МБОУ«Верхнеуслонская гимназия» Верхнеуслонского муниципального района Республики Татарстан «Бионика. Технический взгляд на живую природу».
Работу выполнила: Арефьева Полина, ученица 9 А класса
Руководитель: Арефьева Ю.В., учитель биологии и химии
Верхний Услон, 2016 год
Цели исследовательской работы:
Расширить представление о бионики, ее развитии и значении. Повысить интерес к изучению естественно- математических и технических наук.
Задачи:
- Познакомиться с историей возникновения науки «Бионика».
- . Показать взаимосвязь физикой, техникой, биологией и другими науками.
- Выделить основные направления бионики.
- важное практическое значение бионики.
- Развивать мотивации изучения естественно-научных дисциплин
Методы исследования:
Теоретические: - изучение научных статей, литературы по теме. Практические: - наблюдение, анализ, обобщение.
Единственное его изобретение, получившее признание при его жизни - колесцовый замок для пистолета (заводившийся ключом). Леонардо да Винчи интересовали проблемы полёта. В Милане он делал много рисунков и изучал летательный механизм птиц разных пород и летучих мышей. Кроме наблюдений, он проводил и опыты, но они все были неудачными. Леонардо очень хотел построить летательный аппарат. Он говорил: «Кто знает всё, тот может всё. Только бы узнать - и крылья будут!».
Связь бионики с другими науками
БИОЛОГИЯ
ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ
ФИЗИКА
Морское дело
ХИМИЯ
КИБЕРНЕТИКА
Навигация
Электроника
В 18 веке Луиджи Гальвани проводил успешные опыты с лапкой лягушки, которые привели к созданию гальванических элементов - химических источников электрической энергии.
Луиджи Гальвани
Основные направления бионики. Нейробионика
одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании способов преобразования информации в биологических системах.
Американская подводная лодка «Скипджек» в точности повторяет форму тунца.
Ю.Гагарин
К. Циолковский
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ МОСКОВСКОЙ
ОБЛАСТИ
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Московский областной медицинский колледж №3 имени Героя
Московской области
Советского Союза З.Самсоновой»
Ногинский филиал
«БИОНИКА В МЕДИЦИНЕ»
ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ БИОЛОГИЯ
студентки I курса 11 СД группы
специальности 34.02.01 Сестринское дело (базовая подготовка)
МОШКОВОЙ ЕЛЕНЫ СЕРГЕЕВНЫ
Студент _______________ _Е.С.Мошкова ____
подпись И.О.Фамилия
Научный руководитель ______________ _Е.Б.Тягунова _______
Подпись И.О.Фамилия
ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ
Зам. директора по УР ________________ __Д. В. Седов_________
Подпись
И.О.Фамилия
Дата защиты «___» _________________2017 год
Отметка ______________________
2017
Оглавление
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
...................................................................................................................................1
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение.................1
Московской области..............................................................................................1
«Московский областной медицинский колледж №3 имени Героя................1
Советского Союза З.Самсоновой»......................................................................1
Ногинский филиал................................................................................................1
«БИОНИКА В МЕДИЦИНЕ».............................................................................1
ПРОЕКТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ БИОЛОГИЯ...................................................1
студентки I курса 11 СД группы.........................................................................1
специальности 34.02.01 Сестринское дело (базовая подготовка)..................1
МОШКОВОЙ ЕЛЕНЫ СЕРГЕЕВНЫ..............................................................1
Студент _______________ _Е.С.Мошкова ____................................................1
подпись И.О.Фамилия..........................................................................................1
Научный руководитель ______________ _Е.Б.Тягунова _______.................1
ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ...................................................................................1
Зам. директора по УР ________________ __Д. В. Седов_________...............1
Подпись И.О.Фамилия.........................................................................................1
Дата защиты «___» _________________2017 год..............................................1
Отметка ______________________......................................................................1
2017...........................................................................................................................2
Оглавление..............................................................................................................2
2
Введение..................................................................................................................5
наука так же движется вперед и дает человеку такие возможности, о
которых он мог только мечтать. С незапамятных времен человек
наблюдая за процессами жизнедеятельности живых организмов, хотел
заимствовать у природы чтото новое неподвластное ему самому. Так
знаменитый Леонардо да Винчи,изучая строение крыльев птиц, мечтал о
полете человека в воздухе. Так позднее по его схемам и чертежам была
разработана модель орнитоптера. В 60е годы появилась бионика,
наука будущего, которая сейчас получила сильный импульс к развитию.
«ячейка жизни»......................................................................................................5
технологии, облегчающие процессы жизнедеятельности человека,
помогающие продлить жизнь на планете Земля и дающие человеку
возможность отвечать на многие вопросы прошлого и будущего. В
данной работе рассматривается процесс внедрения в жизнь человека,
все более новых и продуктивных технологий будущего и их развития
с помощью процессов, которые присущи живым организмам...................5
откроют жизнь в этих тайнах космического пространства. Ученые
бионики, уже сделали открытие в разных сферах жизни человека:
медицине, архитектуре, промышленности, дизайне. Единственное, что
еще не подвластно деятельности технологического прогресса: это мозг
человека. Вот уж она великая загадка природы. Но и здесь сделано
немало открытий. Ученые всего мира стремятся создать мегамозг,
человека киборга, который сможет с легкостью отвечать на любые
вопросы и при этом помочь науке в продвижении вперед.............................5
Цель: изучить науку «бионика» и рассмотреть ее применение в медицине
...................................................................................................................................6
Объект исследования: практическое применение науки «бионика»............6
Предмет исследования: наука «бионика».........................................................6
3
Задачи:.....................................................................................................................6
1.Узнать об истории возникновения науки.......................................................6
медицине..................................................................................................................6
3.Показать применение науки в медицине........................................................6
4.Провести практическую работу.......................................................................6
5.Сделать выводы..................................................................................................6
сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного
числа движения – огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и
совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех
мелких и точных движений, на которые способна живая конечность...........13
4
Введение
В наш век наука приобрела огромное значение. Мир не стоит на месте,
наука так же движется вперед и дает человеку такие возможности, о которых
он мог только мечтать. С незапамятных времен человек наблюдая за
процессами жизнедеятельности живых организмов, хотел заимствовать у
природы чтото новое неподвластное ему самому. Так знаменитый Леонардо
да Винчи,изучая строение крыльев птиц, мечтал о полете человека в воздухе.
Так позднее по его схемам и чертежам была разработана модель орнитоптера.
В 60е годы появилась бионика, наука будущего, которая сейчас получила
от
сильный импульс к развитию.
бионики происходит
Название
древнегреческого слова «бион» «ячейка жизни».
С освоением бионики в современном мире появляются все более новые
технологии, облегчающие процессы жизнедеятельности человека, помогающие
продлить жизнь на планете Земля и дающие человеку возможность отвечать на
многие
будущего.
В данной работе рассматривается процесс внедрения в жизнь человека, все
прошлого
вопросы
и
более новых и продуктивных технологий будущего и их развития с помощью
процессов, которые присущи живым организмам.
Неудивительно, что со временем люди начнут освоение новых планет и
откроют жизнь в этих тайнах космического пространства. Ученые бионики,
уже сделали открытие в разных сферах жизни человека: медицине,
5
архитектуре, промышленности, дизайне. Единственное, что еще не подвластно
деятельности технологического прогресса: это мозг человека. Вот уж она
великая загадка природы. Но и здесь сделано немало открытий. Ученые всего
мира стремятся создать мегамозг, человека киборга, который сможет с
легкостью отвечать на любые вопросы и при этом помочь науке в
продвижении вперед.
Цель: изучить науку «бионика» и рассмотреть ее применение в
медицине
Объект исследования: практическое применение науки «бионика»
Предмет исследования: наука «бионика»
Задачи:
1.Узнать об истории возникновения науки
2.Подобрать и изучить информационный материал о применении науки в
медицине
3.Показать применение науки в медицине
4.Провести практическую работу
5.Сделать выводы
Гипотеза: Природа – строитель всего в мире, а человек – ее
подражатель.
6
Глава 1. Бионика
Бионика это наука, занимающаяся использованием биологических
Бионику можно
инженерных задач.
процессов и методов для решения
определить также как учение о методах создания технических систем,
характеристики которых приближает к характеристикам живых организмов.
Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции,
живого организма.
технологическом
процессе
принципе
и
Основу бионики составляют исследования по моделированию различных
биологических организмов.
Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион»
бионики происходит от древнегреческого
Название
«ячейка жизни».
слова «бион» «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы
и процессы с целью применения полученных знаний для решения инженерных
задач. Другими словами, бионика помогает человеку создавать оригинальные
процессы на основе идей,
технические системы и технологические
найденных и заимствованных у природы. Бионика интересуется всем,
что может быть названо «техникой природы».
1.1 История зарождения науки «Бионика»
7
С незапамятных времен пытливая мысль человека искала ответ на вопрос:
может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сначала
человек мог только мечтать об этом – научиться делать то, что сделала уже
природа применительно к другим живым существам.
Каждое живое существо это совершенная система, которая является
возможности в строительстве сооружений.
Идея применения знаний о живой природе для решения
инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался
построить летательный аппарат орнитоптер, беря за прототип крылья птиц.
Так он пытался воссоздать строение птичьего крыла и механизма,
приводящего его в движение.
Ученые эпохи Возрождения надеялись достичь желаемого решения
посредством проведения строгих математических расчетов и выкладок и
создания соответствующих механических конструкций. Ведь тогда механика,
опиравшаяся на математику, занимала ведущее место в ряду всех
зарождавшихся отраслей механического естествознания; поэтомуто и могло
тогда казаться, что все загадки природы будут разгаданы именно с помощью
механики и на её основе.
В соответствии с этим человек стремился к созданию механических
моделей, которые могли бы имитировать интересовавшие его предметы и
явления природы.
Когда
прогресс
науки привел
к открытию
фундаментальных законов не только механики, но и физики, химии, биологии
и других отраслей естествознания, оказалось следующее: опираясь на эти
8
законы, кладя их в основу соответствующих технических устройств, можно
начать осуществлять одну за другой давнишние мечты человека.
Но какими отличными от живых существ оказались конструкции,
устройства, инструменты и приборы, созданные человеком!
Достаточно сопоставить орган зрения – глаз – любого животного с
некоторыми оптическими приборами и инструментами, сконструированными
человеком, чтобы убедиться в том, насколько совершеннее естественный
орган по сравнению с искусственным устройством.
В наши дни человек вернулся отчасти к своей первоначальной идее –
по возможности полнее и точнее копировать в технике то, что достигнуто в
живой природе, воспроизвести это в форме конкретных технических решений.
Так зародилась новая наука – бионика.
Как и многие другие, важные направления современного научно
технического прогресса (например, кибернетика), бионика выросла из
непосредственных запросов производственной практики. Возникла она на
стыке между биологией и техникой, прежде всего, радиоэлектроникой и
технической кибернетикой.
Здесь стыкуются такие далеко относящиеся друг от друга отрасли
человеческого знания и практической деятельности, как БИОлогия и
техНИКА.
Название «бионика» происходит от древнегреческого корня «bion»
элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы
биологической системы. Суть бионики синтезировать накопленные в
различных науках знания.
Итак, бионика - прикладная наука, изучающая законы формирования и
структурообразования живой природы, чтобы
9
объединить познания биологии и техники для решения инженерно –
технических задач.
1.2 Бионика в медицине
Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине
С которой
биологических наук,
каждый человек не
- той отрасли
раз сталкивается
жизнь.
Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали
решать
например,
проводя глазные хирургические
арабские врачи уже много
ряд технических задач.
операции,
свою
Так,
за
сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей
при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика
глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз,
изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем
и для коррекции зрения.
Интересный факт в науке о том, когда в одном из своих странствий
Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на пари, смыслом которого
было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать, что заложенный
как до
в них
принцип использовали
животные
до
того,
этого додумался человек,
использование осами анестезии.
изобретений было
названо
При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок
любой врач может назвать методами
с впрыскиванием нейроплегического
они применяют методы,
проводниковой анестезии - укус
которые
(нервнопаралитического) вещества в область крупных нервных стволов
полностью парализует, но не умерщвляет паука, который недвижимо лежит
10
в осином гнезде вплоть до появления из кладки личинок, для которых и
заготавливалась эта пища.Это еще одно доказательство бионики в действии.
медицинские
Многие
представителей
Игласкарификатор, служащая для
(например,
с целью выполнения
инструменты имеют
живого
прообраз среди
мира.
забора периферической крови
общего анализа крови, неоднократно
сконструирована
назначаемого каждому из нас
по принципу, полностью повторяющему строение зубарезца летучей мыши,
врачами всех профилей),
отличается безболезненностью, а
укус которой, с одной стороны,
с другой - всегда сопровождается
достаточно сильным кровотечением.
Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий
аппарат насекомых - комара и блохи, с укусом которых гарантированно
знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции
игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани
человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы
- формы реберных костей крупных
а скальпель до сих пор
повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.
рыб,
Все, что было в природе, со временем внедрялось в жизнедеятельность
человека.
Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из
касается
глубины
множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером
а современное развитие
бионики
веков,
является современная технология реконструкции и наращивания зубной
«китов» нынешней стоматологии
эмали,
являющаяся одним из
и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос.
Основой для этих технологий является принцип построения морских губок,
а также техника строения гнезд стрижейсаланганов. Оба эти строительных
11
принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей
методиках.
1.3 Телемедицина
Медицина будущего будет активно развиваться в направлении
телемедицины.
Благодаря новым технологиям пациент будет иметь доступ к
электронной медицинский карте, сможет дистанционно консультироваться с
врачом и отправлять анализы для диагностики в любую лабораторию мира.
Это поможет решить проблему низкой доступности квалифицированной
помощи в отдельных регионах, отдалённых населенных пунктах.
По данным BBC Research, к 2019 году глобальный рынок
телемедицины достигнет почти $44 млрд, показывая среднегодовой рост в
17,7%. В перспективе развитие телемедицины позволит государствам
сэкономить значительные средства в сфере здравоохранения, говорится в
отчете британской исследовательской компании GBI Research.
Телемедицина - это не только дистанционные консультации врача, но
ещё и дистанционное наблюдение за показателями пациентов. Сейчас активно
развивается рынок носимых гаджетов, которые способны регистрировать
различные показатели (ЭКГ, температуру тела, артериальное давление и т.д.)
и отправлять эти данные в медицинский центр.
Ещё одно направление - дистанционное управление медицинским
оборудованием. Например, роботхирург Da Vinci, с помощью которого
удаленно можно проводить операции. Хирург сидит за пультом, видит
участок в 3Dформате с многократным увеличением и с помощью джойстика
управляет четырёхруким роботом, который может находиться на любом
12
расстоянии от него. Также сегодня уже используются комплексы удалённой
ультразвуковой диагностики.
Российская разработка в сфере телемедицины - программное
обеспечение Digital Pathology, ключевая задача которого - повысить
эффективность морфологического этапа онкологической диагностики,
снизить вероятность ошибок и сократить сроки диагностики. Сервис
позволяет патологам дистанционно работать с оцифрованными
гистологическими стёклами, проводить онлайнконсилиумы и отправлять
случаи на консультации узкопрофильным специалистам из любой точки
планеты. Работа на платформе происходит с той же степенью свободы, что и
при использовании медицинского multiheadмикроскопа.
1.4 Бионические протезы
С давних времен предметом черной зависти человека является
способность некоторых земноводных отращивать утраченные конечности. К
сожалению, мечта остается мечтой и пострадавшие на поле боя или в
результате несчастных случаев люди вынуждены довольствоваться протезами,
эволюционирующими одновременно с развитием используемых человеком
технологий. Протезы для человека, потерявшего руку или ногу, когдато были
всего лишь немного лучше, чем ничего. В нынешнем веке они превратились в
высокотехнологичные устройства, которые дают своему обладателю
способности, превосходящие возможности обычного человека.
После травмы или в ходе болезни конечность ампутируют. Оставшаяся
культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов.
Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на
остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв
13
может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик,
установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса
участвует сложная компьютерная программа. Поэтому бионический протез
может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны:
взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По
сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа
движения – огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные
бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных
движений, на которые способна живая конечность.
Глава 2. Интервью
В своей практической части я решила провести интервью у человека,
имеющего какойлибо протез.
Мне интересно, как меняется жизнь человека с появлением протеза на
его теле, как к нему относятся, и что он чувствует.
14
В качестве примера я обратилась к жителю города «Мытищи»
Дмитрию Игнатову, имеющему такой протез, как «Электронный коленный
модуль Rheo Knee, протез Genium X3 (от 3 до 3,8 млн рублей) и беговой
протез 3S80 “ОТТО БОК” (около 1 млн рублей)»
Рисунок 1 Протез
Я потерял ногу изза военной травмы - во время дислокации части
упала ракетная установка. Когда я очнулся в госпитале после ампутации,
мама сказала: «У тебя будет самый лучший протез, не переживай, все будет
хорошо. Мы живем в XXI веке, и это вообще не проблема».
Вообще сегодня ты можешь купить себе протез, а государство
компенсирует часть денег. Свой первый протез после ампутации я получил с
частичной компенсацией. А второй, в котором я хожу сейчас, мне достался от
государства бесплатно, но ради него пришлось пройти через мытарства. Мне
надо было доказать государству, что я достоин этой ноги, - протез очень
дорогой и крутой. Мои оба протеза - электронные, то есть они сгибаются
и разгибаются за счет электричества, заряжаю свою ногу, как смартфон. Это
безопасные протезы, и они умеют делать все, что и обычные ноги.
15
У меня никак не изменился образ жизни после травмы: я был активным
человеком и им же остаюсь. Разве что у меня теперь больше друзей
инвалидов. Я нечасто сталкиваюсь с откровенной дискриминацией. Из
неудобств - мне не нравится, что в Москве зимой так скользко - везде
положили плитку. Еще обидно, когда ты стоишь в больнице или в какомто
социальном учреждении, где у тебя есть право пройти без очереди, а тебя не
хотят пропускать. Ты просишь: «Я инвалид. Можно пройти без очереди?»
Отвечают: «Нет, нельзя». Тогда говоришь: «Послушайте, я паралимпиец, я
занимаюсь паралимпийским спортом. Вполне возможно, я буду скоро
защищать нашу страну. Можно пройти?» Но оказывается, у нас некоторые
люди вообще не знают, кто такие паралимпийцы. Прошлым летом в Цюрихе на
«Кибатлоне» я занял четвертое место. В России я планирую участвовать в
«Кибатлетике» - меня зовут ведущим, но мне хочется посоревноваться, я
готовлюсь.
Я обожаю общественный транспорт. Только на нем и катаюсь, и это
единственная льгота, которой я пользуюсь каждый день. Мне уступают место,
в основном, бабушки, но я не сажусь. Иногда уступают женщины и молодые
люди. Бывает так, что я кудато еду очень долго, тогда сажусь, заходит
типичная бухгалтерша и говорит: «Молодой человек, какого черта вы сидите?
Здесь места для инвалидов». Я говорю: «Послушаете, если я вам скажу,
почему я здесь сижу, вам будет очень стыдно». И она както в смущении
уходит. Но если это не работает, то у меня есть трюк: на протезе имеется
кнопка, которая при нажатии поворачивает ногу на 360 градусов. Я просто
сидя нажимаю ее, задираю штаны, и «бухгалтерши» тут же исчезают.
16
Рисунок 2 поворот на 360 градусов
Я живу в Подмосковье, в Мытищах. Езжу еще иногда на электричке.
Периодически на станции «Мытищи» ко мне подходил один человек и
предлагал 70 тысяч рублей в месяц, чтобы я ходил и попрошайничал по
электричкам или стоял на какойто станции в районе Сергиева Посада.
Летом я часто хожу в шортах. Если еду гулять в парк, то почему я
должен надевать какието штаны? Моя нога выглядит очень футуристично,
естественно, что на нее оборачиваются.
Люди не любят инвалидов. Никто на нас не хочет смотреть по
телевизору. Телевидение - это бизнес, цифры, а если появятся какието
программы об инвалидах, то прокладки не продать, потому что будут
маленькие рейтинги. Программы с инвалидами долго не живут, но за границей
они хотя бы есть, там пытаются чтото делать, а у нас один депутат ведет
программу на коляске, но она неинтересная - для протокола. Чтобы
смотрели на нас, инвалидов, нужна самоирония - нужно или воплощать
мечты людей в жизнь, или стебаться друг над другом. Я все время кричу, что
все равны и нет вообще никаких ограничений: нет у тебя руки, ноги,
17
ментальные какието отклонения, главное - что ты говоришь, что ты
делаешь. Общество привыкло, что инвалид - это попрошайка. А это совсем
не так. Мы - обычные люди, которые живут, занимаются сексом и ходят по
магазинам.
2.1 Выводы
В России в целом отношение к людям с протезами одинаковое
- одинаково не выработанное. Ни у кого нет паттернов поведения, как стоит
или как не стоит действовать - помогать или не помогать. Это нормально,
учитывая, что у нас в стране веками было не принято вообще рассказывать о
своей инвалидности. У многих не было возможности даже выходить из дома,
да и сейчас нет у некоторых, например, у колясочников. Нужно, чтобы
инвалидов было больше в публичном поле, причем без акцентов на их
инвалидности. Если в каждом телешоу будет хотя бы по одному инвалиду, то
уже через полгода люди перестанут плакать при виде колясочника.
Инвалидность - не какаято индульгенция, тебе не могут всё прощать
и говорить, что всё, что ты делаешь, - замечательно. Если человек без ноги
плохо танцевал, ему можно сказать: «Ты плохо танцевал». В этом и есть то
самое равенство - говорить человеку напрямую.
Заключение
Каждое живое существо это совершенная система, которая является
результатом эволюции многих миллионов лет. Изучая данную систему,
раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые
18
возможности в строительстве сооружений. С помощью бионики человечество
пытается привнести достижения природы в собственные технические и
общественные технологии.
Бионические формы проникли в нашу повседневную жизнь и ещё долгое
время будут играть в ней значительную роль. Изучение природы
человечеством ещё далеко не закончено, но мы уже получили у природы
бесценные знания о рациональном строении и формообразовании, что,
безусловно, доказывает актуальность и перспективность изучения науки
бионики во всех её аспектах.
Одним словом, природа содержит в себе миллионы идей и моделей для
созидания.
Список использованных источников
1. Бионика в архитектуре/Чеснова Карина/© Алые Паруса:режим доступа
https://nsportal.ru/ap/library/nauchnotekhnicheskoe
tvorchestvo/2017/01/03/issledovatelskayarabotanatemubionikav
25.11.2017
2. Бионические протезы/Лариса Небога/© 2017 «ФБ»: режим доступа
http://fb.ru/article/196231/bionicheskiyprotezustroystvoustanovka
printsiprabotyibionicheskieprotezyikonechnostey25.11.2017
19
Бионика
Исследовательская работа
| Введение | |
| 1.1.Наука бионика | |
| 1.2.1.Архитектурная бионика | |
| 1.2.2.Нейробионика | |
| 1.2.3. Техническая бионика | |
| 2.1. Опрос по проблеме | |
| 2.2.1.Здание | |
| 2.2.2.бассейн | |
| 2.2.3.био автомобиль | |
| 2.2.4. мебель | |
| Заключение | |
| Список литературы |
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).
1.2.1.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 | |||||||||
| Номер вопроса | Ответ «Да» | Ответ «Нет» | Ответ «Да» | Ответ «Нет» | Ответ «Да» | Ответ «Нет» | ||||
| 100% (15чел.) | ||||||||||
| 100% (15чел.) | ||||||||||
| 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
Презентация к уроку «Бионика или удивительный мир живой природы»
Работу выполнила: Шалаева Т.В., преподаватель биологии
- ...Соприкосновение с природой есть самое последнее слово всякого прогресса, науки, рассудка, здравого смысла, вкуса и отличной манеры.
Достоевский Ф. М.
- Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учиться.
Леонардо да Винчи
- Нет ничего более изобретательного, чем природа.
Цицерон
- Грандиозные вещи делаются грандиозными средствами. Одна природа делает великое даром.
Герцен А. И.
- Изучение и наблюдение природы породило науку.
Цицерон
- Прогресс - закон природы.
Вольтер
- Птица – действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его движениями…
Леонардо да Винчи
Леонардо да Винчи
- Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов.
История развития
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.
Дата рождения бионики:
Символ бионики
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.
Связь бионики с другими науками
БИОНИКА
БИОНИКА
БИОНИКА
БИОЛОГИЯ
ИНЖЕНЕРНЫЕ НАУКИ
ХИМИЯ
ФИЗИКА
ЭЛЕКТРОНИКА
МОРСКОЕ ДЕЛО
КИБЕРНЕТИКА
НАВИГАЦИЯ
- биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
- теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
- техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Практическая (техническая) часть
Биологическая бионика
Теоретическая часть
- 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.
Густав Эйфель в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.
Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости
Костная структура головки бедренной кости
Одним из удачных примеров бионики является широко распространенная «липучка», прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.
Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться.
Леонардо да Винчи
Спасибо за внимание