Исследовательская работа по биологии "Бионика"

.

Бионика

Исследовательская работа

Оглавление

Введение	2
Глава 1	4
1.1.Наука бионика	4
1.2. Направления бионики	5
1.2.1.Архитектурная бионика	5
1.2.2.Нейробионика	6
1.2.3. Техническая бионика	7
Глава 2	8
2.1. Опрос по проблеме	8
2.2. Создание альбома по теме.	9
2.2.1.Здание	9
2.2.2.бассейн	10
2.2.3.био автомобиль	11
2.2.4. мебель	11
Заключение	13
Список литературы	15

Введение

С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях. Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг. до н.э.) писал: «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ (1)...»

Прочитав высказывание Демокрита, я задумался, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы. Человека издавна удивляло и восхищало совершенство природы, поэтому он стремился изучить её, многое позаимствовать у неё. Найти, изучить удивительные «изобретения» растений и животных и применить их в науке, архитектуре, технике – вот основная задача бионики. Бионика (от греч. Слова «бион» - элемент жизненной системы, ячейка жизни) – молодая наука с огромным будущим. Меня заинтересовала эта тема, и я решил изучить её. Каждый лист, каждая травинка, каждый лепесток могут служить живой моделью технической конструкции и быть использованы при проектировании различных типов сооружений и их элементов. Искусство, архитектура, дизайн, промышленность – это только некоторые сферы, где используют живые организмы.

Я решил взять за основу некоторые объекты живой природы и на их основе создать нечто сложное и интересное, что можно было бы применить в повседневной жизни.

В своей работе я поставил цель – изучение свойств природных явлений и возможности их использования в технических открытиях на благо человека.

В ходе этой работы я буду решать следующие задачи:

1) Подобрать и проанализировать соответствующую литературу по теме;

2) Найти факты, подтверждающие существование объектов, при проектировании которых использованы законы природы;

3) расширить свои знания об уникальных свойствах природных организмов;

4) предложить свои идеи применения свойств природных объектов в технических изобретениях (создание альбома);

Глава 1

1.1.Наука бионика

Изучая литературу, я обнаружил, что есть такая наука – бионика. Бионика - особое направление в науке и технике, цель которого – использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники.

Бионика – это наука, которая находится на границе между биологией и техникой. Соединеие «БИОлогия» и «техНИКА» означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и так далее (1).

Появление науки кибернетики способствовало более широкому изучению строения и функций живых систем. Это помогло выяснить их сходства с техническими системами, а также использовать полученные сведения о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов.

Формальной датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960. В Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», который официально закрепил рождение новой науки.

Сразу же возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение научной сути бионики, - синтезировать накопленные в различных науках знания. Эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла. Скальпель — символ биологии, паяльник — техники, а интеграл объединяет обе отрасли науки. Девиз бионики – «Живые прототипы – ключ к новой технике» (2).

1.2. Направления бионики

1.2.1.Архитектурная бионика

На всем протяжении истории человек в своей архи­тектурно-строительной деятельности сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы.

Хижина южноамериканских индейцев и термитник

Человек, как известно, постепенно развивался от древнейших приматов млекопитающих к состоянию «гомо сапиенс». Одновременно шло и усложнение архитектурных строений.

Оформление капителей колонн храмов Древнего Египта по аналогии с формами цветов лотоса и папируса(4).

Современная архитектура не имеет границ. Наиболее интересен среди существующих проектов – город-башня в Шанхае. Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты — аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов (6).

1.2.2.Нейробионика

Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику. Благодаря бионики созданы миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта. Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных — также одна из важных задач бионики., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км, могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе (3). Спроектировать такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с "тараканьими мозгами".

Ученые же из Австралийского национального университета подробно изучили полет стрекозы. Они пришли к выводам, что "несмотря на очень маленький мозг, эти насекомые способны выполнять быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения". Новые летательные аппараты, сконструированные по "образу и подобию" хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы. А вот пример, который можно взять с другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции (6).

1.2.3. Техническая бионика

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход — крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов (4).

Глава 2

В условиях современного города: суеты, шума и серости, а также вечной нехватки времени, человек неосознанно страдает от недостатка чистых, сочных красок и причудливых форм живых растений и животных. Это противоречие между стремлением человека приблизится к природе и невозможности его осуществления может разрешить бионический стиль. В своей работе я пытаюсь найти пути разрешения этого противоречия. Разработанный мною дизайн-проект в этом стиле хотя бы немного поможет человеку почувствовать себя в гармонии с природой. Моя исследовательская работа – это возможность самой разобраться в законах жизни.

2.1. Опрос по проблеме

Следующим этапом моей работы был опрос учеников и учителей нашей школы. Я хотел узнать, насколько они владеют знаниями по интересующей меня теме. Я предложил им ряд вопросов:

1. Что ты знаешь о науке бионике?

2. Замечал ли ты сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений?

3. Согласны ли вы, что природа дает человеку множество примеров для технических изобретений?

4. Приведи свои примеры.

Опрос был проведен среди учащихся 1-11 классов и учителей. Всего в анкетировании участвовало 54 человека. Результаты проведенного опроса я отобразил в таблице.

Таблица 1

Результаты опроса

	Начальное Звено			Среднее Звено			Учителя
Номер вопроса		Ответ «Да»	Ответ «Нет»	Ответ «Да»	Ответ «Нет»	Ответ «Да»		Ответ «Нет»
№1		16% (3чел.)	84% (15чел.)	19% (4чел.)	81% (17чел.)	66% (10чел.)		34% (5чел.)
№2		83% (15чел.)	17% (3чел.)	85% (18чел.)	15% (3чел.)	100% (15чел.)		…………
№3		88% (16чел.)	12% (2чел.)	90% (19чел.)	10% (2чел.)	100% (15чел.)		…………
№4		88% (16чел.)	12% (2чел.)	90% (19чел.)	10% (2чел.)	100% (15чел.)		…………

По данным результатам я делаю вывод, что большая часть ребят не имеет представления о науке бионике. Однако более 80 % опрошенных наблюдали сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений. Большинство согласны с тем, что природа дает человеку множество примеров для технических изобретений. Радует то, что многие учащиеся нашей школы смогли привести примеры на основе личных наблюдений или знаний. В ходе опроса я наблюдал повышенный интерес и желание узнать об этой науке учащихся, как начальных, так и средних классов.

2.2. Создание альбома по теме.

Полученные знания я отобразил в специальном альбоме, где показал способы применения свойств природных объектов в технических изобретениях.

2.2.1.Здание (приложение 1)

Людям надоели обычные здания, роскошные особняки, экологические жилища, «умные» дома. Они хотят всего и сразу в одном здании, вдобавок ко всему – необычной формы. Долой безликие коттеджи – жить в скучных домах вредно. Тем более что фантазия безгранична, будь это каменные или деревянные дома.
Первым объектом для своего исследования я решил взять пресноводный полип гидру и на его основе спроектировать здание. Это маленькое животное, длинной около 1 см, будет соответствовать 3 этажам жилого дома. Кишечная полость, внутри полипа как раз подойдет для передвижения лифта. Щупальца, находящиеся в верхней части гидры, превратятся в солнечные батареи. Современные солнечные модули не требуют для выработки электроэнергии прямых солнечных лучей. Они заряжают аккумуляторы и при облачном небе, и в дождь, и в пасмурную погоду. Энергия солнца отличается своей экологической чистотой и дешевизной. Технология солнечных батарей позволяет использовать неограниченную энергию солнца, не нанося ущерб окружающей среде. Использование солнечных батарей в России распространено не очень широко, но, несомненно, будущее именно за ними.

В наружном слое тела гидры имеются очень маленькие округлые клетки с крупными ядрами. Эти клетки называют промежуточными. Они играют в жизни гидры очень важную роль. При всяком повреждении тела промежуточные клетки, расположенные вблизи от ран, начинают усиленно расти. Из них образуются кожно-мускульные, нервные и другие клетки, и раненое место быстро зарастает. Что, если на основе этой способности гидры усовершенствовать цементный раствор для скрепления кирпичей. Пусть в этом растворе содержится вещество, способное разбухать при попадании воды в трещины здания, и таким образом восстанавливать целостность здания.

Краска для здания тоже будет необычной. Простая краска, которую наносят на здания, впитывает в себя воду, а вместе с ней пыль и грязь. Не очень хорошая особенность для современного дома. В природе есть растения, листья которых не впитывают воду (лист лотоса, лепестки розы). Вода с их поверхности скатывается и уносит с собой частички пыли. Если современная краска будет обладать таким свойством, то поверхность зданий будет всегда чистой.

2.2.2.бассейн (приложение 2)

Живя в мегаполисе, человек постоянно находится в состоянии стресса. Однотипные многоэтажки с рядами одинаковых окон, серые тона, бетон и давящие своей высотностью здания оказывают депрессивное воздействие на психику. Чувство пустоты от агрессивной визуальной среды с годами настолько врастает в мозг, что его перестают замечать, однако это не мешает ему превращаться в неврозы и астению. Снять этот негативный эффект может превращение архитектуры в место отдыха для глаз и пункт эстетической подзарядки.

«Сказка для взрослых» — именно так очень часто называют стиль бионика. Прежде всего, потому, что все сооружения, оформленные в этом направлении, выглядят неповторимо и удивительно, а вдохновителем для архитекторов в данном случае выступает сама природа. В архитектуре бионика стремится подражать в своих формах естественности природной среды, анатомии и внешнему виду творений живой и неживой природы. Но так как сооружение, предназначенное для жизни или для отдыха людей, должно быть еще и функциональным, а не просто выглядеть как дерево или одуванчик, архитекторы чаще ограничиваются метафорой живого организма. Все должно быть антигеометрично – здания в этом стиле игнорируют четкие линии и строгие углы в девяносто градусов. Стены сооружения подобны клеточной мембране, их выпуклые и вогнутые поверхности ритмически чередуются, создавая тем самым видимость живого дышащего существа. Проект бассейна, который мы представляем внешне похож на божью коровку. Наш бассейн может функционировать в любое время года. Благодаря возможности поднимать «крылья» сооружения можно наслаждаться купанием под открытым небом. Яркая окраска нашего сооружения не даст пройти мимо детей, которые приведут туда за руку и своих родителей. Надеюсь, что в ближайшем будущем благодаря таким объектам увеличиться количество спортсменов – плавцов и количество золотых медалей на олимпийских играх.

2.2.3.био автомобиль (приложение 3)

В последнее время возникла мода на нестандартные и экологичные авто. И уже эко-машины с применением высоких технологий разрабатываются такими авторитетными гигантами, как «Форд», «БМВ», «Пежо» и др.

Наш автомобиль внешне напоминает лист растения. Топливом для него будет служить жидкий воздух. Первые автомобили на таком виде топлива уже существуют и хорошо себя зарекомендовали с экологической точки зрения. Помимо необычного внешнего вида, у нашего автомобиля особенные шины, которым позавидовал бы любой водитель. Известно, что сердце постоянно перекачивает кровь по сосудам, при этом в крови постоянно поддерживается давление на одном уровне. Что если эту особенность применить в строении шин? У нашего автомобиля шины, которые могут накачиваться сами. Шины накачиваются автоматически благодаря пульсирующему насосу, который срабатывает время от времени, сохраняя в шинах постоянный безопасный уровень давления. Это не только увеличит степень безопасности на дорогах, но и внесёт свой вклад в дело экономного использования горючего (машины с недокаченными шинами используют больше горючего), в результате чего снизится выброс углекислого газа в атмосферу и повысится продолжительность эксплуатации шин.

2.2.4.мебель (приложение 4)

Зеленая волна прокатилась по всему миру. Сегодня миллионы людей искренне мечтают ощутить, что они живут не в шумном мегаполисе, а на лоне природы. Эко стиль позволяет создать иллюзию того, что ваш дом — это островок природного благополучия. Подражание природным мотивам, использование натуральных экологически чистых материалов и следование концепции простоты — вот те качества, которые принесли этому стилю оглушительный успех. Когда дизайнер начинает работать над таким интерьером, его главная задача — воссоздать в городской квартире или в загородном доме картины природной среды. То есть, вся обстановка квартиры должна быть решена в «природном» ключе, должна гармонировать с природой и дарить домочадцам ощущение покоя и умиротворения.

С точки зрения геометрии, современный синтетический мир, созданный человеком, состоит из прямых линий и углов. Квадраты улиц и домов таят в себе квадраты комнат, окон, телеэкранов, стульев и письменных столов. Двери, ящики, комоды, радиаторы и кондиционеры, полки, шкафы и коробки есть совокупность квадратов и их прямоугольных братьев. Квадрат – изобретение сугубо рационалистическое, в природе он попросту не существует. В организме человека нет квадратных органов, они отсутствуют и в строении тел животных. Не существует квадратных планет, светил и растений. Природа не создает квадратных форм – за исключением редких кристаллов. Человеческий глаз, голова, Солнце, яйцеклетка, водоворот, сердцевина цветка, озеро имеют округлую форму. Круг символизирует круговорот жизни, тогда как квадрат является символом всего неживого и искусственного.

Интерьер в стиле бионики отличается плавными изгибами, большим пространством, наполненностью помещения светом и свежим воздухом. Данный стиль дает дизайнеру много свободы при манипуляции с формой и пространством помещения или здания. Порой дело доходит до пространственных иллюзорных эффектов.

Дизайн мебели, который мы представляем, напоминает лист растений. Цвет яркой сочной зелени сочетается с округлыми формами. Если остальную мебель подобрать в том же стиле, то вся комната будет похожа на сказочный островок природы.

Заключение

Источник вдохновения для бионики - природа. Она настолько мудра, что придумала множество идеальных форм и конструкций. Человеку остается только, наблюдая, копировать их. Структура пчелиных сот, спиралевидная морская раковина, анатомическое строение насекомых - готовые модели, которые можно использовать где угодно, в том числе и в интерьере. То, какой стиль мы выберем для своего нового дома или дачи, зависит только от нашей фантазии и материальных возможностей. Бионика доказала, что архитектура – это не только палочки и кирпичики. Применить элементы бионики у себя дома или на участке может каждый. В интерьере – это, прежде всего, светильники и мебель, формы для которых позаимствованы у самой природы. Их, кстати, можно изготовить своими руками. Ландшафт на участке нетрудно сделать неповторимым. Для этого лишь обратите внимание на уже имеющиеся камни, ветви, трещины и т.д. Применив немного фантазии, можно создать альпийскую горку (сооружение из камней и растительности, присущей высокогорному климату). Если имеется большое старое дерево, не спешите его пилить. Его дупляные полости можно использовать, например, как емкость для вещей или даже как беседку для отдыха. Здесь не нужен будет кондиционер, так как даже в зной дерево обеспечит постоянную температуру примерно 22 градуса. Как показывает практика, потенциал неизученных секретов природы огромен. Не надо только бояться их изучать, не надо ограждаться от природы стенами построек, разрушая при этом наш общий дом.

Выводы:1. Очень многое из того, что сделано руками человека, люди придумали не сами, а с «подсказкой» матери-природы.

2. Ученые продолжают исследовать объекты живой природы для того, чтобы почерпнуть свежие идеи для создания новых технических устройств.

3. Надеюсь, что мои идеи применения свойств живых объектов в технических изобретениях, окажутся полезными.

Моя работа на этом не заканчивается: я продолжу поиск интересных фактов использования свойств природных явлений в технических открытиях. Эта работа увлекла всех моих родных: мы не перестаем восхищаться и удивляться уникальности и совершенству всего сотворенного в мире природы!

Любите свою планету, берегите животных и растения, которые окружают нас. Они откроют свои тайны !

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. http://bio-nica.narod.ru/

3. http://www.luxurynet.ru/architecture/3634.html

4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/stroitel/1032

5. http://cih.ru/ab/b1.html

6. http://moikompas.ru/compas/bionic

7. http://www.visual-form.ru/article/004.html

8. http://www.existenzia.ru/idea/bionika

9. http://www.formundraum.ru/stili-v-dizajne/bionika/

10. http://kraevedenie.net/2010/01/24/bionika-neftesbor/

11. http://suslov-oleg.com.ua/ocherk.php

12. http://www.bazil-maestro.com/articles/bionika