Научно-исследовательская работа. Тема работы «Бионика учиться у природы: новейшие достижения и будущее. Бионика или удивительный мир живой природы Проект бионика по биологии

























1 из 24

Презентация на тему: Бионика

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

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.

№ слайда 3

Описание слайда:

№ слайда 4

Описание слайда:

Взаимосвязь природы и техники В прошлом отношение человека к природе было потребительским, техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепеннолюди начали бережнее относится к природе, пытаясь присмотреться кеё 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. 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.

№ слайда 5

Описание слайда:

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

№ слайда 6

Описание слайда:

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.

№ слайда 7

Описание слайда:

Архитектурная бионика Это новое явление в архитектурной науке и практике. Здесь и возможности поиска новых, 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 живой природы и формировании гармоничного ее единства с архитектурой.

№ слайда 8

Описание слайда:

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.

№ слайда 9

Описание слайда:

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.

№ слайда 10

Описание слайда:

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.

№ слайда 11

Описание слайда:

Нейробионика 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.

№ слайда 12

Описание слайда:

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.

№ слайда 13

Описание слайда:

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.

№ слайда 14

Описание слайда:

Застёжки-липучки 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.

№ слайда 15

Описание слайда:

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".

№ слайда 16

Описание слайда:

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.

№ слайда 17

Описание слайда:

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.

№ слайда 18

Описание слайда:

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.Крыши, отталкивающие водуВажную роль при строительстве домов играет крыша, котораядолжна защищать помещения здания от попадания воды.

№ слайда 19

Описание слайда:

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

№ слайда 20

Описание слайда:

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

№ слайда 21

Описание слайда:

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

№ слайда 22

Описание слайда:

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

Описание слайда:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com


Подписи к слайдам:

Значение биологии в жизни человека Бионика Работу выполнила Шутова Анастасия 10 «А»

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

Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Создание моделей требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей.

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960г. Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом– « Живые прототипы – ключ к новой технике ».

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера. Из современных учёных можно назвать имя Осипа М. Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики - полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже "запатентовано" природой. Такое изобретение ХХ века, как застежки "молния" было сделано на основе строения пера птицы, а "липучки" – прототип плодов репейника.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, 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 изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике - это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме "человек - машина".

Применение знаний бионики

В медицине

В транспорте

В архитектуре

Приборы и инструменты

Особенность передвижения насекомых была заложена японскими биониками в созданного им робота. Такой робот используется в поисковых работах на развалах или в горных районах. Он помогает искать людей под завалами. А, изучив структуру кожного покрова дельфинов, бионики создали уникальную обшивку для кораблей. Военные корабли с такой обшивкой способны развивать скорость на 20% выше, чем обычные.

Помимо теории бионик хороший практик и великолепный аналитик. Он должен обладать нестандартным, креативным мышлением. Бионик не берет свои идеи из воздуха. Он черпает их из природы, создавая технические аналоги органических систем. Бионика играет большую роль в жизни человека. Это одна из самых быстроразвивающихся наук нашего времени, мощный ускоритель научно-технической революции. Она обещает неслыханный расцвет производительных сил человечества, новый взлет науки и техники. Заключение


Чеснова Карина

В данной работе на тему «Бионика в архитектуре: природа – строитель, человек – подражатель?» проведен анализ и обобщение принципов архитектурной бионики в применении к различным строительным, техническим сооружениям и средствам.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №9

Г. Выксы Нижегородской области

БИОНИКА В АРХИТЕКТУРЕ:

ПРИРОДА – СТРОИТЕЛЬ, ЧЕЛОВЕК – ПОДРАЖАТЕЛЬ?

Физико-математическое отделение

Секция физическая

Работу выполнила

ученица 10 класса МБОУ СОШ №9

Чеснова Карина Ахлимановна

Научный руководитель:

учитель физики МБОУ СОШ №9

Демина Елена Константиновна.

г.Выкса

2012 г.

Аннотация…………………………………………………………………………3

Введение…………………………………………………………………………..4

1. Теоретическая часть

1.1 История зарождения науки «Бионика»……………………………………...6

1.2 Бионика как современное направление в физике…………………………..8

1.3 Архитектурно-строительная бионика и ее направления..………………...10

2 Практическая часть

2.1 Использование структур живой природы в архитектурной практике…...12

2.2 П в архитектуре…………...14

…………………………..15

2.4 Соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам……………………………………………………….17

2.5 Сравнение Эйфелевой и Шуховской башен……………………………….18

Заключение…………………………………………………………………...…..21

Список литературы………………………………………………………………22

Аннотация

В данной работе на тему «Бионика в архитектуре: природа – строитель, человек – подражатель?» я провела анализ и обобщение принципов архитектурной бионики в применении к различным строительным, техническим сооружениям и средствам. Это стало возможным после изучения научной литературы по теме «Бионика. Архитектурные сооружения».

Таким образом, целью данной работы стало

Методы исследования :

  • изучение научной литературы;

В результате проведенного исследования подтвердилась гипотеза о том, что природа – строитель всего в мире, а человек – ее подражатель.

Думаю, что моя работа «Бионика в архитектуре: природа – строитель, человек – подражатель?» будет интересна тем, кто интересуется всем новым, современным и перспективным, кто мечтает о своем теплом и уютном доме по принципам архитектурной бионики.

Введение

Знаете ли Вы, что через 15 лет в Шанхае должен появиться вертикальный 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".

И еще один факт: архитектор П. Солери спроектировал мост через реку длиной более километра по аналогии со свернутым живым листом. Эти примеры можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами.

Мне стало интересно узнать об этом подробнее. В результате моих поисков я познакомилась с одним из направлений современной физики – наукой бионика и ее видом - архитектурная бионика .

И вновь появились вопросы. Например, может ли человек пройти мимо заманчивой идеи - создать своими руками то, что уже создала природа?

Вид человеческий существует около ста тысяч лет. Естественно, в начале человек учился строить у природы. Звери, рыбы, птицы «подсказывали» тогда человеку, что и как надо делать, чтобы решить насущные для него «инженерные задачи».

А современный человек? Окружив себя множеством сложных машин, живя в мире больших скоростей, он снова идет «на поклон» к природе. Почему? Потому что и теперь человек подмечает много преимуществ в творениях природы перед своими собственными созданиями. Ведь у живой природы наиболее сложные материалы, устройства, технологические процессы по сравнению со всеми известными в науке. Именно с целеустремленного «подглядывания» за природой родилась новая наука - бионика.

С другой стороны, можно привести совершенно противоположный пример: Человек сконструировал колесо, которое сослужило ему немалую службу. А ведь известно, что в природе нет такого прототипа. Значит, не всегда стоит подражать природе?

Кто же настоящий строитель всего в мире: природа или человек? Каковы принципы архитектурной бионики и ее строительные технологии?

Поиск ответов на эти вопросы и послужили написанием исследовательской работы на тему «Бионика в архитектуре: природа – строитель, человек – подражатель?».

Актуальность исследования. Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Я считаю, что это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

Технократическое развитие последних десятилетий почти полностью подчинило себе образ жизни человека. Фактически, мы стали жителями искусственной «природы», созданной из стекла, бетона и пластика, экологическая совместимость которой с жизнью живого организма неуклонно стремится к нулю. Одним из способов восстановления равновесия, возврата к природе и может стать архитектурная бионика.

Перед началом исследования я для себя выдвигаю следующую гипотезу : природа – главный строитель всего в мире, а человек – лишь ее подражатель .

Таким образом, целью данной работы стало изучение принципов архитектурной бионики, исследование возможности и эффективности их применения для решения инженерно-технических задач.

Основные задачи исследовательской работы:

1) изучить направления и принципы развития архитектурной бионики;

2) оценить эффективность их применения для решения технических задач;

3) найти соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам;

4) сравнить всемирно известные архитектурные сооружения (Эйфелеву и Шуховскую башни) с точки зрения архитектурной бионики.

Методы исследования :

  • изучение научной литературы;
  • сравнительный анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть

1.1 История зарождения науки «Бионика»

С незапамятных времен пытливая мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сначала человек мог только мечтать об этом – научиться делать то, что сделала уже природа применительно к другим живым существам.

Каждое живое существо это совершенная система, которая является результатом эволюции многих миллионов лет. Изучая данную систему, раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в строительстве сооружений.

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи , который пытался построить летательный аппарат - орнитоптер , беря за прототип крылья птиц. Так он пытался пытался воссоздать строение птичьего крыла и механизма, приводящего его в движение.

Ученые эпохи Возрождения надеялись достичь желаемого решения посредством проведения строгих математических расчетов и выкладок и создания соответствующих механических конструкций. Ведь тогда механика, опиравшаяся на математику, занимала ведущее место в ряду всех зарождавшихся отраслей механического естествознания; поэтому-то и могло тогда казаться, что все загадки природы будут разгаданы именно с помощью механики и на её основе.

В соответствии с этим человек стремился к созданию механических моделей, которые могли бы имитировать интересовавшие его предметы и явления природы.

Когда прогресс науки привел к открытию фундаментальных законов не только механики, но и физики, химии, биологии и других отраслей естествознания, оказалось следующее: опираясь на эти законы, кладя их в основу соответствующих технических устройств, можно начать осуществлять одну за другой давнишние мечты человека.

Но какими отличными от живых существ оказались конструкции, устройства, инструменты и приборы, созданные человеком!

Достаточно сопоставить орган зрения – глаз – любого животного с некоторыми оптическими приборами и инструментами, сконструированными человеком, чтобы убедиться в том, насколько совершеннее естественный орган по сравнению с искусственным устройством.

В наши дни человек вернулся отчасти к своей первоначальной идее – по возможности полнее и точнее копировать в технике то, что достигнуто в живой природе, воспроизвести это в форме конкретных технических решений. Так зародилась новая наука – бионика.

Как и многие другие, важные направления современного научно-технического прогресса (например, кибернетика), бионика выросла из непосредственных запросов производственной практики. Возникла она на стыке между биологией и техникой, прежде всего, радиоэлектроникой и технической кибернетикой.

Здесь стыкуются такие далеко относящиеся друг от друга отрасли человеческого знания и практической деятельности, как БИОлогия и техНИКА.

Название «бионика» происходит от древнегреческого корня «bion» - элемент жизни, ячейка жизни или, более точно, элементы биологической системы. Суть бионики - синтезировать накопленные в различных науках знания.

Итак , бионика - прикладная наука, изучающая законы формирования и структурообразования живой природы, чтобы объединить познания биологии и техники для решения инженерно – технических задач.

1.2 Бионика как современное направление в физике

Мне стало интересно, а есть ли дата рождения науки «бионика»? Оказалось, что есть. Формальной датой рождения бионики - одной из новых наук, возникшей в недалеком XX в., - принято считать 13 сентября 1960 г . - день открытия первого американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы искусственных систем - ключ к новой технике».

Само собой разумеется, что проведение такого симпозиума стало возможным только потому, что к этому времени было накоплено большое количество данных о принципах организации и функционирования живых систем, а также появились возможности практического использования добытых знаний для решения ряда актуальных задач техники .

Различают несколько типов бионики :

- 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.

Сегодня бионика делится на два вида :

  1. нейробионика;
  2. архитектурно - строительная бионика.

Нейробионика - наука об организации технических систем из нейроподобных элементов. Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных, и моделирование нервных клеток - нейронов и нейронных сетей, что дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Меня же заинтересовало другое направление бионики - архитектурно - строительная бионика, более подробное описание которой будет дано ниже.

Изучая информацию о бионике из различных источников, я пришла к выводу, что единого мнения о содержании этой науки до сих пор нет .

Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку. Но одно я поняла для себя точно: бионика - едва ли не самая популярная из молодых наук, возникших в ХХ веке и развивающаяся в XXI веке .
Также я узнала, что у бионики есть символ : скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла ... Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто... ... Возможно, развитие бионики уже в скором времени сделает многое непривычным в мире техники... И это еще больше меня притягивает в этой науке.

Рис.1 Символ бионики

1.3 Архитектурно-строительная бионика и ее направления

К настоящему времени в архитектуре сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны, стремительное развитие технологий строительства, теорий расчета конструкций, производства новых материалов, систем компьютерного проектирования, а с другой - все тот же человек (архитектор, заказчик, будущий потребитель), возможности которого формально ограничены лишь бюджетом и фантазией. В этой ситуации архитекторы поневоле обратили свои взоры к живой природе.

Рассматривая возможности воплощения сложнейших инженерных идей, человек не мог не обратить свое внимание на результат деятельности гениальнейшего архитектора Вселенной – природу. За миллионы лет она создала такие совершенные формы и структуры, которые идеально организованы, гармонично взаимодействуют между собой и находятся в равновесии с окружающей средой. Возможность использования опыта живой природы в строительстве современных архитектурных сооружений и стала предметом изучения этого архитектурного направления.

Архитектурно - строительная бионика – наука, которая изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности.

К началу 1980-х годов благодаря многолетним усилиям коллектива специалистов ЦНИЭЛАБ (лаборатория архитектурной бионики) архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление в архитектурной науке и практике. Были созданы многочисленные архитектурные проекты, проведены испытания новых конструкций, написаны и опубликованы сотни статей…

В результате многолетних теоретических и экспериментально - проектных работ лаборатории Ю.С.Лебедева сложились основные направления развития архитектурной бионики как науки :

Основные теоретические положения;

Методика архитектурно - бионического моделирования;

Использование форм живой природы в архитектурной практике;

Проблемы формообразования живой природы;

Вопросы обеспечения жизнедеятельности живых систем;

Проблема использования в архитектуре природных проявлений гармонии - пластики, пропорций, ритмов, симметрии - асимметрии;

Исследование тектонических форм живой природы, принципов их трансформации и способности природных конструкций накапливать упругую энергию;

Вопросы гармоничного формирования архитектурно - природной среды (экологический аспект архитектурной бионики).

Каждое из направлений архитектурной бионики имеет относительно самостоятельное значение, однако все они нацелены на решение единой задачи совершенствования архитектурных форм, их гармонизацию.

Архитектурная бионика сегодня, в начале XXI века, приобретает особое значение, так как рассматривает в совокупности систему «живая природа (среда) - архитектура (техника) - человек», благодаря чему социальная и техническая сферы получают возможность развиваться в гармоническом единстве с окружающей природой.

Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Можно сказать, что это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

2 Практическая часть

2.1 Использование структур живой природы в архитектурной практике

В ходе исследования я выяснила: оказывается, принципы живой природы в строительстве и технике ранее уже применялись, хотя и, в большинстве случаев, неосознанно.

Например, не так давно, во второй половине XX века, инженеры совершенно неожиданно открыли, что прочность Эйфелевой башни связана с тем, что ее конструкция в точности повторяет строение большой берцовой кости человека (совпадают даже углы между несущими поверхностями), хотя при создании башни инженер не пользовался живыми моделями. Большая берцовая кость - с амая прочная кость нашего скелета, на нее ложится наибольшая тяжесть при поддержании тела в вертикальном положении. Эта кость способна выдержать нагрузку до 1500 кг (хотя ее масса только около 0,5 кг), т.е. примерно в 25 раз больше ее обычной нагрузки. Таков запас технической прочности природной конструкции.

Еще один пример: структура современных высотных сооружений (Останкинская башня, фабричные трубы и др.) полностью аналогична структуре стеблей злаков , которые способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) стеблей - кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.
___ _ Подобно конструкции листа дерева выполнено покрытие Олимпийского сооружения - велотрека в Крылатском (г.Москва).

В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение 20-го века, как застежки «молния» и «липучки » , было сделано на основе строения пера птицы . Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.

Известные испанские архитекторы М. Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, 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 ».
___ _ Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1228 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами - перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов - разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты - аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи . Если строительство пройдет успешно, планируется построить ещё несколько таких зданий-городов.
___ _

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.

2.2 П роблемы формообразования живой природы в архитектуре

Кроме зданий, в конструкции которых используются принципы и структуры живой природы, к бионическом сооружениям относят и те, которые копируют не биологические структуры, а формы .

А первым, кто начал воспроизводить формы природы в архитектуре, считается испанский архитектор Антонио Гауди . И это был прорыв! Пожалуй, самые яркие его творения в бионическом стиле - Дом Висенса и Дом Мила в Барселоне (1883-1888), Эль Каприччо в городке Комильяс (1883-1885). Позднее, в 1900 – 1914 гг., Антонио Гауди построил в Барселоне уникальный архитектурный комплекс – парк Гуэль , многие строения которого не только имитируют разнообразные природные формы – от морских змеев до птичьих гнезд и стволов деревьев, но и буквально врастают в природный ландшафт – холмы и террасы. До сих пор парк именуют не иначе как «природа, застывшая в камне».

В начале 1920-х годов при строительстве своего антропософского центра – Гетеанума природные формы использовал Рудольф Штайнер.

Затем появился небоскреб в форме огурца в Лондоне.

С недавнего времени бионическую архитектуру можно увидеть и в России. В 2003 году в Санкт-Петербурге по проектам архитектора Бориса Левинзона были построен «Дом Дельфин» и оформлен холл известной клиники «Меди-Эстетик».

2.3 Экологический аспект архитектурной бионики

Мы, люди, всегда стремимся к комфортабельному жилью. Для нас всегда важно, чтобы место, где мы живем, работаем, отдыхаем, соответствовало нашему внутреннему мироощущению. Но, к сожалению, в силу определенных обстоятельств Советская стройка не могла дать нам того, чего мы хотели. Только недавно, а именно 10-15 лет назад наше общество смогло воочию убедиться, что «хрущевки» и «свечки» - это все-таки не предел мечтаний. Живя в мегаполисе, человек постоянно находится в состоянии стресса. Однотипные многоэтажки с рядами одинаковых окон, серые тона, бетон и давящие своей высотностью «ультрасовременные» здания оказывают депрессивное воздействие на психику. Снять этот негативный эффект может превращение своего дома в место отдохновения глаз и пункт эстетической подзарядки.

Еще одна концепция бионической архитектуры – создание эко-домов , которые строятся из природных материалов, органично вписываются в природный ландшафт и являются автономными самообеспечивающимися системами.

С этой точки зрения, к бионической архитектуре можно отнести все еще привычные нам деревенские дома, являющиеся частью вполне автономной системы отдельных сельских хозяйств. Все они являются своего рода эко-домами с той лишь разницей, что современная концепция эко-дома шагнула дальше: сегодня при проектировании экологичного жилья большое внимание уделяется разработке систем, которые позволяли бы использовать энергоресурсы природы для обеспечения его обитателя современными благами цивилизации – светом, теплом, горячей водой.

Так или иначе, все направления архитектурной бионики заслуживают внимания. Еще более интересным и целесообразным кажется синтез этих направлений. Многие архитекторы в настоящее время активно работают над проектами, которые объединяют все бионические принципы – и воспроизведение структур и систем живой природы, и подражание ее формам, и экологичность.

Сейчас, например, ученые занимаются глубоким изучением механизма фотосинтеза. С их точки зрения, этот процесс, наряду со многими другими функциями зеленого листа, может быть использован для создания так называемых «дышащих» стен, кровли-мембраны или нового поколения экологически чистых строительных материалов.

Меня же заинтересовали эко-дома из экологически чистой соломы . Солома представляет собой необычайно доступный и дешевый материал. Для того чтобы вырастить достаточное количество соломы для постройки одного дома площадью 70 м 2 , необходимо от 2 до 4 гектаров земли. При этом используется то, что обычно рассматривается в качестве отходов. Ведь основная масса соломы, остающейся после уборки урожая, сжигается. Соломенные блоки являются прекрасным теплоизолятором. Многие их тех, кто живет в соломенных домах, отмечают, что их расходы на отопление всегда в два раза меньше чем у соседей, которые живут в обычных домах.
Теплопроводность у стен, сложенных из соломенных блоков, намного ниже, чем у стен из общепринятых материалов. В частности солома по своим показателям превосходит дерево в 4 раза. Что касается кирпича, то в этом случае речь идет о семикратном превосходстве. Строительство домов из соломенных блоков является перспективной техникой. Прежде всего это связано с низким уровнем строительных затрат и простотой возведения. Кроме того, здесь в значительной мере остается место для эксперимента и проявлений индивидуальной творческой мысли.

Уже сейчас в городах мира появляется все больше «биморфных» зданий, поражающих своей красотой и гармоничностью, все чаще в конструкциях жилых домов и общественных зданий используются солнечные батареи и другие альтернативные источники энергии. Возможно, когда-нибудь наши дома будут похожи на птиц, деревья или цветы, сливающиеся с окружающими пейзажами, а технические решения позволят нам дышать чистым воздухом и жить в естественной природной среде, не причиняя ей вреда.

2.4 Соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам

После изучения и анализа научной литературы, информации сети Интернет по изучаемой теме я решила весь найденный материал обобщить в кратком виде. Эти данные представлены в сравнительной таблице 1.

Таблица 1 « Соответствие биологических систем строительным и техническим сооружениям и средствам»

Принцип архитектурной бионики

Биологическая (природная) система

Пример технического сооружения или средства

Структуры живой природы

Строение большой берцовой кости

Эйфелева башня (Париж)

Структура стеблей злаков

Останкинская телебашня (Москва), фабричные трубы

Конструкция листа дерева

Велотрек в Крылатском (г. Москва0

Конструкция свернутого живого листа

Мост длиной 1 км через реку (П.Солери)

Конструкция дерева

Вертикальный город-башня (Шанхай, через15 лет)

Пористая поверхность кожи

Облицовка зданий

Ракушки глубоководных моллюсков

Создание слоистых строительных конструкций, покрытие автомобилей

Строение пера птиц

Застежки «молния» и «липучка»

Строение крыла птицы

Летательный аппарат «орнитоптер» Леонардо да Винчи

Формы живой природы

От морских змеев до птичьих гнезд и стволов деревьев

Парк Гуэль А.Гауди (Испания)

Огурец

Небоскреб в Лондоне

Дельфин

«Дом Дельфин» в Санкт-Петербурге

Небоскреб SONY в Японии

Здание правления NMB Bank в Нидерландах

Мотивы морских раковин и птичьего крыла

Здание Сиднейской оперы

Экологичность

Экологичные природные материалы: дерево, глина, солома

Эко-дома, пассивные дома

Механизм фотосинтеза: функции зеленого листа

«Дышащие» стены, кровля-мембрана, новое поколение экологически чистых строительных материалов

2.5 Сравнение Эйфелевой и Шуховской башен

Ярким примером единства закона формирования естественных и искусственных структур я считаю всемирно известную трехсотметровую металлическую ажурную конструкцию – Эйфелеву башню в Париже.

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. 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. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем

Я живу в Выксе, в городе с богатым историческим и культурным наследием, который является хранителем богатейших индустриальных традиций. Среди памятников индустриального наследия в Выксе находятся уникальные инженерные сооружения В.Г. Шухова, которые рассматриваются специалистами как потенциальные объекты всемирного культурного наследия.

Мне стало интересно сравнить две всемирно известные башни: Эйфелеву и Шуховскую, особенно, с точки зрения архитектурной бионики.

Оказалось, что принципы архитектурной бионики использовались при конструкции только Эйфелевой башни, а проект конструкции башни Шухова основывается на математическом моделировании однополостного гиперболоида (и это оказалось даже экономически выгодным и широко используемым!). Значит ли это, что человеческая мысль шагнула дальше природной?

Результаты моего исследования представлены в таблице 2.

Таблица 2 «Сравнение Эйфелевой и Шуховской башен»

Вопросы для сравнения

Эйфелева башня

Шуховская башня

Инженер-конструктор

Александр Гюстав Эйфель (1832-1923)- французский инженер, специалист по проектированию стальных конструкций.

Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939)
русский инженер, изобретатель, ученый, почетный академик, Герой Труда, член ЦИК СССР.

Время и место появления

Построена в 1889 году в Париже как входная арка к Всемирной выставке. Принадлежит к замечательнейшим техническим сооружениям XIX века и ставшая впоследствии своеобразным символом столицы Франции.

Построена для Всероссийской промышленной и художественной выставки в Нижнем Новгороде , проходившей с 28 мая (9 июня ) по 1 () октября года.

Принцип строительной конструкции

Основание Эйфелевой башни представляет собой квадрат со стороной в 123 метра . Ее нижний ярус, имеющий вид усеченной пирамиды , состоит из четырех мощных опор, решетчатые конструкции которых, соединяясь между собой, образуют огромные арки. Башня имеет несколько платформ и площадок.

Во многих вопросах строительства башни Эйфель стал пионером: исследование свойств и напластований грунта, использование сжатого воздуха и кессонов для устройства основания, установка 800-тонных домкратов для регулирования положения башни, специальные монтажные краны для работы на высоте. В процессе работы рождались новинки строительной техники и оборудования.

Однополостный гиперболоид и гиперболический параболоид - дважды линейчатые поверхности , то есть через любую точку такой поверхности можно провести две пересекающиеся прямые, которые будут целиком принадлежать поверхности. Вдоль этих прямых и устанавливаются балки, образующие характерную решётку. Такая конструкция является жёсткой : если балки соединить шарнирно, гиперболоидная конструкция всё равно будет сохранять свою форму под действием внешних сил. Для высоких сооружений основную опасность несёт ветровая нагрузка, а у решётчатой конструкции она невелика. Эти особенности делают гиперболоидные конструкции прочными, несмотря на невысокую материалоёмкость.

По форме секции Шуховской башни - это однополостные гиперболоиды вращения, сделанные из 80 прямых стальных балок, упирающихся концами в кольцевые основания. Высота башни - 25м.

Технические характеристики

Башня с удивительной легкостью вздымает на 300 с лишним метров 7 тысяч тонн металлических конструкций, словно сплетенных в удивительное кружево. Вес башни равен 10 000 тонн, причем он распределен на 4 опоры таким образом, что давление не превышает 4 кг на квадратный сантиметр (это такое же давление, как и давление на стул, на котором сидит лишь один человек весом 80 кг). Площадь основания 130 кв.метров, число ступеней лестницы – 1665 в восточной опоре.

Ажурная стальная конструкция сочетает в себе прочность и легкость: на единицу высоты Шуховской башни израсходовано в три раза меньше металла, чем на единицу высоты Эйфелевой башни в Париже. Проект Шуховской башни высотой 350 метров весит около 2200 тонн, а Эйфелева башня при высоте 300 метров весит около 7300 тонн.

Принципы архитектурной бионики

Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости. Конструкция Эйфелевой башни имеет сходное строение с берцовой костью человека, и благодаря этому обладает достаточной прочностью.

Цели эксплуатации

Сначала как арка входа на Всемирную выставку, затем как радиобашня и туристический центр – символ Франции.

Первая башня в Н.Новгороде – водонапорная

Аналогичные известные конструкции

В индийском Мумбаи построят аналог Эйфелевой башни высотой 275 метров. Это небоскреб с эксклюзивными квартирами. Планируется, что в башне будет 90 этажей.

Радиобашня на Шаболовке в Москве (150м) -1922г.;

Водонапорная башня на территории Выксунского металлургического завода (40м) – конец 19в. Всего за свою жизнь В.Г.Шухов построил около 200 гиперболоидных башен различного назначения.

Применение в настоящее время

Но не своими характеристиками или уникальными техническими решениями известна Эйфелева башня. Ныне это самая узнаваемая и популярная в мире достопримечательность, ежегодно башню посещает около 6 млн. туристов, а всего за всю историю у башни было около 300 миллионов гостей.

Шуховская башня - одно из величайших архитектурных сооружений и вершина инженерной мысли, объект культурного наследия.

Шуховская башня признана международными экспертами одним из высших достижений инженерного искусства.

Заключение

Каждое живое существо - это совершенная система, которая является результатом эволюции многих миллионов лет. Изучая данную систему, раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в строительстве сооружений. С помощью бионики человечество пытается привнести достижения природы в собственные технические и общественные технологии.

В результате работы над исследованием на тему «Бионика в архитектуре: природа – строитель, человек – подражатель?» я пришла к следующим результатам и выводам :

  • познакомилась с определением, историей возникновения и типами науки бионика как одним из направлений современной физики;
  • изучила принципы архитектурной бионики и нашла им соответствие на практике;
  • выяснила, что архитектурная бионика - одно из самых современных и перспективных направлений современной инженерной науки, дающее практические неограниченные возможности для создания архитектурных сооружений и решения многих технических задач;
  • эко-дом – дом будущего;
  • конструкция Эйфелевой башни имеет в основе бионический принцип, а проект конструкции башни Шухова – нет (математическое моделирование однополостного гиперболоида). И это оказалось даже экономически выгодным и широко используемым!
  • несмотря на последний вывод, моя гипотеза о том, что природа – строитель всего в мире, а человек – ее подражатель, все-таки, в целом, верна.

Бионические формы проникли в нашу повседневную жизнь и ещё долгое время будут играть в ней значительную роль. Изучение природы человечеством ещё далеко не закончено, но мы уже получили у природы бесценные знания о рациональном строении и формообразовании, что, безусловно, доказывает актуальность и перспективность изучения науки бионики во всех её аспектах.

Одним словом, природа содержит в себе миллионы идей и моделей для созидания.

Список литературы

  1. Крайзмер Л.П., Сочивко В.П., Бионика, 2 изд., М., 1968
  2. Лебедев Ю.С., Рабинович В.И. и др. Архитектурная бионика, Стройиздат, 1990
  3. Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967
  4. Игнатьев М.Б. "Артоника". Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений". Высшая школа, М., 2004
  5. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М.Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967
  6. Белькова Е.В. Межпредметный элективный курс «Изобретатель – природа». Статья в журнале «Современный урок» №8. 2009
  7. Нижегородская деловая газета / "Нижегородская деловая газета" № 5 (104) от 03.05.2010 г. / Будет ли Шуховский ренессанс?

Бионика

Исследовательская работа

Введение

1.1.Наука бионика

1.2.1.Архитектурная бионика

1.2.2.Нейробионика

1.2.3. Техническая бионика

2.1. Опрос по проблеме

2.2.1.Здание

2.2.2.бассейн

2.2.3.био автомобиль

2.2.4. мебель

Заключение

Список литературы

Введение

С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях. Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг. до н.э.) писал: «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ (1)...»

Прочитав высказывание Демокрита, я задумался, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы. Человека издавна удивляло и восхищало совершенство природы, поэтому он стремился изучить её, многое позаимствовать у неё. Найти, изучить удивительные «изобретения» растений и животных и применить их в науке, архитектуре, технике – вот основная задача бионики. Бионика (от греч. Слова «бион» - элемент жизненной системы, ячейка жизни) – молодая наука с огромным будущим. Меня заинтересовала эта тема, и я решил изучить её. Каждый лист, каждая травинка, каждый лепесток могут служить живой моделью технической конструкции и быть использованы при проектировании различных типов сооружений и их элементов. Искусство, архитектура, дизайн, промышленность – это только некоторые сферы, где используют живые организмы.

Я решил взять за основу некоторые объекты живой природы и на их основе создать нечто сложное и интересное, что можно было бы применить в повседневной жизни.

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

В ходе этой работы я буду решать следующие задачи:

1) Подобрать и проанализировать соответствующую литературу по теме;

2) Найти факты, подтверждающие существование объектов, при проектировании которых использованы законы природы;

3) расширить свои знания об уникальных свойствах природных организмов;

4) предложить свои идеи применения свойств природных объектов в технических изобретениях (создание альбома);

Глава 1

1.1.Наука бионика

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 (1).

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» (2).

1.2.1.Архитектурная бионика

На всем протяжении истории человек в своей архи­тектурно-строительной деятельности сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы.

Хижина южноамериканских индейцев и термитник

Человек, как известно, постепенно развивался от древнейших приматов млекопитающих к состоянию «гомо сапиенс». Одновременно шло и усложнение архитектурных строений.

Оформление капителей колонн храмов Древнего Египта по аналогии с формами цветов лотоса и папируса(4).

Современная архитектура не имеет границ. Наиболее интересен среди существующих проектов – город-башня в Шанхае. Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м., а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами - перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов - разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты - аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов (6).

1.2.2.Нейробионика

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. Благодаря бионики созданы миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта. Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных - также одна из важных задач бионики., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи км, могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе (3). Спроектировать такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с "тараканьими мозгами".

Ученые же из Австралийского национального университета подробно изучили полет стрекозы. Они пришли к выводам, что "несмотря на очень маленький мозг, эти насекомые способны выполнять быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения". Новые летательные аппараты, сконструированные по "образу и подобию" хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы. А вот пример, который можно взять с другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции (6).

1.2.3. Техническая бионика

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер - внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход - крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов (4).

Глава 2

В условиях современного города: суеты, шума и серости, а также вечной нехватки времени, человек неосознанно страдает от недостатка чистых, сочных красок и причудливых форм живых растений и животных. Это противоречие между стремлением человека приблизится к природе и невозможности его осуществления может разрешить бионический стиль. В своей работе я пытаюсь найти пути разрешения этого противоречия. Разработанный мною дизайн-проект в этом стиле хотя бы немного поможет человеку почувствовать себя в гармонии с природой. Моя исследовательская работа – это возможность самой разобраться в законах жизни.

2.1. Опрос по проблеме

Следующим этапом моей работы был опрос учеников и учителей нашей школы. 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 1-11 классов и учителей. Всего в анкетировании участвовало 54 человека. Результаты проведенного опроса я отобразил в таблице.

Таблица 1

Результаты опроса

Начальное Звено

Среднее Звено

Номер вопроса

Ответ «Да»

Ответ «Нет»

Ответ «Да»

Ответ «Нет»

Ответ «Да»

Ответ «Нет»

100% (15чел.)

100% (15чел.)

100% (15чел.)

По данным результатам я делаю вывод, что большая часть ребят не имеет представления о науке бионике. Однако более 80 % опрошенных наблюдали сходство внешнего вида животных, их способностей со свойствами и внешней формой каких-либо технических изобретений. Большинство согласны с тем, что природа дает человеку множество примеров для технических изобретений. Радует то, что многие учащиеся нашей школы смогли привести примеры на основе личных наблюдений или знаний. В ходе опроса я наблюдал повышенный интерес и желание узнать об этой науке учащихся, как начальных, так и средних классов.

2.2. Создание альбома по теме.

Полученные знания я отобразил в специальном альбоме, где показал способы применения свойств природных объектов в технических изобретениях.

2.2.1.Здание (приложение 1)

Людям надоели обычные здания, роскошные особняки, экологические жилища, «умные» дома. Они хотят всего и сразу в одном здании, вдобавок ко всему – необычной формы. Долой безликие коттеджи – жить в скучных домах вредно. Тем более что фантазия безгранична, будь это каменные или деревянные дома. Первым объектом для своего исследования я решил взять пресноводный полип гидру и на его основе спроектировать здание. Это маленькое животное, длинной около 1 см, будет соответствовать 3 этажам жилого дома. Кишечная полость, внутри полипа как раз подойдет для передвижения лифта. Щупальца, находящиеся в верхней части гидры, превратятся в солнечные батареи. Современные солнечные модули не требуют для выработки электроэнергии прямых солнечных лучей. Они заряжают аккумуляторы и при облачном небе, и в дождь, и в пасмурную погоду. Энергия солнца отличается своей экологической чистотой и дешевизной. Технология солнечных батарей позволяет использовать неограниченную энергию солнца, не нанося ущерб окружающей среде. Использование солнечных батарей в России распространено не очень широко, но, несомненно, будущее именно за ними.

В наружном слое тела гидры имеются очень маленькие округлые клетки с крупными ядрами. Эти клетки называют промежуточными. Они играют в жизни гидры очень важную роль. При всяком повреждении тела промежуточные клетки, расположенные вблизи от ран, начинают усиленно расти. Из них образуются кожно-мускульные, нервные и другие клетки, и раненое место быстро зарастает. Что, если на основе этой способности гидры усовершенствовать цементный раствор для скрепления кирпичей. Пусть в этом растворе содержится вещество, способное разбухать при попадании воды в трещины здания, и таким образом восстанавливать целостность здания.

Краска для здания тоже будет необычной. Простая краска, которую наносят на здания, впитывает в себя воду, а вместе с ней пыль и грязь. Не очень хорошая особенность для современного дома. В природе есть растения, листья которых не впитывают воду (лист лотоса, лепестки розы). Вода с их поверхности скатывается и уносит с собой частички пыли. Если современная краска будет обладать таким свойством, то поверхность зданий будет всегда чистой.

2.2.2.бассейн (приложение 2)

Живя в мегаполисе, человек постоянно находится в состоянии стресса. Однотипные многоэтажки с рядами одинаковых окон, серые тона, бетон и давящие своей высотностью здания оказывают депрессивное воздействие на психику. Чувство пустоты от агрессивной визуальной среды с годами настолько врастает в мозг, что его перестают замечать, однако это не мешает ему превращаться в неврозы и астению. Снять этот негативный эффект может превращение архитектуры в место отдыха для глаз и пункт эстетической подзарядки.

«Сказка для взрослых» - именно так очень часто называют стиль бионика. Прежде всего, потому, что все сооружения, оформленные в этом направлении, выглядят неповторимо и удивительно, а вдохновителем для архитекторов в данном случае выступает сама природа. В архитектуре бионика стремится подражать в своих формах естественности природной среды, анатомии и внешнему виду творений живой и неживой природы. Но так как сооружение, предназначенное для жизни или для отдыха людей, должно быть еще и функциональным, а не просто выглядеть как дерево или одуванчик, архитекторы чаще ограничиваются метафорой живого организма. Все должно быть антигеометрично – здания в этом стиле игнорируют четкие линии и строгие углы в девяносто градусов. Стены сооружения подобны клеточной мембране, их выпуклые и вогнутые поверхности ритмически чередуются, создавая тем самым видимость живого дышащего существа. Проект бассейна, который мы представляем внешне похож на божью коровку. Наш бассейн может функционировать в любое время года. Благодаря возможности поднимать «крылья» сооружения можно наслаждаться купанием под открытым небом. Яркая окраска нашего сооружения не даст пройти мимо детей, которые приведут туда за руку и своих родителей. Надеюсь, что в ближайшем будущем благодаря таким объектам увеличиться количество спортсменов – плавцов и количество золотых медалей на олимпийских играх.

2.2.3.био автомобиль (приложение 3)

В последнее время возникла мода на нестандартные и экологичные авто. И уже эко-машины с применением высоких технологий разрабатываются такими авторитетными гигантами, как «Форд», «БМВ», «Пежо» и др.

Наш автомобиль внешне напоминает лист растения. Топливом для него будет служить жидкий воздух. Первые автомобили на таком виде топлива уже существуют и хорошо себя зарекомендовали с экологической точки зрения. Помимо необычного внешнего вида, у нашего автомобиля особенные шины, которым позавидовал бы любой водитель. Известно, что сердце постоянно перекачивает кровь по сосудам, при этом в крови постоянно поддерживается давление на одном уровне. Что если эту особенность применить в строении шин? У нашего автомобиля шины, которые могут накачиваться сами. Шины накачиваются автоматически благодаря пульсирующему насосу, который срабатывает время от времени, сохраняя в шинах постоянный безопасный уровень давления. Это не только увеличит степень безопасности на дорогах, но и внесёт свой вклад в дело экономного использования горючего (машины с недокаченными шинами используют больше горючего), в результате чего снизится выброс углекислого газа в атмосферу и повысится продолжительность эксплуатации шин.

2.2.4.мебель (приложение 4)

Зеленая волна прокатилась по всему миру. Сегодня миллионы людей искренне мечтают ощутить, что они живут не в шумном мегаполисе, а на лоне природы. Эко стиль позволяет создать иллюзию того, что ваш дом - это островок природного благополучия. Подражание природным мотивам, использование натуральных экологически чистых материалов и следование концепции простоты - вот те качества, которые принесли этому стилю оглушительный успех. Когда дизайнер начинает работать над таким интерьером, его главная задача - воссоздать в городской квартире или в загородном доме картины природной среды. То есть, вся обстановка квартиры должна быть решена в «природном» ключе, должна гармонировать с природой и дарить домочадцам ощущение покоя и умиротворения.

С точки зрения геометрии, современный синтетический мир, созданный человеком, состоит из прямых линий и углов. Квадраты улиц и домов таят в себе квадраты комнат, окон, телеэкранов, стульев и письменных столов. Двери, ящики, комоды, радиаторы и кондиционеры, полки, шкафы и коробки есть совокупность квадратов и их прямоугольных братьев. Квадрат – изобретение сугубо рационалистическое, в природе он попросту не существует. В организме человека нет квадратных органов, они отсутствуют и в строении тел животных. Не существует квадратных планет, светил и растений. Природа не создает квадратных форм – за исключением редких кристаллов. Человеческий глаз, голова, Солнце, яйцеклетка, водоворот, сердцевина цветка, озеро имеют округлую форму. Круг символизирует круговорот жизни, тогда как квадрат является символом всего неживого и искусственного.

Интерьер в стиле бионики отличается плавными изгибами, большим пространством, наполненностью помещения светом и свежим воздухом. Данный стиль дает дизайнеру много свободы при манипуляции с формой и пространством помещения или здания. Порой дело доходит до пространственных иллюзорных эффектов.

Дизайн мебели, который мы представляем, напоминает лист растений. Цвет яркой сочной зелени сочетается с округлыми формами. Если остальную мебель подобрать в том же стиле, то вся комната будет похожа на сказочный островок природы.

Заключение

Источник вдохновения для бионики - природа. Она настолько мудра, что придумала множество идеальных форм и конструкций. Человеку остается только, наблюдая, копировать их. Структура пчелиных сот, спиралевидная морская раковина, анатомическое строение насекомых - готовые модели, которые можно использовать где угодно, в том числе и в интерьере. То, какой стиль мы выберем для своего нового дома или дачи, зависит только от нашей фантазии и материальных возможностей. Бионика доказала, что архитектура – это не только палочки и кирпичики. Применить элементы бионики у себя дома или на участке может каждый. В интерьере – это, прежде всего, светильники и мебель, формы для которых позаимствованы у самой природы. Их, кстати, можно изготовить своими руками. Ландшафт на участке нетрудно сделать неповторимым. Для этого лишь обратите внимание на уже имеющиеся камни, ветви, трещины и т.д. Применив немного фантазии, можно создать альпийскую горку (сооружение из камней и растительности, присущей высокогорному климату). Если имеется большое старое дерево, не спешите его пилить. Его дупляные полости можно использовать, например, как емкость для вещей или даже как беседку для отдыха. Здесь не нужен будет кондиционер, так как даже в зной дерево обеспечит постоянную температуру примерно 22 градуса. Как показывает практика, потенциал неизученных секретов природы огромен. Не надо только бояться их изучать, не надо ограждаться от природы стенами построек, разрушая при этом наш общий дом.

Выводы:1. Очень многое из того, что сделано руками человека, люди придумали не сами, а с «подсказкой» матери-природы.

2. Ученые продолжают исследовать объекты живой природы для того, чтобы почерпнуть свежие идеи для создания новых технических устройств.

3. Надеюсь, что мои идеи применения свойств живых объектов в технических изобретениях, окажутся полезными.

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!

Любите свою планету, берегите животных и растения, которые окружают нас. Они откроют свои тайны!

Список литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/

2. http://bio-nica.narod.ru/

3. http://www.luxurynet.ru/architecture/3634.html

4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/stroitel/1032

5. http://cih.ru/ab/b1.html

6. http://moikompas.ru/compas/bionic

7. http://www.visual-form.ru/article/004.html

8. http://www.existenzia.ru/idea/bionika

9. http://www.formundraum.ru/stili-v-dizajne/bionika/

10. http://kraevedenie.net/2010/01/24/bionika-neftesbor/

11. http://suslov-oleg.com.ua/ocherk.php

12. http://www.bazil-maestro.com/articles/bionika

СХОЖИЕ СТАТЬИ