Презентация "Бионика и биотехнология на службе человеку"

ГОКУ АО «Общеобразовательная школа при учреждениях исполнения наказания» ФКУ ИК-8

Бионика и

биотехнология

на службе человеку

Выполнила учитель биологии и химии

высшей квалификационной категории

И. А. Трухина

В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом.

Бионика - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Лозунг бионики: «Природа знает лучше». Что же это за наука такая? Уже само название и такой девиз дают нам понять, что бионика связана с природой. Многие из нас ежедневно сталкиваются с элементами и результатами деятельности науки бионики, даже не подозревая об этом. Бионика включает в себя элементы таких наук, как биология, физика, химия, кибернетика, а также инженерные науки.

Разделы

бионики

Биологическая бионика исследует природу такой, какая она есть, без попытки вмешательства. Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем.

Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.

Практическая (техническая) бионика – это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.

Откуда всё начиналось? Отцом бионики называют великого Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже.

Орнитоптер Леонардо да Винчи

Основные направления работы в области бионики

Нейробионика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании способов преобразования информации в биологических системах, 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. Широкие возможности в моделировании нервных процессов проявляются в моделировании нервных сетей, что привело к построению ряда специальных бионических устройств, позволяющих успешно решать множество задач, связанных с передачей и обработкой информации. Примером таких устройств являются перцептроны - обучающиеся самоорганизующиеся системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации образов.

Перцептрон - математическая или компьютерная модель восприятия информации мозгом , предложенная в 1957 году и реализованная в виде электронной машины «Марк-1» в 1960 году Розенблаттом. Перцептрон стал одной из первых моделей нейросетей, а «Марк-1» -- первым в мире нейрокомпьютером. Несмотря на свою простоту, перцептрон способен обучаться и решать довольно сложные задачи.

Моделирование анализаторных систем Моделирование анализаторных систем - одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия. 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. Первым посчастливилось испытать датчанину Деннису Аабо. Он потерял половину руки, но сейчас имеет возможность воспринимать предметы на ощупь с помощью изобретения медиков. Его протез подключён к нервным окончаниям пострадавшей конечности. Сенсоры искусственных пальцев способны собирать информацию о прикосновении к предметам и передавать её в мозг. Конструкция на данный момент ещё не доработана, она очень громоздкая, что затрудняет её использование в быту, но уже сейчас можно назвать такую технологию настоящим открытием.

Ориентация и навигация Ориентация и навигация - одно из направлений бионики, специализирующееся на моделировании органов восприятия, на изучении конструктивных особенностей созданных природой слуховых анализаторов. Уже давно была разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха, и тому подобные устройства. Ультразвуковой локационный аппарат летучих мышей помогает им хорошо ориентироваться в темноте, искать пищу и летать, не задевая препятствий. Считают, что изучение принципов локации и распознавания сигналов у летучих мышей позволит усовершенствовать методы выделения отраженных радиолокационных и гидроакустических сигналов на фоне шумов и помех, а также разработать более эффективные средства защиты от искусственных помех.

Биомеханика Биомеханика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании морфологических особенностей живых организмов. Так же бег кенгуру подсказал идею «прыгающей машины». Застежки «молния» и «липучки» были сделаны на основе строения пера птицы и цветка репейника. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Так, на основе анализа способа передвижения пингвина конструктор А.Ф. Николаев создал оригинальную снегоходную машину «Пингвин», развивающую скорость до 30 км в час. Разработано большое число манипуляторов, в той или иной степени повторяющих элементы конструкции человеческих конечностей.

Биоэнергетика Биоэнергетика - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании биоэнергетики живых организмов. В частности, большое внимание уделяется изучению и моделированию работы мышцы, основанной на непосредственном превращении химической энергии в механическую.

Реактивное движение

Зеленый лист и солнечные батареи

Биоархитектура Биоархитектура - одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании органических конструктивных систем. 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. Их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб -- одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые.

300-метровая башня инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля стала своеобразным символом Парижа. Интересно, что конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями.

Кроме башни Эйфеля во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений

Сиднейская опера возводилась по аналогии с цветком лотоса

Пекинский национальный оперный театр – имитация водяной капли

Плавательный комплекс в Пекине. 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.

Находится в Чикаго.

Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антонио Гауди. Его имя прочно впечатано в историю этой науки. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей.

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

Биотехнология – промышленное использование биологических процессов на основе получения высокоэффективных культур микроорганизмов, культур клеток растений и животных с заданными свойствами. Биотехнология стала одним из основных приоритетов в мировой экономике и науке в конце 20 века. Еще полвека назад никто не знал, что такое биотехнология. Однако основы ее заложил ученый, живший еще в XIX веке. Биотехнология получила мощный толчок к развитию благодаря работам исследователя из Франции Луи Пастера (1822-1895). Он является основоположником современной иммунологии и микробиологии. В XX веке бурно развивалась генетика и молекулярная биология с использованием достижений физики и химии. В это время важнейшим направлением была разработка методов, с помощью которых можно было бы культивировать клетки животных и растений.

Сферы применения биотехнологии — производство пищевых продуктов на качественно новой основе; — разработка и изготовление препаратов, повышающих эффективность сельского хозяйства; — разработка и изготовление лекарств, вакцин, биодобавок; — биотехнологии для добывающей промышленности и бытовой сферы; — изготовление диагностических препаратов и реактивов; — биотехнология очистки окружающей среды от антропогенных загрязнений. Существует ещё немало направлений, в которых использование биотехнологии возможно в ближайшей либо отдалённой перспективе.

Направления биотехнологии Используя живые организмы в своих целях, человек уже сегодня может добывать необходимые вещества, перерабатывать отходы в полезные удобрения, лечить различные болезни и многое другое. Наиболее активно в настоящее время развиваются следующие направления биотехнологии:

Микробиологический синтез – производство необходимых веществ и субстанций с использованием микроорганизмов. Уже сегодня этот способ используется при производстве спирта, иммобилизованных ферментов и ряда других веществ.

Генная инженерия – своеобразное «конструирование» генома живого существа с целью получения организма с заданными свойствами. Методы генной инженерии в последние десятилетия произвели буквально революцию в сельском хозяйстве, создав новые, чрезвычайно устойчивые к неблагоприятным внешним явлениям культурные растения.

Космическая биотехнология – направление, находящееся сегодня в стадии начального развития. Ведутся исследования по применению биотехнологии в космосе, исследуются перспективы получения кристаллических белков и других материалов.

Биогидрометаллургия – извлечение металла из руды при помощи микроорганизмов. В результате деятельности бактерий образуются растворимые соли металла, которые переходят в раствор, а затем извлекаются и перерабатываются обычным способом.

Всё, что изучает бионика и биотехнология, актуально и нужно для развития современного общества. Каждый должен ознакомиться с научными принципами этих наук. Без этого невозможно представить технический прогресс во многих сферах деятельности человека. Бионика и биотехнология – наше будущее в полной гармонии с природой. Современные технические средства и компьютерное моделирование помогают хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.