Природа как эталон для инженерных открытий

«И увидел Бог всё, что Он создал, и вот, хорошо весьма»- Книга Бытие, глава 1, стих 31. Слова из библейского текста «весьма хорошо» означают – совершенство сотворённого, завершённость. Неужели в природе все создано совершенно, и человеку достаточно увидеть уникальное свойство природы и суметь перенести на создаваемый им объект? Наблюдая полет птицы и самолета в небе, я обратил внимание на их внешнее сходство и способность летать. В кружке моделирования, изготавливая модель подводной лодки класса «Акула», я задался вопросом: «Почему она получила такое название и имеет ли она сходство с настоящей акулой?». Зная о некоторых примерах использования человеком особенностей природы, животного и растительного мира, я выдвинул гипотезу: я предполагаю, что мир создан совершенно, не требуя доработки, и человек в большинстве технических достижений лишь копирует свойства уже сотворённого.

В своей работе я поставил цель – изучение свойств природных явлений и их использования в технических открытиях.

В ходе этой работы я буду решать следующие задачи:

1) изучить исторические факты попыток применения знаний о природе для решения инженерных задач;

2) узнать о науке бионике;

3) расширить свои знания об уникальных свойствах природных организмов;

4) проанализировать решения технологических проблем с помощью существующих решений в мире природы;

5)создать альбом «Примеры применения свойств природных объектов в технических изобретениях»;

6) подготовить совместно с кружком моделирования (ЦЮНТТ, преп. Пахомова Н. Н. ), выставку изделий, созданных на основе биологических знаний.

В ходе моего исследования я буду использовать следующие методы : подумать, что я знаю сам, сбор информации через изучение литературы, посещение выставки краеведческого музея, анализ литературы, опрос учащихся и беседа с учителем биологии.

В ходе работы над заявленной темой, я планирую в конечном итоге создать:

- альбом со сравнительным анализом биологических свойств и инженерных решений;

- выставку технических изделий, об особенностях которых я смогу рассказать ребятам.

- выступление с презентацией исследуемого материала

На уроках окружающего мира мы изучаем удивительные особенности животных и растений разнообразных природных зон. Каждые из них имеют особые способы добычи пищи, маскировки, инстинкты выживания и выращивания потомства. Например, белка – летяга пролетает до 50 метров за счёт перепонок, спасаясь от хищников. Человек давно не только удивляется совершенству природы и восхищается им, но и учится у природы, подражает ей. Идея применения знаний о природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи (15 век). Глядя на полёт птицы, он мечтал построить летательный аппарат, чтобы человек мог подобно птицам, парить над землёй. Основоположник современной аэромеханики Н. Е. Жуковский потратил много сил для того, чтобы понять, каким образом пернатым удаётся парить в воздухе. Он посвятил этому вопросу специальную книгу. Птицы научили человека летать – так появилась авиация.

Интересный факт зарегистрирован в истории авиации. Длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер – внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же утолщения – птеростигмы – на концах крыльев стрекозы. Обтекаемая форма акулы была прототипом современных подводных лодок, насосная система – на основе строения сосудов сердца. Медицинские шприцы были подсмотрены у змей. Медицинские зажимы – не что иное, как клешни ракообразных. Сегодня мы видим самолёты, корабли, подводные лодки. Мне стало интересно, а какие ещё идеи человек взял у природы?

Основная часть

1. О науке бионике

Изучая литературу, я обнаружил, что есть такая наука – бионика. Бионика - особое направление в науке и технике, цель которого – использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники.

Бионика – это наука, которая находится на границе между биологией и техникой. Соединеие «БИОлогия» и «техНИКА» означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками - электроникой, навигацией, связью, морским делом и так далее.

Появление науки кибернетики способствовало более широкому изучению строения и функций живых систем. Это помогло выяснить их сходства с техническими системами, а также использовать полученные сведения о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов.

Формальной датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960. В Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», который официально закрепил рождение новой науки.

Сразу же возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение научной сути бионики, - синтезировать накопленные в различных науках знания. Эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла. Скальпель — символ биологии, паяльник — техники, а интеграл объединяет обе отрасли науки. Девиз бионики – «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

1. Исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения.

2. Изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике.

3. Изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток - нейронов, нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов автоматики и телемеханики (нейробионика).

4. Исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Бионика приносит пользу не только технике, но и самой биологии, так как помогает понять те или иные биологические явления.

Оказывается, подсматривать за уникально сотворённым миром не только интересно, но и познавательно. Тема бионики нас очень заинтересовала, и мы хотели бы привести несколько примеров её достижений.

2. Примеры использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов.

Почти любая технологическая проблема, которая встаёт перед дизайнерами и инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами. Например, производители прохладительных напитков постоянно ищут способы упаковки своей продукции. В тоже время обычная яблоня давно решила эту проблему. Яблоко на 97% состоит из воды, упакованной отнюдь не в древесный картон, а в съедобную кожуру.

Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка покрыта изощрённой сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман подвёл теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

В 1955 году Джордж Местраль, гуляя со своей собакой, заметил, что к её 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 через восемь лет он запатентовал удобную «липучку».

На основе строения пера птицы, где бородки различных порядков с крючками обеспечивают надёжное сцепление, были созданы застёжка молния.

Во время первой мировой войны английский флот нёс огромные потери из-за германских подводных лодок. Нужно было научиться их обнаруживать. Для этой цели были созданы специальные приборы – гидрофоны. Они должны были находить корабли противника по шуму гребных винтов. Однако, во время хода корабля движение воды у приёмного отверстия гидрофона создавало шум, заглушавший шум подводной лодки. Известный физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. Приёмному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофон стал «слышать» даже на полном ходу корабля. К тому же они позволяли определять направление на источник звука и расстояние до него.

Медузы улавливают приближение шторма. «Инфраухо» медуз – это их органы равновесия. Они располагаются на краю зонтика - колокола и представляют собой маленькие шарики. При изменении положения медузы, при колебаниях воды, шарики соприкасаются со стенками пузырька и раздражают находящиеся там нервные окончания. Инфразвуковые колебания, возникающие во время далёкого шторма, чутко улавливаются органами равновесия медузы. Предупреждённые о приближении шторма медузы заблаговременно уходят в более спокойные места. Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.

Глаз лягушки отсеивает информацию о неподвижных предметах и настраивается на движущиеся. Таким образом, лягушка концентрирует своё внимание на добыче. Изучение этих особенностей глаза лягушки позволило создать прибор ретинатрон. Ретинатрон не реагирует на неподвижные предметы, находящиеся в поле зрения, и обеспечивает наблюдение за движущимися.

Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Характерно и то, что точность обнаружения препятствий достигается даже при наличии шума, интенсивность которого во много раз превосходит интенсивность принимаемого сигнала. Радиолокатор - прибор посылает в пространство короткий всплеск радиоволн, а потом слушает: не вернётся ли эхо? Если вернётся, - значит, там, в том направлении есть какой-то предмет: самолёт, ракета и т. д.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами. В октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Паль Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров. В новой печатной схеме отсутствуют подвижные части. В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда. Печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи – продвижению бумаги.

Сегодня учёные занимаются конструированием роботов. Учёные считают, что роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если будут максимально похожи на людей. Они должны устойчиво передвигаться по лестницам, умело проходить в дверных проёмах. Другими словами у робота обязательно должны быть ноги. Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных? В направлении создания двуногих роботов дальше всех продвинулись учёные Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Чего только нет в патентном бюро природы! Гидравлический привод – у паука. Сонар – у дельфина, тюленя, кита. Точный барометр – у лягушки, вьюна и пиявки. Анализатор запаха – у обыкновенной дворняжки. Счётчик Гейгера – у улитки. Поляризационный солнечный компас – у пчелы. Опреснитель морской воды – в клюве у альбатроса.

Природа открывает перед инженерами и учёными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Узнать их можно лишь путём кропотливых исследований, с помощью специально разработанных методов, с применением новейшей экспериментальной техники. Учёным остаётся немного разобраться в том, как устроен окружающий мир и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. «Природа тайн своих от нас не прячет, а учит быть внимательнее к ней»

3 Опрос по проблеме

Следующим этапом моей работы был опрос сверстников. Я хотел узнать, насколько они владеют знаниями по интересующей меня теме. Я предложил им ряд вопросов:

1. Что ты знаешь о науке бионике?

2. Замечал ли ты сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений ?

3. Согласны ли вы, что природа дает человеку множество примеров для технических изобретений ?

4. Приведи свои примеры

Опрос был проведен среди учащихся 4-8 классов школы №27 г. Северодвинска. В анкетировании участвовало 197 учащихся. Результаты проведенного опроса я отобразил в таблице.

Вопросы Начальные классы Старшие классы

Да Нет Да Нет

№ 1 4% (3чел. ) 96% (88чел. ) 2% (2 чел. ) 98%(104 чел. )

№ 2 70% (64 чел. ) 30% (27 чел. ) 73% (78 чел. ) 27% (28 чел. )

№ 3 92% (84 чел. ) 8% (7 чел. ) 82% (87 чел. ) 18% (19 чел. )

№ 4 61% (56 чел. ) 39% (35 чел. ) 40% (43 чел. ) 59% (63 чел. )

Общие сведения

№ 1 5 человек знают о науке бионике - 3 % 192 - не знают - 97 %

№ 2 142 - замечали сходства - 72 % 55- не замечали - 27 %

№ 3 171 - согласны с утверждением - 87% 26 - не согласны - 13 %

№ 4 99 - привели примеры - 50 % 98 - нет примеров- 50%

По данным результатам я делаю вывод, что большая часть ребят не имеет представления о науке бионике. Однако, 72 % опрошенных наблюдали сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений. Большинство (87%) согласны с тем, что природа дает человеку множество примеров для технических изобретений. 50% респондентов смогли привести примеры на основе личных наблюдений или знаний. Таким образом, можно сделать вывод, что данная тема мало знакома большинству учащихся нашей школы. С этим вопросом я обращался к учителю биологии Лытасовой Н. В. и выяснил, что данную тему изучают лишь в 11 классе. Однако, в ходе опроса я наблюдал повышенный интерес и желание узнать об этой науке учащихся, как начальных, так и средних классов.

Заключение

Итак, в ходе своей работы я рассмотрел выдвинутую в начале исследования гипотезу, предполагающую, что мир создан совершенно, не требуя доработки, и человек в большинстве технических достижений лишь копирует свойства уже сотворённого. Для доказательства гипотезы я рассмотрел исторические факты попыток применения знаний о природе для решения инженерных задач и выяснил, что первые попытки относятся еще к 15веку.

Я прочитал книги и узнал о науке бионике. Бионика - особое направление в науке и технике, цель которого – использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники. В ходе работы я расширил свои представления об уникальных свойствах природных организмов, проанализировал связь технических открытий и существующих решений в мире природы. Оказалось, что пpupoдa дает человеку множество примеров для технических изобретений во многих областях его жизни. Человек не меняет свойства природных объектов, а напротив, широко их использует. Все это говорит о совершенном устройстве существующих живых организмов. Моя гипотеза нашла подтверждение.

Я делаю вывод, что природа не прячет от нас свои тайны, но делится ими. Тот, кто умеет быть внимательным к ней, переносит ее уникальные свойства и, благодаря этому, совершает новые технические открытия. Таким образом, природа служит для человека эталоном для творения нового!

По результатам опроса я сделал вывод, что большая часть ребят моей школы не имеет представление о бионике. Однако, среди них были те, кто наблюдал сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений и мог подобрать свои примеры. Проводя опрос, я наблюдал повышенный интерес и желание учащихся узнать об этой науке. Поэтому впоследствии я счел важным познакомить ребят с результатами моей исследовательской работы.

Полученные знания я отобразил в специальном альбоме, где показал способы применения свойств природных объектов в технических изобретениях. Также я подготовил выставку изделий, созданных на основе биологических знаний, и беседу.

Моя работа на этом не заканчивается: я продолжу поиск интересных фактов использования свойств природных явлений в технических открытиях.

Эта работа увлекла всех моих родных: мы не перестаем восхищаться и удивляться уникальности и совершенству всего сотворенного в мире природы!