Выполнил студент группы Н к Переработка нефти и газа ФИО Лаптева Галина Павловна

БИОНИКА БИОлогия и техНИКА прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов, свойств, функций и структур живой природы

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.

Различают: биологическую бионику - изучающую процессы, происходящие в биологических системах; теоретическую бионику - строящую математические модели этих процессов; техническую бионику - применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Взаимосвязь природы и техники люди начали бережнее относится к природе, пытаясь присмотреться к её методам, с тем чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды. Природа как эталон - и есть бионика. Понимать природу и брать её за образец – не означает копировать. В прошлом отношение человека к природе было потребительским, техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно Однако природа может помочь нам найти правильное техническое решение довольно сложных вопросов. Природа подобна огромному инженерному бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации.

электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. 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. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки.

Кибернетика 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.

функционально оправданных архитектурных форм, отличающихся красотой и гармонией, и создание новых рациональных конструкций с одновременным использованием удивительных свойств строительного материала живой природы, и открытие путей реализации единства конструирования и создания архитектурных средств с использованием энергии солнца, ветра, космических лучей. Но, пожалуй, наиболее важным ее результатом может быть активное участие в создании условий сохранения Это новое явление в архитектурной науке и практике. Здесь и возможности поиска новых, живой природы и формировании гармоничного ее единства с архитектурой.

Моделирование живых организмов Создание модели в бионике - это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей. И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа - бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Сегодня бионика имеет несколько направлений: Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Архитектурно-строительная бионика В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного "морского уха", состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей.

Нейробионика - научное направление, изучающее возможность использования принципов строения и функционирования мозга с целью создания более совершенных технических устройств и технологических процессов. Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Яркий пример Архитектурно - строительной бионики полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет ? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб одним из последних достижений инженерной мысли.

Первые примеры 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. Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости. 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.

Принцип действия репейника был заимствован человеком для изготовления застёжек-липучек. Первые липкие ленты появились в 50-х годах XX столетия. С их помощью можно, например, застёгивать спортивные ботинки; в этом случаи шнурки уже не нужны. Кроме того, длину липучки легко регулировать - в этом одно из её преимуществ. В первые годы после своего изобретения такие застёжки были очень популярны. Сегодня все уже привыкли к удобной застёжке, и изготовители застёжек-липучек теперь следят лишь за тем, чтобы липучки были хорошо спрятаны под клапанами. Застёжки-липучки

Группа, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект "Вертикальный бионический город-башня". Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен "принцип конструкции дерева".

Присоски Осьминог: осьминог изобрёл изощрённый метод охоты на свою жертву: он охватывает её щупальцами и присасывается сотнями, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз. Технические присоски: если выстрелить из рогатки присасывающейся стрелой в стекло окна, то стрела прикрепится и останется на нём. Присоска слегка закруглена и расправляется при столкновении с преградой. Затем эластичная шайба опять стягивается; так возникает вакуум. И присоска прикрепляется к стеклу.

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. 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.

Крыши, отталкивающие воду Важную роль при строительстве домов играет крыша, которая должна защищать помещения здания от попадания воды. Кокон из яйца паука Паук изготовляет тонкую «накидку» из водонепроницаемого материала, чтобы защитить отложенные яйца. Этот кокон величиной с кулак имеет форму колокольчика и открывается снизу. Он состоит из того же материала, что и нити паутины. Конечно, он не соткан из отдельных нитей, а представляет собой единую оболочку. Она прекрасно защищает яйцо от непогоды и влажности. Плащ Когда мы выходим на улицу в дождь, то надеваем водонепроницаемый плащ или берем с собой зонтик. Как с кокона яйца паука с защитной пленкой, с искусственного материала стекает вода, в результате чего человек не промокает.

Исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно. 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. Скелет глубоководных губок рода Euplectellas построен из высококачественного оптоволокна

Густав Эйфель 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. Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости

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. Костная структура головки бедренной кости

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. Плод дурнишника прицепился к рубашке

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.

Из истории медицины. Легенды и реальность. Основные понятия. Разделы медицины.

( лат. medicina, от medicus – врачебный, лечебный ) – область науки и практическая деятельность, направленные на сохранение и укрепление здоровья людей, предупреждение и лечение болезней.

Врач должен лечить не болезнь, а больного. Врач должен уметь определить состояние больного по одному лишь его внешнему виду. Заповедь врача гласит : « Не навреди !» Клятва Гиппократа.

Аполлон Асклепий Гигиея (« здоровье ») Панацея (« всецелительница ») Иасо (« лечение ») Подалирий

Гигиея – дочь Асклепия ( Эскулапа ), богиня здоровья, которая обычно изображалась со змеей в одной руке и с чашей в другой.

У древних греков змея олицетворяла символ мудрости, она выпивала яд из чаши жизни и обезвреживала её.

Строение и функции здорового организма человека изучают анатомия, физиология, гистология, биохимия и др. Больной организм изучают патологическая физиология, патологическая анатомия и др. Болезни и их лечение изучают терапия, хирургия и др. Влияние на здоровье людей условий окружающей среды, труда, быта и т. п. изучает гигиена.

Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков представлялось кране ограниченным. Однако результаты современных исследований утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам руки биотоки - слабый электрический сигнал - и тогда, когда нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к. импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений ( мышцы ) отсутствует. Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалом, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и весьма громоздкую систему усиления и преобразования снимаемых с какой - либо мышцы биоэлектрических сигналов. Первая искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа « сжать пальцы », « разжать пальцы » и простейшее чередование этих команд, без восприятия сигналов регулирующего типа, сообщающих, с какой силой должно производиться движение. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой « железной рукой », неизбежно заканчивалась бы травмой. Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине « семимильными шагами », и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске ясно и четко : « Привет участникам конгресса ». Кистью протеза, которая четко сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений, достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых было становление обратной связи, возможности ощущать протез. Чуть позже, на конференции по бионике, проходившей в Баку, был продемонстрирован макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев, созданными из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием давления на датчики сигналы от них изменяют частоту вибраций зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг. В настоящее время наиболее перспективными представляются датчики с использованием костно - вибрационных и электрокостных раздражений, однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необходимо еще значительное время, заполненное экспериментами и научно - исследовательской работой.

Другим аспектом применения биотоков в медицине является их использование в лечении парезов и параличей, коррекции ряда патологических состояний при беременности, а возможно, и для облегчения состояния больных полиомиелитом и детским церебральным параличом, сколько - нибудь адекватного лечения которых в настоящее время не существует. Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой гипотермии ( т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для замедления обменных процессов в тканях и органах ). Но мало кто знает, что именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза - состояния глубокой спячки - многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном состоянии, потребление энергетических субстратов. Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания автоматического желудочно - кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии. Возвращаясь к протезированию конечностей, следует отметить, что еще один современный тип протезов, применяющихся в основном для протезирования нижних конечностей, а точнее - протезы на силиконовой основе, также содержит в основе своей природный принцип - принцип гидравлического строения ходильных ножек паука, движения которых основаны на переходе состояния биологического коллоида по типу « гель - золь ». В какой - то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся полупроницаемостью. Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное. Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины.

Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых - физиологов : низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый « радиозуб » - систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного - единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости. Конструкцию аппарата можно описать приблизительно следующим образом : миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же миниатюрным передатчиком, преобразующим звук в радиосигналы, которые улавливает приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой полупроводникового сплава, наложенного на свободные нервные окончания, находящиеся в зубном канале. Этот полупроводниковый сплав образует пьезоэлектрический элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который служит антенной. По внешнему виду такая конструкция практически ничем не отличается от привычных в современной ортопедической стоматологии металлизированных пломб и коронок. Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент ; в пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации. В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха ( в виде системы фильтров ), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике. Модель американских ученых В. Колдуэлла, Э. Гленера, Дж. Стюарта предназначена для анализа зависимости интенсивности звучания разных частот в произносимых человеком звуках от времени с целью выявления признаков, по которым человек опознает звуки, фонемы и слова, произносящиеся разными людьми. Эти исследования могут послужить как для медицинских целей в плане создания более совершенных слуховых аппаратов, так и для совершенствования компьютерной техники.