Первые применения бионики

Бионика. И её заслуги

Выполнил:

Стёпин К.С.

Учитель:
Пономарева О.Н.

Сибай 2014

Содержание:

Введение_________________________________________________ 3

1-ые внедрения бионики_________________________________ 4

Традиционные примеры:

Внутреннее строение стебля травянистого растения...................................... 5

Распространение плодов и семян............................................................... 5

Класс насекомые. Отряд двукрылые........................................................... 7

Строение и функции отделов мозга............................................. 6

Современные открытия:

Скелет глубоководных губок..................................................................... 8

Своры термитов, на благо общества.............................................................. 9

Бегающие и прыгающие боты................................................................ 9

Заключение Первые применения бионики______________________________________________ 10

Приложение_____________________________________________ 11

Перечень литературы________________________________________ 15


Введение

Био́ника (от греч. biōn — элемент жизни, практически — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, параметров, функций и структур живой природы. Мысль внедрения познаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пробовал выстроить летательный аппарат с Первые применения бионики машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Исследование закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно совершенно точно относят к области бионики [новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст. Возникновение этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, галлактической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум Первые применения бионики в Дайтоне (США) в сентябре 1960г. отдал заглавие новейшей науке – бионика. Девиз симпозиума: «Живые макеты – ключ к новейшей технике» отлично определяет перспективы развития бионики на многие годы.] В реальности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при разработке технических систем либо строительных объектов изучит не одна, а несколько биофизических Первые применения бионики наук.

Различают:

-биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в био системах;

-теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

-техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика плотно сплетена с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Возникновение кибернетики, рассматривающей Первые применения бионики общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого исследования строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, также использования приобретенных сведений о живых организмах для сотворения новых устройств, устройств, материалов и т. п.

Главные Первые применения бионики направления работ по бионике обхватывают последующие задачи:

à исследование нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для предстоящего совершенствования вычислительной техники и разработки новых частей и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

à исследование органов эмоций и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых Первые применения бионики датчиков и систем обнаружения;

à исследование принципов ориентации, локации и навигации у разных животных для использования этих принципов в технике;

à исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных мыслях.


1-ые внедрения бионики

Практически неважно какая технологическая неувязка, которая встает перед дизайнерами либо инженерами, была уже издавна удачно решена другими Первые применения бионики живыми созданиями. К примеру, производители прохладительных напитков повсевременно отыскивают новые методы упаковки собственной продукции. В то же время рядовая яблоня издавна решила эту делему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной никак не в древесный картон, а в съедобную кожицу, довольно аппетитную, чтоб привлечь животных, которые съедают Первые применения бионики фрукт и распространяют зерна.

Спецы по бионике рассуждают конкретно таким макаром. Когда они сталкиваются с некоей инженерной либо дизайнерской неувязкой, они отыскивают решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Приблизительно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году выстроил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из Первые применения бионики самых ранешних тривиальных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни базирована на научной работе швейцарского доктора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда доктор изучил костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом заходит в сустав Первые применения бионики. И при всем этом кость почему-либо не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер нашел, что головка кости покрыта утонченной сетью маленьких косточек, благодаря которым нагрузка необычным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую доктор задокументировал (приложение рис. №1).

В 1866 году швейцарский инженер Карл Первые применения бионики Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное рассредотачивание нагрузки при помощи кривых суппортов было применено Эйфелем (приложение рис. №2).

Другое известное заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он нередко гулял со собственной собакой и увидел, что к Первые применения бионики ее шерсти повсевременно прилипают какие-то непонятные растения. Утомившись повсевременно чистить собаку, инженер решил узнать причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Изучив парадокс, де Местраль обусловил, что он вероятен благодаря небольшим крючкам на плодах дурнишника (так именуется этот сорняк). В итоге инженер понял значимость изготовленного открытия и через восемь лет Первые применения бионики запатентовал комфортную «липучку» Velcro, которая сейчас обширно применяется при изготовлении не только лишь военной, да и штатской одежки (приложение рис. №3).


Традиционные примеры

«Внутреннее строение стебля травянистого растения»

У поперечных срезов стеблей травянистых расте­ний — другое строение по сопоставлению с древесными. На­пример, в поперечном разрезе ствол растения пухоноса Первые применения бионики (приложение

рис. №5 -б) имеет форму круга. Ствол пухоноса полый и в нем воздухоносные полости 2, предназна­ченные для циркуляции воздуха. Склеренхимные тяжи 1 присваивают крепкость растению при воздействии на их ветровых нагрузок. Кожица 3 защищает ствол от атмосферных и погодных явлений. Сердцевина стебля вырастает резвее, чем кожица. Последняя вроде бы сдерживает ее рост. Сердцевина растянута Первые применения бионики, кожица сжата. Вследствие этого в структуре стебля создают­ся внутренние напряжения. Это и присваивает упругость стеблю.

Бионики, изучая закономерности формообразования природы, делают уникальные, экономные стро­ительные конструкции. Фабричная труба (приложение рис. №5 -в) на поперечном срезе по структуре похожа на сте­бель пухоноса. Продольная арматура 1 присваивает ей крепкость подобно тяжам Первые применения бионики в стебле, пустоты 2 облег­чают конструкции. Центральное круглое отверстие в срезе - дымоотвод, спиральная арматура 3. На из­готовление трубы, конструкция которой взята у природы, применено меньше строй мате­риалов, чем если б она была цельная, затрачено меньше физического труда. Противостойкость ветро­вым нагрузкам у таковой трубы не ужаснее Первые применения бионики природного аналога.

«Распространение плодов и семян»

Прототипом для формы крыльев австрийского само­лета «Таубе» (приложение рис. №6 -а) еще на заре самолетостроения послужило летающее семя лианы зенония (приложение рис. №6 -б). Оно припоминает тыквенную семечку с изогнутыми концами. Благодаря малой массе семя обладает потрясающими летными свойствами. Конкретно это об­стоятельство и Первые применения бионики заинтересовало изобретателя Этриха из Богемии. В 1904 г. он выстроил собственный 1-ый планер без хвостового оперения. Размах крыльев 6 м. Планер мог нести полезную нагрузку в 25 кг. В те­чение следующих лет Этрих, заимствуя природные аналогии, создавал новые модели планеров, совершен­ствовал их, улучшая летные свойства.

Пыльца злаковых растений имеет две оболочки Первые применения бионики, заполненные воздухом, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха. Это делает пыльце подъемную силу, и потому она перемещается по воздуху на огромные расстояния.

Принцип подъемной силы, реализуемый в приро­де, человек использовал в первых сделанных им летательных аппаратах: воздушном шаре, заполненном жарким воздухом, в аэростате, дирижабле. Падаю­щий Первые применения бионики волан в бадминтоне припоминает плод-парашют одуванчика. Может быть, он либо ему схожий плод-парашют дал подсказку Леонардо да Винчи идею па­рашюта.

«Класс насекомые. Отряд двукрылые»

Обратим внимание на наличие у комнатной мухи на ногах хеморецепторов — типичных маленьких био датчиков. У мухи их четыре типа: одни анализируют состав Первые применения бионики воды, другие определяют сахар, третьи изучат разные соли, четвертые указывают на наличие белковой еды. Такие же сенсоры есть и в ее хоботке. Благодаря им муха всегда знает, что конкретно у нее под ногами: пища, питье либо что-то несъедобное. Хоботок мухи авто­матически отвечает на показания кожных рецепторов. Он растянулся — и Первые применения бионики муха начинает пить либо есть. По выпрямлению хоботка можно судить, какие вещества и в каких концентрациях улавливает насекомое. Ана­лиз вещества делается за несколько секунд. Таким макаром, природа заполучила самые совершенные мето­ды хим анализа. Физики и химики могут пользоваться ими, разгадав до конца способы, кото­рыми пользуется Первые применения бионики муха.

В лаборатории геофизики Института термообмена и массообмена АН БССР из порошка кремнезема сотворено клейкое вещество, имеющее вязкость вазели­на. Если его нанести на колесо в электрическое поле,— оно одномоментно затвердевает. Колесо накрепко приклеивается к опорной поверхности. При снятии магнитного поля вещество приобретает прежнее вяз­кое состояние Первые применения бионики. Инженеры сделали шагающий бот (приложение рис. №7). Он отыскивает недостатки на железной поверх­ности. К корпусу 5 крепятся 6 ног 4 и любая из их имеет два привода (движок с передаточными механизмами). Один для горизонтального, другой для вертикального перемещения. Нога завершается баш­маком с подушкой 3, пропитанной клейким веществом. Он подается из резервуара к полым Первые применения бионики опорам ног. 6 ног бота объединены в две группы, по три в каждой. Шагает бот сразу одной груп­пой ног, а другая приклеена к опорной поверхности. Попеременно к ботинкам то одной, то другой группы ног подается электронный ток — и подушки ног при­клеиваются к опорной поверхности.

Бот имеет глаз Первые применения бионики — телекамеру 1, шланг 2 с элект­рокабелем и трубку для подачи сжатого воздуха к пневмоприводам.

«Строение и функции отделов головного мозга»

Раскрыть механизмы работы мозга, которые еще почти во всем остаются потаенной, означает отыскать ключ к проектированию ЭВМ грядущего. Новенькая наука — нейрокибернетика занимается конструированием ис­кусственного мозга. Первой ЭВМ поручали делать арифметические Первые применения бионики операции. По мере развития вычис­лительной техники ЭВМ стала делать более слож­ные операции, работать резвее, размеры ее умень­шались ( табл. стр. 8).


Характеристики Мозг человека ЭВМ
Носитель инфы Нервное возбуждение Электронный ток
Скорость ввода ин- Наименее 1 бит/с в дли- Более 106 бит/с
формации в память тельную память
Время Первые применения бионики проведения операции Всю жизнь Млрд операций за секунду
Достоинства Сосредоточение только Сосредоточение наименее
сложных сложных функций в
функций в исключи- еще большем
тельно малом объеме. объёме. Низкая степень
Высочайшая степень со- совершенства элек-
вершенства физиоло- тронного нейрона
гических процессов в нейроне
Зависимость запо- Зависит Не зависит
минания индивиду Первые применения бионики-
альных особенно-
стей и эмоциональ-
ного состояния
Емкость памяти Теоретический макси- 107 бит в данный мо-
мум 108—1010 бит в мент
течение жизни
Тип памяти Смешанный Смешанный
Особенности па- Запоминание осмыс- Запоминание механи-
мяти ленное ческое
Вид обработки по- Параллельный Поочередный
ступившей инфор-
мации
Фильтрация инфор- Очень действенная Бедная
мации
Время хранения ин Первые применения бионики- Непостоянное Неизменное
формации в памяти
Извлечение из па-
мяти подходящей ин-
формации:
не так давно введенной Резвое Резвое
издавна введенной Неспешное резвое
При повреждении Работает Не работает
Восприятие инфы По многим каналам: по форме, цвету, от- По одному каналу
тенку предмета, по
шрифту, почерку,
чутью, осязанию,
тембру Первые применения бионики голоса, инто-
цивилизации, чертежу и т. д.
Масса 1,2—1,3 кг В 3-10 раза больше,
чем мозг человека

Современные открытия

Современная бионика почти во всем связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, профессионалов по материалам.

В текущее время некие ученые пробуют Первые применения бионики отыскать аналоги органов тела человека, чтоб сделать, к примеру, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) либо искусственный глаз (в стадии разработки).

Скелет глубоководных губок

Другие разработчики концентрируются на исследовании природных организмов. К примеру, исследователи из Bell Labs (компания Lucent) не так давно нашли в теле глубоководных губок рода Euplectellas качественное Первые применения бионики оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, нашли, что в глубоководных морских губах содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образчикам волокон, применяемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по неким характеристикам природное оптоволокно возможно окажется лучше искусственного (приложение рис. №8).

Согласно принятой сейчас систематизации Первые применения бионики, губы образуют самостоятельный тип простых беспозвоночных животных. Они ведут полностью недвижный стиль жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину добивается размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губы находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону Первые применения бионики. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у людского волоса. В процессе исследовательских работ этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких верно выделенных концентрических слоев с разными оптическими качествами. Центральная часть цилиндра состоит из незапятнанного диоксида кремния, а вокруг нее размещены цилиндры, в составе Первые применения бионики которых приметное количество органики.

Ученые были поражены тем, как близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образчикам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у наилучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, в особенности Первые применения бионики при разрыве и извиве. Конкретно эти механические характеристики делают уязвимыми оптические сети передачи инфы - при образовании трещинок либо разрыве в оптоволокне его приходится подменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят последующий факт, демонстрирующий очень высшую крепкость и упругость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при всем Первые применения бионики этом они не теряют собственных оптических параметров. Такие деяния с искусственными оптоволокнами безизбежно приведут к поломке либо, по последней мере, образованию внутренних трещинок, что в итоге также значит утрату многофункциональных параметров материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории схожее творение природы. Дело в том Первые применения бионики, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высочайшей температуре, а морские губы, естественно, в процессе развития синтезируют его методом хим осаждения при температуре морской воды. Если получится смоделировать этот процесс, он будет, кроме всего остального, к тому же экономически прибыльным.

По результатам тестов оказалось, что материал Первые применения бионики из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не ужаснее, чем современные коммуникационные кабели, при всем этом природное оптоволокно существенно прочнее людского благодаря наличию органической оболочки. 2-ая особенность, которая изумила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Первые применения бионики Lucent для этих целей употребляется высокотемпературная обработка. Сейчас ученые задумываются над тем, как прирастить длину нового материала, так как скелеты морских губок не превосходят 15 см.

Своры термитов, на благо общества

Не считая разработки новых материалов, ученые повсевременно докладывают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. К Первые применения бионики примеру, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новейшую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.

В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение своры термитов, где каждый термит воспринимает независящие решения, но при всем этом свора движется к общей цели, к примеру, построению гнезда.

Сконструированная в Пало Альто Первые применения бионики печатная схема вооружена обилием воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального микропроцессора, но в то же время они содействуют выполнению общей задачки — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить создание. Любая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в различные стороны Первые применения бионики, также 32 тыс. оптических детекторов и микроконтроллеров (приложение рис. №9).

Бегающие и прыгающие боты

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием ботов. Сейчас посреди разработчиков очень популярна точка зрения, что в дальнейшем боты (подробнее о робототехнике см. тут) сумеют отлично действовать исключительно в том случае, если они будут очень Первые применения бионики похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется работать в городских и домашних критериях, другими словами в «человеческом» интерьере — с лестницами, дверцами и другими препятствиями специфичного размера. Потому, как минимум, они должны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у бота непременно Первые применения бионики должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для городка). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

В направлении сотворения прямоходящих двуногих ботов далее всех продвинулись ученые из Стенфордского института. Они уже практически три года экспериментируют с маленьким шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам Первые применения бионики исследования системы передвижения таракана.

1-ый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. (приложение рис. №10) На данный момент конструкция бегает очень быстро — со скоростью 55 см (более 3-х собственных длин) за секунду — и так же удачно преодолевает препятствия.

В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод людского роста, который способен задерживать неустойчивое равновесие, повсевременно прыгая. Как Первые применения бионики понятно, человек перемещается методом «падения» с одной ноги на другую и огромную часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда уповают сделать двуногого бота с людской системой ходьбы (приложение рис. №11).


Заключение

Концепция бионики никак не нова. Например, еще 3000 годов назад китайцы пробовали перенять у насекомых Первые применения бионики метод производства шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела 2-ое дыхание, современные технологии позволяют копировать маленькие природные конструкции с необычной ранее точностью. Так, пару лет вспять ученые смогли проанализировать ДНК пауков и сделать искусственный аналог шелковидной сети - кевлар. В этом материале я перечислел несколько многообещающих направлений современной бионики и Первые применения бионики привел самые известные случаи заимствований у природы.

В последнее десятилетие бионика получила значимый импульс к новенькому развитию. Это связано с тем, что современные технологии перебегают на гига- и наноуровень и позволяют копировать маленькие природные конструкции с необычной ранее точностью. Современная бионика в главном связана с разработкой новых Первые применения бионики материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Природа открывает перед инженерами и учеными нескончаемые способности по заимствованию технологий и мыслях. Ранее люди были не способны узреть то, что находится у их практически перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть незначительно разобраться в том, как устроен мир Первые применения бионики вокруг нас, и попробовать скопировать из него некие детали для собственных нужд.


Приложение


pervij-etap-internet-konkurs.html
pervij-etap-korrekcionnogo-obucheniya.html
pervij-etap-peregovorov-o-zone-svobodnoj-torgovli-ts-i-vetnama-stal-vesma-uspeshnim-vhristenko.html