Скелет глубоководных губок

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

ГАПОУ «МЕНЗЕЛИНСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ МУСЫ ДЖАЛИЛЯ»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 09.02.05 ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

Бионика

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ УЧАЩИХСЯ НА УРОКАХ РУССКОГО ЯЗЫКА КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЛЕКСИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ И УМЕНИЙ

 

Выполнил студент 1 курса группы Б

Гиниятов Динар Рамилевич

ФИО студента

_________________________________

подпись студента

Руководитель: преподаватель биологии

Имамутдинова Расима Галиаскаровна

ФИО руководителя

_________________________________

подпись руководителя

 

 

Индивидуальный проект допущен к защите «____»_______________2016 г. Зам. директора по учебной работе _______________________ В.М. Муринова

 

 

Мензелинск, 2016

Содержание

Введение_________________________________________________________ 3

1.Первые применения бионики_______________________________________ 5

1.1 Классические примеры:

Внешнее строение листа......................................................................................... 6

Внутреннее строение стебля травянистого растения............................................ 6

Распространение плодов и семян........................................................................... 7

Характеристика семейства злаков.......................................................................... 8

Класс насекомые. Отряд двукрылые..................................................................... 9

Строение и функции отделов головного мозга................................................... 10

2.Умная природа _________________________________________________ 12

2.1 Современные открытия:

Скелет глубоководных губок............................................................................... 14

Стаи термитов, на благо общества....................................................................... 16

Бегающие и прыгающие роботы.......................................................................... 16

Заключение____________________________________________________ 18

Список литературы_______________________________________________ 19

Интернет-ресурсы_________________________________________________ 19

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:

· 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);

· исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;

· изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;

· 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.

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.

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.

Классические примеры

«Внешнее строение листа»

Обратим внимание на их архитектонику, назначение различных жилок.

Подобно строению листа строят деревянные основания для крыш жилых домов. Вдоль располагают основную балку, а перпендикулярно крепятся поперечные. На них кладут доски, а на досках крепится кровельное покрытие.

Продольные жилки листа имеют твердую ткань и скреплены поперечными серповидными перепонками из той же ткани. Такое строение создает прочную ос­нову для устойчивого положения полупрозрачной и тонкой кожицы листа.

По подобию строения листа дерева сооружен свод главного зала Туринской выставки (Италия). В конструкции свода изогнутые продольные ребра и волнистые поперечные диафрагмы создают необхо­димую жесткость и устойчивость, давая возможность без опор перекрыть пространство пролетом 98 м.

Строительные сооружения, которые создает чело­век, удовлетворяют его требованиям и так же, как естественные природные конструкции, противостоят внешнему влиянию климатических и погодных изменений.

«Внутреннее строение стебля травянистого растения»

У поперечных срезов стеблей травянистых расте­ний — иное строение по сравнению с древесными. На­пример, в поперечном разрезе стебель растения пухоноса 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 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.

«Характеристика семейства злаков»

Изучая семейство злаков, надо обратить внимание особенно в строении вегетативных органов. Мно­гие из них, например стебель, могут иметь практиче­ский интерес для биоников. Важной особенностью злаков является строение стебля, которое дает им воз­можность выжить при столь массовом росте на полях. При легком дуновении ветерка пшеница слегка пока­чивается. При сильном ветре стебель гнется, низко наклоняется колос. Стих ветер, и выпрямился стебель. Высота пшеницы в 200—300 раз больше диаметра ее стебля. Секрет сохранения растением гибкости и проч­ности в его строении. У стебля пшеницы междоузлие полое, а узлы заполнены тканями. Благодаря такому строению стебель гнется, но не ломается.

По такому принципу построена Останкинская те­левизионная башня сконструированная ин­женером Н. В. Никитиным. В ее форме и в натянутых по периферии стальных вантах, скрытых в толще бе­тона и стягивающих отдельные барабаны ствола баш­ни, отразились конструктивные принципы строения стебля растений, ствола дерева. Основание ее утол­щено, вершина — остроконечная. Ее общая высота 540 м 74 см. Это высочайшее сооружение в мире. Мас­са 55 тыс. тонн. При сильном ветре башня может рас­качиваться, как стебель пшеницы, до 10 м в сторону от своего нормального вертикального положения, со­храняя при этом прочность. Она выдерживает ветер в 15 баллов и землетрясения в 8. Надежность рассчи­тана на 300 лет.

В городах нашей страны строят многоэтажные жи­лые дома, по форме напоминающие початок кукурузы. Они удобны для пользования внутри и эстетичны сна­ружи, т. е. материально-целесообразны и социально-художественны.

С древних времен бамбук использовали как строительный материал. Мосты через реки подвеши­вали на канатах из крученого бамбука. Мост на бам­буковых тросах диаметром 10 см, построенный в Китае более тысячи лет назад, висит и ныне.

Издавна бамбук использовался для крыш, карни­зов и водосточных труб. Во Вьетнаме из многослой­ных спрессованных бамбуковых панелей делают сте­ны домов, потолки и перегородки.

При своей огромной высоте (до 40 м) бамбук со­храняет устойчивость и прочность. Кто держал бам­буковое удилище в руках, тот знает, какое оно легкое, гибкое и прочное. Даже крупная рыба не сломает его.

Японские архитекторы, проектируя небоскреб, по­строенный в Токио, применили некоторые принципы строения гибкого и прочного ствола бамбука. В усло­виях частых землетрясений здания должны быть устойчивы и прочны. В проекте было предусмотрено построить жесткий каркас здания из композитивного материала. Этот материал имеет неравномерную структуру. Представляет собой сетку графитовых, стеклянных или более сложных по составу волокон, погруженных в пластик, как волокна в стебле бамбука. При подземных толчках верхний, сорок третий этаж, сможет отклониться от вертикали, подобно стеб­лю бамбука, более чем на 70 см, однако устойчивость и прочность здания при этом сохраняется.

«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.1).

 

 

Таблица 1

Параметры	Мозг человека	ЭВМ
Носитель информации	Нервное возбуждение	Электрический ток
Скорость ввода ин- формации в память	Менее 1 бит/с в длительную память	Более 106 бит/с
Время проведения операции	Всю жизнь	Миллиарды операций в секунду
Преимущества	Сосредоточение исключительно сложных функций в исключительно малом объеме. Высокая степень совершенства физиологических процессов в нейроне	Сосредоточение менее сложных функций в гораздо большем объёме. Низкая степень совершенства электронного нейрона
Зависимость запоминания индивидуальных особенностей и эмоционального состояния	Зависит	Не зависит
Емкость памяти	Теоретический максимум 108—1010 бит в течение жизни	107 бит в данный момент
Тип памяти	Смешанный	Смешанный
Особенности памяти	Запоминание осмысленное	Запоминание механическое
Вид обработки поступившей информация	Параллельный	Последовательный

 

Продолжение таблицы 1

Фильтрация информация	Очень эффективная	Бедная
Время хранения информации в памяти	Непостоянное	Постоянное
Извлечение из памяти нужной информации:
недавно введенной давно введенной	Быстрое Медленное	Быстрое Быстрое
При повреждении	Работает	Не работает
Восприятие информации	По многим каналам: по форме, цвету, оттенку предмета, по шрифту, почерку, обонянию, осязанию, тембру голоса, интонации, чертежу и т. д.	По одному каналу
Масса	1,2—1,3 кг	В 3-10 раза больше, чем мозг человека

 

Умная природа

Главное отличие человеческих инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на оптимальном обмене энергией между разными формами жизни. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий.

Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их «качество» значительно лучше тех, что сделанных человеком. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям. При этом человек использует достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа делает их гораздо более интеллектуальными и эффективными способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли), но с применением «ноу-хау» — оригинальных дизайнерских и инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока не доступны пониманию человека. Бионика, в свою очередь, занимается изучением и копированием природных «ноу-хау».

Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека сконструировать что-либо претендующее на природную эффективность. Форма биологического объекта (например, взрослого дерева) обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов. Процессы роста и развития включают интерактивное регулирование на клеточном уровне. Все это в совокупности обеспечивает невероятную прочность изделия на протяжении всего жизненного цикла. Такая адаптивность в процессе формообразования приводит к созданию уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время нашей промышленности пока недоступны технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства.

В настоящее время ученые пытаются конструировать системы хотя бы с минимальной приспособляемостью к окружающей среде. Например, современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути.

Перспективы интеллектуальных систем завораживают. Идеальная интеллектуальная система сможет самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химический состав отдельных узлов и т.д. Но хватит ли у людей наблюдательности и ума, чтобы научиться у природы?

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.

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.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: