядный. Его научные труды посвящены математике, физике, химической технологии, зоологии и ботанике. Он разработал способ производства матового стекла. В 1715 г. начал заниматься металлургией железа. В 1730 г. изобрел спиртовой термометр, шкала которого определялась точками кипения и замерзания воды. Шкала Реомюра долгое время была распространена в Европе. Бионика в архитектуре и дизайне. Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире: Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости) Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда) Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер) Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры - раковины моллюска) Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде) Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания) Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды) Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов. Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера: как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре. Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы: Воск и пчелиные соты - основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, стеклянных конструкций, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т.д. Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков. Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм. Цветные стекла и зеркала используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение. В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево - один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др. Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости. Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д. Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза. В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики - мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов. Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров. Бионика в медицине. Бионика в медицине охватывает множество очень важных направлений, над которыми работают учёные, к тому же эта наука изучает следующие проблемы: Бионика в медицине ставит перед учёными важные задачи по изучению нервной системы человека и животных, а также моделирования нервных клеток и нейронных сетей для создания более совершенных вычислительных систем. Также бионика в медицине занимается изучением органов чувств и многих систем восприятия окружающего мира живыми организмами. Важной задачей бионики в медицине по-прежнему является изучение принципов ориентации, навигации и локации у различных видов животных. И последнее, но не менее важно исследование бионики в медицине, является тщательное изучение физиологических, биохимических, а также морфологических особенностей живых организмов. В медицине благодаря бионике совершились множественные полезные открытия, среди которых можно назвать и использование биотоков. Правда, их открыл ещё раньше итальянский физиолог Гальвани, но в те времена использование биотоков не позволяло добиться нужного результата. Но только не в наше время, сегодня использование биотоков в медицинской бионике позволило сделать существенный прорыв в виде искусственной руки, которая работает с помощью импульсов. Первый искусственный протез появился в 1957 году, но его возможности были крайне малы, такая рука могла только сжимать и разжимать пальцы, а также совершать чередование этих команд. Эти опыты проводились до 1960 года, после этого бионика в медицине вновь совершила стремительный рывок, предоставив общественности новый вид искусственной руки, она уже могла не только сжимать пальцы, но и более сносно писать с помощью ручки. Из года в год такие опыты продолжаются, они совершенствуются, улучшаясь и становясь лучше. Учёные тщательно работают, пытаясь с помощью бионики достичь в медицине новых высот, среди которых, наконец, то появится возможность подарить людям, утратившим конечности возможность полноценно ощущать жизнь, передвигаться без инвалидного кресла. Бионика в медицине не стоит на месте, несмотря на молодой возраст, эта наука уже смогла достичь небывалых высот, и возможно пройдёт ещё пару лет, когда она сможет решить любые сложные медицинские проблемы, по крайней мере, бионика в медицине может подарить надежду, а это дорого стоит. Воссоздание поведения животных. Чем дальше бионика продвигается в своих знаниях о строении и системах управления живого организма, тем больше ученые убеждаются в огромном превосходстве биологических систем над разработками человека на всех уровнях, в том числе молекулярном. Животный мир, удивляя и восхищая биоников совершенством своих устройств и уникальных систем, не спешит раскрывать им свои тайны. Однако, хотя знакомство с целесообразным устройством организма и жизнедеятельностью животных приносит все больше и больше загадок, человеку иногда удается успешно применять полученные знания на практике. 3.4.1. Полёт Изучение полета пернатых позволило людям понять, каким же образом даже тяжелым птицам удается легко взлетать и парить в воздухе. В результате этого появилась авиация. Но при всем старании инженеров и техников и развитии науки достигнуть летных результатов пернатых так и не удалось. Почему? Дело в том, что у этих созданий все предназначено для полета. Это, например, обтекаемые формы тела, позволяющие развивать такие высокие скорости. Птицы имеют особые свойства перьев и уникальное строение крыльев. У них - определенные объемы легких и воздушных мешков. Пернатые обеспечены и великолепной легкой «конструкцией» скелета. То есть любая часть организма птиц специально создана для самых разных способов их передвижения в воздухе. 3.4.2. Зрение. Для того чтобы летающие роботы могли эффективно осуществлять навигацию, надо их снабдить способностью оценивать расстояние, отделяющее их от земли, или определять возможные препятствия. Ради выполнения летающими аппаратами этих задач не всегда подходят уже изобретенные инженерами приспособления, например радары или телеметрический лазер. Вот почему одна группа марсельских исследователей разработала навигационное устройство совершенно другой природы. Оно заимствует способ использования мухой своих нейронов — детекторов движения. Оно копирует фасеточный способ зрения у мух. 3.4.3. Плавание. Производители одежды для пловцов давно восхищались умением разного рода морских созданий плавать с невероятной скоростью, многократно превышающей мышечные возможности, за счет превращения турбулентного водного потока в латеральный. Исследовали всех: начиная от дельфинов и заканчивая мелкими рыбешками, но только у акул нашли способ, который можно было воплотить в плавательном костюме. Дело в том, что на коже акулы при ближайшем рассмотрении можно заметить крохотные рифлёные чешуйки, которые «гасят» сопротивление воды. И вот в 2000 году компания Speedo представила костюм с этим эффектом и произвела фурор: спортсмены, выступавшие купальниках этого типа, завоевали на Олимпийских играх в Сиднее в общей сложности 83 процента от всех медалей и установили 12 мировых рекордов. Заключения и выводы В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы: Изучены основные направления бионики. Раскрыты взаимосвязи природы и техники. Рассмотрены примеры использования бионики в архитектуре, дизайне, медицине, робототехники, машиностроении Материалы данного реферата можно использовать на уроках биологии, черчения, физики, химии и во внеклассной работе. Список литературы Гийо Агнес, Мейе Жан-Аркади Бионика. Когда наука имитирует природу Москва: Техносфера, 2013. https://ru.wikipedia.org/wiki/BHOHHKa http://mikrobiki.ru/nauka/kletochnaya-inzheneriya/bionika-v-meditscine- vazhneishee-otkrytie-uchenyh.html http://papamaster.su/sovremennye-primery-bioniki-v-arxitekture/ |