Человек перенял у природы очень многое, если не сказать все. Умение разводить огонь, прятаться в норку от непогоды, хранить пищу про запас, маскироваться под окружаю среду и еще много других вещей, о которых мы знаем так давно, что уже и не задумываемся об их появлении в нашей жизни.

А ведь существует целая наука – бионика – цель которой сделать мир людей еще более удобным, при помощи техники, созданной подглядыванием за живой природой.

Отцом бионики считается Леонардо да Винчи. Именно он, впервые, решил смастерить летальный аппарат, вдохновившись полетом птиц. До него еще был Икар, описанный в древнегреческих мифах. Но это скорее мечта, а вот легендарный изобретатель решил претворить ее в жизнь. До наших дней дошли его чертежи со всевозможными схемами устройства махолета. Правда, его изобретение в воздух так и не поднялось, но первый шаг был сделан. А официальное зарождение бионики как науки произошло в 1960 году. Тогда состоялся первый симпозиум по данной теме.

С тех пор, благодаря бионике, в нашей жизни появилось множество замечательных вещей. Самые интересные из них:

В основе конструкции, символа Парижа, знаменитой Эйфелевой башни лежит принцип строения человеческих костей. Архитектор Эйфель позаимствовал свою идею из научных трудов профессора анатомии Хермана фон Мейера, изучавшего устройство скелета.

Застежка-липучка также подсмотрена у природы. Джордж де Местраль часто гулял со своей собакой. Питомца он любил, но очень раздражался, когда приходилось вычесывать из его шерсти колючки дурнушника. Решив изучить это растение подробнее и избавиться от своей проблемы, инженер придумал один из самых удобных способов застежки.

Современные многоэтажки, в которых проживает большинство из нас, в точности копируют строение стеблей злаков.

Стульников Максим

Исследовательская работа по теме "Бионика - наука величайших возможностей"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Областная научно - практическая конференция

в рамках регионального молодёжного форума

«Будущее-это мы!»

Естественнонаучное направление (физика, биология)

Исследовательская работа по теме

«Бионика – наука величайших возможностей»

МБОУ «ООШ №7» г.Петровска Саратовской области

Руководители:

Филянина Ольга Александровна,

Учитель химии и биологии

Герасимова Наталья Анатольевна,

Учитель математики и физики,

г. Петровск

апрель 2014 г.

1. Введение стр. 3-4
2. От древности к современности. стр. 5-6
3. Разделы бионики:

3.1. архитектурно-строительная бионика; стр. 6-8

3.2. биомеханика; стр.8-12

3.3. нейробионика. стр.13-14

4. Великие мелочи, «подсмотренные у природы». стр. 14-15

5. Заключение стр. 16

6. Литература и используемые интернет – ресурсы. стр. 16

Птица –

Действующий

По математическому закону

инструмент,

Сделать который,

в человеческой власти…

Леонардо да Винчи .

Вы бы хотели одним прыжком перелетать через автомобили, двигаться как Человек – Паук, замечать врагов на расстоянии нескольких километров и сгибать руками стальные балки? Надо полагать, что да, но, увы, это нереально. Пока нереально...

Человека, с момента создания мира, интересовало многое: почему вода – мокрая, почему день сменяет ночь, почему мы ощущаем аромат цветов и пр. Естественно человек пытался этому найти объяснение. Но чем больше он узнавал, тем еще больше возникало у него вопросов: может ли человек летать как птица, плавать как рыба, как животные «узнают» о приближении шторма, о надвигающемся землятресении, о грядущем извержении вулкана, можно ли создать искусственный разум?

Вопросов «почему» очень много, часто эти вопросы не научно истолковывались, порождая вымыслы, суеверия. Для этого нужно обладать хорошими знаниями во многих областях: в физике и химии, астрономии и биологии, географии и экологии, в математике и технике, в медицине и космосе.

А существует ли наука, которая объединила бы в себе все, смогла бы сочетать несочетаемое? Оказывается – существует!

Предмет моего исследования - наука бионика - “ БИО логия” и “тех НИКА ”.

Цель исследовательской работы: необходимость возникновения науки бионики, ее возможности и границы применимости.

Для этого можно поставить ряд задач:

1.Узнать, что такое «бионика».

2. Проследить историю развития науки «Бионики»: от древности к современности и ее взаимосвязь с другими науками.

3. Выделить основные разделы бионики.

4. За что нужно сказать природе спасибо: открытые возможности и загадки бионики.

Методы исследования:

Теоретические:

- изучение научных статей, литературы по теме.

Практические:

Наблюдение;

Обобщение.

Практическая значимость.

Я думаю, что моя работа будет полезна и интересна широкому кругу и учащихся, и педагогов, так как все мы живем в природе по законам, которые она создала. Человек должен лишь умело владеть знаниями, чтобы воплотить в технике все подсказки природы и раскрыть ее тайны.

От древности к современности

Бионика – прикладная наука, изучающая возможность объединения живых организмов и технических устройств, – сегодня развивается очень быстрыми темпами.

Стремление обладать способностями, превосходящими те, что подарила нам природа, сидит глубоко внутри каждого человека – это подтвердит любой тренер по фитнесу или пластический хирург. Наши тела обладают невероятной способностью к адаптации, но есть вещи, которые им не под силу. Например, мы не умеем разговаривать с теми, кто находится вне пределов слышимости, мы не способны летать. Поэтому нам нужны телефоны, и самолеты. Чтобы компенсировать свое несовершенство, люди издавна применяли различные «внешние» приспособления, однако с развитием науки инструменты постепенно уменьшались и становились все ближе к нам.

Кроме того, каждый знает, что если что-то случится с его телом, то доктора проведут «ремонт», используя наиболее современные медицинские технологии.

Если сложить вместе эти две простые концепции, мы сможем получить представление о следующем шаге эволюции человека. В будущем врачи смогут не только восстанавливать «поврежденные» или «вышедшие из строя» организмы, они начнут активно улучшать людей, делать их сильнее и быстрее, чем это удалось природе. Именно в этом заключается суть бионики, и сегодня мы с вами стоим на пороге появления человека нового типа. Возможно, им станет кто-то из нас…

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера (от греч. órnis, род. падеж órnithos - птица и pterón - крыло), махолет , летательный аппарат тяжелее воздуха с машущими крыльями). Среди живых существ маховыми движениями крыльев для полёта пользуются, например, птицы.

Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо.

С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Бионика (от греч. Biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. /БСЭ.1978г./

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – « Живые прототипы – ключ к новой технике ».

Многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере, где составляется компьютерная программа – бионическая модель.

Сегодня бионика имеет несколько направлений.

Разделы бионики

1. Архитектурно-строительная бионика.

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 чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб - одним из последних достижений инженерной мысли.

Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект « Вертикальный бионический город-башня ». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

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.

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости , легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Это ещё один показательный пример бионики в действии.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением 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.

2. Биомеханика

Локаторы природы. Живые барометры и сейсмографы.

Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек-машина". Эти направления тесно связаны друг с другом. Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным.

Животные -"биосиноптики" от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики - не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Совы, летучие мыши, дельфины, киты и большинство насекомых воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана - на инфракрасный.

Термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 C; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации - дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя - по запаху (химизм прибрежных вод).

Летучие мыши, как правило,- это небольшие и, будем откровенны, для многих из нас неприятные и даже отталкивающие существа. Но так уж повелось относиться к ним с предубеждением, основа которого, как правило, разного рода легенды и поверья, сложившиеся еще тогда, когда люди верили в духов и нечистую силу.

Летучая мышь - уникальный объект для ученых-биоакустиков. Она совершенно свободно ориентируется в полной темноте, не натыкаясь на препятствия. Более того, имея плохое зрение, летучая мышь на лету обнаруживает и ловит маленьких насекомых, отличает летящего комара от несущейся по ветру соринки, съедобное насекомое - от невкусной божьей коровки.

Впервые этой необычной способностью летучих мышей заинтересовался в 1793 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Вначале он пытался выяснить, какими способами различные животные находят дорогу в темноте. Ему удалось установить: совы и другие ночные существа хорошо видят в темноте. Правда, в полной темноте и они, как оказалось, становятся беспомощными. Но когда он начал экспериментировать с летучими мышами, то обнаружил, что такая полная темнота для них не помеха. Тогда Спалланцани пошел дальше: он попросту лишил зрения нескольких летучих мышей. И что же? Это ничего не изменило в их поведении, они так же превосходно охотились на насекомых, как и зрячие. В этом Спалланцани убедился, когда вскрыл желудок экспериментальных мышей.

Интерес к загадке возрастал. Особенно после того, как Спалланцани познакомился с опытами швейцарского биолога Шарля Жюрин, который в 1799 году пришел к выводу, что летучие мыши могут обходиться без зрения, но всякое серьезное повреждение слуха для них гибельно. Стоило заткнуть им уши специальными медными трубочками, как они начинали слепо и беспорядочно натыкаться на все препятствия, возникающие на их пути. Наряду с этим на целом ряде разнообразных опытов было показано, что нарушения деятельности органов зрения, осязания, обоняния и вкуса никакого влияния на полет летучих мышей не оказывают.

Опыты Спалланцани были, несомненно, впечатляющими, но они явно опережали время. Спалланцани не мог ответить на главный и вполне по-научному корректный вопрос: если не слух или зрение, то что же в таком случае помогает летучим мышам так хорошо ориентироваться в пространстве?

В то время ничего не знали ни об ультразвуке, ни о том, что у животных могут быть какие-то иные органы (системы) восприятия, а не только уши и глаза. Кстати, именно в таком духе и пытались объяснить некоторые ученые опыты Спалланцани: дескать, летучие мыши обладают тончайшим чувством осязания, органы которого расположены, скорее всего, в перепонках их крыльев...

Дело кончилось тем, что об опытах Спалланцани надолго забыли. Только в наше время, сто с лишним лет спустя, так называемая «спалланцаниевая проблема летучих мышей», как ее окрестили сами ученые, была разрешена. Это стало возможным благодаря появлению новых средств исследования на основе электроники.

Физику из Гарвардского университета Г. Пирсу удалось обнаружить, что летучие мыши издают звуки, лежащие за порогом слышимости человеческого уха.

Элементы аэродинамики.

Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе. На основании исследования полёта птиц появилась авиация.

Ещё более совершенным летательным аппаратом в живой природе обладают насекомые. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности они не имеют себе равных ни в живой природе. Идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полёта насекомых, ждёт своего разрешения. Чтобы в полёте не возникали вредные колебания, на концах крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения. Сейчас авиаконструкторы применяют подобные приспособления для крыльев самолётов, тем самым устраняя опасность вибрации.

Реактивное движение .

Реактивное движение, используемое в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, кальмарам, каракатицам. Наибольший интерес для техники представляет реактивный движитель кальмара. В сущности, кальмар располагает двумя принципиально разными движителями. При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска животное использует реактивный движитель. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее составляет почти половину объёма его тела. При реактивном способе плавания животное засасывает воду внутрь мантийной полости через мантийную щель. Движение кальмара создается за счёт выбрасывания струи воды через узкое сопло (воронку). Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, чем достигается изменение направление движения. Движитель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч, некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч.

Глиссер по форме корпуса похож на дельфина. Глиссер красив и быстро катается, имея возможность, натурально, по-дельфиньи играть в волнах, помахивая плавничком. Корпус сделан из поликарбоната. Мотор при этом очень мощный. Первый такой дельфин был построен компанией Innespace в 2001 году.

Во время первой мировой войны английский флот нес огромные потери из-за германских подводных лодок. Необходимо было научиться их обнаруживать и выслеживать. Для этой цели создали специальные приборы гидрофоны. Эти приборы должны были находить подводные лодки противника по шуму гребных винтов. Их установили на кораблях, но во время хода корабля движение воды у приемного отверстия гидрофона создавало шум, который заглушал шум подводной лодки. Физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться... у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. В итоге приемному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофоны стали "слышать" даже на полном ходу корабля.

3. Нейробионика.

Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, ни смотрел фильм про Терминатора или Рассомаху. Самые преданные бионики это инженеры, которые конструируют роботов. Существует такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики - бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде с лестницами, 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, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек.

Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Группа исследователей из университета Миннесоты пытается создать принципиально новый метод лечения 22 млн человек – столько людей в мире живет с больным сердцем. Ученым удалось изъять мышечные клетки из сердца, сохранив лишь каркас из сердечных клапанов и кровеносных сосудов. В этот каркас пересадили новые клетки.

Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения. Обладательницей бионической руки стала Клаудиа Митчелл, в прошлом служившая в морском флоте США. В 2005 году Митчелл пострадала в аварии. Хирургам пришлось ампутировать левую руку Митчелл по самое плечо. Как следствие, нервы, которые могли бы быть в дальнейшем использованы для контроля над протезом, остались без применения.

Великие мелочи, «подсмотренные у природы»

Знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де
Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (репейника). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку».

Присоски были изобретены при изучении осьминогов.

Производители прохладительных напитков постоянно ищут новые способы упаковки своей продукции. В то же время 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.

Паутинные нити – изумительное творение природы привлекли внимание инженеров. Паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов.

Сейчас разработан новый тип оружия, способный вводить войска противника в шоковое состояние с помощью ультразвука. Этот принцип воздействия был позаимствован у тигров. Рев хищника содержит ультранизкие частоты, которые хотя и не воспринимаются человеком как звук, оказывают на него паралитическое воздействие.

Игла-скарификатор, служит для забора крови, сконструирована по принципу, полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением.

Привычный нам поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат – комара и блохи, с укусом которых знаком каждый человек.

Пушистые «парашютики» замедляют падение семян одуванчика на землю, точно также, как парашют замедляет падение человека.

Заключение.

Потенциал бионики поистине безграничен…

Человечество пытается присмотреться к методам природы, чтобы потом разумно использовать их в технике. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации. Современный человек должен не разрушать природу, а брать её за образец. Обладая разнообразием флоры и фауны, природа может помочь человеку найти правильное техническое решение сложных вопросов и выход из любой ситуации.

Мне было очень интересно работать над этой темой. В дальнейшем я продолжу работу по изучению достижений бионики.

ПРИРОДА КАК ЭТАЛОН – И ЕСТЬ БИОНИКА!

Литература:

1. Бионика. В. Мартека, изд – во:Мир, 1967 г.

2. Что такое бионика. Серия "Научно-популярная библиотека". Асташенков П.Т. М., Воениздат, 1963

3.Архитектурная бионика Ю.С. Лебедев, В.И.Рабинович и др.Москва, Стройиздат, 1990. 4.

Использованные интернет-ресурсы

Htth://www/cnews/ru/ news/ top / index . Shtml 2003/08/21/147736;

Bio-nika.narod.ru

Www.computerra.ru/xterra

- http://ru.wikipedia.org/ wiki/Бионика

Www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/‎

Http://factopedia.ru/publication/4097

Http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg

Http://novostey.com

Http://images.yandex.ru/yandsearch

Http://school-collection.edu.ru/catalog

О применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

Различают:

• 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.

См. также

Литература

• Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
• Парин В. В. и Баевский Р. М., Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963.
• Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
• Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.
• Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
• Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
• Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
• Игнатьев М. Б. «Артоника» Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений"изд. Высшая школа, М., 2004.
• Мюллер, Т., Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112-135.
• Lakhmi C. Jain; N.M. Martin Fusion of Neural Networks, Fuzzy Systems and Genetic Algorithms: Industrial Applications. - CRC Press, CRC Press LLC, 1998
• Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. Н. Теория и практика эволюционного моделирования. - М: Физматлит, 2003.
• Архитектурная бионика. Под редакцией Ю. С. Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 269с.
• Г. В. Васильков. Эволюционная теория жизненного цикла механических систем. Теория сооружений.-М.Издательство ЛКИ, 2008. 320с.

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Бионика" в других словарях:

- [Словарь иностранных слов русского языка

- [от био... и (электро) ника], наука, изучающая живые организмы с целью использования результатов познания механизмов их функционирования при конструировании машин и создании новых техничеких систем. Например, данные бионики, полученные при… … Экологический словарь

бионика - Этимология. Происходит от греч. biо жизнь. Категория. Научная дисциплина. Специфика. Изучает принципы функционирования живых систем для использования их в области инженерной практики. Начала свое формирование в 60 х гг. ХХ в. Основным методом… … Большая психологическая энциклопедия

БИОНИКА, направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих. Сформировалась во 2 й половине 20 в. Для решения… … Современная энциклопедия

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

БИОНИКА - направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.

Человек часто учится от природы, создавая инструменты и приборы, которыми природа пользуется на протяжении многих лет, оттачивая свое мастерство в процессе эволюции. Мы часто пользуемся такими инструментами как клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое и не задумываемся, как они появились. Первоначально этим создателем была природа. Это она имеет множество инструментов, только они сделаны еще лучше, качественней и являются наиболее точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, а например, из хитина, как у насекомых. Изучая науку - Бионику - возникали вопросы. А многие ли знают про эту науку? А какими приборами и инструментами созданными природой, мы пользуемся дома? Может ли человек обойтись без этих инструментов?

Гипотеза: Мы предположили, что человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

Цель работы : Изучение инструментов находящихся в квартире средней статистической семьи.

Задачи исследования:

1. Посмотреть на разнообразие инструментов в квартире и изучить, как природа первоначально использовала данный объект.
2. Определить для каких целей используются инструменты и можно ли без них обойтись.
3. Провести опрос среди обучающихся на знание науки - БИОНИКИ, объектов ее исследования и применения знаний на практике.
4. Создание брошюры с целью ознакомления обучающихся с наукой - БИОНИКОЙ.

Объект исследования :инструменты используемые человеком.

Предмет исследования : знания о природе, используемые человеком, при создании инструментов.

Методы исследования: социологический опрос, исследованиеинструментов используемых человеком, создание брошюры.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Наука - БИОНИКА - сформировалась во второй половине 20-го века. Бионика - «БИОлогия» и «техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе, чем техника существующая сегодня.(интернет ресурс)

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.

БИОНИКА - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма

С развитием авиации совершенствовались и летательные аппараты. Однако, длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер - внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же хитиновые утолщения на концах крыльев бабочек.

Наблюдая за ракообразными и за тем, как они хватают клешнями, учёные придумали удобные медицинские зажимы, которыми пользуются и сейчас.

Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.

Обтекаемая форма акулы и её внешнее строение стало прототипом современных подводных лодок. Кальмар, забирая в себя воду, с силой её выталкивает. Это помогает ему двигаться с большой скоростью. Данный принцип человек применил для создания реактивного двигателя [ 2 ].

Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы.

Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объект исследования :наука - БИОНИКА.

2.1Проведение социологического опроса

Для проведения школьного социологического опроса были составлены 8 вопросов с выбором ответа (Приложение 1.).

Опрос проводился среди обучающихся с 5-го по 9-й класс. Всего 126 респондента. Результаты опроса таблица №1 (Приложение 2.)

Первый вопрос раскрывал представление о самой науке - бионике. По формулировке вопроса почти все обучающиеся сориентировались верно, ответив на него - 95.5%. Хотя многие утверждали, что не представляют, что изучает данная наука. Мы раскрыли понятие - БИОНИКА, а затем продолжили отвечать на вопросы. Хуже всех справились пятиклассники - 63.8%, а лучше всех ответили 9 -е классы - 93%. Это говорит, о большом багаже знаний полученных за 9 лет обучения в школе. Но по ответам (приложение 2. таблица №2) можно проследить и увидеть, что для всех самый легкий вопрос был №5, почти все ответили правильно. И так же самым затруднительным вопросом оказался №8. Только 9 - ки многие смогли на него правильно ответить, так как изучили анатомию человека в полном объеме.

2.2 Изучение инструментов используемых человеком.

2.2.1 Инструмент : Комбинированные клещи (Приложение 3. табл. №1)

Природный объект : Клещи муравьиного льва - муравьиный лев питается личинками насекомых. Он разрывает воронки в песке, если в эту ловушку попадает муравей, то муравьиный лев бросает ему вслед песок, тем самым мешает выбраться обратно. При этом он использует свои клещи в качестве совка для песка. Когда он высасывает содержимое своей жертвы, он выбрасывает пустую оболочку из воронки. Клещи муравьиного льва могут сыпать песок, хватать добычу и впиваться в нее; они действуют как шприц, маленький всасывающий насос или инструмент для броска. Таким образом, они представляют вид комбинированных клещей, обладающий шестью функциями.[ 1 ]

Использование инструмента: Чаще всего при работе используют клещи, способные выполнять четыре функции. Их захватывающие концы имеют рифленые контактные поверхности и поэтому, например, могут удерживать лист жести. В выемке этих клещей имеются зубчики, которые позволяют вращать трубку. С боков изгибы инструмента пересекаются, и это делает возможным перекусывание проволоки. Так же ими можно забивать гвозди.

Вывод: Комбинированные клещи удобны в применении, так как заменяют несколько инструментов.

2.2.2 Инструмент: Пинцет (Приложение 3. табл. №2)

Природный объект : Веретенники - крупный кулик из семейства бекасовых с очень длинным клювом и длинными ногами. Своим длинным 15-сантиметровым клювом они ощупывают землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом, ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу.

Клюв - это комбинированный инструмент. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма.[ 1 ]

Использование инструмента : Острые концы пинцета легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет.

Вывод : Пинцет необходим для работы с мелкими предметами, так как пальцы человека не могут производить точные манипуляции с такими предметами.

2.2.3 Инструмент: Складной нож (Приложение 2. табл. №3)

Природный объект: Навозный жук живет в мягкой земле и навозе. Для своего продвижения он использует специальные лопатки, которые находятся на его голени. Когда они не нужны жуку, он может, поместить свою ножку в желобке голени и затем голень вложить в нишу бедра. Таким образом, его инструменты размещаются, экономя место.[ 1 ]

Использование инструмента: Складной нож состоит из множества отдельных частей: большого и малого лезвий, ножниц, штопора, ножа для открывания бутылок, отвертки, зубочистки и т.д. все эти элементы размещены в небольшом пространстве. Такой нож можно положить в карман брюк,и не поранившись им. Таким образом, человек разработал целую систему, экономящую пространство, как это сделал маленький навозный жук со своими копающими лопатками.

Вывод: Складной нож вмещает в себя несколько разных инструментов, при этом очень компактен и занимает мало места.

2.2.4Инструмент: Дрели (Приложение 3. табл. №4)

Природный объект: О са рогохвоста хвойного. Яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого, когда готовиться отложить яйца, она ползет по ветке до самого ствола дерева,

поворачивает к нему заднюю часть своего туловища, выпускает из него яйцеклад и удобно устанавливает его. Насекомое «просверливает» в дереве мельчайшие дырочки примерно на глубину двух сантиметров. Если дерево хвойное, ему потребуется около 20 минут. Когда дырка готова, оса через свой длинный полый яйцеклад, подобный сверлу, помещает туда яйца.[ 1 ]

Использование инструмента: Для того чтобы высверлить дырки под дюбели, болты и винты, используют сверла, которые по виду и принципу действия похожи на яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого. В отличии от яйцеклада осы рогохвоста хвойного большого, технические сверла выполняют только одну функцию - они могут лишь сверлить.

Вывод: Дрель необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл).

2.2.5Инструмент: Застежка липучка (Приложение 3. табл. №5)

Природный объект: Репейник. Плоды репейника показывают, как необходимы, бывают крючки. У плодов репейника существует множество способов распространения семян самими растениями. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных. Животные уносят их с собой и затем стряхивают.[ 1 ]

Использование инструмента: С их помощью можно, например, застегивать спортивные ботинки; в этом случаи шнурки уже не нужны. Кроме этого, длину можно легко регулировать - в этом одно из его преимуществ.

Вывод: Липучка очень удобна. Экономит время для застегивания обуви и одежды т.д. Даже малыш может надеть обувь без помощи взрослого.

2.2.6Инструмент: Технические присоски (Приложение 3. табл. №6)

Природный объект: Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Также они помогают ему передвигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз.[ 1 ]

Использование инструмента: Там, где есть гладкие поверхности, часто используют присоски. В быту их используют, прежде всего, на кухне и в ванной. Когда крючок с присоской прижимают к кафельной плитке ванной комнаты, создается вакуумное пространство.

Вывод: Технические присоски очень удобны в быту, без применения гвоздей и клея, могут держать различные предметы (крючки для полотенец, мыльница, коврики в ванную и т.д.).

2.2.7Инструмент: Батарейка (Приложение 3. табл. №7)

Природный объект: Электрический угорь может испускать электрические разряды до 700 вольт, с помощью которых он может оглушать или убивать врагов и свою добычу. Электрический орган, который генерирует напряжение, состоит из особой мускулатуры. Напряжение, как и в батарее, создается потоком ионов и разряжается серией ударов, быстро следующих одним за другим.[ 1 ]

Использование инструмента В каждом доме есть огромное количество приборов, которые работают на батарейках (часы, карманный фонарик).

Вывод: Батарейка незаменима для многих электрических бытовых приборов, даже если отключили электричество - нас спасет батарейка!

2.2.8 Инструмент: Игла для инъекций (Приложение 3. табл. №8)

Природный объект: Оса. Осиное жало. Длина жала осы не превышает 3 мм, а толщины 0,001 мм. Если осе угрожает опасность, она применяет его для защиты. Жало с легкостью впитывается в кожу человека, превращаясь в крошечный кинжал. Одновременно оно является инъекционным шприцом.[ 1 ]

Использование инструмента: Внутривенные и внутримышечные инъекции.

Вывод: У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были опрошены обучающиеся на представление о науке -Бионике. Как выяснилось, многие не знают эту науку, но по подсказке в выборе ответа, могут представить, чем она занимается.

Так же были исследованы инструменты, которые находятся в квартире и используются по назначению. Эти инструменты и приспособления создал человек, используя знания о природе.

Так в основе изобретения комбинированных клещей лежит принцип работы клещей муравьиного льва. Этот инструмент многофункциональный, и удобен при ремонте квартиры. Пинцет повторяет клюв веретенника , очень удобен при работе с мелкими предметами. Складной нож имитирует ножку с лопатками навозного жука - компактен и многофункционален. Он не заменим в походе, поездке и в хранении и переносе, соблюдается техника безопасности. Дрель ,подобно я йцеклад у осы рогохвоста хвойного , необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл) при строительстве и ремонте. Застежки липучки такие же липкие как плоды репейника . Очень удобны для застегивания сумок, обуви и одежды. А особенно они экономят время мам маленьких детей, ведь малышу легче справиться с липучкой на обуви, чем со шнурками. В красивом кафеле всегда жаль делать отверстие сверлом, выход из положения технические присоски. Они незаменимы в ванной, так как прочно прикрепляют крючки, мыльницы, полочки без клея и гвоздей, как присоски осьминога . Невозможно представить любую квартиру, дом без батареек , их используют в часах, телефонах, фонариках, да мало ли где! А принцип работы батарейки повторяет электрический орган электрического угря. У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи. Не техника, а природа создает самые эффективные и тончайшие инъекционные шприцы, как жало осы . К сожалению, техника не создала еще игл, подобных жалу, которые не гнутся и не ломаются. Если бы удалось создать такие инъекционные шприцы, то прививки, например, стали бы почти безболезненными.

Изучив, как человек применяет свои знания о природе, создавая инструменты. И исследуя инструменты в квартире, как их использует человек. Мы подтвердили свою гипотезу, действительно, человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

По итогам работы была создана брошюра, которую можно использовать на уроках окружающего мира. И дать представление обучающимся о науке - БИОНИКЕ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронцова З.С. Мастерская природы. - М.: «Изобразительное искусство», 1981г - 32 открытки.

1. Нахтигаль В.Н. Большая серия знаний. БИОНИКА. - М.: ООО «Мир книги», 2003 г. - 128 с..

Интернет - сайт:

1. Словари и энциклопедии на АКАДЕМИКЕhttps://dic.academic.ru/
2. http://www.microarticles.ru/

3.https://www.google.ru/search?q=символ+бионики

Приложение 1.

Вопросы социологического опроса:

1. Как называется наука, цель которой - использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники?

а) конструирование; б) планирование; в) бионика +

1. Что изучал основоположник аэродинамики Н.Е. Жуковский? На основании его исследований и появилась авиация.

а) физику; б) кораблестроение;

1. Более совершенным летательным аппаратом в природе обладают…

а) насекомые +; б) рептилии; в) листья деревьев

1. По аналогии с принципом, лежащим в основе с эхолокации у летучих мышей, конструируются…

б) радары; в) другая техника

1. Какие животные обладают электрической активностью?

а) рыбы +; б) мыши; в) кроты

1. Применение бионики в медицине это…

а) создание медикаментов; б) строительство медицинских учреждений;

1. Какое строение копируют современные многоэтажные дома, в которых проживают люди?

а) стеблей злаков +; б) травы; в) кустов

1. Какой принцип стоит в основе строения Эйфелевой башни?

Приложение 2.

Результаты социологического опроса

таблица №1

Вопрос	Ответ
1. Как называется наука, цель которой - использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники? а) конструирование; б) планирование; в) бионика +	Общее - 95.5%
2. Что изучал основоположник аэродинамики Н.Е. Жуковский? На основании его исследований и появилась авиация. а) физику; б) кораблестроение; в) механизм полета птиц и условия, позволяющие им свободно парить в воздухе +	Общее - 86%
3. Более совершенным летательным аппаратом в природе обладают… а) насекомые +; б) рептилии; в) листья деревьев	Общее - 88.7%
4. По аналогии с принципом, лежащим в основе с эхолокации у летучих мышей, конструируются… а) модели приборов-локаторов для слепых +; б) радары; в) другая техника	Общее - 54%
5. Какие животные обладают электрической активностью? а) рыбы +;	Общее - 94.7%
6. Применение бионики в медицине это… а) создание медикаментов; б) строительство медицинских учреждений; в) создание искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека +	Общее - 83%
7. Какое строение копируют современные многоэтажные дома, в которых проживают люди? а) стеблей злаков +; в) кустов	Общее - 73%
8. Какой принцип стоит в основе строения Эйфелевой башни? а) принцип строения стебля растений; б) принцип строения человеческих костей +; в) принцип строения скелета насекомых	Общее - 40%

Сравнительная таблица результатов социологического опроса

таблица №2

5 класс (38 человек)	7 класс (35 человек)	8 класс (25 человек)	9 класс (28 человек)
1. вопрос - 82% 2. вопрос - 68% 3. вопрос - 74% 4. вопрос - 55% 5. вопрос - 95% 6. вопрос - 78% 7. вопрос - 32% 8. вопрос - 26% Итог - 63.8%	1. вопрос - 100 % 2. вопрос - 89 % 3. вопрос - 89 % 4. вопрос - 37% 5. вопрос - 84% 6. вопрос - 79% 7. вопрос - 89 % 8. вопрос - 26% Итог - 74%	1. вопрос - 100 % 2. вопрос - 92% 3. вопрос - 92% 4. вопрос - 32% 5. вопрос - 100% 6. вопрос - 84% 7. вопрос - 80% 8. вопрос - 36% Итог - 77%	1. вопрос - 100 % 2. вопрос - 96% 3. вопрос - 100 % 4. вопрос - 92% 5. вопрос - 100% 6. вопрос - 92% 7. вопрос - 92% 8. вопрос - 72% Итог - 93%

Приложение 3 .

БИОНИКА (греч. bios жизнь + [электро]ника) - наука, изучающая возможности инженерно-технического применения информационно-управляющих и конструкционноэнергетических принципов, реализованных в живых организмах. Возникновению Б. во многом способствовало появление специальных требований, предъявляемых новыми областями техники (ракетно-космическая, авиационная, мед. приборостроение, электронное машиностроение, ЭВМ и др.) к миниатюрной аппаратуре и множеству деталей, которые должны обладать минимальными размерами (объемом), весом (массой) и энергопотреблением при максимуме надежности. Таким требованиям удовлетворяют многие принципы и конструкции как целостного организма, так и отдельных органов, тканей, клеток и, наконец, биомолекул, Б. занимает пограничное положение между медико-биологическими и техническими науками. Научной биол, базой Б. служат экспериментально-теоретические основания таких наук, как физиология, особенно физиология высшей нервной деятельности, нервно-мышечная физиология, физиология органов чувств; анатомия и гистология, особенно морфология центральной и периферической нервной системы, проводящих путей; биофизика, особенно биофизика возбуждения, биоэнергетика, биомеханика, а также биохимия, зоология, ботаника, общая биология и кибернетика. Физико-технической научной базой Б. служат техническая кибернетика, молекулярная физика и физика твердого тела, радиоэлектроника, микроэлектроника, механика, гидравлика, теория автоматического регулирования. Термин «бионика» был предложен Стиллом (D. Still) в 1958 г. Официальное появление Б. как науки относят к концу 1960 г., когда в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который прошел под лозунгом: «живые прототипы - ключ к новой технике».

Уже к началу 1964 г. только но одной из проблем, вошедших в круг задач новой науки,- моделированию процессов распознавания образов (см.) - было опубликовано более 500 работ.

Возникновение Б. неразрывно связано с появлением новых идей об общности процессов управления в машинах, живых организмах и обществе, возникших в науке об управлении в сороковых годах нашего столетия и оформившихся в результате работ Н. Винера в виде новой науки об управлений и связи - кибернетики (см.). Такой подход имел определенное значение как для техники, так и для мед. и биол, наук и привлек к себе не только инженеров и математиков, но и биологов. В результате возникло два новых научных направления: 1) биокибернетика, цель к-рой - изучить информационно-управляющие процессы в живых организмах, используя методы кибернетики, и 2) бионика, цель к-рой - изучить возможности применения информационно-энергетических свойств биол, объектов, в т. ч. конструкций и схем биоинформационных систем в технике, с целью усовершенствования существующих или создания новых, более совершенных технических систем.

В большинстве ведущих исследований биокибернетический и бионический подходы бывают обычно настолько тесно связаны, что рассмотрение каждого из них в отдельности теряет смысл, и они выступают как неразрывные части некоего единого процесса познания, в к-ром бионический подход возникает как результат определенных успехов биокибернетического подхода.

В свою очередь успех биокибернетического подхода, напр, метод «черного ящика», часто бывает обусловлен бионической, т. е. конструкционно-энергетической технически осмысленной постановкой задачи в части реализации общих гипотез кибернетики.

Основные направления бионики

Свойства биологических систем (см. Биологическая система) представляют интерес для техники. Во-первых, в плане заимствования информационно-управляющих способов живых организмов при реакциях на изменения окружающей среды, для выработки соответствующих поведенческих актов, являющихся ответом на эти изменения. Во-вторых, в плане заимствования структурных и механических свойств биол, систем. В-третьих, представляет интерес применение хим. и энергетических процессов, происходящих с высоким кпд в этих системах. Первый аспект интереса к биол, системам открывает новые возможности в изыскании и технической реализации новых принципов и устройств переработки информации, создании новых элементов систем автоматики и вычислительных устройств; второй - в разработке новых типов конструкций технических устройств, связанных конструкциями и с механическими передвижениями; третий - в освоении новых технологических процессов и аппаратов хим. производства и разработке новых методов превращения хим. энергии в электрическую.

Известно, что способность живых организмов весьма гибко реагировать на изменения окружающей среды связана с деятельностью анализаторов - зрительного, слухового, обонятельного, осязательного, вкусового. Многие задачи, успешно решаемые анализаторами живых организмов, напр, чтение рукописных текстов и восприятие речи человеком, весьма тонкое распознавание сигналов, которыми различные виды живых организмов обмениваются между собой и т. д., до сих пор еще далеки от решения их с помощью технических устройств.

Одной из загадочных особенностей многих птиц, рыб и морских животных являются их весьма совершенные навигационные способности. При сезонных миграциях эти животные преодолевают огромные расстояния, с высокой, пока необъяснимой точностью отыскивая прежние места обитания. Принципы получения и переработки информации в их навигационных «устройствах», несомненно, представляют интерес для техники.

Весьма совершенными являются пассивные и активные анализаторы (локаторы), имеющиеся у дельфинов, китов, летучих мышей, некоторых видов птиц, бабочек и других животных. Для ориентировки в пространстве летучие мыши излучают короткие импульсы ультразвуковой частоты и производят оценку времени возвращения эха. Локаторы летучих мышей настолько совершенны, что они уверенно маневрируют в темноте между рядами натянутой проволоки и другими препятствиями. Многочисленные эксперименты, проведенные с летучими мышами, показывают, что в том случае, когда в процессе активного лоцирования масса летучих мышей одновременно издает «крики» (ультразвуковые сигналы), эти сигналы, по-видимому, не заглушают друг друга, а ультразвуковой шум значительной силы почти не влияет на их поведение. Эти свойства природных локаторов могут помочь в решении проблемы устранения шумовых сигналов (как естественных, так и искусственно создаваемых), при конструировании новых видов технических локаторов.

Некоторые породы рыб, живущие в условиях полного отсутствия видимости, обнаруживают добычу и ориентируются в пространстве при помощи электрической системы, к-рая представляет собой по существу локатор особого типа. Скат создает вокруг своего тела электрическое поле, к-рое изменяется при его перемещении в пространстве. По изменениям этого поля, воспринимаемым специальными рецепторами, рыба ориентируется и получает возможность находить и преследовать добычу. Исследование такого электрического локатора позволит разработать новые анализаторные устройства, напр, для защиты от подводных лодок, ориентирования их под водой.

Некоторые животные обладают способностью заранее чувствовать приближение опасных для них изменений окружающей среды. Так, медузы за несколько часов предчувствуют приближение шторма, отдельные виды рыб предчувствуют землетрясение. Изучение этих свойств животных поможет создать приборы, выполняющие аналогичные функции.

Биологические системы располагают большим количеством различных датчиков-анализаторов - преобразователей энергии внешних стимулов (тепловой, световой, механической) в энергию нервных импульсов. По миниатюрности. и чувствительности эти анализаторы пока далеко превосходят свои технические аналоги. Так, органы, расположенные на ножках некоторых насекомых, позволяют улавливать смещения в доли микрона. Тепловые рецепторы гремучей змеи регистрируют изменение температуры на 0,001°. В биол, системах имеются также датчики принципиально нового типа, такие как датчики вкусовых и обонятельных сигналов, способные улавливать единичные молекулы. Обонятельный аппарат угря, напр., способен уловить присутствие единичных молекул алкоголя, не определяемых высокочувствительными методами химического анализа.

Технические информационно-управляющие системы по чувствительности и часто по быстродействию превосходят биол, системы, но уступают последним по габаритам, потребляемой мощности и надежности. Один нейрон занимает объем 10 -8 -10 -7 см 3 , объем мозга человека составляет всего 1000 см 3 , мозг потребляет мощность ок. 20 вт и работает, не выходя из строя, в среднем ок. 585 тыс. час.

Мощность, потребляемая современными вычислительными машинами, составляет десятки киловатт, а срок безотказной работы самой высококачественной аппаратуры исчисляется только сотнями часов. Даже если ориентироваться на самые прогрессивные разработки, обеспечивающие объемную плотность 10 3 -10 4 элементов в 1 см 3 и потребление энергии 1 мвт/элемент, то и в этом случае объемная плотность и экономичность биол, систем окажутся на несколько порядков более высокими. Это позволяет надеяться на разработку новых принципов дальнейшей миниатюризации аппаратуры систем управления и вычислительных машин.

Перечисленные свойства живых организмов составляют предмет исследования информационно-анализаторного направления бионики.

Вторым аспектом Б. является изучение возможностей технического применения структуры и конструкций биол, систем, изучение механических, энергетических и хим. процессов, происходящих в них.

В строительных консольных конструкциях, освоенных человеком, отношение высоты к наибольшему диаметру не превосходит 20-30, в то же время в природе существуют конструкции, у которых это отношение значительно выше 30 (ствол эвкалипта, пальмы и др.).

Изучение конструкций туловища рыб и морских животных в плане гидродинамических механизмов их перемещения в воде может дать много полезного для кораблестроения. Рыбы и морские животные весьма экономно расходуют энергию и при этом способны развивать высокие скорости. Так, скорость дельфина достигает 12-16 м/сек, скорость летучих рыб - 18 м/сек (т. е. 65 км/час, что равно скорости курьерского поезда), а скорость тунца - более 30 м/сек.

Третьим важным аспектом Б. является изучение биохим, процессов, происходящих в живой природе, с точки зрения кпд, которые могут служить образцом для разработки новых технологических процессов. В этом аспекте еще только начинаются исследования особенностей процессов тепломассообмена и термодинамики живых организмов популяций и сообществ. В качестве примера можно привести осуществляемые растениями и микроорганизмами с высоким кпд процессы фотосинтеза, синтеза уксусной к-ты, производство полноценного белка, переработку древесины в жиры и белки, осуществляемую микроорганизмами в кишечнике термитов и т. п. Интересными проблемами являются также изучение механизмов работы биохимических источников электроэнергии; исследование биохим, и биоэнергетических процессов применительно к технике процессов и аппаратов в хим. машиностроении.

Все три рассмотренных аспекта Б. показывают, насколько широки возможности постановки бионических исследований.

Направление исследования информационно-анализирующих устройств биообъектов, к-рое в наст, время развивается наиболее интенсивно, подразделяется в свою очередь на ряд самостоятельных направлений, предмет которых составляют:

Общие закономерности способов и устройств переработки информации в нервной системе; сюда относятся моделирование процессов в нейроне, исследование методов кодирования информации на разных уровнях, исследование моделей нейронных сетей;

Информационные способы и устройства в биоанализаторах и процессы распознавания образов; сюда относятся исследования механизмов работы рецепторов, построение моделей различных анализаторных систем и разработка на их основе алгоритмов распознавания образов, исследование способов кодирования при обмене информацией между живыми организмами. Кроме того, для техники представляют интерес механизмы обучения и адаптации, памяти, обеспечения надежности, компенсаторные функции живых организмов, а также механизмы, управляющие регенерацией органов в плане создания самовосстанавливающихся технических устройств;

Системы регулирования, управляющие деятельностью отдельных автономных подсистем высших организмов, которые представляют собой отдельные гомеостатические контуры, напр. система кровообращения, система дыхания, глазодвигательная система, с учетом особенностей реализованного принципа иерархичности в биол, системах, дающих большие возможности для заимствования в технических разработках.

Следует отметить, что успех бионических исследований не может быть обеспечен при простом механическом перенесении в технику схем, выработанных природой.

В природе можно найти много примеров решений и свойств живых организмов, совершенно неудовлетворяющих технику. Достаточно упомянуть только, что нормальная жизнедеятельность биол, систем возможна в узких пределах температуры (0-70°) и давления (0,7- 3 кг/см 2), а быстродействие элементов нервной системы значительно ниже быстродействия технических элементов. Время, необходимое для перевода нейрона из невозбужденного состояния в возбужденное, составляет 10 -2 -10 -1 сек., тогда как для технических элементов оно достигает 10 -7 -10 -8 сек. В силу этого основное внимание обращается на изучение и освоение принципов работы элементов и систем живых организмов, что позволит за счет реализации этих принципов на элементах другой физической природы получить системы более совершенные, чем те, которые созданы в процессе эволюции в живых организмах.

Методы исследования бионики. В основе большинства бионических и биокибернетических исследований, особенно в основе информационного их направления, лежит метод моделирования. Термин «модель в бионике» нередко трактуется очень широко - от физ. устройства, воспроизводящего функции моделируемого объекта и математической модели (либо программы на ЭВМ), до суммы логических представлений, описывающих объект, т. е. согласованной системы фактов и гипотез о сущности изучаемой системы (см. Моделирование).

Моделирование механизмов работы тех или иных отделов биол, системы обычно разбивается на этапы: на первом этапе проводится изучение, систематизация и сопоставление существующих физиол, данных - результатов морфол., электрофизиол. и психофизиол, исследований и получение в случае необходимости новых данных об объекте. На втором этапе- разработка на основе проведенного анализа физиол, данных кибернетической гипотезы о работе исследуемой биол, системы, т. е. такой гипотезы, к-рая включает в себя широкий комплекс технических и математических сведений, используемых современной наукой об управлении; наконец, на последнем этапе осуществляется проверка разработанной гипотезы, к-рая может производиться в двух направлениях: во-первых, посредством расчетов на вычислительных машинах, физических или математических, во-вторых, проверка соответствия гипотезы объективной реальности посредством физиол. эксперимента.

Моделирование биол, систем в кибернетике и Б. может проводиться посредством различных методов. В обобщенных методах кибернетики, важных для Б., ставится задача получить алгоритм, описывающий работу моделируемого объекта, причем не требуется сходства структуры модели со структурой объекта. Этот метод представляет собой метод функционального моделирования, или метод «черного ящика». Метод функциональною моделирования основывается на психофизиологических и поведенческих данных об объекте. Применительно к задачам Б. метод «черного ящика» позволяет получить ряд важных данных, позволяющих выбрать тот или иной биол, принцип построения технической системы (дискретной, аналоговой). В другом, не менее важном для Б. дискретноструктурном методе моделируются принципы и сущность информационно-управляющих нейронных механизмов того или иного отдела мозга. В этом случае требуется выяснять как дискретную структуру моделируемого объекта, так и характер взаимосвязей между его элементами (множествами). В отличие от первого метода, этот метод использует комплекс физиол, данных, полученных психофизиологами, морфологами и электрофизиологами.

Основные результаты бионики

Одним из первых результатов Б., внедренных в технику в области заимствования принципов биоанализаторов, явилась разработка гиротрона - прибора, применяемого вместо гироскопа для стабилизации летательных аппаратов. Изучение некоторых насекомых (бабочек, жуков) показало, что они имеют булавовидные усики, которые во время полета колеблются в горизонтальной плоскости. При отклонении тела насекомого концы усиков продолжают колебаться в той же плоскости, что вызывает у основания усиков механические напряжения, воздействующие на находящиеся здесь нервные клетки. От них сигналы по нервным волокнам поступают в центральные отделы нервной системы, которые вырабатывают соответствующие ответные сигналы для управления органами тела насекомого, восстанавливающими правильное положение его в полете. Принцип работы этого биоаналнзатора применен в техническом устройстве - гиротроне, представляющем собой камертон, ножки к-рого приводятся в колебательное движение электромагнитом, питаемым переменным током. При повороте держателя, на к-ром укреплен камертон, у основания ножек возникает механический момент. Датчик, реагирующий на него, посылает сигнал, пропорциональный углу поворота держателя. Гиротроны применяются в летательных аппаратах, ведется дальнейшая работа по их совершенствованию: увеличению чувствительности, срока службы, уменьшению габаритов.

Другим примером является построение измерителя земной скорости для самолета, использующего принцип работы фасеточного глаза насекомых (пчелы). Прибор состоит из приемников, расположенных у основания двух трубок, разведенных на заданный угол в вертикальной плоскости. Для определения скорости самолета относительно земли производится фиксация определенной точки земной поверхности сначала в одном, потом в другом приемнике. Зная промежуток времени между появлением выбранной точки в первом и во втором приемниках и высоту самолета над поверхностью земли, легко определить скорость.

Наблюдения за поведением пчел позволили выдвинуть гипотезу об ориентировке некоторых видов птиц и насекомых по поляризованному излучению солнца, использующую тот факт, что световые лучи, поступающие от солнца, поляризованы по-разному при расположении солнца на различной высоте над горизонтом. Эти исследования привели к созданию солнечного компаса, дающего возможность ориентироваться но солнцу при наличии облачности. Ряд приборов, необходимых для устройств самонаведения и локации, предложен в результате изучения механизмов функционирования глаза лягушки. На основе исследования свойств некоторых морских организмов улавливать инфразвуки построены приборы для сигнализации о приближении шторма.

Применение в технике нашли также конструкционно-энергетические принципы, заимствованные у биообъектов. Так, использование форм обводов китообразных для строительства кораблей позволило получить выигрыш в мощности силовых установок до 40%. Другим примером является способ передвижения пингвинов по снегу, он использован для постройки нового вездехода для полярных районов.

Интересным результатом является попытка использования некоторых видов микроорганизмов для создания электрических источников тока.

Наиболее существенные результаты информационного направления Б. состоят, во-первых, в разработке моделей одиночных нервных клеток, моделей участков нейронных сетей и целых отделов нервной системы - анализаторов и, во-вторых, в разработке на базе этих моделей обучающихся машин и алгоритмов для распознавания образов. Разработано несколько сот моделей нейронов, различающихся по количеству и сложности воспроизводимых свойств нейрона. Некоторые разработки представляют собой по существу сложные адаптивные элементы нового типа, созданные на базе представлений о нейроне, и предназначены для создания распознающих обучающихся устройств. Успехи, достигнутые при разработке моделей анализаторных отделов мозга, связаны с формулировкой известного в физиологии принципа латерального тормозного взаимодействия между элементами проекционных отделов нервной системы и разработкой теории детекторов как основного механизма работы анализаторов. Согласно этой теории процесс восприятия того или иного раздражителя является результатом выделения некоторых простых признаков этого раздражителя посредством набора специально организованных ансамблей нейронов - детекторов. Напр., при анализе зрительного изображения обнаружены детекторы границы темного и светлого участков, детекторы кривизны, детекторы прямых линий определенного направления, детекторы перекреста прямых линий и т. п. В ходе эволюции у животных функции детекторов усложняются, появляются детекторы движения с определенной скоростью, детекторы движения в определенном направлении. На базе теории детекторов разработаны модельные представления о работе зрительного и слухового анализаторов, объясняющие ряд свойств слухового и зрительного восприятия.

Созданные на базе бионических исследований распознающие и обучающиеся устройства, конечно, еще весьма несовершенны, и создание их должно рассматриваться как первые шаги в этой области. Тем не менее уже созданы устройства для распознавания простейших рисунков, для распознавания ограниченного набора слов (ок. 300), разработаны адаптивные автопилоты и самонастраивающиеся фильтры для выделения на фоне шумов сигнала произвольной формы. Создание совершенных обучающихся распознающих устройств будет иметь большое значение не только для техники, но и для биологии и медицины и особенно для медицинской техники, биотелеметрии, биофизики.

Такие устройства найдут применение в цитологии, гистологии, микробиологии, рентгенологии и других областях биологии и медицины.

В середине 70-х годов в связи с развитием техники ОКГ (см. Оптический квантовый генератор) и развитием голографии (см.) наблюдается пересмотр роли кибернетики и Б. в развитии технических информационно-анализирующих систем.

Научно-исследовательские учреждения, в которых проводятся исследования по бионике: СССР - государственные университеты: Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский; институты биофизики (Москва), проблем управления (Москва), мозга (Москва), радиоэлектроники (Харьков), кибернетики (Киев), автоматики и электрометрии СО АН СССР; США - университеты: Станфордский, Гарвардский, Колумбийский, Иллинойсский, Калифорнийский; Массачусетский технологический институт; Англия - университеты: Бирмингемский, Кельтский, Кембриджский; ФРГ - Институт Макса Планка; ГДР - Высшая техническая школа (Ильменау), Институт кибернетики и информационных процессов; Польша - Институт прикладной кибернетики, Политехнический институт (Варшава); Болгария - Институт технической кибернетики; Чехословакия - Институт теории информации и автоматизации. Работы по Б. обсуждаются на регулярно созываемых конференциях. В СССР проводятся: всесоюзные конференции по бионике (Москва), всесоюзные конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону); в США: национальные симпозиумы по бионике; в ФРГ: конгрессы по кибернетике; международные конгрессы: по кибернетике (Намюр), но медицинской кибернетике (Амстердам), по биокибернетике (Лейпциг), по автоматическому регулированию (ИФАК).

Общепринятых учебных программ для подготовки специалистов в области Б. не существует, однако в ряде университетов и вузов организованы спецкурсы и проводятся студенческие научно-исследовательские работы. К их числу относятся Днепропетровский, Вильнюсский, Ростовский, Ленинградский, Московский университеты; Московский физико-технический институт, 1-й Московский медицинский институт, Ленинградский политехнический институт.

Библиография: Бионика, под ред. А. И. Берга и др., М., 1965; Бионика, Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы 1958 - 1968 гг., сост. Т. Н. Анисимова, М., 1971; Бонгард М. М. Проблема узнавания, М., 1967; Винер Н. Кибернетика и общество, пер. с англ., М., 1958; Глезер В. Д. Механизмы опознавания зрительных образов, М.- Л., 1966, библиогр.; Дейч С. Модели нервной системы, пер. с англ., М., 1970, библиогр.; Жерарден Л. Бионика, пер. с франц., М., 1971; Мил-сум Д. Анализ биологических систем управления, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; П о з и н Н. В. Моделирование нейронных структур, М., 1970, библиогр.

И. А. Любинский.