Что изучает бионика в биологии кратко
Бионика (Что изучает наука бионика?)
Просмотр содержимого документа
«Бионика (Что изучает наука бионика?)»
Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти…
Подготовила: Митюкова Е.А
МОУ «Школа № 22 г. Донецка»
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.
Бионика — наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма.
Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи . Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы.
Водолазный колокол Галилея
Изобретение застежек «липучки»
Густав Эйфель в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.Её конструкция основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела.
Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости
Это новое явление в архитектурной науке и практике. Здесь и возможности поиска новых, функционально оправданных архитектурных форм, отличающихся красотой и гармонией, и создание новых рациональных конструкций с одновременным использованием удивительных свойств строительного материала живой природы, и открытие путей реализации единства конструирования и создания архитектурных средств с использованием энергии солнца, ветра, космических лучей. Но, пожалуй, наиболее важным ее результатом может быть активное участие в создании условий сохранения живой природы и формировании гармоничного ее единства с архитектурой.
Использование в технике принципов движения живых организмов
Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования
Ещё более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения
Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации
Учёные установили функцию жужжальцев мух. Во время полёта жужжальца определяют отклонение от горизонтального положения. На принципе жужжальца был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолётах и ракетах для определения углового отклонения стабильности полёта
Реактивный движитель кальмара.
Реактивное движение, используемое в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техники представляет реактивный движитель кальмара. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально разными движителями. При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Мышечная ткань- мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее составляет почти половину объёма его тела. При реактивном способе плавания животное засасывает воду внутрь мантийной полости через мантийную щель. Движение кальмара создается за счёт выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку). Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, чем достигается изменение направление движения. Движитель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч; некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч.
По форме корпуса он похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфин был построен компанией Innespace в 2001 году.
Локация в живой природе
Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы — гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться. у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали «слышать» даже на полном ходу корабля.
Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в полной темноте. Лишь в наше время было установлено, что летучие мыши могут издавать и улавливать ультразвуки. Беспрерывно испуская в полёте ультразвуки и воспринимая их отражение от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство.
Моделирование локаторов по живым организмам открывает новые перспективы их использования в качестве чувствительных элементов различных технических систем.
Многие растения и животные обладают способностью «чувствовать» некоторые явления природы и её воздействие, которые человек даже не замечает. Так, задолго до начала шторма медузы спешат укрыться в безопасном месте. Оказывается, сигналом к этому служат инфразвуки частотой 3-13 Гц, возникающие от трения волн о воздух. Интенсивные инфразвуковые колебания, образующиеся над поверхностью моря при сильном ветре в результате вихревых процессов у гребней волн, распространяются быстрее штормового фронта. Медузы воспринимают эти колебания. В результате изучения данного явления был сконструирован прибор, позволяющий определить направление шторма и силу задолго до его начала (примерно за 15 часов).
Ультразвук и его применение
Ультразвук в медицине:в стоматологии,косметологии, хирургии, при обследовании внутренних органов. Механическая обработка хрупких и сверхтвердых материалов. Очистка с помощью ультразвука. Эхолоты и гидролокаторы.
Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот ( гексапод ) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек
Гексапод построен по результатам изучения системы передвижения таракана.
Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл (Claudia Mitchell), в прошлом служившая в морском флоте США. В 2005 году Митчелл пострадала в аварии. Хирургам пришлось ампутировать левую руку Митчелл по самое плечо. Как следствие, нервы, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для контроля над протезом, остались без применения.
КОСТЮМ «СВЕРХЭВОЛЮЦИИ» Серьёзные инженеры из институтов и университетов, создавая реальные экзоскелеты, видят их предназначение либо в военной области, либо — как помощь инвалидам.
В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы
Исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки
В октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров. В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.
Перспективы развития бионики
Бионики многих стран работают над механизмом ориентации животных, раскрытие которого даст возможность человеку создать в технике принципиально новые навигационные системы
Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей.
ВЕК БИОНИКИ ТОЛЬКО НАЧИНАЕТСЯ
Анализ классических и современных методов бионических исследований убеждает в том, что сейчас вряд ли можно найти такую область человеческой деятельности, которая в той или иной степени не была бы связана или не готовилась к сотрудничеству с бионикой. С каждым годом она захватывает новые рубежи, всё больше и больше проникает в различные области производства, в сферу научных исследований, всюду оставляя заметный след своим новаторством.
Бионика
Содержание
Моделирование живых организмов
Многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.
Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.
Нейробионика
Основными направлениями нейробионики являются изучение физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и вычислительной техники. Существуют теории, утверждающие, что развитие нейробионики будет основанием создания искусственного интеллекта. [1]
Что изучает бионика в биологии кратко
ВВЕДЕНИЕ
БИОНИКА – направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.
Человек часто учится от природы, создавая инструменты и приборы, которыми природа пользуется на протяжении многих лет, оттачивая свое мастерство в процессе эволюции. Мы часто пользуемся такими инструментами как клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое и не задумываемся, как они появились. Первоначально этим создателем была природа. Это она имеет множество инструментов, только они сделаны еще лучше, качественней и являются наиболее точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, а например, из хитина, как у насекомых. Изучая науку – Бионику – возникали вопросы. А многие ли знают про эту науку? А какими приборами и инструментами созданными природой, мы пользуемся дома? Может ли человек обойтись без этих инструментов?
Гипотеза:Мы предположили, что человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.
Цель работы: Изучение инструментов находящихся в квартире средней статистической семьи.
Задачи исследования:
Объект исследования:инструменты используемые человеком.
Предмет исследования: знания о природе, используемые человеком, при создании инструментов.
Методы исследования: социологический опрос, исследованиеинструментов используемых человеком, создание брошюры.
У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.
БИОНИКА – наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма
С развитием авиации совершенствовались и летательные аппараты. Однако, длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер – внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же хитиновые утолщения на концах крыльев бабочек.
Наблюдая за ракообразными и за тем, как они хватают клешнями, учёные придумали удобные медицинские зажимы, которыми пользуются и сейчас.
Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.
Обтекаемая форма акулы и её внешнее строение стало прототипом современных подводных лодок. Кальмар, забирая в себя воду, с силой её выталкивает. Это помогает ему двигаться с большой скоростью. Данный принцип человек применил для создания реактивного двигателя [ 2 ].
Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы.
Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1Проведение социологического опроса
Для проведения школьного социологического опроса были составлены 8 вопросов с выбором ответа (Приложение 1.).
Опрос проводился среди обучающихся с 5-го по 9-й класс. Всего 126 респондента. Результаты опроса таблица №1 (Приложение 2.)
Первый вопрос раскрывал представление о самой науке – бионике. По формулировке вопроса почти все обучающиеся сориентировались верно, ответив на него – 95.5%. Хотя многие утверждали, что не представляют, что изучает данная наука. Мы раскрыли понятие – БИОНИКА, а затем продолжили отвечать на вопросы. Хуже всех справились пятиклассники – 63.8%, а лучше всех ответили 9 –е классы – 93%. Это говорит, о большом багаже знаний полученных за 9 лет обучения в школе. Но по ответам (приложение 2. таблица №2) можно проследить и увидеть, что для всех самый легкий вопрос был №5, почти все ответили правильно. И так же самым затруднительным вопросом оказался №8. Только 9 – ки многие смогли на него правильно ответить, так как изучили анатомию человека в полном объеме.
2.2 Изучение инструментов используемых человеком.
2.2.1 Инструмент: Комбинированные клещи(Приложение 3. табл. №1)
Природный объект: Клещи муравьиного льва – муравьиный лев питается личинками насекомых. Он разрывает воронки в песке, если в эту ловушку попадает муравей, то муравьиный лев бросает ему вслед песок, тем самым мешает выбраться обратно. При этом он использует свои клещи в качестве совка для песка. Когда он высасывает содержимое своей жертвы, он выбрасывает пустую оболочку из воронки. Клещи муравьиного льва могут сыпать песок, хватать добычу и впиваться в нее; они действуют как шприц, маленький всасывающий насос или инструмент для броска. Таким образом, они представляют вид комбинированных клещей, обладающий шестью функциями.[ 1 ]
Использование инструмента: Чаще всего при работе используют клещи, способные выполнять четыре функции. Их захватывающие концы имеют рифленые контактные поверхности и поэтому, например, могут удерживать лист жести. В выемке этих клещей имеются зубчики, которые позволяют вращать трубку. С боков изгибы инструмента пересекаются, и это делает возможным перекусывание проволоки. Так же ими можно забивать гвозди.
Вывод:Комбинированные клещи удобны в применении, так как заменяют несколько инструментов.
2.2.2 Инструмент: Пинцет(Приложение 3. табл. №2)
Природный объект: Веретенники – крупный кулик из семейства бекасовых с очень длинным клювом и длинными ногами. Своим длинным 15-сантиметровым клювом они ощупывают землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом, ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу.
Клюв – это комбинированный инструмент. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма.[ 1 ]
Использование инструмента: Острые концы пинцета легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет.
Вывод: Пинцет необходим для работы с мелкими предметами, так как пальцы человека не могут производить точные манипуляции с такими предметами.
2.2.3 Инструмент: Складной нож(Приложение 2. табл. №3)
Природный объект: Навозный жук живет в мягкой земле и навозе. Для своего продвижения он использует специальные лопатки, которые находятся на его голени. Когда они не нужны жуку, он может, поместить свою ножку в желобке голени и затем голень вложить в нишу бедра. Таким образом, его инструменты размещаются, экономя место.[ 1 ]
2.2.4Инструмент:Дрели(Приложение 3. табл. №4)
Природный объект:Оса рогохвоста хвойного. Яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого, когда готовиться отложить яйца, она ползет по ветке до самого ствола дерева,
поворачивает к нему заднюю часть своего туловища, выпускает из него яйцеклад и удобно устанавливает его. Насекомое «просверливает» в дереве мельчайшие дырочки примерно на глубину двух сантиметров. Если дерево хвойное, ему потребуется около 20 минут. Когда дырка готова, оса через свой длинный полый яйцеклад, подобный сверлу, помещает туда яйца.[ 1 ]
Вывод:Дрель необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах ( дерево, бетон, металл).
2.2.5Инструмент:Застежка липучка(Приложение 3. табл. №5)
Природный объект:Репейник. Плоды репейника показывают, как необходимы, бывают крючки. У плодов репейника существует множество способов распространения семян самими растениями. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных. Животные уносят их с собой и затем стряхивают.[ 1 ]
Вывод:Липучка очень удобна. Экономит время для застегивания обуви и одежды т.д. Даже малыш может надеть обувь без помощи взрослого.
2.2.6Инструмент:Технические присоски(Приложение 3. табл. №6)
Природный объект:Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Также они помогают ему передвигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз.[ 1 ]
Использование инструмента:Там, где есть гладкие поверхности, часто используют присоски. В быту их используют, прежде всего, на кухне и в ванной. Когда крючок с присоской прижимают к кафельной плитке ванной комнаты, создается вакуумное пространство.
2.2.7Инструмент:Батарейка(Приложение 3. табл. №7)
Природный объект:Электрический угорь может испускать электрические разряды до 700 вольт, с помощью которых он может оглушать или убивать врагов и свою добычу. Электрический орган, который генерирует напряжение, состоит из особой мускулатуры. Напряжение, как и в батарее, создается потоком ионов и разряжается серией ударов, быстро следующих одним за другим.[ 1 ]
Использование инструмента В каждом доме есть огромное количество приборов, которые работают на батарейках (часы, карманный фонарик).
Вывод:Батарейка незаменима для многих электрических бытовых приборов, даже если отключили электричество – нас спасет батарейка!
2.2.8 Инструмент: Игла для инъекций(Приложение 3. табл. №8)
Природный объект: Оса. Осиное жало. Длина жала осы не превышает 3 мм, а толщины 0,001 мм. Если осе угрожает опасность, она применяет его для защиты. Жало с легкостью впитывается в кожу человека, превращаясь в крошечный кинжал. Одновременно оно является инъекционным шприцом.[ 1 ]
Использование инструмента:Внутривенные и внутримышечные инъекции.
Вывод:У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы были опрошены обучающиеся на представление о науке –Бионике. Как выяснилось, многие не знают эту науку, но по подсказке в выборе ответа, могут представить, чем она занимается.
Так же были исследованы инструменты, которые находятся в квартире и используются по назначению. Эти инструменты и приспособления создал человек, используя знания о природе.
Так в основе изобретения комбинированных клещей лежит принцип работы клещей муравьиного льва. Этот инструмент многофункциональный, и удобен при ремонте квартиры. Пинцет повторяет клюв веретенника, очень удобен при работе с мелкими предметами. Складной нож имитирует ножку с лопатками навозного жука – компактен и многофункционален. Он не заменим в походе, поездке и в хранении и переносе, соблюдается техника безопасности. Дрель,подобно яйцекладуосы рогохвоста хвойного, необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах ( дерево, бетон, металл) при строительстве и ремонте. Застежки липучки такие же липкие как плоды репейника. Очень удобны для застегивания сумок, обуви и одежды. А особенно они экономят время мам маленьких детей, ведь малышу легче справиться с липучкой на обуви, чем со шнурками. В красивом кафеле всегда жаль делать отверстие сверлом, выход из положения технические присоски. Они незаменимы в ванной, так как прочно прикрепляют крючки, мыльницы, полочки без клея и гвоздей, как присоски осьминога. Невозможно представить любую квартиру, дом без батареек, их используют в часах, телефонах, фонариках, да мало ли где! А принцип работы батарейки повторяет электрический орган электрического угря. У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи. Не техника, а природа создает самые эффективные и тончайшие инъекционные шприцы, как жало осы. К сожалению, техника не создала еще игл, подобных жалу, которые не гнутся и не ломаются. Если бы удалось создать такие инъекционные шприцы, то прививки, например, стали бы почти безболезненными.
Изучив, как человек применяет свои знания о природе, создавая инструменты. И исследуя инструменты в квартире, как их использует человек. Мы подтвердили свою гипотезу, действительно, человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.
По итогам работы была создана брошюра, которую можно использовать на уроках окружающего мира. И дать представление обучающимся о науке – БИОНИКЕ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Вопросы социологического опроса:
а) конструирование; б) планирование; в) бионика +
а) физику; б) кораблестроение; в) механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе +
а) насекомые +; б) рептилии; в) листья деревьев
а) модели приборов-локаторов для слепых +;
б) радары; в) другая техника
а) рыбы +; б) мыши; в) кроты
а) создание медикаментов; б) строительство медицинских учреждений;
в) создание искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека +
а) стеблей злаков +; б) травы; в) кустов
а) принцип строения стебля растений;
б) принцип строения человеческих костей +;
в) принцип строения скелета насекомых
Результаты социологического опроса
Вопрос
Ответ
1. Как называется наука, цель которой – использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники?
в) бионика +
2. Что изучал основоположник аэродинамики Н.Е. Жуковский? На основании его исследований и появилась авиация.
в) механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе +
3. Более совершенным летательным аппаратом в природе обладают…
а) насекомые +;
4. По аналогии с принципом, лежащим в основе с эхолокации у летучих мышей, конструируются…
а) модели приборов-локаторов для слепых +;
5. Какие животные обладают электрической активностью?
а) рыбы +;
6. Применение бионики в медицине это…
а) создание медикаментов;
б) строительство медицинских учреждений;
в) создание искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека +
7. Какое строение копируют современные многоэтажные дома, в которых проживают люди?
а) стеблей злаков +;
8. Какой принцип стоит в основе строения Эйфелевой башни?
а) принцип строения стебля растений;
б) принцип строения человеческих костей +;
в) принцип строения скелета насекомых
Сравнительная таблица результатов социологического опроса