Достижения бионики: чему люди могут научиться у тараканов, ящериц и морских раковин?
Надя Федяева
Бионика — наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах — известна еще со времен Леонардо да Винчи, который пытался сконструировать летательный аппарат, имитирующий полет птицы. Многие ученые обращаются к природе в надежде найти решение сложных вопросов, стоящих перед человечеством. Живая природа предлагает множество готовых решений — необходимо лишь адаптировать их для конкретных технологических проблем. Результаты своих исследований на эту тему представили в рамках конференций TEDGlobal Маркус Фишер, Жанин Бенюз и Роберт Фулл.
Многие роботы способны летать, но ни один из них не летает, как настоящая птица. Так было до тех пор, пока инженер Маркус Фишер и его команда из немецкой компании Festo не сконструировали по образу и подобию чайки сверхлегкого робота, самостоятельно летающего с помощью крыльев. Целью этого исследования было создание сверхлегких энергоэффективных механизмов, изучение свойств воздуха и воздушных потоков применительно к таким механизмам.
Робот-птица называется СмартБерд, весит 450 г, длина крыла составляет — 1,6 метра, а размах крыльев — около 2 метров. Робот изготовлен из углеродного волокна, оснащен мотором и передаточным механизмом. Кроме того, он имеет особую конструкцию крыльев, разделенных на две части, за счет чего достигается высокая аэродинамическая эффективность. Потребление энергии составляет 25 ватт для взлета и 16-18 ватт во время полета. Птица обладает отличными аэродинамическими характеристиками и способна самостоятельно летать, взмахивая крыльями.
12 ключевых идей из мира живой природы
Жанин Бенюз, биолог, автор книги «Бионика: инновации, вдохновленные природой», изучает возможности использования явлений живой природы в технологической сфере и в дизайне. Ее исследования вызывают большой интерес среди архитекторов, дизайнеров и инженеров, осознавших, сколько гениальных идей можно почерпнуть, наблюдая за тем, как функционируют живые организмы и биологические системы. 12 наиболее интересных и перспективных идей помогут, по мнению ученого, решить многие научно-технические проблемы.
Насекомые вдохновляют создателей роботов-спасателей
Биолог из Калифорнийского университета Роберт Фулл изучает движение живых существ и затем использует полученную информацию в конструировании роботов. Темой его недавнего исследования является стопа и ее функции. Наблюдая за пауками, тараканами, осьминогом и другими обитателями живыми существами, Роберт Фулл пришел к выводу, что у всех них функции стопы при движении по неровной поверхности распределены по всей длине ноги или даже по всей длине тела. Это позволяет им с легкостью преодолевать сложные препятствия или передвигаться по непривычным поверхностям с привычной скоростью. Данный принцип был использован при создании робота RHex, передвигающегося на шести ногах, имеющих полукруглую форму.
Другое интересное наблюдение: лапки тараканов покрыты маленькими иголочками, которые легко сгибаются в одном направлении, чтобы насекомое могло вытащить лапку, которая застряла между неровностями, а в противоположном направлении эти иголочки не сгибаются, чтобы лапка лишний раз никуда не проваливалась при беге. Роберт Фулл протестировал эти иголочки на крабах, и эффект был точно такой же. Краб, который был не способен бежать по сетке, с иголочками смог без проблем быстро передвигаться по сетчатой поверхности. Иголочки были добавлены на ноги робота, и он стал еще более ловким — смог перелезть через гладкие стальные рельсы, которые раньше представляли для него большую трудность.
Наблюдения за ящерицами показали, что при беге по сухому песку и по воде их лапы действуют как ласты, позволяя передвигаться с большой скоростью. Этот принцип лежит в основе создания робота Aqua RHex — очень ловкого водоплавающего родственника робота RHex.
Следующим рубежом для робота стала возможность взбираться по вертикальным поверхностям. Некоторые насекомые, например муравьи, используют специальное клейкое вещество, благодаря которому они прикрепляются к поверхности. Но еще более интересный механизм есть у ящериц гекконов. Внутренняя поверхность их лап покрыта очень мелкими волосками, кончики которых расщеплены на множество еще более мелких волосков. Каждая лапка имеет около миллиарда таких расщепленных кончиков размером в 200 нанометров, что позволяет им очень тесно соприкасаться с поверхностью и прикрепляться к ней только за счет силы межмолекулярного притяжения. Этот механизм используется для разработки самоочищающейся клейкой ленты из полиуретана, которая обладает уникальными свойствами: она воздухопроницаема, легко отклеивается, не вызывает раздражения, может использоваться в воде.
Роберт Фулл также делится подробностями создания поисково-спасательного робота, который мог бы передвигаться в горной местности. Робот называется Rise, имеет 6 ног и хвост. В конструкции его стопы используются все упомянутые выше приспособления.
Rise действительно способен карабкаться по гладкой вертикальной стене, и Роберт убежден, что со временем роботу покорятся и более сложные поверхности.
Практическое значение биологии. Роль бионики для человека
Реферат по биологии
Подготовила Совалкина Мария Валерьевна, ученица 102 класса
Вступление
Биология – это наука о жизни, живой природе, одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой.
Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру,
функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.
Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства. Благодаря знанию законов наследственности и изменчивости, достигнуты большие успехи в сельском хозяйстве при создании новых высокопродуктивных пород домашних животных и сортов культурных растений. Ученые вывели сотни сортов зерновых, бобовых, масличных и других культур, отличающихся от своих предшественников более высокой продуктивностью и другими полезными качествами. На основе этих знаний проводится селекция микроорганизмов, продуцирующих антибиотики.
В наши дни значение биологии постоянно возрастает. Познание законов жизни важно для сельского хозяйства и космоса, медицины и экологии. Не случайно некоторые учёные утверждают, что XXI век – век биологии, который приведёт человечество к управлению основными законами жизни.
В дальнейшем практическое значение биологии еще больше возрастет. Это связано с быстрыми темпами роста населения планеты, а также с постоянно возрастающей численностью городского населения, непосредственно не участвующего в сельскохозяйственном производстве. В такой ситуации основой увеличения пищевых ресурсов может быть лишь интенсификация сельского хозяйства. Важную роль в этом процессе будет играть выведение новых высокопродуктивных форм микроорганизмов, растений животных, рациональное, научно обоснованное использование природных богатств.
Введение в бионику
Всем известно, что возникновение жизни и функционирование живых организмов обусловлены естественными законами. Познание этих законов позволяет не только составить точную картину мира, но и использовать их для практических целей. Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики.
В науке сложилось новое направление – бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин.
В отличие от многих других научных дисциплин, время зарождения которых установить трудно, а порой и не возможно, датой появления на свет бионики официально принято считать 13 сентября 1960 года – день открытия в Дайтоне американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Бионика – наука междисциплинарная. Она сформировалась на базе естественных и многочисленных инженерно-технических наук. По существу она синтезирует накопленные знания в биологии и радиотехнике, химии и кибернетике, физики и психологии, и т.д. бионика соединяет разнородные знания в соответствии с единством живой природы.
У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.
Бионика как наука
Предмет бионики – изучение принципов построения и функционирования живых организмов с целью применения этих принципов в технике, для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов.
Основной метод бионических исследований, построения бионических систем – моделирование.
В многообразной тематике ведущихся ныне бионических исследований наиболее четко вырисовались пять направлений:
— моделирование анализаторных систем
— ориентация и навигация
Расскажем о них по порядку.
Нейробионика – одно из направлений бионики, специализирующееся на исследовании способов преобразования информации в биологических системах. 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.
Уже давно была разработана электронная модель, воспроизводящая частотные характеристики человеческого уха, и тому подобные устройства.
Бионика в настоящее время. Перспективы развития этой науки.
В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.
В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.
Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?
Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов.
Значение биологии для человека огромно. Общебиологические закономерности используются при решении самых разных вопросов во многих отраслях народного хозяйства.
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.
Бионика, в свою очередь, играет большую роль в жизни человека. Это одна из самых быстроразвивающихся наук нашего времени, мощный ускоритель научно-технической революции. Она обещает неслыханный расцвет производительных сил человечества, новый взлет науки и техники.
Бионика в жизни человека
Бионика в жизни человека
Говорят, что раз в столетие на Земле рождается гений. Таким гением был Леонардо да Винчи. Величайший художник, скульптор, математик, инженер и анатом Леонардо да Винчи стремился найти истину, познать и описать ее.
«В наставницы себе я взял природу – учительницу всех учителей».
Почему этот великий ученый в учителя себе взял природу?
Жизнь в самой примитивной форме возникла на Земле около 2 млрд. лет назад. Миллионы столетий длился беспощадный естественный отбор, в результате которого выжили самые сильные и совершенные. Позаимствовать самое лучшее у природы, чтобы расширить возможности человека первым и предложил Леонардо да Винчи. В 1485 году он создал механический летательный аппарат – орнитоптель, принцип работы которого он скопировал у птиц. И хоть тогда человеку не удалось научиться летать, но это положило начало новой науке – бионики. Бионика – это симбиоз биологии и техники.
Если историю Земли – 4,5 млрд. лет − представить как один день, то получится, что человек разумный появился на планете меньше минуты назад. Миновали буквально доли секунды, а он уже возомнил себя творцом и уже может создавать не хуже природы. До недавнего времени, изобретая новое, человек не догадывался, что это уже существует. Надо только увидеть и применить. 99% научных открытий человек подсмотрел у природы. Все, что нас окружает имеет свой природный аналог.
Человек всегда мечтал покорить небо. Но оно было доступно только птицам. И именно птицы подарили людям идею полета.
Мечты о полетах и их реальное воплощение – это очень разные вещи. И не смотря на смелые идеи, такие как у Леонардо да Винчи, человечество еще долгие века оставалось бы приковано к земле. Изучение птиц, строения их крыльев и хвоста, привело к тому, что человек изобрел самолет. Строение глаза человека положило начало фотообъективу, строение соцветия подсолнуха – солнечным батареям. Вычесывая соцветия репейника и шерсти совей собаки после прогулки, знаменитый дизайнер изобрел застежки-липучки. Насекомые подсказали ученым идею о вертолетах. Рыбы натолкнули на создание подводных лодок. Корпорация MercedesBenz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.
Мы сталкиваемся каждый день с бионическими изобретениями даже не подозревая об этом. Чаще всего принципы, принятые у природы, встречаются в архитектуре. Например, в конструкции знаменитой Эйфелевой башни лежит строение бедренной кости человека. На головке кости имеется множество опорных точек, благодаря им, нагрузка на сустав распределяется равномерно. Это позволяет изогнутой бедренной кости выдерживать большой вес тела. Такие же опорные точки можно найти и в основании Эйфелевой башни. Ее конструкция считается архитектурным эталоном устойчивости.
Природный аналог есть и у другой башни – Останкинской. Ее стройный силуэт узнаваем. Прототипом Останкинской башни является стебель пшеницы. Его способность не ломаться под тяжестью соцветия и легли в основу башни.
Архитекторы все чаще обращаются к принципам функционирования живых организмов. Чтобы понять, как это работает, конструктору приходится изучать биологию. Природными прототипами архитектурных конструкций становятся рыбы, птицы, растения и даже человеческое тело.
Бионика не стоит на месте. Эта наука творит настоящую революцию. Обычное наблюдение, моделирование способно на многое. Моя будущая профессия связана с машиностроением. Машиностроительная отрасль является наиболее роботизированной. Впервые своё практическое применение промышленные роботы получили благодаря американским инженерам Д. Деволу и Д. Энгельбергу в конце 50-х начале 60-х годов ХХ века. Их используют для выполнения разных технологических процессов с целью повышения эффективности деятельности предприятия.
В конструкции робот может содержать один или несколько манипуляторов, при этом сам манипулятор может обладать различной грузоподъемностью, точностью позиционирования, степенью свободы. При создании промышленного робота активно используют бионические модели. Манипулятор промышленного робота состоит из определенного количества подвижных соединенных друг с другом звеньев (осей). Он устроен по принципу конечностей членистоногих. Чем больше осей, тем более универсальная конструкция у робота. Расположение и гибкость соединения осей робота были тщательно сделаны по человеческому образцу (соединение суставов). Регулирование осей манипулятора происходит с помощью датчиков. Они аналогичны органам чувств и реагируют на свет, положение в пространстве
Природа хранит ещё множество загадок, гармония её творений всегда удивляла и будет удивлять мир человека. Но вот вопрос: «Успеем ли мы воспользоваться оставшимися «патентами живой природы»? Учитывая темпы, с которыми растения и животные исчезают с лика земли, а статистика неумолимо констатирует: ежегодно – один вид животных и ежедневно – один вид растений, − поставленный вопрос звучит очень тревожно. В связи с этим сохранение редких и исчезающих видов животных и растений, поддержание окружающей среды в условиях, благоприятных для жизни всего живого на Земле, − насущная проблема, и залог дальнейшего развития человечества.
Реферат: Практическое значение биологии. Роль бионики для человека
| Название: Практическое значение биологии. Роль бионики для человека Раздел: Биология и химия Тип: реферат Добавлен 20:06:14 13 октября 2012 Похожие работы Просмотров: 2219 Комментариев: 6 Оценило: 8 человек Средний балл: 3.6 Оценка: 4 Скачать |