Бионика. И её достижения
Выполнил:
Стёпин К.С.
Учитель:
Пономарева О.Н.
Сибай 2014
Содержание:
Введение_________________________________________________ 3
Первые применения бионики_________________________________ 4
Классические примеры:
Внутреннее строение стебля травянистого растения...................................... 5
Распространение плодов и семян............................................................... 5
Класс насекомые. Отряд двукрылые........................................................... 7
Строение и функции отделов головного мозга............................................. 6
Современные открытия:
Скелет глубоководных губок..................................................................... 8
Стаи термитов, на благо общества.............................................................. 9
Бегающие и прыгающие роботы................................................................ 9
Заключение______________________________________________ 10
Приложение_____________________________________________ 11
Список литературы________________________________________ 15
Введение
Био́ника (от греч. biōn — элемент жизни, буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.
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 биофизических 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.
Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.
Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:
à 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);
à исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
à изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
à исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Первые применения бионики
Почти любая технологическая проблема, которая встает перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, 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.
Специалисты по бионике рассуждают именно таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.
Примерно так же поступил Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.
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 (приложение рис. №1).
В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем (приложение рис. №2).
Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль (Georges de Mestral) в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды (приложение рис. №3).
Классические примеры
«Внутреннее строение стебля травянистого растения»
У поперечных срезов стеблей травянистых растений — иное строение по сравнению с древесными. Например, в поперечном разрезе стебель растения пухоноса (приложение
рис. №5 -б) имеет форму круга. Стебель пухоноса полый и в нем воздухоносные полости 2, предназначенные для циркуляции воздуха. Склеренхимные тяжи 1 придают прочность растению при воздействии на них ветровых нагрузок. Кожица 3 защищает стебель от атмосферных и климатических явлений. Сердцевина стебля растет быстрее, чем кожица. Последняя как бы сдерживает ее рост. Сердцевина растянута, кожица сжата. Вследствие этого в структуре стебля создаются внутренние напряжения. Это и придает упругость стеблю.
Бионики, изучая закономерности формообразования природы, создают оригинальные, экономичные строительные конструкции. Фабричная труба (приложение рис. №5 -в) на поперечном срезе по структуре похожа на стебель пухоноса. Продольная арматура 1 придает ей прочность подобно тяжам в стебле, пустоты 2 облегчают конструкции. Центральное круглое отверстие в срезе - дымоотвод, спиральная арматура 3. На изготовление трубы, конструкция которой заимствована у природы, использовано меньше строительных материалов, чем если бы она была монолитная, затрачено меньше физического труда. Противостойкость ветровым нагрузкам у такой трубы не хуже природного аналога.
«Распространение плодов и семян»
Образцом для формы крыльев австрийского самолета «Таубе» (приложение рис. №6 -а) еще на заре самолетостроения послужило летающее семя лианы зенония (приложение рис. №6 -б). Оно напоминает тыквенную семечку с изогнутыми концами. Благодаря малой массе семя обладает превосходными летными качествами. Именно это обстоятельство и привлекло внимание изобретателя Этриха из Богемии. В 1904 г. он построил свой первый планер без хвостового оперения. Размах крыльев 6 м. Планер мог нести полезную нагрузку в 25 кг. В течение последующих лет Этрих, заимствуя природные аналогии, создавал новые модели планеров, совершенствовал их, улучшая летные качества.
Пыльца злаковых растений имеет две оболочки, наполненные воздухом, плотность которого меньше, чем плотность окружающего воздуха. Это создает пыльце подъемную силу, и поэтому она перемещается по воздуху на большие расстояния.
Принцип подъемной силы, реализуемый в природе, человек использовал в первых созданных им летательных аппаратах: воздушном шаре, наполненном горячим воздухом, в аэростате, дирижабле. Падающий волан в бадминтоне напоминает плод-парашют одуванчика. Возможно, он или ему подобный плод-парашют подсказал Леонардо да Винчи идею парашюта.
«Класс насекомые. Отряд двукрылые»
Обратим внимание на наличие у комнатной мухи на ногах хеморецепторов — своеобразных миниатюрных биологических датчиков. У мухи их четыре типа: одни анализируют состав воды, другие определяют сахар, третьи исследуют различные соли, четвертые указывают на наличие белковой пищи. Такие же рецепторы есть и в ее хоботке. Благодаря им муха всегда знает, что именно у нее под ногами: еда, питье или что-то несъедобное. Хоботок мухи автоматически отвечает на показания кожных рецепторов. Он вытянулся — и муха начинает пить или есть. По выпрямлению хоботка можно судить, какие вещества и в каких концентрациях улавливает насекомое. Анализ вещества производится за несколько секунд. Таким образом, природа приобрела самые совершенные методы химического анализа. Физики и химики могут воспользоваться ими, разгадав до конца методы, которыми пользуется муха.
В лаборатории геофизики Института теплообмена и массообмена АН БССР из порошка кремнезема создано клейкое вещество, имеющее вязкость вазелина. Если его нанести на колесо в электромагнитное поле,— оно мгновенно затвердевает. Колесо надежно приклеивается к опорной поверхности. При снятии магнитного поля вещество приобретает прежнее вязкое состояние. Инженеры создали шагающий робот (приложение рис. №7). Он ищет дефекты на металлической поверхности. К корпусу 5 крепятся шесть ног 4 и каждая из них имеет два привода (двигатель с передаточными механизмами). Один для горизонтального, другой для вертикального перемещения. Нога заканчивается башмаком с подушкой 3, пропитанной клейким веществом. Он подается из резервуара к полым опорам ног. Шесть ног робота объединены в две группы, по три в каждой. Шагает робот одновременно одной группой ног, а другая приклеена к опорной поверхности. Попеременно к башмакам то одной, то другой группы ног подается электрический ток — и подушки ног приклеиваются к опорной поверхности.
Робот имеет глаз — телекамеру 1, шланг 2 с электрокабелем и трубку для подачи сжатого воздуха к пневмоприводам.
«Строение и функции отделов головного мозга»
Раскрыть принципы работы мозга, которые еще во многом остаются тайной, значит найти ключ к проектированию ЭВМ будущего. Новая наука — нейрокибернетика занимается конструированием искусственного мозга. Первой ЭВМ поручали выполнять арифметические операции. По мере развития вычислительной техники ЭВМ стала выполнять более сложные операции, работать быстрее, размеры ее уменьшались (табл. стр. 8).
| Параметры | Мозг человека | ЭВМ | |||
| Носитель информации | Нервное возбуждение | Электрический ток | |||
| Скорость ввода ин- | Менее 1 бит/с в дли- | Более 106 бит/с | |||
| формации в память | тельную память | ||||
| Время проведения операции | Всю жизнь | Миллиарды операций в секунду | |||
| Преимущества | Сосредоточение исключительно | Сосредоточение менее | |||
| сложных | сложных функций в | ||||
| функций в исключи- | гораздо большем | ||||
| тельно малом объеме. | объёме. Низкая степень | ||||
| Высокая степень со- | совершенства элек- | ||||
| вершенства физиоло- | тронного нейрона | ||||
| гических процессов в нейроне | |||||
| Зависимость запо- | Зависит | Не зависит | |||
| минания индивиду- | |||||
| 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 | Последовательный | |||
| ступившей инфор- | |||||
| мации | |||||
| Фильтрация инфор- | Очень эффективная | Бедная | |||
| мации | |||||
| Время хранения ин- | Непостоянное | Постоянное | |||
| формации в памяти | |||||
| Извлечение из па- | |||||
| мяти нужной ин- | |||||
| формации: | |||||
| недавно введенной | Быстрое | Быстрое | |||
| давно введенной | Медленное | быстрое | |||
| При повреждении | Работает | Не работает | |||
| Восприятие информации | По многим каналам: по форме, цвету, от- | По одному каналу | |||
| тенку предмета, по | |||||
| шрифту, почерку, | |||||
| обонянию, осязанию, | |||||
| тембру голоса, инто- | |||||
| нации, чертежу и т. д. | |||||
| Масса | 1,2—1,3 кг | В 3-10 раза больше, | |||
| чем мозг человека | |||||
Современные открытия
Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Тот же кевлар появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.
В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).
Скелет глубоководных губок
Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. Исследователи из Bell Labs, структурного подразделения Lucent Technologies, обнаружили, что в глубоководных морских губках содержится оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного (приложение рис. №8).
Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.
Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокон, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.
Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.
По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.
Стаи термитов, на благо общества
Кроме разработки новых материалов, ученые постоянно сообщают о технологических открытиях, которые базируются на «интеллектуальном потенциале» природы. Например, в октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Пало Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров.
В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда.
Сконструированная в Пало Альто печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи — продвижению бумаги. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров (приложение рис. №9).
Бегающие и прыгающие роботы
Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы (подробнее о робототехнике см. здесь) смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — 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 (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?
В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.
Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. (приложение рис. №10) Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.
В Стенфорде так же разработан одноногий прыгающий монопод человеческого роста, который способен удерживать неустойчивое равновесие, постоянно прыгая. Как известно, человек перемещается путем «падения» с одной ноги на другую и большую часть времени проводит на одной ноге. В перспективе ученые из Стенфорда надеются создать двуногого робота с человеческой системой ходьбы (приложение рис. №11).
Заключение
Концепция бионики отнюдь не нова. К примеру, еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины - кевлар. В этом материале я перечислел несколько перспективных направлений современной бионики и привел самые известные случаи заимствований у природы.
В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.
Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.
Приложение
