Значение бионики в нашей жизни. Первые применения бионики Основные направления бионики

Бионика - это наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека. Проблемы бионики: изучение закономерностей структуры и функции отдельных частей живых организмов (нервной системы, анализаторов, крыльев, кожи) с целью создания на этой основе нового типа вычислительных машин, локаторов, летательных, плавательных аппаратов и т. д.; изучение биоэнергетики для создания экономичных двигателей, подобных мышце; исследование процессов биосинтеза веществ с целью развития соответствующих отраслей химии. Бионика тесно связана с техническими (электроника, связь, морское дело и др.) и естественнонаучными ( , медицина) дисциплинами, а также с кибернетикой (см.).

Бионика (англ. bionics, от bion - живое существо, организм; греч. Bioo - живу)- наука, изучающая живую природу с целью использования полученных знаний в практической деятельности человека.

Термин бионика впервые появился в 1960 г., когда специалисты различных профилей, собравшиеся на симпозиум в Дайтоне (США), выдвинули лозунг: «Живые прототипы - ключ к новой технике». Бионика явилась своеобразным мостом, связавшим биологию с математикой, физикой, химией и техникой. Одна из важнейших целей бионики - установить аналогии между физико-химическими и информационными процессами, встречающимися в технике, и соответствующими процессами в живой природе. Специалиста-бионика привлекает все многообразие «технических идей», выработанных живой природой за многие миллионы лет эволюции. Особое место среди задач бионики занимают разработка и конструирование систем управления и связи на основе использования знаний из биологии. Это - бионика в узком смысле слова. Бионика имеет важное значение для кибернетики, радиоэлектроники, аэронавтики, биологии, медицины, химии, материаловедения, строительства и архитектуры и др. К задачам бионики относятся также освоение биологических методов добычи полезных ископаемых, технологии производства сложных веществ органической химии, строительных материалов и покрытий, которые использует живая природа. Бионика учит искусству рационального копирования живой природы, изысканию технических условий целесообразного использования биологических объектов, процессов и явлений.

Один из возможных путей здесь - функциональное (математическое, или программное) моделирование, заключающееся в изучении структурной схемы процесса, функций объекта, числовых характеристик этих функций, их назначения и изменения во времени. Такой подход дает возможность изучать интересующий процесс математическими средствами, а техническое воплощение модели осуществить тогда, когда в принципе установлена ее эффективность и осталось проверить экономические, энергетические и другие возможности конструирования такого рода модели имеющимися техническими средствами. Существует и другой путь - физико-химическое моделирование, когда специалист в области бионики изучает биохимические и биофизические процессы с целью исследования принципов превращения (включая разложение и синтез) веществ, происходящих в живом организме. Этот путь более всего примыкает к химико-технологической проблематике и открывает новые возможности в развитии энергетики и химии полимеров. Третий подход, развиваемый бионикой,- это непосредственное использование живых систем и биологических механизмов в технических системах. Такой подход принято называть методом обратного моделирования, так как в этом случае специалист-бионик изыскивает возможности и условия приспособления живых систем для решения чисто инженерных задач, иначе говоря, пытается моделировать на биологическом объекте техническое устройство или процесс. Возникшая в ответ на запросы практики, бионика послужила началом исследований, основанных на применении биологических знаний во всех областях техники. Основной ее результат заключается в установлении первых путей для все большего технического освоения биологии.

Бионика. И её достижения

Выполнил:

Стёпин К.С.

Учитель:
Пономарева О.Н.

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).

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.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

БИОНИКА - направление в биологии и кибернетике; изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем и совершенствования существующих.

Человек часто учится от природы, создавая инструменты и приборы, которыми природа пользуется на протяжении многих лет, оттачивая свое мастерство в процессе эволюции. Мы часто пользуемся такими инструментами как клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое и не задумываемся, как они появились. Первоначально этим создателем была природа. Это она имеет множество инструментов, только они сделаны еще лучше, качественней и являются наиболее точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, а например, из хитина, как у насекомых. Изучая науку - Бионику - возникали вопросы. А многие ли знают про эту науку? А какими приборами и инструментами созданными природой, мы пользуемся дома? Может ли человек обойтись без этих инструментов?

Гипотеза: Мы предположили, что человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

Цель работы : Изучение инструментов находящихся в квартире средней статистической семьи.

Задачи исследования:

1. Посмотреть на разнообразие инструментов в квартире и изучить, как природа первоначально использовала данный объект.
2. Определить для каких целей используются инструменты и можно ли без них обойтись.
3. Провести опрос среди обучающихся на знание науки - БИОНИКИ, объектов ее исследования и применения знаний на практике.
4. Создание брошюры с целью ознакомления обучающихся с наукой - БИОНИКОЙ.

Объект исследования :инструменты используемые человеком.

Предмет исследования : знания о природе, используемые человеком, при создании инструментов.

Методы исследования: социологический опрос, исследованиеинструментов используемых человеком, создание брошюры.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Наука - БИОНИКА - сформировалась во второй половине 20-го века. Бионика - «БИОлогия» и «техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе, чем техника существующая сегодня.(интернет ресурс)

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.

БИОНИКА - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма

С развитием авиации совершенствовались и летательные аппараты. Однако, длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер - внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же хитиновые утолщения на концах крыльев бабочек.

Наблюдая за ракообразными и за тем, как они хватают клешнями, учёные придумали удобные медицинские зажимы, которыми пользуются и сейчас.

Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.

Обтекаемая форма акулы и её внешнее строение стало прототипом современных подводных лодок. Кальмар, забирая в себя воду, с силой её выталкивает. Это помогает ему двигаться с большой скоростью. Данный принцип человек применил для создания реактивного двигателя [ 2 ].

Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы.

Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объект исследования :наука - БИОНИКА.

2.1Проведение социологического опроса

Для проведения школьного социологического опроса были составлены 8 вопросов с выбором ответа (Приложение 1.).

Опрос проводился среди обучающихся с 5-го по 9-й класс. Всего 126 респондента. Результаты опроса таблица №1 (Приложение 2.)

Первый вопрос раскрывал представление о самой науке - бионике. По формулировке вопроса почти все обучающиеся сориентировались верно, ответив на него - 95.5%. Хотя многие утверждали, что не представляют, что изучает данная наука. Мы раскрыли понятие - БИОНИКА, а затем продолжили отвечать на вопросы. Хуже всех справились пятиклассники - 63.8%, а лучше всех ответили 9 -е классы - 93%. Это говорит, о большом багаже знаний полученных за 9 лет обучения в школе. Но по ответам (приложение 2. таблица №2) можно проследить и увидеть, что для всех самый легкий вопрос был №5, почти все ответили правильно. И так же самым затруднительным вопросом оказался №8. Только 9 - ки многие смогли на него правильно ответить, так как изучили анатомию человека в полном объеме.

2.2 Изучение инструментов используемых человеком.

2.2.1 Инструмент : Комбинированные клещи (Приложение 3. табл. №1)

Природный объект : Клещи муравьиного льва - муравьиный лев питается личинками насекомых. Он разрывает воронки в песке, если в эту ловушку попадает муравей, то муравьиный лев бросает ему вслед песок, тем самым мешает выбраться обратно. При этом он использует свои клещи в качестве совка для песка. Когда он высасывает содержимое своей жертвы, он выбрасывает пустую оболочку из воронки. Клещи муравьиного льва могут сыпать песок, хватать добычу и впиваться в нее; они действуют как шприц, маленький всасывающий насос или инструмент для броска. Таким образом, они представляют вид комбинированных клещей, обладающий шестью функциями.[ 1 ]

Использование инструмента: Чаще всего при работе используют клещи, способные выполнять четыре функции. Их захватывающие концы имеют рифленые контактные поверхности и поэтому, например, могут удерживать лист жести. В выемке этих клещей имеются зубчики, которые позволяют вращать трубку. С боков изгибы инструмента пересекаются, и это делает возможным перекусывание проволоки. Так же ими можно забивать гвозди.

Вывод: Комбинированные клещи удобны в применении, так как заменяют несколько инструментов.

2.2.2 Инструмент: Пинцет (Приложение 3. табл. №2)

Природный объект : Веретенники - крупный кулик из семейства бекасовых с очень длинным клювом и длинными ногами. Своим длинным 15-сантиметровым клювом они ощупывают землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом, ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу.

Клюв - это комбинированный инструмент. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма.[ 1 ]

Использование инструмента : Острые концы пинцета легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые мелкие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет.

Вывод : Пинцет необходим для работы с мелкими предметами, так как пальцы человека не могут производить точные манипуляции с такими предметами.

2.2.3 Инструмент: Складной нож (Приложение 2. табл. №3)

Природный объект: Навозный жук живет в мягкой земле и навозе. Для своего продвижения он использует специальные лопатки, которые находятся на его голени. Когда они не нужны жуку, он может, поместить свою ножку в желобке голени и затем голень вложить в нишу бедра. Таким образом, его инструменты размещаются, экономя место.[ 1 ]

Использование инструмента: Складной нож состоит из множества отдельных частей: большого и малого лезвий, ножниц, штопора, ножа для открывания бутылок, отвертки, зубочистки и т.д. все эти элементы размещены в небольшом пространстве. Такой нож можно положить в карман брюк,и не поранившись им. Таким образом, человек разработал целую систему, экономящую пространство, как это сделал маленький навозный жук со своими копающими лопатками.

Вывод: Складной нож вмещает в себя несколько разных инструментов, при этом очень компактен и занимает мало места.

2.2.4Инструмент: Дрели (Приложение 3. табл. №4)

Природный объект: О са рогохвоста хвойного. Яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого, когда готовиться отложить яйца, она ползет по ветке до самого ствола дерева,

поворачивает к нему заднюю часть своего туловища, выпускает из него яйцеклад и удобно устанавливает его. Насекомое «просверливает» в дереве мельчайшие дырочки примерно на глубину двух сантиметров. Если дерево хвойное, ему потребуется около 20 минут. Когда дырка готова, оса через свой длинный полый яйцеклад, подобный сверлу, помещает туда яйца.[ 1 ]

Использование инструмента: Для того чтобы высверлить дырки под дюбели, болты и винты, используют сверла, которые по виду и принципу действия похожи на яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого. В отличии от яйцеклада осы рогохвоста хвойного большого, технические сверла выполняют только одну функцию - они могут лишь сверлить.

Вывод: Дрель необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл).

2.2.5Инструмент: Застежка липучка (Приложение 3. табл. №5)

Природный объект: Репейник. Плоды репейника показывают, как необходимы, бывают крючки. У плодов репейника существует множество способов распространения семян самими растениями. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных. Животные уносят их с собой и затем стряхивают.[ 1 ]

Использование инструмента: С их помощью можно, например, застегивать спортивные ботинки; в этом случаи шнурки уже не нужны. Кроме этого, длину можно легко регулировать - в этом одно из его преимуществ.

Вывод: Липучка очень удобна. Экономит время для застегивания обуви и одежды т.д. Даже малыш может надеть обувь без помощи взрослого.

2.2.6Инструмент: Технические присоски (Приложение 3. табл. №6)

Природный объект: Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Также они помогают ему передвигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз.[ 1 ]

Использование инструмента: Там, где есть гладкие поверхности, часто используют присоски. В быту их используют, прежде всего, на кухне и в ванной. Когда крючок с присоской прижимают к кафельной плитке ванной комнаты, создается вакуумное пространство.

Вывод: Технические присоски очень удобны в быту, без применения гвоздей и клея, могут держать различные предметы (крючки для полотенец, мыльница, коврики в ванную и т.д.).

2.2.7Инструмент: Батарейка (Приложение 3. табл. №7)

Природный объект: Электрический угорь может испускать электрические разряды до 700 вольт, с помощью которых он может оглушать или убивать врагов и свою добычу. Электрический орган, который генерирует напряжение, состоит из особой мускулатуры. Напряжение, как и в батарее, создается потоком ионов и разряжается серией ударов, быстро следующих одним за другим.[ 1 ]

Использование инструмента В каждом доме есть огромное количество приборов, которые работают на батарейках (часы, карманный фонарик).

Вывод: Батарейка незаменима для многих электрических бытовых приборов, даже если отключили электричество - нас спасет батарейка!

2.2.8 Инструмент: Игла для инъекций (Приложение 3. табл. №8)

Природный объект: Оса. Осиное жало. Длина жала осы не превышает 3 мм, а толщины 0,001 мм. Если осе угрожает опасность, она применяет его для защиты. Жало с легкостью впитывается в кожу человека, превращаясь в крошечный кинжал. Одновременно оно является инъекционным шприцом.[ 1 ]

Использование инструмента: Внутривенные и внутримышечные инъекции.

Вывод: У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были опрошены обучающиеся на представление о науке -Бионике. Как выяснилось, многие не знают эту науку, но по подсказке в выборе ответа, могут представить, чем она занимается.

Так же были исследованы инструменты, которые находятся в квартире и используются по назначению. Эти инструменты и приспособления создал человек, используя знания о природе.

Так в основе изобретения комбинированных клещей лежит принцип работы клещей муравьиного льва. Этот инструмент многофункциональный, и удобен при ремонте квартиры. Пинцет повторяет клюв веретенника , очень удобен при работе с мелкими предметами. Складной нож имитирует ножку с лопатками навозного жука - компактен и многофункционален. Он не заменим в походе, поездке и в хранении и переносе, соблюдается техника безопасности. Дрель ,подобно я йцеклад у осы рогохвоста хвойного , необходима и очень удобна для просверливания отверстий в различных строительных материалах (дерево, бетон, металл) при строительстве и ремонте. Застежки липучки такие же липкие как плоды репейника . Очень удобны для застегивания сумок, обуви и одежды. А особенно они экономят время мам маленьких детей, ведь малышу легче справиться с липучкой на обуви, чем со шнурками. В красивом кафеле всегда жаль делать отверстие сверлом, выход из положения технические присоски. Они незаменимы в ванной, так как прочно прикрепляют крючки, мыльницы, полочки без клея и гвоздей, как присоски осьминога . Невозможно представить любую квартиру, дом без батареек , их используют в часах, телефонах, фонариках, да мало ли где! А принцип работы батарейки повторяет электрический орган электрического угря. У многих в домашней аптечке хранятся инъекционные шприцы для экстренной помощи. Не техника, а природа создает самые эффективные и тончайшие инъекционные шприцы, как жало осы . К сожалению, техника не создала еще игл, подобных жалу, которые не гнутся и не ломаются. Если бы удалось создать такие инъекционные шприцы, то прививки, например, стали бы почти безболезненными.

Изучив, как человек применяет свои знания о природе, создавая инструменты. И исследуя инструменты в квартире, как их использует человек. Мы подтвердили свою гипотезу, действительно, человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.

По итогам работы была создана брошюра, которую можно использовать на уроках окружающего мира. И дать представление обучающимся о науке - БИОНИКЕ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воронцова З.С. Мастерская природы. - М.: «Изобразительное искусство», 1981г - 32 открытки.

1. Нахтигаль В.Н. Большая серия знаний. БИОНИКА. - М.: ООО «Мир книги», 2003 г. - 128 с..

Интернет - сайт:

1. Словари и энциклопедии на АКАДЕМИКЕhttps://dic.academic.ru/
2. http://www.microarticles.ru/

3.https://www.google.ru/search?q=символ+бионики

Приложение 1.

Вопросы социологического опроса:

1. Как называется наука, цель которой - использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники?

а) конструирование; б) планирование; в) бионика +

1. Что изучал основоположник аэродинамики Н.Е. Жуковский? На основании его исследований и появилась авиация.

а) физику; б) кораблестроение;

1. Более совершенным летательным аппаратом в природе обладают…

а) насекомые +; б) рептилии; в) листья деревьев

1. По аналогии с принципом, лежащим в основе с эхолокации у летучих мышей, конструируются…

б) радары; в) другая техника

1. Какие животные обладают электрической активностью?

а) рыбы +; б) мыши; в) кроты

1. Применение бионики в медицине это…

а) создание медикаментов; б) строительство медицинских учреждений;

1. Какое строение копируют современные многоэтажные дома, в которых проживают люди?

а) стеблей злаков +; б) травы; в) кустов

1. Какой принцип стоит в основе строения Эйфелевой башни?

Приложение 2.

Результаты социологического опроса

таблица №1

Сравнительная таблица результатов социологического опроса

таблица №2

Приложение 3 .

Бионика (от греч. biоn — элемент жизни, буквально — живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

Совсем недавно родилась наука бионика (в 1960 г.), цель которой — помочь человеку перенять «секреты» у живой природы. Природа создала необыкновенно совершенные живые механизмы. Ученых привлекает скорость и принцип передвижения дельфинов, китов, кальмаров, пауков, кротов, кенгуру, искусство полета птиц и насекомых, особенности органов зрения мух, лягушек, органов слуха медузы, «секреты» эхолокаторов летучих мышей, термолокаторов гремучих змей и т.д. и т.п.

Бионика нашла применение в таких сферах деятельности как самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, архитектура, навигационное приборостроение, горном деле и др.

Бионика в строительстве и промышленности

Рассмотрим некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практических целях.

Пингвины передвигаются, скользя по снегу, отталкиваясь ластами. Снегоходная машина была разработана по такому же принципу в Горьковском политехническом институте. Лежа на снегу широким днищем она не образует колею, не буксует и не вязнет.

Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным.

Конусообразную формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, грибов. Именно такую форму имеют угледобывающие комбайны. Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Архитекторы нередко используют конусовидный конструкции (Останкинская телебашня.)

Сооружения, созданные природой, намного совершеннее того, что пока умеет делать человек.

Богат и разнообразен мир животных, обитающих под землей. Дождевые черви, кроты имеют удивительные приспособления, с помощью которых они прокладывают подземные ходы.

Они представляют большой интерес при создании подземных роющих агрегатов. Разработана, например, оригинальная модель, которая, двигаясь под землей подобно кроту, пробивает туннель с гладкими плотными стенками.

Бионика взяла от земноводных принцип строения задней конечности. Воплотив это в таком предмете, как ласты.

Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются, или могут быть использованы человеком: ультразвуковое видение летучих мышей, эхолокация дельфинов (на расстоянии 20–30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм).

Нельзя сказать, когда именно родилась наука бионика, ведь человечество всегда черпало вдохновение в природе, известно, к примеру, что еще около 3 тысяч лет назад были предприняты попытки копирования создания шелка, как это делают насекомые. Конечно, такие попытки разработками назвать никак нельзя, только после того как появились современные технологии, человеку представилась вполне реальная возможность выполнять копирование природных идей, воспроизводить искусственно за несколько часов все то, что рождается в естественных условиях годами. К примеру, ученые умеют выращивать синтетические камни, которые по красоте и чистоте не уступают природным, в частности как аналог алмазам.

Самое известное наглядное воплощение бионики – Эйфелева башня в Париже. Это сооружение было основано на изучении бедренной кости, которая, как выяснилось, состояла из мелких косточек. Именно они помогают идеально распределить вес, поэтому бедренная головка может выдерживать большую нагрузку. Этот же принцип использовался при создании Эйфелевой башни.

Пожалуй, самый известный « » бионики, сделавший огромный вклад в ее развитие - Леонардо да Винчи. К примеру, он наблюдал за полетом стрекозы, а потом пытался перенести ее движения при создании летательного аппарата.

Значимость бионики для других научных сфер

Бионику как науку принимают не все, считая ее знанием, рожденным на стыке нескольких дисциплин, при этом понятие самой бионики широко, оно охватывает несколько научных направлений. В частности, это генная инженерия, дизайн, медицинская и биологическая электроника.

Можно было бы говорить о ее исключительно прикладном характере, но современное программное обеспечение дает возможность моделировать и воплощать в реальность всевозможные природные решения, а потому изучение и сопоставление природных явлений с человеческими возможностями все более актуально. При создании современных роботехников инженеры все чаще обращаются за помощью к ученым-бионикам. Ведь именно роботы позволят в дальнейшем значительно облегчить жизнь человека, а для этого они должны уметь правильно передвигаться, думать, прогнозировать, анализировать и пр. Так, ученые со Стэндфордского университет создали робота, основываясь на наблюдениях за тараканами, их изобретение не только проворно и органично, но и весьма функционально. В недалеком будущем этот робот может стать незаменимым помощником для тех, кто не может передвигаться самостоятельно.

С помощью бионики удастся в дальнейшем будущем создавать колоссальные технологические разработки. Теперь человеку потребуется для создания аналога природных явлений всего лишь несколько лет, в то время как сама природа будет тратить на это тысячелетия.