Исследовательская работа "Бионика"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ

Свердловский филиал

Отделение (номинация): биология и медицина

Секция: биология

Бионика – наука будущего

Луганск – 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..…… 3

РАЗДЕЛ 1. Бионика – наука будущего …………………………………….…….. 6

1.1. Бионика – прикладная наука ..…………………...………………................. 6

1.2. История развития бионики ….……………………………………… ……... 7

1.3. Отрасли современной бионики ……………..……………………………... 9

РАЗДЕЛ 2. Использование в технике принципов живых организмов ……….. 11

2.1. Архитектурно-строительная бионика …………………..………….. ……. 11

2.2. Нейробионика …………………………………………………………....... 14

2.3. Биодизайн ….…………………...………………………………….… ……. 17

2.4. Биомеханика ………………………………………………….... ……..…… 19

ВЫВОДЫ………...………………………………………………………… … … 24

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.………………………. .. … 26

ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………….. ..…. 28

ВВЕДЕНИЕ

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 прочее. Естественно, человек пытался этому найти объяснение. Но чем больше он узнавал, тем больше возникало у него вопросов: может ли человек летать как птица, плавать как рыба, как животные «узнают» о приближении шторма, о надвигающемся землетрясении, 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! Наука бионика - “БИОлогия” и “техНИКА”.

Актуальность темы исследования определяется низким уровнем знаний людей о прикладных биологических науках, глубине познания природы и применении этих знаний в современном мире.

Задания моей работы:

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.

Цель работы – показать необходимость возникновения науки бионики, рассмотреть ее возможности, границы применимости и направления развития в будущем.

Научная новизна работы состоит в том, что бионика как наука и ее применение в областях техники не рассматривается ни в школьных программах базового уровня, ни в других учебных заведениях. Автор систематизировал исследованные источники литературы, провел свои исследования, и написал свою работу, которую можно использовать при изучении отдельных тем по разным учебным предметам, в частности, по химии, биологии, технологии, на внеклассных мероприятиях.

Апробация работы прошла на школьном этапе защиты работ участников МАН перед учащимися среднего и старшего школьного звена. Некоторые разделы использовались в материалах уроков по биологии в 10 и 11 классах, а также во внеклассном мероприятии «Современные здания и сооружения».

Объект исследования – применение знаний о биологических объектах в технике.

Предмет исследования – бионика.

Практическое значение полученных результатов.

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. У бионики большое будущее! Применение бионики в медицине даёт возможность спасти жизнь многим пациентам. Не прекращаясь, ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека.

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…

РАЗДЕЛ 1

БИОНИКА – НАУКА БУДУЩЕГО

1. Бионика – прикладная наука

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 – прикладная наука, изучающая возможности использования в технике кибернетических, конструкционных и энергетических принципов, которые реализованы в живых системах. [11, с. 180]

Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области бионики (новое научное направление конца 50-х годов ХХ ст.). Появление этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, космической биологии, инженерной психологии и др. Симпозиум в Дайтоне (США) в сентябре 1960г. дал название новой науке – бионика. Лозунг симпозиума: «Живые прототипы – ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики на многие годы. В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования при создании технических систем или архитектурных объектов исследует не одна, а несколько наук. 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.

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

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

• изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);

• исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

• изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

• исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Самая удивительная лаборатория — это живая природа. В этой лаборатории на протяжении сотен миллионов лет идет кропотливая работа: благодаря наследственности и изменчивости организмов в результате естественного отбора совершенствуются те качества и свойства животных и растений, которые лучше всего соответствуют условиям окружающей среды. Так постепенно достигается поразительная приспособленность к окружающим условиям. Человек давно не только удивляется этому совершенству природы и восхищается им, но и учится у природы, подражает ей.

1. История развития бионики

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. Секрет полёта он искал в природе, которая создаёт оптимальные формы, выполняющие те или иные функции: подолгу наблюдал за «живыми машинами» — свободно парящими в небе птицами, описывал их движения. В его зарисовках есть траектория поднимающейся ввысь птицы (Приложение рис. 1.1), представляющая собой винтообразную кривую.

В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера (от греч. órnis, род. падеж órnithos — птица и pterón — крыло), или махолета, летательного аппарата тяжелее воздуха с машущими крыльями). Среди живых существ маховыми движениями крыльев для полёта пользуются, например, птицы. Да Винчи не раз возвращался к решению задачи полета. Безуспешно. В итоге он решил воспроизвести самый простой способ полёта птиц — придумал планер, парящий за счёт воздушных потоков (Приложение рис.1.2). Исследуя проблему полёта, он интересовался буквально всем, даже такой мелочью, как звук, производимый крыльями мухи! [3]

Геликоид Леонардо да Винчи (Приложение рис. 1.3). Цилиндрическая винтовая линия может перемещаться вдоль самой себя. Она определяет кратчайший путь между двумя точками разных образующих на поверхности цилиндра. Аналогичными свойствами обладает геликоид. Он скользит сам по себе и имеет минимальную площадь при заданной внешней границе. Простота, гибкость, динамичность, «экономичность» — благодаря этим свойствам винтовые формы распространены в природе (вспомним хотя бы «двойную спираль» молекулы ДНК и вьющиеся растения) и широко применяются на практике, особенно в технике (от пружины и штопора — до шнека мясорубки и гребного винта). [2]

Также, Леонардо до Винчи спроектировал подводную лодку по прототипу рыбы (Приложение рис.1.4), парашют – по строению семени одуванчика (Приложение рис. 1.5).

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.

Датой рождения бионики как науки считается 13 сентября 1960 года. В США, в г. Дайтон состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике». [9]

Эмблема ученых-биоников

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

1. Отрасли современной бионики

Наиболее разработанные области 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. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение основных задач обработки информации, – общая цель всех четырёх названных направлений. Именно проблемы, связанные с созданием разнообразной информационной техники, привлекают главное внимание бионики.

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. Сегодня, после процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение. Во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Сегодня бионика имеет несколько направлений: [4]

1. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

2. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

РАЗДЕЛ 2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕХНИКЕ ПРИНЦИПОВ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

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 (Приложение рис. 2.1). Изучая семейство злаков, надо обратить внимание особенно в строении вегетативных органов. Многие из них, например стебель, могут иметь практический интерес для биоников. Важной особенностью злаков является строение стебля, которое дает им возможность выжить при столь массовом росте на полях. При легком дуновении ветерка пшеница слегка покачивается. При сильном ветре стебель гнется, низко наклоняется колос. Стих ветер, и выпрямился стебель. Высота пшеницы в 200—300 раз больше диаметра ее стебля. Секрет сохранения растением гибкости и прочности в его строении. У стебля пшеницы междоузлие полое, а узлы заполнены тканями. Благодаря такому строению стебель гнется, но не ломается. [13]

По такому принципу построена Останкинская телевизионная башня (приложение рис. 2.2), сконструированная инженером Н. В. Никитиным. В ее форме и в натянутых по периферии стальных вантах, скрытых в толще бетона и стягивающих отдельные барабаны ствола башни, отразились конструктивные принципы строения стебля растений, ствола дерева. Основание ее утолщено, вершина — остроконечная. Ее общая высота 540 м 74 см. Это высочайшее сооружение в мире. Масса 55 тыс. тонн. При сильном ветре башня может раскачиваться, как стебель пшеницы, до 10 м в сторону от своего нормального вертикального положения, сохраняя при этом прочность. Она выдерживает ветер в 15 баллов и землетрясения в 8 баллов. Надежность рассчитана на 300 лет. [12]

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» (Приложение рис. 2.3). 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. [9]

К тому же, «корни» — новый вид бионического фундамента. Наружное покрытие здания – это пластичный и воздухопроницаемый материал, имитирующий кору дерева. Система кондиционирования этого вертикального города будет аналогом теплорегулирующей функции кожи.

В конце ХIХ столетия башня, названная именем своего создателя – Александра Гюстава Эйфеля, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа (Приложение рис. 2.4а). Конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела (Приложение рис. 2.4б). Совпадают даже углы между несущими поверхностями. Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал. [12]

С древних времен бамбук использовали как строительный материал. Мосты через реки подвешивали на канатах из крученого бамбука. Мост на бамбуковых тросах диаметром 10 см, построенный в Китае более тысячи лет назад, висит и ныне. Издавна бамбук использовался для крыш, карнизов и водосточных труб. Во Вьетнаме из многослойных спрессованных бамбуковых панелей делают стены домов, потолки и перегородки. При своей огромной высоте (до 40 м) бамбук сохраняет устойчивость и прочность. Кто держал бамбуковое удилище в руках, тот знает, какое оно легкое, гибкое и прочное. Даже крупная рыба не сломает его.

Японские архитекторы, проектируя небоскреб «Тайпей – 101», построенный в Токио, применили некоторые принципы строения гибкого и прочного ствола бамбука (Приложение рис. 2.5). В условиях частых землетрясений здания должны быть устойчивы и прочны. В проекте было предусмотрено построить жесткий каркас здания из композитивного материала. Этот материал имеет неравномерную структуру. Представляет собой сетку графитовых, стеклянных или более сложных по составу волокон, погруженных в пластик, как волокна в стебле бамбука. При подземных толчках верхний, сорок третий этаж, сможет отклониться от вертикали, подобно стеблю бамбука, более чем на 70 см, однако устойчивость и прочность здания при этом сохраняется. [4]

Во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений:

• Сиднейская опера возводилась по аналогии с цветком лотоса (Приложение рис. 2.6).

• Пекинский национальный оперный театр – имитация водяной капли (Приложение рис. 2.7).

• Плавательный комплекс в Пекине (Приложение рис. 2.8). Внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.

• Небоскрёб "Аква" внешне похож на поток падающей воды (Приложение рис.2.9). Находится в Чикаго.

• Дом основателя архитектурной бионики Антонио Гауди – это одно из первых бионических сооружений (Приложение рис. 2.10). До сегодняшнего дня он сохранил свою эстетическую ценность и остаётся одним из самых популярных туристических объектов в Барселоне.

• В 2003 году в Санкт-Петербурге по проектам архитектора Бориса Левинзона были построен «Дом Дельфин» (Приложение рис. 2.11) и оформлен холл известной клиники «Меди-Эстетик» (Приложение рис. 2.12).

1. Нейробионика

Применение бионики в медицине даёт возможность спасти жизнь многим пациентам. Всем известная игла-скарификатор, служит для забора крови, 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.

Не прекращаясь, ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека. Система человек – машина активно изучается учеными. Главный этический вопрос бионического проектирования – это можно ли совмещать элементы тела человека и элементы машины, насколько это правомерно, и как классифицировать полученную то ли машину, то ли живое существо. На сегодня этот вопрос является очень сложным, но некоторые решения все же найдены (мы их рассмотрим далее на примерах).

Первая женщина с бионической рукой – Клаудия Митчелл (Claudia Mitchell) (Приложение рис. 2.13а). Она потеряла левую руку, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Её протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на тот момент была ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняло её использование в быту. [6]

С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов. Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела – с ног, например. Наиболее известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, – это Московский протезно-реабилитационный центр. Здесь собирают протезы из модулей, используется продукция Германии, Исландии и России (Приложение рис. 2.13б).

Современный бионический протез ноги включает несколько обязательных элементов, таких как: силиконовая манжета со встроенными датчиками; опора – титановый стержень, формой напоминающий голень; шарнирный модуль с микродвижками и процессором; блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы. Последние модели протезов ведущих немецких компаний имеют особое покрытие, очень похожее на кожу. Синтетическая кожа имеет двойное назначение: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам (Приложение рис. 2.13в).

Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) из Стэнфордского университета и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения (имплантант в сетчатку глаза) называемый «Бионическим глазом» (Bionic Eye) (Приложение рис. 2.14). Это небольшое устройство напоминает видеокамеру. Объектив расположен на специальных очках, а изображение передается через зрительный нерв прямо в мозг. В 2004 году 64-летней Линде Морфут из Лонг-Бич (Калифорния) с диагнозом пигментный ретинит в возрасте 21 года, когда она практически полностью ослепла к 50 годам (Левый глаз ее немного воспринимает свет) установили фотодатчик с матрицей на основе 16-ти металлических электродов. Эта матрица имеет всего 4 строки по 4 электрода. [7] С точки зрения видящего человека качество картинки пока оставляет желать лучшего. Но для тех, кто потерял зрение - это настоящее спасение.

Создатель первого в мире бионического уха (Bionic ear) – 69-летний профессор из Мельбурна Грэм Кларк (Graeme M. Clark). Бионический имплантат, над которым учёный работал в течение 35 лет, вернул слух 55 тысячам человек в более чем 120 странах мира и должен помочь миллионам людей (Приложение рис. 2.15). В основе бионического уха заложены так называемые факторы роста, которые помогают нервным клеткам восстановиться, воздействуя на мембраны повреждённых клеток, а также стимулируя химическую реакцию в ДНК и клеточном ядре. [8]

Группа ученых из Пристонского университета разработала уникальную конструкцию бионического уха. Для этого использовалась технология 3D-печати, с помощью которой и была воссоздана его форма, внутри которой был размещен электронный слуховой аппарат (Приложение рис. 2.16). Как пояснил Майкл МакЭлпайн, являющийся доцентом кафедры аэрокосмической и механической инженерии и руководящий этими исследовательскими работами, новый подход (сочетание электроники и 3D-печати) существенно улучшает характеристики данного устройства. Изготовленный прототип бионического уха является первой попыткой создания полнофункционального органа, не только реализующего его функции, но и существенно расширяющего их при помощи встроенной электроники. Он позволяет пока что принимать лишь сигналы радиоволнового диапазона. Для регистрации же сигналов акустического диапазона требуется использование других материалов и таких моделей электронных датчиков, которые обладают высокой чувствительностью к изменению внешнего давления. [8]

Журнал New England Journal of Medicine опубликовал новое исследование, в котором показано, что “бионическая поджелудочная железа” является более эффективным и безопасным методом терапии сахарного диабета 1 типа, чем инсулиновая помпа. [14] Бионическая поджелудочная железа представляет собой портативное медицинское устройство, в полностью автоматическом режиме обеспечивающее поддержание нормального уровня инсулина и глюкагона в крови больных сахарным диабетом 1 типа (Приложение рис. 2.17а). Фото Анны Флорин (Anna Floreen), больной сахарным диабетом 1 типа, участницы клинических испытаний бионической поджелудочной железы представлено на рис. 2.17б в Приложении.

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. [5]

Ученые также работают над созданием искусственных внутренних органов, например, почек (Приложение рис. 2.18). Изобретение под названием Novalung, замена легких, сейчас находится на стадии клинических испытаний. [5]

Перспективы развития бионики в этой отрасли бесконечны.

1. Биодизайн

В XXI в. мы встречаем бионические объекты в разных областях дизайна: в графическом, средовом, промышленном, арт-дизайне и дизайне костюма. Лучшие дизайнеры мира используют принципы бионики. Это представители разных школ и стилей ХХ в. (по отраслям: Ф. Старк, Г. Пеше, П. Навоне и т.п.). [1]

Творческим источником для работы дизайнера может быть любой природный объект. Но выбор объекта зависит не столько от вкуса дизайнера, сколько от поставленных задач. Если нужно разработать удобное кресло, то в качестве источника выступают именно те природные формы, использование которых позволяет решить данную задачу наилучшим образом: например, цветы (Приложение рис. 2.19). Кресло Flower. Автор: Сандро Сантантонио. Giovannetti (Италия).

Другой творческий источник нужен для разработки стульев: здесь актуальна морская тематика: структура медузы (Приложение рис. 2.20). Стул Margarita. Автор: Аяла Серфати. Aqua creations (Израиль).

Проектирование столов с использованием бионических форм увлекательно тем, что можно выбрать любую структуру практически для всех элементов стола, но, естественно, помня о функциональности создаваемого объекта (Приложение рис. 2.21). Фактура столика Kartell. Иллюзия бесконечности извилистых линий «живого» объекта, словно уходящих в пространство.

В качестве творческого источника современные дизайнеры все активнее используют главную черту бионических объектов: способность к трансформации. Разработанные объекты-трансформеры часто выполнены в футуристическом стиле: например, кинематические модели меняющих форму сидений, столов и «ползающих» тканей. Бионический объект-трансформер (Приложение рис. 2.22). Архитектор и дизайнер Джеймс Лоу (James Law) получил поручение от компании Vijay Associates построить офисное здание в Индии, которое станет отличным от любых других, уникальным и по-настоящему инновационным во всем мире. Инновационное офисное здание в Индии (Приложение рис. 2.23). Другие работы архитектора и дизайнера Джеймса Лоу: небоскреб в Мумбае (Приложение рис. 2.24); жилой комплекс в Индии (Приложение рис. 2.25).

Нью-йоркский архитектор Джеймс Рамси (James Ramsey) и его студия RAAD разработали проект городского парка Delancey Underground (Приложение рис. 2.26), который должен разместиться под улицей Delancey Street. Дорожки, скамейки, кустарники, клумбы и фонтанчики — всё, что обычно полагается для отдыха горожан, займёт пустующий ныне подземный трамвайный парк, заброшенный 60 лет назад. Площадь этого пустынного терминала составляет около шести тысяч квадратных метров. Чтобы зелень нормально развивалась под землёй, Рамси решил переправлять под улицу естественный солнечный свет при помощи волоконно-оптических кабелей, линз и зеркал, подобно тому, как работают разномастные световые трубы и солнечные короба. Джеймс, который до открытия в себе тяги к архитектуре работал инженером в NASA, в интервью New York Magazine заявил: «Мы направим солнечный свет, как это было в древних египетских гробницах, но суперсовременным способом». Для сбора света Рамси собирается поставить на улице десятки коллекторов, напоминающих обликом уличные фонари. [12]

Есть ли инновационные проекты бионических зданий в России? Да, есть. Проект «Апельсин» (Приложение рис. 2.27), который планируется построить в Москве, разработан Норманом Фостером.

1. Биомеханика

Какой мальчишка не увлекался бы игрой в роботов, не смотрел фильм про Терминатора или Росомаху. 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 (Приложение рис. 2.28).

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.

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. [15]

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 (Приложение рис. 2.29).

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 (Приложение рис. 2.30). 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 (Приложение рис. 2.31). 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 глиссер был построен компанией Innespace в 2001 году. [15]

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 (Приложение рис. 2.32). 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.

Присоски были изобретены при изучении осьминогов.

Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.

В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее. [15]

Ученые-бионики работают не покладая рук. Иногда случается, что то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть и перенять.

ВЫВОДЫ

Возникновение бионики вполне объяснимо следующим фактом: для изучения и копирования природных «прототипов» нужны научные методы, современные материалы, идеи и технологии!

Перечислю факторы развития современного дизайна, науки и техники, а также общества, которые повлияли на возникновение бионики как науки:

• появление новых научных открытий, как в технических, так и в гуманитарных отраслях знания (в биологии, медицине, физике, химии, кибернетике, области информационных технологий; в технической эстетике и дизайне и др.);

• появление новых технологий конструирования и производства дизайн-продуктов;

• появление новых материалов;

• возникновение новых факторов социального и экономического развития, в т.ч. глобализация мировых процессов;

• постановка новых, более крупных и сложных задач в дизайн-проектировании.

Сегодня на развитие бионики, кроме указанных, влияют и новые факторы: возникновение нового понимания дизайна в контексте инновационного подхода к проектированию среды жизни человека; ускорение темпов жизни людей: в том числе ускорение обмена информацией, появление интернета и социальных сетей, появление новых бизнес-технологий, «бизнес-инкубаторов» и др.

Анализируя природные объекты, видно, что почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Когда специалисты по бионике и дизайнеры сталкиваются с инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям. Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Современные технические средства и компьютерное моделирование помогают хотя бы немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать некоторые его детали для собственных нужд.

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!

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Белько Т. В. Бионические принципы проектирования костюма. Монография. – М.: МГТУ, 2007.

2. Бионика. Википедия. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

3. Блик Е. Бионика - это какая наука? Что изучает бионика? Применение бионики. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fb.ru/article/188187/bionika---eto-kakaya-nauka-chto-izuchaet-bionika-primenenie-bioniki#image789054

4. Бурень В. М., Бурень О. В. Биология и нанотехнология. Материалы для современной и будущей бионики. – М.: Феникс, 2006. – 125 с.

5. Институт бионики. Австралия. Проект: бионические почки, 3D копия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.bionicsinstitute.org/

6. Киборги с механическими руками. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kvisaz.ru/20071219/2327/

7. Наука. Зрение человека. Визуальный протез. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.science.wikia.com/wiki/Бионический_глаз

8. Новости медицины/ Отоларингология. Бионическое ухо помогло 55 тысячам человек. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.medlinks.ru/article.php?sid=17406

9. Семкина Т.А. Учебное пособие по дисциплине «Бионика». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://reftrend.ru/900333.html

10. Словари и энциклопедии на Академике. Бионика. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/119997

11. Украинский Советский Энциклопедический Словарь: В 3-х т./ Редкол.: А.В. Кудрицкий – 2-е изд. – К.: Глав. ред. УСЭ, 1987, 736с.

12. Френч Х. История архитектуры. Пер. с англ. М.С. Ремизовой. – М.: ООО «Издательство «Астрель», 2003. – 144 с.: ил.

13. Цойх М. Бионика. – М.: Мир книги (Серия: Зачем и почему), 2007. – 48 с.

14. Эндокринологический научный центр Министерства здравоохранения Российской Федерации. Бионическая поджелудочная железа в терапии сахарного диабета 1 типа. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.endocrincentr.ru/news/news_enc/956/

15. Энциклопедия животного мира. Что такое бионика. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.zoodrug.ru/topic1798.html

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис.1.1. Винтообразное движение Леонардо да Винчи Рис. 1.2. Орнитоптер

Рис. 1.3. Геликоид Рис. 1.4. Подводная лодка

Рис. 1.5. Парашют Рис. 2.1. Строение злаков, фабричных труб

Рис. 2.2. Останкинская башня Рис.2.3. Город-башня

Рис. 2.4а. Эйфелева башня Рис. 2.4б. Бедренная кость человека

Рис. 2.5. Небоскреб «Тайпей-101» Рис. 2.6. Сиднейская опера

Рис.2.7. Оперный театр в Пекине

Рис. 2.8. Плавательный комплекс в Пекине

Рис. 2.9. Небоскреб «Аква»

Рис. 2.10. Дом Антонио Гауди в Барселоне

Рис.2.11. Дом «Дельфин» в Санкт-Петербурге

Рис. 2.12. Холл в клинике «Меди-эстетик» в Санкт-Петербурге

Рис.2.13а. Протез руки Клаудии Митчелл

Рис.2.13б. Современная бионическая рука Рис.2.13в. Современная бионическая нога

Рис. 2.14. Бионический глаз

Рис. 2.15. Бионический слуховой протез

Рис. 2.16. Сканированное 3D бионическое ухо

Рис. 2.17а. Бионическая поджелудочная железа Рис. 2.17б. Анна Флорин

Рис. 2.18. Сканированные 3D бионические почки

Рис. 2.19. Кресло Flower. Автор: Рис. 2.20. Стул Margarita. Автор:

Сандро Сантантонио Аяла Серфати.

Рис. 2.21. Стол Kartell Рис.2.22.Бионический объект-трансформер

Рис. 2.23. Офисное здание в Индии Рис. 2.24. Небоскреб в Мумбаи

Рис.2.25. Жилой комплекс в Индии Рис.2.26. Городской парк Джеймса Рамси

Рис. 2.27. Бионическое здание «Апельсин» в Москве

Рис.2.28. Робот гексапод Рис.2.29. Самолет с утяжеленными крыльями

Рис. 2.30. Реактивный движитель кальмара

Рис. 2.31. Глиссер

Рис. 2.32. Действие гидрофона