Из истории бионики
реклама
ВСЕРОССИЙСКИЙ ОТКРЫТЫЙ КОНКУРС НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ, ПРОЕКТНЫХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ УЧАЩИХСЯ «ПЕРВЫЕ ШАГИ» Владислав Колтышев Творения природы как источник для новых идей и технологий на службе человечества г. БЕЛОВО 2010 год 2 МУНИЦИПАЛЬНОЕ НЕТИПОВОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 1 города БЕЛОВО» Творения природы как источник для новых идей и технологий на службе человечества Выполнил: Владислав Викторович Колтышев, ученик 5 В класса МНОУ «Гимназия № 1 города Белово» Домашний адрес: 652612, Кемеровская область, город Белово, ул. Советская, дом 55, квартира 68 Проверил: Ольга Витальевна Тихонова, учитель информатики и ИКТ МНОУ «Гимназия № 1 города Белово» Домашний адрес: 652612, Кемеровская область, город Белово, III Микрорайон, дом 75, квартира 43 8 38 452 4 86 85 МНОУ «Гимназия № 1 города Белово» 652612, Кемеровская область, город Белово, ул. Советская, дом 60 8 38 452 2 65 57 г. БЕЛОВО 2010 3 Содержание Введение ................................................................................................................... 4 Наука бионика ......................................................................................................... 6 Из истории бионики ............................................................................................. 6 Застежка «Молния на птичьих перьях» ............................................................. 8 Рождение застежки – липучки .......................................................................... 11 Архитектурно-строительная бионика .............................................................. 13 Современные открытия ..................................................................................... 16 Заключение ............................................................................................................ 20 Литература ............................................................................................................. 22 4 Введение Летом 2009 года мы семьей ездили на машине в Москву. По дороге нам встречалось большое количество животных – белки, зайцы, проезжая по заповеднику перед Омском, нам встретились косули, лисы, а о количестве различных птиц и говорить не приходится. Около Омска бакланов, мы увидели которые стаю летели косяком. Во время очередного отдыха около Челябинска я подобрал перо цапли, которое стало объектом моего изучения в течение поездки. (Занятия у мамы и папы появились достаточно давно, еще до моего рождения: папа – ведет машину, а мама по карте, выбирает маршрут и проговаривает его. Когда мы пересекаем большие незнакомые города, родители настолько увлечены поиском дороги, что мне и слово вставить некогда). При тщательном рассмотрении пера меня удивило, достаточно то, крепко, что оно если перо расщеплялось, то его с трудом, но все – таки можно вернуть на прежнее место. И почему – то это навлекло на мысль, что перо очень похоже на застежку – «молнию», только такую «молнию», которой не страшны не холод, не влага. На протяжении всего отпуска мысль об устройстве перьев не отпускала меня, поэтому, когда мы вернулись домой, первым делом после отдыха мы зашли в интернет. Каково же было удивление, что моя догадка оказалась истинной. И не только «молния», но и много других, используемых в быту предметов, создано, опираясь на 5 принципы, взятые из живой природы, и даже название есть науки «Бионика». Природа как эталон и есть бионика. Это понятие состоит из частей слов БИОлогия и техНИКА, что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня». Так родилась идея написания данной работы, являющейся синтезом полученных практических знаний, фотографий, сделанных во время поездки, а также и тех теоретических основ, которые взяты из книг и интернета. Работа знакомит читателя с историей появления науки бионики, с событиями и причинами, повлекшими за собой рождение застежек молния и липучка, но самое главное дает понять, что в каждодневно видимом факте есть возможность получения важного открытия для улучшения жизни человека, а кому, как не нам, учащимся начальной школы, предстоит создавать данные своевременное открытия? знакомство с Поэтому на имеющимися первый план наработками выходит и своими практическими наблюдениями. Именно это и стало актуальностью данной работы. Целью работы является знакомство с историей возникновения науки «Бионика», с ее направлениями, результатами и планами на будущее. Задачи: познакомить o с историей возникновения науки; o с первыми продуктами науки; o с направлениями науки; o с результатами создания продуктов; И может кто – то из одноклассников и сверстников, а также просто читателей заинтересуется наукой бионикой и в каждом листочке, стебле, насекомом и другом биологическом существе найдет решение возникшей в его сознании проблемы. 6 Наука бионика Из истории бионики Био́ника (от греч. biōn — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, т. е. формы живого в природе и их промышленные аналоги. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. Идея применения знаний о живой природе инженерных задач для решения принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями - орнитоптер. Его чертежи и схемы основаны на строении крыла птицы. Уже позднее по записям Леонардо да Винчи были созданы летательные объекты. 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 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки. Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы: 7 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. Накопленный в бионике практический опыт 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 экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п. 8 Застежка «Молния на птичьих перьях» Комбинезоны и куртки, ботинки и сапожки, сумки и кошельки, палатки и рюкзаки, все это чудесным образом легко и просто застегивается, если есть застежка-молния. А знаете ли вы, что первая застежка-молния была изобретена 110 лет назад и имела несколько другой принцип действия, чем сегодня? Первая застежка-молния состояла из двух цепочек, с крючочками и дырочками, цепляющимися друг за друга при помощи подвижного ключа язычка. «Застежка для обуви» - так назвал свое изобретение американец Уайткомб Джадсон. Предназначалось изобретение для больного друга, который повредил спину, спасая во время пожара девочку. Ему было очень трудно зашнуровывать ботинки, и он попросил друга-изобретателя придумать чтонибудь, облегчающее процесс обувания. Так гласит легенда, а как было на самом деле, мы не знаем, как не знаем и того, что подсказало изобретателю принцип работы застежки? Может строение птичьего пера? Ведь птичье перо имеет соединения, очень похожие на соединения застежки-молнии. Вот только, к сожалению, разглядеть их можно только под микроскопом. От стержня пера в обе стороны отходят бородки, образуя опахало пера. От бородок также в обе стороны отходят ответвления – бородочки. В устройстве этих бородочек таится главный секрет прочности птичьего оперения: часть 9 бородочек имеет крючочки, которые цепляются за другие бороздочки без крючочков, но с желобком на краю. Таким образом, отдельные бородки прочно сцепляются друг с другом, образуя густую и прочную пластинку - сетку. Получается, что отдельные элементы птичьего пера прочно соединяются друг с другом, практически также как и части застежки-молнии. В каждом пере, если рассматривать его под микроскопом, можно насчитать сотни тысяч бородочек и миллионы их ответвлений с крючочками. И хотя, у нас с вами нет микроскопа, можем мы тоже провести свое исследование пера. Для потребуется птичьего этого нам контурное птичье перо. Проведите пальцами по опахалу. Чувствуете, что бородки достаточно крепко держаться друг за друга? А теперь попробуйте оторвать отдельные бородки. Получилось? При этом пришлось затратить некоторое усилие, чтобы крючочки выскочили из желобков. Теперь попробуйте восстановить соединение, для этого указательный палец расположите снизу, а большой сверху пера, и, сжимая пальцы, проведите ими вдоль разрыва бородок, как будто застегиваете застежку-молнию. Если перо не слишком потрепано, восстановить соединение удастся. А если не получается, значит, крючочки уже сломались, ведь они такие хрупкие. 10 Птицы восстанавливают соединение бородок, "застегивая" их с помощью клюва. Чтобы "застежка" работала исправно, птица тщательно ухаживает за своими перьями. А напоследок хочу отметить, что не всегда бородки перьев сцеплены между например, крючков пуховых собой. Так, не имеют бородки перьев или бородки в самой нижней части пера - это пуховая часть опахала, функция которой – удерживать у кожи слой воздуха. Не имеют крючков бородки перьев отдельных птиц, например, страусов. Такие перья называются рассученными и отличаются особой мягкостью и красотой. 11 Рождение застежки – липучки Существует множество способов распространения семян самими растениями. Они могут просто развеиваться ветром или переноситься водой. Их могут разносить животные, как, например, в случае с репейником. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных, животные уносят их с собой и стряхивают. Семена, попадающие на большие расстояния от материнского растения, имеют больше шансов развиться в новые растения. Принцип действия репейника был заимствован человеком для изготовления застежек – липучек. Первые липкие ленты появились в 50 – х годах XX – столетия. С их помощью можно, например, застегивать спортивные ботинки; в этом случае шнурки уже не нужны. Кроме того, дину липучки легко регулировать в этом одно из ее преимуществ. В первые годы после своего изобретения такие застежки были очень популярны. Сегодня все уже привыкли к удобной застежке, и изготовители застежек – липучек теперь следят лишь за тем, что бы липучки были хорошо спрятаны под клапанами. Техника производит специальные ленты, где обе части прижимаются друг к другу, и крючковатая щетковидная поверхность цепляется за многочисленные петли. Так обе части оказываются крепко связанными друг с другом. Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти прилипают постоянно какие-то 12 непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды. 13 Архитектурно-строительная бионика Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Специалисты по бионике, когда сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, ищут решение в «научной базе» размера, которая неограниченного принадлежит животным и растениям. Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году 14 построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Конструкция Эйфелевой башни 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 почемуто не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка покрыта сетью Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости кости изощренной миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем. В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением 15 является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей. 16 Современные открытия Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки). Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Ученые были насколько поражены близкими тем, оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, 17 образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала. По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см. Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров. В новой созданной печатной в схеме, исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом) 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. Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют 18 выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и функционировать в «человеческом» инженеры исходят городских интерьере — из того, и домашних с лестницами, что им придется условиях, то есть в дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных? В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три экспериментируют года с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана. Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия. 19 В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, прыгая. постоянно Как человек известно, перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе Стенфорда ученые из надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы. 20 Заключение Познакомившись лишь с некоторыми результатами бионики, понимаешь, что почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. И невольно хочется найти решение проблемы, которая возникает каждодневно. Так, например, я живу в городе в девятиэтажном доме, на наши три таких дома приходится три мусорных бака, которые к вечеру полны отходов. Вот и возникает вопрос – как устранить такое количество мусора? Ведь это только бытовые отходы, а сколько отходов производится техникой сегодняшнего дня? Недавно по окружающему миру нами была изучена тема «Пищевая цепь», в которой показано, что в природе все происходит иначе. «Устранения», как это следует понимать в технике, в природе не существует, так как и нет мусора! Мертвый организм полностью разлагается и вновь участвует в общем круговороте. Поэтому складов мусора и нет. Что более не нужно одному, то пригодится другому. Мертвая мышь, которая лежит рядом с яблоней, уничтожается бактериями, корни дерева забирают, например, соединения азота и включают его в свой обмен веществ. Даже кости мыши через какое – то время разлагаются. А что же происходит у нас? Создаются такие упаковки, например, для соков, которые не разлагаются годами, а то и вообще никогда, а в то же время та же обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру, достаточно аппетитную, чтобы привлечь животных, которые съедают фрукт и распространяют зерна. А конфеты, упакованные в красивые пластиковые коробки, которые тоже не разлагаются, а при сжигании распространяют отработанные газы вредные для окружающего мира, а что если для конфет (так же как яблоня для сока создала съедобную упаковку) создать хрустящую, например, вафельную упаковку. Может, это только, конечно фантазии, но многое из того, что когда – то было фантазией, стало реальностью сейчас. 21 Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. 22 Литература 1. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963. 2. Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963. 3. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967. 4. Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967. 5. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968. 6. Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968. 7. Библиографический указатель по бионике, М., 1965. 8. Игнатьев М.Б. "Артоника" Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений"изд.Высшая школа, М., 2004.
