Primeri biološkega inženiringa. Sodobni primeri bionike v arhitekturi in notranjem oblikovanju. Analogi naravnih oblik v medicini

Bionika je veda, ki preučuje divje živali, da bi pridobljeno znanje uporabila v praktičnih človeških dejavnostih. Problemi bionike: preučevanje vzorcev strukture in delovanja posameznih delov živih organizmov (živčni sistem, analizatorji, krila, koža), da bi na tej podlagi ustvarili novo vrsto računalnikov, lokatorjev, letal, plavalnih naprav itd. .; študij bioenergetike za ustvarjanje ekonomičnih motorjev, kot je mišica; preučevanje procesov biosinteze snovi z namenom razvoja ustreznih vej kemije. Bionika je tesno povezana s tehničnimi (elektronika, komunikacije, pomorstvo itd.) In naravoslovnimi (medicina) disciplinami, pa tudi s kibernetiko (glej).

Bionika (angleško bionics, iz bion - živo bitje, organizem; grško Bioo - živim) je veda, ki proučuje divje živali z namenom uporabe pridobljenega znanja v praktičnih dejavnostih človeka.

Izraz bionika se je prvič pojavil leta 1960, ko so strokovnjaki z različnih področij, zbrani na simpoziju v Daytoni (ZDA), postavili slogan: "Živi prototipi so ključ do nove tehnologije." Bionika je bila nekakšen most, ki je povezoval biologijo z matematiko, fiziko, kemijo in tehniko. Eden najpomembnejših ciljev bionike je vzpostavljanje analogij med fizikalno-kemijskimi in informacijskimi procesi, ki jih srečamo v tehnologiji, in ustreznimi procesi v živi naravi. Bioničnega specialista privlači vsa raznolikost "tehničnih idej", ki jih je živa narava razvila v mnogih milijonih letih evolucije. Posebno mesto med nalogami bionike zavzema razvoj in načrtovanje nadzornih in komunikacijskih sistemov, ki temeljijo na uporabi znanj iz biologije. To je bionika v ožjem pomenu besede. Bionika je velikega pomena za kibernetiko, radioelektroniko, aeronavtiko, biologijo, medicino, kemijo, znanost o materialih, gradbeništvo in arhitekturo, itd. Naloge bionike vključujejo tudi razvoj bioloških metod rudarjenja, tehnologij za proizvodnjo kompleksnih snovi itd. organska kemija, gradbeni materiali in premazi, ki uporabljajo divje živali. Bionika uči umetnost racionalnega kopiranja žive narave, iskanje tehničnih pogojev za ustrezno uporabo bioloških objektov, procesov in pojavov.

Eden od možnih načinov je funkcionalno (matematično ali programsko) modeliranje, ki je sestavljeno iz preučevanja blokovnega diagrama procesa, funkcij objekta, numeričnih značilnosti teh funkcij, njihovega namena in sprememb skozi čas. Ta pristop omogoča proučevanje procesa, ki nas zanima, z matematičnimi sredstvi in ​​izvedbo tehnične izvedbe modela, ko je načeloma ugotovljena njegova učinkovitost in je treba še preveriti ekonomske, energetske in druge možnosti izdelave takega modela. model z uporabo razpoložljivih tehničnih sredstev. Obstaja še en način - fizikalno-kemijsko modeliranje, ko specialist na področju bionike preučuje biokemične in biofizikalne procese, da bi preučil principe transformacije (vključno z razgradnjo in sintezo) snovi, ki se pojavljajo v živem organizmu. Ta pot se najbolj povezuje s kemijsko-tehnološkimi problemi in odpira nove možnosti v razvoju energetike in kemije polimerov. Tretji pristop, ki ga je razvila bionika, je neposredna uporaba živih sistemov in bioloških mehanizmov v tehničnih sistemih. Ta pristop običajno imenujemo inverzna metoda modeliranja, saj v tem primeru bionični specialist išče možnosti in pogoje za prilagoditev živih sistemov za reševanje povsem inženirskih problemov, z drugimi besedami, poskuša simulirati tehnično napravo ali proces na biološkem objektu. Bionika, ki je nastala kot odgovor na zahteve prakse, je služila kot začetek raziskav, ki temeljijo na uporabi bioloških spoznanj na vseh področjih tehnologije. Njegov glavni rezultat je vzpostavitev prvih poti za vedno večji tehnični razvoj biologije.

Bionika v človeškem življenju

Pravijo, da se enkrat na stoletje na Zemlji rodi genij. Leonardo da Vinci je bil takšen genij. Največji umetnik, kipar, matematik, inženir in anatom Leonardo da Vinci si je prizadeval najti resnico, jo spoznati in opisati.

"Naravo sem vzel za svojo mentorico, učiteljico vseh učiteljev."

Zakaj je ta veliki znanstvenik vzel naravo za svojo učiteljico?

Življenje v svoji najbolj primitivni obliki se je na Zemlji pojavilo pred približno 2 milijardama let. Neusmiljena naravna selekcija je trajala milijone stoletij, zaradi česar so preživeli najmočnejši in najpopolnejši. Izposodite si najboljše iz narave, da najprej okrepite človeka in je predlagal Leonardo da Vinci. Leta 1485 je ustvaril mehansko letalo - ornitoptel, katerega princip je posnel od ptic. In čeprav se človek takrat ni uspel naučiti leteti, je to postavilo temelje novi znanosti - bioniki. Bionika je simbioza biologije in tehnologije.

Če je zgodovina Zemlje - 4,5 milijarde let - predstavljena kot en dan, potem se izkaže, da se je razumna oseba pojavila na planetu pred manj kot minuto. Minili so dobesedno delčki sekunde in že si je predstavljal sebe kot ustvarjalca in že lahko ustvarja nič slabše od narave. Do nedavnega se ljudje ob izumljanju nečesa novega niso zavedali, da to že obstaja. Samo videti in prijaviti se morate. 99 % znanstvenih odkritij je človek vohunil v naravi. Vse, kar nas obdaja, ima svojo naravno dvojnico.

Bionika(iz Βίον - živeti ) – uporabljeno o uporabi principov organizacije, lastnosti, funkcij in struktur v tehničnih napravah in sistemih . Preprosto povedano, bionika je povezava in . Datum rojstva Bionics: 13. september 1960.Bionika ima simbol: prekrižan skalpel, spajkalnik in integralni znak. Ta spoj biologije, tehnologije in matematike nam daje upanje, da bo znanost bionike prodrla tja, kamor še nihče ni prodrl, in videla tisto, česar še nihče ni videl.

Človek je vedno sanjal o osvojitvi neba. Vendar je bil na voljo le pticam. In ptice so bile tiste, ki so ljudem dale idejo o letenju.

Sanje o letenju in njihova dejanska uresničitev so zelo različni stvari. In kljub drznim zamislim, kot je Leonardo da Vinci, bi človeštvo ostalo priklenjeno na zemljo še mnoga stoletja. Preučevanje ptic, strukture njihovih kril in repa je pripeljalo do dejstva, da je človek izumil letalo. Struktura človeškega očesa je postavila temelje za fotografski objektiv, struktura socvetja sončnice - za sončne celice. Slavni oblikovalec je po sprehodu izčesal socvetja repinca in dlake psa sove in izumil zaponke Velcro. Insekti so znanstvenikom dali idejo o helikopterjih. Ribe so spodbudile ustvarjanje podmornic. Korporacija MercedesBenz je razvila bionično vozilo, kopirano iz tropske ribice. Kljub obliki kovčka ima stroj izjemno nizek zračni upor.

Vsak dan se soočamo z bioničnimi izumi, ne da bi se tega sploh zavedali. Najpogosteje se principi, prevzeti iz narave, nahajajo v arhitekturi. Na primer, v zasnovi slavnega Eifflovega stolpa je struktura človeške stegnenice. Na glavi kosti je veliko referenčnih točk, zaradi katerih je obremenitev na sklepu enakomerno porazdeljena. To omogoča, da ukrivljena stegnenica podpira veliko telesno težo. Enake referenčne točke lahko najdete na vznožju Eifflovega stolpa. Njegova zasnova velja za arhitekturno merilo trajnosti.

Drugi stolp, Ostankinskaya, ima tudi naravni analog. Njena vitka silhueta je prepoznavna. Prototip Ostankinskega stolpa je steblo pšenice. Njegova sposobnost, da se ne zlomi pod težo socvetja, je bila osnova stolpa.

Arhitekti se vse bolj obračajo k principom delovanja živih organizmov. Da bi razumel, kako deluje, mora oblikovalec študirati biologijo. Ribe, ptice, rastline in celo človeško telo postanejo naravni prototipi arhitekturnih struktur.

Bionika ne miruje. Ta znanost ustvarja pravo revolucijo. Navadno opazovanje, modeliranje zmore veliko.Moj bodoči poklic je povezan s strojništvom. Inženirska industrija je najbolj robotizirana. Prvič njegova praktična uporabaindustrijski robotiprejel po zaslugi ameriških inženirjev D. Devola in D. Engelberga v poznih 50. in zgodnjih 60. letih dvajsetega stoletja. Uporabljajo se za izvajanje različnih tehnoloških procesov za povečanje učinkovitosti podjetja.

Zasnova robota lahko vsebuje enega ali več manipulatorjev, sam manipulator pa ima lahko različno nosilnost, natančnost pozicioniranja, stopnjo svobode. Pri izdelavi industrijskega robota se aktivno uporabljajo bionični modeli. Manipulator industrijskega robota je sestavljen iz določenega števila med seboj povezanih gibljivih členov (osi). Urejen je po principu okončin členonožcev. Več kot je osi, bolj vsestranska je zasnova robota.Lokacija in gibljivost povezave osi robota je bila skrbno izdelana po človeškem modelu (povezava sklepov). Osi manipulatorja krmilijo senzorji. Podobni so čutilom in reagirajo na svetlobo, položaj v prostoru

Narava še vedno hrani veliko skrivnosti, harmonija njenih stvaritev je vedno presenečala in bo še vedno presenečala človeški svet. Toda vprašanje je: "Ali bomo imeli čas uporabiti preostale "patente divjih živali"? Glede na hitrost, s katero rastline in živali izginjajo z obličja zemlje, statistika pa neizprosno pravi: letno - ena vrsta živali in dnevno - ena vrsta rastlin, zveni zastavljeno vprašanje zelo zaskrbljujoče. V zvezi s tem je ohranjanje redkih in ogroženih vrst živali in rastlin, ohranjanje okolja v pogojih, ugodnih za življenje vsega življenja na Zemlji, pereč problem in zagotovilo nadaljnjega razvoja človeštva.

Slogan bionike: "Narava ve najbolje." Kakšna znanost je to? Že samo ime in takšen moto nam dajeta vedeti, da je bionika povezana z naravo. Mnogi od nas se dnevno srečujejo z elementi in rezultati delovanja bionične znanosti, ne da bi se tega sploh zavedali.

Ste že slišali za tako znanost, kot je bionika?

Biologija je poljudno znanje, s katerim se seznanjamo v šoli. Iz nekega razloga mnogi verjamejo, da je bionika eden od pododdelkov biologije. Pravzaprav ta izjava ni povsem točna. Dejansko je bionika v ožjem pomenu besede veda, ki preučuje žive organizme. Toda pogosteje kot ne, smo navajeni, da s tem naukom povezujemo nekaj drugega. Uporabna bionika je veda, ki združuje biologijo in tehnologijo.

Predmet in objekt bioničnega raziskovanja

Kaj proučuje bionika? Za odgovor na to vprašanje je treba razmisliti o strukturni delitvi same doktrine.

biološka bionika raziskuje naravo, kakršna je, ne da bi se poskušal vmešavati. Predmet njegovega preučevanja so procesi, ki se dogajajo znotraj bioloških sistemov.

Teoretična bionika se ukvarja s proučevanjem tistih principov, ki so bili opaženi v naravi, in na njihovi podlagi izdela teoretični model, ki se naprej uporablja v tehnologijah.

Praktična (tehnična) bionika je uporaba teoretičnih modelov v praksi. Tako rekoč praktično uvajanje narave v tehnični svet.

Kje se je vse začelo?

Oče bionike se imenuje veliki Leonardo da Vinci. V zapisih tega genija je mogoče najti prve poskuse tehničnega utelešenja naravnih mehanizmov. Da Vincijeve risbe ponazarjajo njegovo željo, da bi ustvaril letalo, ki bi lahko premikalo svoja krila kot ptica v letu. Včasih so bile takšne ideje preveč drzne, da bi bile povpraševane. Nase so prisilili opozoriti veliko pozneje.

Prvi, ki je načela bionike uporabil v arhitekturi, je bil Antoni Gaudí i Curnet. Njegovo ime je trdno vtisnjeno v zgodovino te znanosti. Arhitekturne strukture, ki jih je zasnoval veliki Gaudi, so bile impresivne v času njihove gradnje in povzročajo enako veselje mnogo let kasneje med sodobnimi opazovalci.

Naslednji, ki je podprl idejo o simbiozi narave in tehnologije, je bil Pod njegovim vodstvom se je začela široka uporaba bioničnih principov pri načrtovanju zgradb.

Uveljavitev bionike kot samostojne vede se je zgodila šele leta 1960 na znanstvenem simpoziju v Daytoni.

Razvoj računalniške tehnologije in matematičnega modeliranja omogoča sodobnim arhitektom, da veliko hitreje in z večjo natančnostjo udejanjajo namige narave v arhitekturi in drugih panogah.

Naravni prototipi tehničnih izumov

Najenostavnejši primer manifestacije znanosti o bioniki je izum tečajev. Znani nosilec, ki temelji na principu vrtenja enega dela konstrukcije okoli drugega. Po tem principu školjke upravljajo dve krili in ju po potrebi odpirajo ali zapirajo. Pacifiški velikanski petelini dosežejo velikost 15-20 cm, s prostim očesom je jasno viden princip šarnirja pri povezovanju njihovih lupin. Majhni predstavniki te vrste uporabljajo enak način pritrditve ventilov.

V vsakdanjem življenju pogosto uporabljamo različne pincete. Oster in klopov podoben kljun boga postane naravni analog takšne naprave. Te ptice uporabljajo tanek kljun, ga zabadajo v mehko zemljo in iz njega izvlečejo majhne hrošče, črve in tako naprej.

Veliko sodobnih naprav in napeljav je opremljenih s priseski. Uporabljajo se na primer za izboljšanje zasnove nog različnih kuhinjskih aparatov, da preprečijo zdrs med delovanjem. Prav tako so posebni čevlji za čistilce oken v visokih stavbah opremljeni s priseski, ki zagotavljajo njihovo varno pritrditev. Tudi ta preprosta naprava je izposojena iz narave. Drevesna žaba, ki ima na nogah sesalce, se nenavadno spretno drži gladkih in spolzkih listov rastlin, hobotnica pa jih potrebuje za tesen stik s svojimi žrtvami.

Takšnih primerov je mogoče najti veliko. Bionika je le tista veda, ki človeku pomaga, da si za svoje izume sposodi tehnične rešitve iz narave.

Kdo je prvi - narava ali ljudje?

Včasih se zgodi, da je ta ali oni izum človeštva že dolgo "patentiran" po naravi. Se pravi, izumitelji, ko nekaj ustvarjajo, ne kopirajo, ampak sami pridejo do tehnologije ali principa delovanja, kasneje pa se izkaže, da to v naravi obstaja že dolgo in bi lahko preprosto pokukali in posvojili. .

To se je zgodilo z običajnim ježkom, ki ga oseba uporablja za pripenjanje oblačil. Dokazano je, da se kljukice, podobne tistim na ježkih, uporabljajo tudi za medsebojno povezovanje tankih brad.

V strukturi tovarniških cevi je analogija z votlimi stebli žit. Vzdolžna ojačitev, uporabljena v ceveh, je podobna trakom sklerenhima v steblu. Jekleni ojačitveni obroči - medprostori. Tanka koža na zunanji strani stebla je analog spiralne ojačitve v strukturi cevi. Kljub ogromni podobnosti strukture so znanstveniki neodvisno izumili prav takšen način gradnje tovarniških cevi in ​​šele kasneje videli istovetnost takšne strukture z naravnimi elementi.

Bionika in medicina

Uporaba bionike v medicini omogoča reševanje življenj mnogih bolnikov. Nenehno poteka delo za ustvarjanje umetnih organov, ki bi lahko delovali v simbiozi s človeškim telesom.

Prvemu se je posrečilo preizkusiti Danca Dennisa Aaba. Izgubil je polovico roke, zdaj pa ima sposobnost zaznavanja predmetov na dotik s pomočjo izuma zdravnikov. Njegova proteza je povezana z živčnimi končiči poškodovanega uda. Umetni prstni senzorji so sposobni zbirati informacije o dotikanju predmetov in jih prenašati v možgane. Zasnova trenutno še ni dokončana, je zelo obsežna, kar otežuje uporabo v vsakdanjem življenju, a že zdaj lahko to tehnologijo imenujemo pravo odkritje.

Vse raziskave v tej smeri v celoti temeljijo na kopiranju naravnih procesov in mehanizmov ter njihovi tehnični izvedbi. To je medicinska bionika. Mnenja znanstvenikov pravijo, da bodo njihova dela kmalu omogočila spreminjanje izrabljenih živih človeških organov in namesto tega uporaba mehanskih prototipov. To bo res največji preboj v medicini.

Bionika v arhitekturi

Arhitekturna in gradbena bionika je posebna veja bionične znanosti, katere naloga je organsko ponovno združevanje arhitekture in narave. V zadnjem času se vse pogosteje pri oblikovanju sodobnih struktur obračajo na bionična načela, izposojena iz živih organizmov.

Danes je arhitekturna bionika postala ločen arhitekturni slog. Nastala je iz preprostega kopiranja obrazcev, zdaj pa je naloga te znanosti postala sprejeti načela, organizacijske značilnosti in jih tehnično izvajati.

Včasih se ta arhitekturni slog imenuje eko-slog. To je zato, ker so osnovna pravila bionike:

• iskanje optimalnih rešitev;
• načelo varčevanja z materiali;
• načelo največje prijaznosti do okolja;
• načelo varčevanja z energijo.

Kot lahko vidite, bionika v arhitekturi ni le impresivne oblike, temveč tudi napredne tehnologije, ki vam omogočajo, da ustvarite strukturo, ki ustreza sodobnim zahtevam.

Značilnosti arhitekturnih bioničnih struktur

Na podlagi preteklih izkušenj v arhitekturi in gradbeništvu lahko rečemo, da so vse človeške strukture krhke in kratkotrajne, če ne uporabljajo naravnih zakonov. Bionske zgradbe imajo poleg neverjetnih oblik in drznih arhitekturnih rešitev tudi vzdržljivost, sposobnost, da prenesejo neugodne naravne pojave in kataklizme.

V zunanjosti stavb, zgrajenih v tem slogu, so vidni elementi reliefov, oblik in kontur, ki so jih oblikovalci spretno kopirali iz živih naravnih predmetov in mojstrsko utelešali arhitekti in gradbeniki.

Če se nenadoma, ko razmišljate o arhitekturnem objektu, zdi, da gledate umetniško delo, je velika verjetnost, da imate zgradbo v bioničnem slogu. Primere takšnih struktur lahko vidimo v skoraj vseh prestolnicah držav in velikih tehnološko naprednih mestih sveta.

Gradnja novega tisočletja

V devetdesetih letih je španska ekipa arhitektov ustvarila gradbeni projekt, ki temelji na popolnoma novem konceptu. To je 300-nadstropna stavba, katere višina bo presegla 1200 m, načrtovano je, da bo gibanje po tem stolpu potekalo s pomočjo štiristo navpičnih in vodoravnih dvigal, katerih hitrost je 15 m / s. Država, ki je privolila v sponzorstvo tega projekta, je bila Kitajska. Za gradnjo je bilo izbrano najgosteje naseljeno mesto Šanghaj. Izvedba projekta bo rešila demografski problem regije.

Stolp bo imel popolnoma bionično strukturo. Arhitekti verjamejo, da le to lahko zagotovi trdnost in vzdržljivost konstrukcije. Prototip strukture je cipresa. Arhitekturna kompozicija ne bo imela le valjaste oblike, podobne drevesnemu deblu, ampak tudi "korenine" - novo vrsto bioničnega temelja.

Zunanja obloga objekta je plastičen in zračen material, ki posnema lubje drevesa. Sistem klimatizacije tega navpičnega mesta bo podoben funkciji uravnavanja toplote kože.

Po napovedih znanstvenikov in arhitektov takšna zgradba ne bo ostala edina te vrste. Po uspešni izvedbi se bo število bioničnih struktur v arhitekturi planeta samo še povečalo.

Bionične zgradbe okoli nas

V katerih znanih stvaritvah je bila uporabljena bionika? Primere takih struktur je enostavno najti. Vzemite vsaj postopek ustvarjanja Eifflovega stolpa. Dolgo so se govorile, da je bil ta 300-metrski simbol Francije zgrajen po risbah neznanega arabskega inženirja. Kasneje je bila razkrita njegova popolna analogija s strukturo človeške golenice.

Poleg Eifflovega stolpa obstaja veliko primerov bioničnih struktur po vsem svetu:

• postavljen po analogiji z lotosovim cvetom.
• Narodna opera v Pekingu - imitacija vodne kapljice.
• Plavalni kompleks v Pekingu. Navzven ponavlja kristalno strukturo vodne mreže. Neverjetna oblikovalska rešitev združuje uporabno sposobnost strukture, da akumulira sončno energijo in jo nato uporabi za napajanje vseh električnih naprav, ki delujejo v stavbi.
• Nebotičnik "Aqua" izgleda kot tok padajoče vode. Nahaja se v Chicagu.
• Hiša utemeljitelja arhitekturne bionike Antonia Gaudíja je ena prvih bioničnih struktur. Vse do danes je ohranil svojo estetsko vrednost in ostaja ena najbolj priljubljenih turističnih znamenitosti v Barceloni.

Znanje, ki ga potrebuje vsak

Če povzamemo, lahko mirno rečemo: vse, kar proučuje bionika, je pomembno in potrebno za razvoj sodobne družbe. Vsakdo bi se moral seznaniti z znanstvenimi načeli bionike. Brez te znanosti si ni mogoče predstavljati tehnološkega napredka na številnih področjih človekove dejavnosti. Bionika je naša prihodnost v popolni harmoniji z naravo.

1. Bionika kot veda - zgodovina razvoja, definicije, bistvo
2. Analogi naravnih oblik v medicini
3. Načela bionike v službi medicine
Zaključek
Bibliografija

1. Bionika kot veda - zgodovina razvoja, definicije, bistvo

Za uradni datum rojstva ene od novih ved, ki so se pojavile v modernem dvajsetem stoletju, bionike, se šteje 13. september 1960 - dan otvoritve prvega ameriškega nacionalnega simpozija na temo "Živi prototipi umetnih sistemov - ključ do nove tehnologije." Vendar ni treba posebej poudarjati, da je izvedba takšnega simpozija postala mogoča le zato, ker se je do takrat nabrala velika količina podatkov o principih organizacije in delovanja živih sistemov, pojavile pa so se tudi možnosti za praktično uporabo pridobljenega znanja. rešiti številne nujne tehnične težave.
ime " bionika” izhaja iz starogrškega korena “bion” - element življenja, celica življenja ali natančneje elementi biološkega sistema.
Takoj sta nastala emblem in moto, ki nosita simbolično podobo znanstvenega bistva bionike - sintetizirati znanje, nabrano v različnih znanostih. neločljivo povezana z dvajsetim stoletjem. intenziven proces ločevanja, razdrobljenosti znanstvenih disciplin, skrajna stopnja konkretizacije ciljev in ciljev posameznih ved je privedla do nastanka več kot tisoč in pol vej znanja. Dolgo časa je takšna diferenciacija znanja prispevala k uspešnemu razvoju večine vej znanosti in tehnologije, trenutno pa ozka specializacija znanstvenikov otežuje poznavanje in obstaja nujna potreba po integraciji rezultatov. znanstvenih raziskav na podlagi enotnih, celovitih načel.
Prvi poskus novega poenotenja je bila kibernetika, katere glavno integracijsko načelo je bila univerzalnost metod za obvladovanje živih in neživih bitij ter njihovo povezovanje.
Bionika v marsičem je logično nadaljevanje kibernetike, vendar odpravlja protislovja, ki izhajajo iz specializacije znanosti in njihove ločenosti, ter integrira heterogene informacije v skladu z enotnostjo žive narave oziroma biološkim principom. Zato sta emblema bionike skalpel in spajkalnik, povezana z integralnim znakom, moto pa je "Živi prototipi - ključ do nove tehnologije."
Še vedno ni enotnega mnenja o vsebini bionike, morda najbolj priljubljene mlade vede, ki je nastala v 20. stoletju. Mnogi strokovnjaki menijo, da je bionika nova veja kibernetike, drugi jo uvrščajo med biološke vede, a očitno imajo najbolj prav tisti, ki bioniko izpostavljajo kot samostojno vedo.
Če se obrnemo na najbolj uveljavljeno definicijo, lahko rečemo, da bionika- to je veda, ki preučuje principe gradnje in delovanja bioloških sistemov in njihovih elementov ter uporabo pridobljenega znanja za temeljno izboljšanje obstoječih in ustvarjanje bistveno novih strojev, instrumentov, naprav, gradbenih konstrukcij in tehnoloških procesov. Bioniko lahko imenujemo tudi znanost o gradnji tehničnih naprav, katerih značilnosti so čim bližje značilnostim živih sistemov.
Tako kot večina znanosti je struktura bionike heterogena. Trenutno je običajno razlikovati tri metodološka področja bionike: biološko, matematično (teoretično) in tehnično.
biološka bionika temelji na različnih vejah biologije in medicine, uporablja njihove dosežke za identifikacijo določenih principov divjih živali, ki jih je mogoče uporabiti kot osnovo za reševanje določenih inženirskih problemov.
Vsebina teoretične bionike je razvoj matematičnega aparata za biološko modeliranje, pa tudi matematičnih modelov pojavov in procesov, ki se dogajajo v živih organizmih, živih sistemih ali celo v združbah organizmov.
Področje delovanja tehnične bionike je implementacija matematičnih modelov ali drugih vidikov delovanja živih organizmov, pogosto pridobljenih med raziskavami biološke in teoretične bionike, da bi izboljšali obstoječa in ustvarili popolnoma nova tehnična sredstva in sisteme, ki po svojih tehničnih lastnostih presegajo že ustvarjene in delujejo po biološkem principu.
V dolgi evoluciji je narava na Zemlji ustvarila nešteto živih organizmov, mnoge od njih lahko upravičeno uvrstimo med »žive inženirske sisteme«, ki delujejo zelo natančno, znanstveno in ekonomično, odlikujejo jih neverjetna natančnost, smotrnost in sposobnost odzvati se na najbolj subtilne spremembe v številnih zunanjih dejavnikih, okolju, si zapomniti in upoštevati te spremembe, se nanje odzvati z različnimi prilagoditvenimi reakcijami.
Razmislite o uporabi metod in rešitev bionike v medicini - tisti veji bioloških znanosti, s katero se vsak človek sreča več kot enkrat v življenju.
Številni "izumi" narave v starih časih so pomagali rešiti vrsto tehničnih težav. Tako so na primer pri izvajanju očesnih operacij arabski zdravniki pred več sto leti dobili idejo o lomu svetlobnih žarkov med prehodom iz enega prozornega medija v drugega. Preučevanje očesne leče je starodavne zdravnike spodbudilo k uporabi leč iz kristala ali stekla za povečavo slike in nato za korekcijo vida.
Ko je bil Gerald Darrell na enem od svojih potepanj prisiljen privoliti v stavo, katere pomen je bil imenovati štiri izjemne izume in dokazati, da so v njih zapisano načelo uporabljale živali, preden se je človek domislil, je eden od izumov se je imenovala uporaba anestezije z osmi. Pri "pripravi" hrane za bodoče ličinke s cestnimi osami uporabljajo metode, ki jih lahko vsak zdravnik imenuje metode prevodne anestezije - ugriz z injekcijo nevroplegične (paralitične) snovi v območje velikih živčnih debel. popolnoma paralizira, vendar ne ubije pajka, ki nepremično leži v osjem gnezdu do pojava ličink iz sklopke, za katero je bila ta hrana pripravljena.

2. Analogi naravnih oblik v medicini

Mnogi medicinski instrumenti imajo prototip med predstavniki živega sveta. Scarifier igla, ki se uporablja za odvzem periferne krvi (na primer za izvedbo splošnega krvnega testa, ki ga vsakomur od nas večkrat predpišejo zdravniki vseh profilov), je zasnovana po principu, ki popolnoma ponavlja strukturo netopirja. sekalec, katerega ugriz je po eni strani neboleč, po drugi strani pa ga vedno spremlja precej močna krvavitev.
Znana batna brizga v veliki meri posnema aparat za sesanje krvi žuželk - komarjev in bolh, z ugrizom katerih je zagotovo seznanjen vsak človek. Igla, ki se uporablja med kirurškimi posegi, ki se uporabljajo za šivanje človeških notranjih organov in tkiv, že več stoletij ni spremenila svoje prvotne oblike - oblike rebrnih kosti velikih rib, skalpel pa še vedno ponavlja obliko trstičnega lista s svojim naravni rezalni rob.
Toda to so le najpreprostejši primeri, ki so prišli do nas dobesedno iz globin stoletij, sodobni razvoj bionike pa zadeva številne visoko razvite medicinske tehnologije. Tipičen primer je sodobna tehnologija rekonstrukcije in podaljševanja zobne sklenine, ki je eden od »kitov« sodobnega zobozdravstva ter tehnologije podaljševanja nohtov in las v kozmetologiji. Osnova teh tehnologij je načelo gradnje morskih spužv, pa tudi tehnika gradnje gnezd swifts-salangans. Oba načela gradnje temeljita na tehnikah utrjevanja s kemoterapijo in svetlobnega utrjevanja.

3. Načela bionike v službi medicine

Nič manj pomemben dosežek bionike v medicini je uporaba biotokov. Ko je konec XVIII. je italijanski fiziolog Luigi Galvani kot stranski rezultat poskusov o anatomiji žab odkril biotokove, ki nastajajo v mišicah med gibanjem, se je prihodnja uporaba biotokov zdela omejena. Vendar rezultati sodobnih raziskav govorijo ravno nasprotno. Možgani, ki poveljujejo gibom roke, še naprej pošiljajo biotokove v mišice roke - šibek električni signal - tudi ko je spodnji del roke amputiran. Seveda v tem primeru ni gibanja, saj impulzi, ki pridejo v živčni končič skrajšane mišice panja, dajejo samo občutek določenih gibov, materialni substrat gibov (mišice) pa ni.
Prvi model umetne roke, vodene z biopotencialom, je bil izdelan leta 1957. Imel je elektromagnetni pogon in zelo okoren sistem za ojačanje in pretvorbo bioelektričnih signalov, vzetih iz katere koli mišice. Prva umetna roka je zaznala le splošne signale, kot so "stisni prste", "stisni prste" in najpreprostejše menjavanje teh ukazov, ne da bi zaznala signale regulatornega tipa, ki povedo, s kakšno silo je treba izvesti gibanje. Poskus, da bi pozdravili osebo s tako "železno roko", bi se neizogibno končal s poškodbo.
Izboljšanje protez, ki jih nadzorujejo biotokovi, je bilo resnično "skokovito" in že poleti 1960 so udeleženci prvega mednarodnega kongresa federacije za avtomatsko krmiljenje, ki je potekal v Moskvi, videli, kako je deček, ki ni imel roka z umetno roko vzel kos krede in na tablo jasno in razločno napisal: "Pozdravljeni udeleženci kongresa." Krtačo proteze, ki je bila očitno stisnjena in nestisnjena, so nadzorovali biotokovi. Dosežena je bila jasnost gibov, ki je zadostovala za ustrezno delovanje proteze, naslednji cilj znanstvenikov pa je bil vzpostaviti povratno zvezo, sposobnost tipanja proteze.
Malo kasneje, na konferenci o bioniki v Bakuju, je bil prikazan model roke s senzorji, občutljivimi na pritisk, pritrjenimi na konice prstov, izdelanimi iz prevodne gume ali tanke žice. Pod vplivom pritiska na senzorje signali iz njih spremenijo frekvenco nihanja brenčala, ki je nameščen na roki v bližini živca, ki gre v možgane. Trenutno se zdijo senzorji, ki uporabljajo kostne vibracije in elektro-kostne dražljaje, najbolj obetavni, vendar je za razjasnitev parametrov signalov in zasnove delujočih elementov še vedno potrebno precej časa, polnega eksperimentov in raziskovalno delo.
Drug vidik uporabe biotokov v medicini je njihova uporaba pri zdravljenju parez in paraliz, korekcija številnih patoloških stanj med nosečnostjo in morda za lajšanje stanja bolnikov s poliomielitisom in cerebralno paralizo, za kar trenutno obstaja ni ustreznega zdravljenja.
Izvajanje najbolj obsežnih in zapletenih operacij na srcu in možganih je postalo mogoče zaradi uvedbe v medicinsko prakso metode nadzorovane hipotermije (to je zavestna hipotermija telesa operirane osebe za upočasnitev presnovnih procesov v tkivih in organih). Malo ljudi pa ve, da je hipotermija osnova anabioze in parobioze - stanja globokega hibernacije - mnogih žuželk in nekaterih majhnih glodavcev v neugodnem zimskem času. Pri teh živalih je hipotermija namenjena tudi upočasnitvi presnovnih procesov v organih in tkivih, kar ima za posledico manjšo porabo energijskih substratov kot v aktivnem stanju.
Metoda gibanja nekaterih protozojev je postala prototip za ustvarjanje avtomatske gastrointestinalne sonde, ki je najbolj zanimiva in obetavna možnost za instrumentalne študije v gastroskopiji.
Če se vrnemo k protetiki okončin, je treba opozoriti, da druga sodobna vrsta protez, ki se uporablja predvsem za protetiko spodnjih okončin, oziroma proteze na osnovi silikona, vsebuje tudi naravni princip - princip hidravlične strukture pajkovega telesa. sprehajalne noge, katerih gibi temeljijo na prehodu stanja biološkega koloida po vrsti "gel-sol".
Do neke mere dosežki bionike na področju medicine temeljijo na strukturi človeka samega. Tako perfuzijski filmi, ki se nanesejo na obsežne površine opeklin in se uporabljajo za preprečevanje okužbe ran, skoraj popolnoma posnemajo strukturo površinskih plasti nepoškodovane človeške kože, ki ima baktericidne lastnosti in je značilna polprepustnost.
Dosežki v bioniki v mnogih pogledih dajejo upanje za nekaj izboljšanja stanja ali skoraj popolno nadomestilo kakovosti življenja bolnikov, katerih položaj je bil prej ocenjen kot praktično brezupen.
Eden od prvih korakov na tej poti je ustvarjanje naprav, ki lahko slišijo. Izguba sluha je pomembna in nevarna za človeka ter vodi do popolne ali skoraj popolne invalidnosti. Ta problem ostaja eden izmed izjemno kompleksnih in praktično nerešljivih problemov medicine.
Relativno nedavno je veliko gluhih dobilo resnično priložnost slišati s pomočjo aparata, ustvarjenega na podlagi najnovejšega odkritja fiziologov: nizkofrekvenčne vibracije, ki jih zazna človeško uho, lahko zazna živi zobni živec in prenese do možganov. Radijski inženirji so ustvarili tako imenovani "radio zob" - sistem, s katerim prej neslišni ljudje slišijo. Za vzpostavitev takšne naprave je potreben en sam živ zobni živec, popolna odsotnost živih zobnih živcev pa ni značilna niti za popolnoma prizadeto ustno votlino.
Zasnovo naprave lahko opišemo približno takole: miniaturni mikrofon, ki ga lahko nosimo na roki kot uro, je povezan z istim miniaturnim oddajnikom, ki pretvarja zvok v radijske signale, ki jih ujame sprejemnik, nameščen v zobu. Sprejemnik je tanka plast polprevodniške zlitine, ki je nameščena na prostih živčnih končičih v zobnem kanalu. Ta polprevodniška zlitina tvori piezoelektrični element, prekrit s plastjo zlata ali srebra, ki služi kot antena. Po videzu se ta oblika praktično ne razlikuje od kovinskih zalivk in kron, znanih v sodobnem ortopedskem zobozdravstvu.
Signal radijskega oddajnika, ki ga sprejme taka antena, vstopi v piezoelektrični element; v piezoelektričnem elementu pride do oscilacij, ki se ob draženju prostih živčnih končičev v zobu prenašajo v obliki živčnih impulzov v kortikalne in subkortikalne slušne centre možganov. Tako oseba, ki je do te točke živela v svetu brez zvokov, začne slišati. Seveda v resničnem življenju za osebo, opremljeno s takšno napravo, obstaja precejšnje število omejitev, na primer pri uporabi mobilnih telefonov, pa tudi pri delu s tako imenovanimi generatorji hrupa, toda kaj te omejitve pomenijo v primerjavi s popolno gluhostjo, ki človeku ne omogoča popolne socialne rehabilitacije.
V zadnjem času so se v številnih državah razširile študije tako imenovanega kvazi-slušnega prepoznavanja, katerih cilj je ustvariti naprave, ki simulirajo slušni aparat. Nekatere naprave, ki reproducirajo funkcije slušnih organov, so že ustvarjene in preizkušene. Tako je bil v povezavi s študijami mehanizma človeškega zaznavanja zvokov na Univerzi v Leidnu razvit elektronski model ušesa (v obliki filtrirnega sistema), ki reproducira frekvenčne značilnosti ušesa. Modeliranje je omogočilo izboljšanje slušnega modela in zlasti združevanje takšnih pojavov, kot je zaznavanje tembra in zvokov v njihovi dinamiki.
Model ameriških znanstvenikov W. Caldwell, E. Glener, J. Stewart je zasnovan tako, da analizira odvisnost intenzivnosti zvoka različnih frekvenc v zvokih, ki jih izgovori oseba, na čas, da bi prepoznali znake, po katerih oseba prepozna zvoke, fonemov in besed, ki jih izgovorijo različni ljudje. Te študije lahko služijo tako v medicinske namene v smislu ustvarjanja naprednejših slušnih aparatov kot za izboljšanje računalniške tehnologije.

Zaključek

Tako lahko že iz nekaj primerov sklepamo, da ima bionika pomembno vlogo v sodobnem znanstvenem svetu, in to ne le kot abstraktna znanost, ki ni brez majhne uporabne vrednosti, temveč kot osnovni temelj sodobne tehnike in tehnologije. Narava je nešteto let brusila svoje inženirske sposobnosti, kar pojasnjuje podrobno, celo miniaturno popolnost funkcij in oblik naravnih objektov. Človek ima inženirske sposobnosti relativno nedavno, kar pomeni, da je njegova privlačnost do naravnih predmetov v bistvu pravilna in obljublja veliko zanimivih in nepričakovanih stvari v prihodnosti, zato določa razvoj ene od novih znanosti - bionike.

Bibliografija

1. Berezin F. B. Psihološka in psihofizična prilagoditev osebe. L.: Nauka, 1988.
2. Gerald Darrell. Po vsem svetu. Zelena serija. Moskva: Armado-press, 2001.
3. Venčikov A. I. Biotokovi. Moskva: Mediz, 1962.
4. Matjuhin V. A., Razumov A. N. Ekološka človeška fiziologija in obnovitvena medicina. M.: GOETAR "Medicina", 1999.
5. Pugovkina N. A. Splošna biologija. M .: "razsvetljenje", 1990.
6. Zgodovina medicine: Zbirka esejev. Založba Volgograd. med. akadem., 1994.
7. Neverjetno v živalskem svetu / ur. Konstantinova A.S., Založba Larina N.I. Sarat. država un-ta, 1970.

Bionika. In njeni dosežki

Dokončano:

Stepin K.S.

Učiteljica:
Ponomareva O.N.

Uvod_________________________________________________ 3

Prve uporabe bionike________________________________ 4

Klasični primeri:

Notranja zgradba stebla zelnate rastline ............................................ ...... 5

Razdelitev plodov in semen ............................................. ................... ................. 5

Razred žuželk. Odred Diptera ................................................. ............ 7

Zgradba in funkcije možganskih regij ................................................. .... .6

Sodobna odkritja:

Okostje globokomorskih spužev ............................................. ................... ...................... osem

Roji termitov v korist družbe ................................................ ..... .................. 9

Tekaški in skakalni roboti .............................................. ................ .................. 9

Zaključek_________________________________________________ 10

Priloga__________________________________________ 11

Literatura ________________________________________________ 15

Uvod

Bionika(iz grščine biōn - element življenja, dobesedno - življenje) - uporabna znanost o uporabi v tehničnih napravah in sistemih načel, lastnosti, funkcij in struktur divjih živali. Zamisel o uporabi znanja o divjih živalih za reševanje inženirskih problemov pripada Leonardu da Vinciju, ki je poskušal zgraditi letalo z mahajočimi krili kot ptice: ornitopter.

Preučevanje vzorcev nastajanja organizmov za gradnjo umetnih predmetov po njihovi podobi se običajno nedvoumno pripisuje področju bionike [nova znanstvena smer poznih 50-ih let 20. stoletja. Nastanek te znanosti je bil posledica razvoja kibernetike, biofizike, biokemije, vesoljske biologije, inženirske psihologije itd. Simpozij v Daytoni (ZDA) septembra 1960. dal ime novi znanosti - bionika. Slogan simpozija: "Živi prototipi - ključ do nove tehnologije" dobro določa perspektive razvoja bionike za več let.] Pravzaprav so načela konstruiranja bioform, biostruktur, biofunkcij z namenom njihove uporabe v ustvarjanja tehničnih sistemov ali arhitekturnih objektov ne raziskuje ena, ampak več biofizikalnih ved.

Razlikovati:

Biološka bionika, ki preučuje procese, ki potekajo v bioloških sistemih;

Teoretična bionika, ki gradi matematične modele teh procesov;

Tehnična bionika, ki uporablja modele teoretične bionike za reševanje inženirskih problemov.

Bionika je tesno povezana z biologijo, fiziko, kemijo, kibernetiko in inženirskimi vedami: elektronika, navigacija, komunikacije, pomorstvo in druge.

Pojav kibernetike, ki obravnava splošne principe nadzora in komunikacije v živih organizmih in strojih, je postal spodbuda za širše preučevanje strukture in funkcij živih sistemov, da bi razjasnili njihovo podobnost s tehničnimi sistemi, pa tudi za uporabiti pridobljene informacije o živih organizmih za ustvarjanje novih naprav, mehanizmov, materialov itd.

Glavna področja dela v bioniki zajemajo naslednja vprašanja:

à proučevanje živčnega sistema ljudi in živali ter modeliranje živčnih celic (nevronov) in nevronskih mrež za nadaljnje izboljšave računalniške tehnologije in razvoj novih elementov in naprav avtomatike in telemehanike (nevrobionika);

à raziskave čutil in drugih sistemov zaznavanja živih organizmov z namenom razvoja novih senzorjev in sistemov zaznavanja;

à preučevanje principov orientacije, lokacije in navigacije pri različnih živalih z namenom uporabe teh principov v tehnologiji;

à preučevanje morfoloških, fizioloških in biokemičnih značilnosti živih organizmov z namenom predstavitve novih tehničnih in znanstvenih idej.

Prve uporabe bionike

Skoraj vse tehnološke težave, s katerimi se soočajo oblikovalci ali inženirji, že dolgo uspešno rešujejo druga živa bitja. Na primer, proizvajalci brezalkoholnih pijač nenehno iščejo nove načine pakiranja svojih izdelkov. Obenem je navadna jablana že zdavnaj rešila ta problem. Jabolko je 97 % sestavljeno iz vode in ni pakirano v leseno škatlo, ampak v užitno lupino, ki je dovolj okusna, da pritegne živali, ki jedo sadje in širijo zrna.

Strokovnjaki za bioniko trdijo tako. Ko se soočijo z inženirskim ali oblikovalskim problemom, iščejo rešitev v »znanstveni bazi« neomejene velikosti, ki pripada živalim in rastlinam.

Gustave Eiffel, ki je leta 1889 izdelal risbo Eifflovega stolpa, je naredil nekaj podobnega. Ta struktura velja za enega najzgodnejših jasnih primerov uporabe bionike v inženirstvu.

Zasnova Eifflovega stolpa temelji na znanstvenem delu švicarskega profesorja anatomije Hermanna Von Meyerja. Štirideset let pred gradnjo pariškega inženirskega čudeža je profesor proučeval kostno strukturo glavice stegnenice na mestu, kjer se ta upogne in pod kotom vstopa v sklep. In hkrati se iz nekega razloga kost ne zlomi pod težo telesa. Von Meyer je odkril, da je glava kosti prekrita z zapleteno mrežo miniaturnih kosti, zaradi česar se obremenitev na neverjeten način prerazporedi po kosti. To omrežje je imelo strogo geometrijsko strukturo, kar je profesor dokumentiral (priloga sl. št. 1).

Leta 1866 je švicarski inženir Carl Cullman zagotovil teoretično podlago za von Meyerjevo odkritje, 20 let kasneje pa je Eiffel uporabil naravno porazdelitev obremenitve z uporabo ukrivljenih čeljusti (Dodatek, slika št. 2).

Drugo znamenito izposojo je leta 1955 izvedel švicarski inženir Georges de Mestral. Pogosto se je sprehajal s svojim psom in opazil, da se na njeno dlako nenehno držijo neke nerazumljive rastline. Utrujen od nenehnega čiščenja psa, se je inženir odločil odkriti razlog, zakaj se plevel drži dlake. Po raziskavi pojava je de Mestral ugotovil, da je to mogoče zaradi majhnih kljukic na plodovih kokošnika (to je ime tega plevela). Posledično je inženir spoznal pomen svojega odkritja in osem let pozneje je patentiral priročen Velcro, ki se zdaj pogosto uporablja pri izdelavi ne le vojaških, ampak tudi civilnih oblačil (Dodatek, slika št. 3).

Klasični primeri

"Notranja zgradba stebla zelnate rastline"

Prečni deli stebel zelnatih rastlin imajo drugačno strukturo v primerjavi z lesnimi. Na primer, v prerezu steblo puhaste rastline (uporaba

riž. Št. 5 -b) ima obliko kroga. Steblo puhovke je votlo in v njem so zračne votline 2, namenjene kroženju zraka. Niti 1 sklerenhima dajejo moč rastlini, ko je izpostavljena obremenitvam z vetrom. Lupina 3 ščiti steblo pred atmosferskimi in podnebnimi pojavi. Sredica stebla raste hitreje kot lupina. Zdi se, da slednji zavira njegovo rast. Jedro je raztegnjeno, koža stisnjena. Posledično se v strukturi stebla ustvarijo notranje napetosti. To daje steblu elastičnost.

Bionika, ki preučuje vzorce oblikovanja narave, ustvarja izvirne, ekonomične gradbene strukture. Tovarniški dimnik (priloga sl. št. 5-c) je v prerezu po strukturi podoben steblu puhaste rastline. Vzdolžna ojačitev 1 mu daje trdnost kot niti v steblu, praznine 2 olajšajo konstrukcijo. Osrednja okrogla luknja v odseku je dimnik, spiralni fitingi 3. Za izdelavo cevi, katere zasnova je bila izposojena iz narave, je bilo uporabljenih manj gradbenih materialov, kot če bi bila monolitna, porabljenega manj fizičnega dela. Odpornost proti vetrnim obremenitvam takšne cevi ni slabša od naravnega.

"Razširjanje sadja in semen"

Vzorec za obliko kril avstrijskega letala "Taube" (priloga sl. št. 6-a) ob zori gradnje letal je bilo leteče seme zenonijevega puzavca (pril. sl. št. 6-b). Spominja na bučno seme z ukrivljenimi konci. Zaradi majhne teže ima seme odlične lastnosti letenja. Prav ta okoliščina je pritegnila pozornost izumitelja Etricha iz Češke. Leta 1904 je zgradil svoje prvo jadralno letalo brez repa. Razpon kril 6 m Jadralno letalo je lahko nosilo tovor 25 kg. V naslednjih letih je Etrich, ki si je izposodil naravne analogije, ustvaril nove modele jadralnih letal, jih izboljšal in izboljšal kakovost letenja.

Cvetni prah žitnih rastlin ima dve lupini, napolnjeni z zrakom, katerega gostota je manjša od gostote okoliškega zraka. To ustvarja vzgon za cvetni prah, ki potuje po zraku na velike razdalje.

Načelo vzgona, realizirano v naravi, je človek uporabil pri prvem letalu, ki ga je ustvaril: balonu, napolnjenem z vročim zrakom, v aerostatu, zračni ladji. Padajoča žogica v badmintonu je podobna regratovemu padalskemu plodu. Morda je on ali podobno sadje-padalo Leonardu da Vinciju predlagalo idejo o padalu.

"Razred žuželk. Odred Diptera »

Bodimo pozorni na prisotnost kemoreceptorjev na nogah hišne muhe - neke vrste miniaturnih bioloških senzorjev. Muha ima štiri vrste: nekatere analizirajo sestavo vode, druge določajo sladkor, tretje pregledujejo različne soli, četrte kažejo na prisotnost beljakovinskih živil. Isti receptorji so v njenem proboscisu. Zahvaljujoč njim muha vedno ve, kaj točno je pod njenimi nogami: hrana, pijača ali nekaj neužitnega. Proboscis muhe se samodejno odziva na indikacije kožnih receptorjev. Iztegnil se je - in muha začne piti ali jesti. Po poravnavi proboscisa lahko presodite, katere snovi in ​​v kakšnih koncentracijah ujame žuželka. Analiza snovi se izvede v nekaj sekundah. Tako je narava dobila najpopolnejše metode kemijske analize. Fiziki in kemiki jih lahko izkoristijo tako, da razkrijejo metode, ki jih uporablja muha.

V laboratoriju za geofiziko Inštituta za prenos toplote in prenos mase Akademije znanosti BSSR so iz kremenčevega prahu ustvarili lepljivo snov z viskoznostjo vazelina. Če ga nanesemo na kolo v elektromagnetnem polju, se takoj strdi. Kolo je varno prilepljeno na nosilno površino. Ko se magnetno polje odstrani, snov pridobi prejšnje viskozno stanje. Inženirji so ustvarili hodečega robota (Priloga, slika št. 7). Išče napake na kovinski površini. Na telo 5 je pritrjenih šest nog 4, vsaka od njih pa ima dva pogona (motor z zobniki). Ena za vodoravno in ena za navpično gibanje. Noga se konča s čevljem z blazino 3, impregnirano z lepljivo snovjo. Iz rezervoarja se napaja v votle nosilce za noge. Šest nog robota je združenih v dve skupini, po tri v vsaki. Robot hodi hkrati z eno skupino nog, druga pa je prilepljena na podlago. Izmenično se električni tok napaja v čevlje ene ali druge skupine nog - in blazinice stopal so prilepljene na podporno površino.

Robot ima oko - TV kamero 1, cev 2 z električnim kablom in cev za dovod stisnjenega zraka v pnevmatske pogone.

"Zgradba in funkcije možganov"

Razkriti principe delovanja možganov, ki še vedno večinoma ostajajo skrivnost, pomeni najti ključ do oblikovanja računalnika prihodnosti. Nova znanost - nevrokibernetika se ukvarja z gradnjo umetnih možganov. Prvi računalnik je bil dodeljen za izvajanje aritmetičnih operacij. Z razvojem računalniške tehnologije je računalnik začel izvajati zahtevnejše operacije, delovati hitreje, njegova velikost se je zmanjšala (Tabela str. 8).

Opcije	človeški možgani	računalnik
Nosilec informacij	Živčno razburjenje	Elektrika
Stopnja vnosa	Dolžina manj kot 1 bit/s	Več kot 106 bps
tvorbe v spominu	fizični spomin
Čas delovanja	Vse življenje	Milijarde operacij na sekundo
Prednosti	Izključno osredotočanje	Manj se osredotočite
	kompleksen	kompleksne funkcije v
	deluje v izjemi	veliko več
	zelo majhen volumen.	glasnost. nizka stopnja
	Visoka stopnja so-	popolnost električnega
	popolnost fiziologije	prestolni nevron
	logični procesi v nevronu
Odvisnost	Odvisno	Ni odvisno
minianija posameznik
al še posebej
stey in čustveno
država
Kapaciteta pomnilnika	Teoretični maksi-	Trenutno 107 bitov
	mama 108-1010 bitov v	policaj
	potek življenja
Vrsta pomnilnika	Mešano	Mešano
Lastnosti pa-	Pomnjenje osmys-	Pomnjenje mehanike
gube	len	logično
Vrsta obdelave	Vzporedno	Dosledno
stopil inform-
macija
Filtriranje informacij	Zelo učinkovito	Ubogi
macija
Čas shranjevanja v-	nestanoviten	Trajna
tvorbe v spominu
Izvleček iz pa-
kovati potrebne in-
formacije:
nedavno uveden	Hitro	Hitro
uveden že zdavnaj	počasi	hitro
Ko je poškodovan	dela	Ne deluje
Zaznavanje informacij	Skozi številne kanale: po obliki, barvi,	En kanal
	odtenek predmeta,
	pisava, rokopis,
	vonj, dotik,
	tember glasu, v-
	narod, načrt itd.
Utež	1,2-1,3 kg	3-10 krat več
		kot človeški možgani

Sodobna odkritja

Sodobna bionika je v veliki meri povezana z razvojem novih materialov, ki kopirajo naravne. Isti kevlar se je pojavil zahvaljujoč skupnemu delu genetskih biologov in inženirjev, strokovnjakov za materiale.

Trenutno nekateri znanstveniki poskušajo najti analoge organov človeškega telesa, da bi na primer ustvarili umetno uho (že v prodaji v ZDA) ali umetno oko (v razvoju).

Okostje globokomorskih spužev

Drugi razvijalci se osredotočajo na preučevanje naravnih organizmov. Na primer, raziskovalci iz Bell Labs (Lucent Corporation) so nedavno odkrili visokokakovostno optično vlakno v telesu globokomorskih spužv iz rodu Euplectellas. Raziskovalci v Bell Labs, oddelku Lucent Technologies, so odkrili, da globokomorske spužve vsebujejo vlakna, ki so po lastnostih zelo podobna najsodobnejšim vlaknom, ki se uporabljajo v telekomunikacijskih omrežjih. Poleg tega so lahko naravna vlakna v nekaterih pogledih boljša od umetnih(priloga sl. št. 8) .

Po danes splošno sprejeti klasifikaciji so spužve samostojna vrsta primitivnih nevretenčarjev. Vodijo popolnoma nepremični življenjski slog. Goba iz rodu Euplectella živi v tropskih morjih. Doseže dolžino 15-20 cm, njegov notranji mrežasti okvir tvorijo cilindrične palice iz prozornega silicijevega dioksida. Na dnu gobe je snop vlaken, ki je oblikovan kot nekakšna krona. Dolžina teh vlaken je od 5 do 18 cm, debelina je kot človeški las. Med študijami teh vlaken se je izkazalo, da so sestavljena iz več jasno definiranih koncentričnih plasti z različnimi optičnimi lastnostmi. Osrednji del valja je sestavljen iz čistega silicijevega dioksida, okoli njega pa so valji, ki vsebujejo opazno količino organske snovi.

Znanstveniki so bili presenečeni nad tem, kako blizu so bile strukture naravnih optičnih vlaken tistim vzorcem, ki so jih več let razvijali v laboratorijih. Čeprav je prosojnost v osrednjem delu vlakna nekoliko manjša kot pri najboljših umetnih vzorcih, so se naravna vlakna izkazala za bolj odporna na mehanske obremenitve, predvsem pri lomljenju in upogibu. Prav zaradi teh mehanskih lastnosti so optična omrežja za prenos informacij ranljiva – če pride do razpok ali zlomov v vlaknu, ga je treba zamenjati, kar je zelo draga operacija. Znanstveniki iz Bell Labs navajajo naslednje dejstvo, ki dokazuje izjemno visoko trdnost in prožnost naravnih vlaken – lahko jih povežemo v vozel, pri tem pa ne izgubijo svojih optičnih lastnosti. Takšna dejanja z umetnimi vlakni neizogibno vodijo do lomljenja ali vsaj nastanka notranjih razpok, kar na koncu pomeni tudi izgubo funkcionalnih lastnosti materiala.

Znanstveniki še ne vedo, kako je takšno stvaritev narave mogoče reproducirati v laboratoriju. Dejstvo je, da se sodobna optična vlakna pridobivajo v pečeh iz talin pri zelo visoki temperaturi, morske spužve pa jih med razvojem naravno sintetizirajo s kemičnim nanašanjem pri temperaturi morske vode. Če bo možno ta proces simulirati, bo to med drugim tudi ekonomsko donosno.

Glede na rezultate testa se je izkazalo, da lahko material iz okostja teh 20-cm gobic prenaša digitalni signal nič slabše od sodobnih komunikacijskih kablov, medtem ko je naravno vlakno zaradi prisotnosti organske lupine veliko močnejše od človeškega. Druga lastnost, ki je presenetila znanstvenike, je možnost tvorbe takšne snovi pri temperaturi okoli nič stopinj Celzija, medtem ko rastline Lucent za ta namen uporabljajo visokotemperaturno obdelavo. Zdaj znanstveniki razmišljajo o tem, kako povečati dolžino novega materiala, saj okostja morskih spužev ne presegajo 15 cm.

Roji termitov, v korist družbe

Poleg razvoja novih materialov znanstveniki nenehno poročajo o tehnoloških odkritjih, ki temeljijo na »intelektualnem potencialu« narave. Na primer, oktobra 2003 je raziskovalni center Xerox Palo Alto razvil novo tehnologijo podajalnika za kopirne stroje in tiskalnike.

V napravi AirJet so razvijalci kopirali obnašanje roja termitov, kjer se vsak termit neodvisno odloča, hkrati pa se roj premika proti skupnemu cilju, kot je na primer izgradnja gnezda.

Tiskano vezje, zasnovano v Palo Altu, je opremljeno s številnimi zračnimi šobami, od katerih vsaka deluje samostojno, brez ukazov iz centralnega procesorja, hkrati pa prispevajo k skupni nalogi pomika papirja. V napravi ni gibljivih delov, kar omogoča znižanje stroškov proizvodnje. Vsako tiskano vezje vsebuje 144 kompletov 4 šob, usmerjenih v različne smeri, ter 32 tisoč optičnih senzorjev in mikrokontrolerjev (Dodatek Slika št. 9).

Tekaški in skakajoči roboti

Toda najbolj predani privrženci bionike so inženirji, ki se ukvarjajo s konstrukcijo robotov. Danes je med razvijalci zelo priljubljeno stališče, da bodo roboti v prihodnosti (več o robotiki glej tukaj) lahko učinkovito delovali le, če bodo čim bolj podobni človeku. Znanstveniki in inženirji izhajajo iz dejstva, da bodo morali delovati v urbanih in domačih razmerah, torej v "človeški" notranjosti - s stopnicami, vrati in drugimi ovirami točno določene velikosti. Zato morajo ustrezati najmanj osebi po velikosti in načelih gibanja. Z drugimi besedami, robot mora imeti noge (kolesa, gosenice itd. niso primerni za mesto). Toda od koga kopirati oblikovanje nog, če ne od živali?

Najdlje v smeri ustvarjanja pokončnih dvonožnih robotov so napredovali znanstveniki z univerze Stanford. Skoraj tri leta so eksperimentirali z miniaturnim šestnožnim robotom, heksapodom, zgrajenim na podlagi študije ščurkovega gibalnega sistema.

Prvi heksapod je bil zasnovan 25. januarja 2000 (priloga sl. št. 10), zdaj pa dizajn teče zelo hitro - s hitrostjo 55 cm (več kot tri lastne dolžine) na sekundo - in tudi uspešno premaguje ovire.

Stanford je razvil tudi enonožni skakalni monopod v velikosti človeka, ki je sposoben vzdrževati nestabilno ravnotežje z nenehnim skakanjem. Kot veste, se človek premika tako, da "pada" z ene noge na drugo in večino časa preživi na eni nogi. Znanstveniki s Stanforda upajo, da bodo v prihodnosti ustvarili dvonožnega robota s sistemom človeške hoje (Priloga, slika št. 11).

Zaključek

Koncept bionike nikakor ni nov. Kitajci so na primer že pred 3000 leti poskušali prevzeti način izdelave svile iz žuželk. Toda ob koncu dvajsetega stoletja je bionika dobila drugi veter, sodobne tehnologije omogočajo kopiranje miniaturnih naravnih struktur z izjemno natančnostjo. Tako je pred nekaj leti znanstvenikom uspelo analizirati DNK pajkov in ustvariti umetni analog svilene mreže - Kevlar. V tem gradivu sem naštel več obetavnih področij sodobne bionike in navedel najbolj znane primere izposojanja iz narave.

V zadnjem desetletju je bionika dobila pomemben zagon novega razvoja. To je posledica dejstva, da se sodobne tehnologije premikajo na giga- in nanoravni in omogočajo kopiranje miniaturnih naravnih struktur z izjemno natančnostjo. Sodobna bionika je povezana predvsem z razvojem novih materialov, ki kopirajo naravne analoge, robotiko in umetne organe.

Narava odpira neskončne možnosti za inženirje in znanstvenike, da si izposodijo tehnologije in ideje. Prej ljudje niso mogli videti, kaj je dobesedno pred njihovimi nosovi, vendar sodobna tehnična orodja in računalniško modeliranje pomagajo vsaj malo razumeti, kako deluje svet, in poskusite iz njega kopirati nekatere podrobnosti za svoje potrebe.

Aplikacija

©2015-2019 stran
Vse pravice pripadajo njihovim avtorjem. To spletno mesto ne zahteva avtorstva, vendar omogoča brezplačno uporabo.
Datum nastanka strani: 2016-04-12