В готовой исследовательской работе по биологии на тему "Бионика: технический взгляд на живую природу" автор проекта дает определение понятия "бионика", рассказывает, когда и при каких обстоятельствах образовалась наука бионика, на стыке каких наук она существует и изучением чего занимается.

Подробнее о работе:

Учебный проект по биологии на тему "Бионика: технический взгляд на живую природу" рассматривает науку бионику, как науку, выявляющую особенности строения и функционирования отдельных представителей животного и растительного мира и применение их на благо человечества. В рамках проекта автор определил важность значения бионики в развитии научно-технического прогресса.

В исследовательском проекте по биологии "Бионика: технический взгляд на живую природу" учащийся 9 класса школы познакомился с разделами и направлениями исследуемой науки бионики, рассмотрел существующие сегодня бионические формы, созданные на основе особенностей строения и функционирования животных и растений, а также выяснил, каким образом человек использует «естественные» изобретения живых организмов при создании искусственных устройств на благо человека. Результатом практической работы стала картотека терминов по исследуемому вопросу.

Оглавление

Введение
1. Что такое бионика?
1.1 Понятие бионика.
1.2 История создания науки.
1.3 Мудрая природа.
1.4 Бионический подход.
1.5 Разделы битники.
1.6 Основные направления работ в бионике.
1.7 Основные направления бионики.
2 Исследовательская часть.
2.1 Современные открытия, «подсмотренные» у природы.
2.2 Анализ полученных знаний по предмету биология и собственного жизненного опыта.
Заключение
Список литературы
Приложения

Ещё в глубокой древности 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.

Человек и сегодня, снова и снова обращается за знаниями к Природе. Это связанно с тем, что люди со временем стали подмечать много преимуществ в творениях природы перед своими техническими изобретениями. Ведь у живой природы наиболее сложные материалы, устройства и процессы по сравнению со всеми творениями человечеств. Вот люди и стали больше наблюдать за окружающим миром и находить в нём необходимые для человека полезные вещи.

Мне стало интересно узнать, какая наука помогает людям делать новые изобретения, приоткрывая тайны природы? Какие изобретения«подсмотренные у природы» мы используем в своей жизни.

Цель моей работы: изучение науки бионики, как науки, выявляющей особенностей строения и функционирования отдельных представителей животного и растительного мира и применение их на благо человечества.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

Теоретические задачи:

• изучить литературу по данной теме:
• раскрыть суть понятия – «бионика»;
• ознакомиться с историей появления науки;
• определить важность значения бионики в развитии научно-технического прогресса;
• познакомиться с разделами и направлениями исследуемой науки;
• рассмотреть существующие сегодня бионические формы, созданные на основе особенностей строения и функционирования животных и растений;
• выяснить, как человек использует «естественные» изобретения живых организмов при создании искусственных устройств на благо человека;
• исследовать современные открытия, «подсмотренные у природы»

Практическая задача:

• Создать познавательную картотеку «Биология + Техника» для школьников начального и среднего звена на основе данных о бионических формах животных, изучаемых на уроках биологии и собственных жизненных наблюдений.

Следовательно, из поставленной цели и задач определяем предмет исследования и выдвигаем гипотезу нашего проекта.

Предмет исследования: особенности строения и функционирования некоторых представителей живых организмов и технические изобретения человека.

Гипотеза: мир создан совершенно, не требуя доработки, и человек в большинстве технических достижений лишь копирует свойства уже сотворённого.

В ходе работы над проектом применялись следующие методы:

Методы теоретического уровня:

• изучение научной литературы в разных источниках по теме проекта;
• сравнение – установление специфических форм и систем функционирования у некоторых живых организмов, которые поспособствовали созданию нужных предметов для человечества и их технических «близнецов»;
• анализ - выделение и изучение выявленных необычных представителей животного и растительного мира;
• синтез – выявление полезных внешних и внутренних «деталей»животных и растений для их максимального «копирования» и применения в науки и технике;
• дедукция – логические выводы согласно всего изученного материала.

Метод практического уровня:

• Наблюдение – фиксация с помощью органов чувств и жизненного опыта необходимых для проекта представителей флоры и фауны и технических средств в окружающем нас мире.

Теоретическая значимость работы: расширение кругозора слушателей – понимание того, что окружающие нас вещи, техника, флора и фауна находятся в близком «симбиозе»; охрана Природы – призыв уважительно относиться к природе, так как она уникальная кладовая на феноменальные открытия;

Практическая значимость работы: багаж знаний, для новых инженерных открытий, в науке и технике.

Существует такая наука, которая объединяет в себе всё и может сочетать несочетаемое! Это наука бионика. Понятие бионика состоит из частей слов «БИОлогия и техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня» [2], которая принесет большую пользу человеку и природе». Суть бионики - заимствовать у природы ценные идеи и реализовывать их в виде оригинальных конструкторских и дизайнерских решений, а также новых информационных технологий.

В этимологическом словаре можно встретить синоним слова «бионика» - это биомиметика (от лат. bios - жизнь, и mimesis – подражание), который дословно можно перевести как "подражание, имитирование природы"[3]. Термин биомиметика впервые ввел в научную лексику американский писатель-натуралист Джанин Бениус.

В России, вместо биомиметики, чаще употребляется термин бионика.

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...».

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи. Великий ученый наблюдал за полетом птиц. Он хотел построить летательный аппарат, чтобы человек мог на нем парить над землей. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляют моделирование орнитоптера[5].

В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом:

«Биология + электроника = Бионика»

Девиз бионики: «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Основа бионики - исследования по моделированию различных биологических организмов. Поэтому ученые-бионики избрали своей эмблемой символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика говорит о том, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, что не видел еще никто.

Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д.

Новый всплеск развитие этой науки можно объяснить следующими факторами:

• во-первых, уровень развития современных технологий позволяет реализовать принципы, о реализации которых мы могли только мечтать;
• во-вторых, дефицит сырья (энергетически кризис) заставляет обращаться к более эффективным и энергосберегающим технологиям.

Человек всегда стремиться позаимствовать у окружающего мира его феноменальные возможности, такие как:

• природные инженерные конструкции, сооружённые с минимальными энергетическими затратами, так как живые организмы обладают уникальным метаболизмом и оптимально обмениваются энергией между разными формами жизни;
• прочные сверхдешёвые материалы, которые распространены в огромном количестве. Так, материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые удается разработать людям;
• технологии создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой на клеточном уровне и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства. Например, взрослое дерево обычно создается в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных (например, поддержка со стороны других деревьев в лесу), так и агрессивных факторов.

Бионический подход - это искусство применения биологии для небиологических целей. Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры[9].

Существует три основных вида бионики:

• биологическая бионика – изучает процессы, происходящие внутри биологических систем;
• теоретическая бионика - строит математические модели этих процессов;
• техническая бионика - применяет модели теоретической бионики для решенияинженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

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, телемеханики (нейробионика).

Исследование памяти и других параметров нервной системы - основной путь сотворения "думающих" машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.

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

Например,
Для технических целей представляет энтузиазм разработка искусственной сетчатки. Эти исследования дают возможность сделать следящие устройства автоматического определения;
Изучают органы обоняния животных с целью сотворения "искусственного носа" - электрического прибора для анализа малых концентраций пахнущих веществ в воздухе либо воде.
изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике.

Маленькие и четкие воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, отыскивать добычу, совершать передвижения за тысячи км, могут посодействовать в совершенствовании устройств, применяемых в авиации, морском деле и др.

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

Например,
Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построения подшипников, разных манипуляторов и т.п. разрабатываются на базе исследования полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов и т.п.
Анализ структуры кости, обеспечивающей её огромную лёгкость и сразу крепкость, может открыть новые способности в строительстве и т.п.

Исследование структуры кожи быстроходных акваживотных позволило прирастить скорость кораблей.

Бионика имеет несколько направлений:

1. Архитектурно-строительная бионика;
2. Нейробионика.

Архитектурно – строительная бионика:

• изучает законы формирования и структурообразования живых тканей;
• занимается анализом конструктивных систем живых организмов, созданных по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности;
• уделяет большое внимание новым строительным технологиям[6].

Например,
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». Секрет кроется в их строение, и оно сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица.

Нейробионика:

• изучает работу мозга, исследует механизмы памяти;
• интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.

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.

Нейробионику рассматривают с трех позиций:

• искусственный интеллект - наука и разработка интеллектуальных машин и систем, особенно интеллектуальных компьютерных программ, направленных на то, чтобы понять человеческий интеллект;
• нанороботы - микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания;
• киборги - изобретение человечества, которое способно совмещать живой организм и машину. Это люди, которые имеют помимо своих органов, искусственные механические и электронные дополнения позволяющие полноценно жить и двигаться.

Самые преданные бионики — это инженеры, которые конструируют роботов. Разработчики - бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения.

И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? «Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стэндфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек».

Торжество бионики - искусственная рука. Ученым из Института реабилитации Чикаго удалось создать бионический протез, который позволяет пациенту не только управлять рукой с помощью мыслей, но и распознавать некоторые ощущения.

Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах.

Создано искусственное сердце из биологических материалов. Новое научное открытие может положить конец дефициту донорских органов.

Полезное применение нанороботов и наномашин планируется использовать в медицинских технологиях и военных технологиях.

Самым простым примером проявления науки бионики является изобретение шарниров. Всем знакомое крепление, основанное на принципе вращения одной части конструкции вокруг другой. Такой принцип используют морские ракушки, для того чтобы управлять двумя своими створками и по надобности открывать их или закрывать.

В быту мы часто используем разнообразные пинцеты. Природным аналогом такого прибора становится острый и клещеобразный клюв веретенника. Эти птицы применяют тонкий клюв, втыкая его в мягкую почву и доставая оттуда мелких жуков, червяков и прочее.

Многие современные приборы и приспособления оснащены присосками. Например, присосками оснащают специальную обувь мойщиков окон высотных зданий для обеспечения их безопасной фиксации. Это нехитрое приспособление тоже позаимствовано у природы. Квакша, имея на ногах присоски, необычайно ловко держится на гладких и скользких листьях растений, а осьминогу они необходимы для тесного контакта со своими жертвами.

Уже в течение многих лет растение одуванчик использует «парашют» для распространения своих семян. Пушинки одуванчика тормозят падение семян. Струи тёплого воздуха поднимают семена одуванчика и относят их очень далеко от того места, где они выросли. Вот почему их можно увидеть даже на парапетах высоких зданий.
Парашюты, изобретённые человеком, повторяют этот же принцип. Когда ветер подхватывает парашют, его купол создаёт эффект торможения и скорость падения замедляется. Современные парашютисты могут парить в воздухе подобно планеру и управлять парашютом, «сбрасывая» воздух с разных частей купола.

Опорная функция ходульных корней мангровых деревьев легла в основу проекта свайных построек.

Обыкновенный репейник вдохновил швейцарского инженера Жоржа де Местраля на изобретение «липучки».

Список подобных примеров можно долго продолжать:

• Гидравлический привод	У Паука
  Пневматический отбойный молоток	У Земляной осы
  Ультразвуковой локатор	У Летучей мыши
  Сонар (средство звукового обнаружения подводных объектов с помощью акустического излучения)	У Дельфина, тюленя, кита
  Реактивный двигатель	У кальмара
  Точный барометр	У лягушки, вьюна, пиявки
  Предсказатель штормов	У медузы
  Запахоанализатор, способный различать 5000 тысяч запахов	У собаки
  Счетчик Гейгера (газоразрядный прибор для подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц.)	У улитки
  Гидротрон (электровакуумный СВЧ-генератор)	У мухи
  Поляризационный солнечный компас	У пчелы
  Указатель скорости движения	У жука
  Опреснитель морской воды	В клюве альбатроса
  Высокочувствительный сейсмограф	У водяного жука и кузнечика

Природа - огромное инженерное бюро, у которого всегда готов правильный выход из любой ситуации, а бионика - это как раз та наука, которая помогает человеку заимствовать у природы технические решения для своих изобретений. Превосходный «симбиоз» для современного человечества!

У меня в течении 1-9 классов накапливался опыт о жизни царств «Растений» и «Животных». И меня заинтересовал вопрос, а какие сведения об использовании живых моделей в технике, архитектуре и строительстве мы рассматривали на уроках биологии и каждый день в окружающем нас мире.

С этой целью было внимательно изучено содержание материала большой энциклопедии «Животный мир» Бейко В.Б, поскольку в животном мире можно намного больше найти «патентов», чем в растительном. Проанализировав материал научной книги, я пришёл к выводу о том, что можно «патенторассматривать» элементы науки бионики при изучении большинства классов «Царства животных». Была составлена картотека «Биология + Техника» из энциклопедии «Животный мир» Бейко В.Б., которую могут использовать педагоги начального и среднего звена.

Таким образом, для повышения интереса к изучению предмета биология можно рассматривать содержание материала с точки зрения науки бионики,как на уроках окружающего мира (начальное звено), биология (среднее звено), так и на внеклассных мероприятиях.

В ходе данного исследования были получены первоначальные знания о науке «бионика», об истории появления этой науки и её направлениях.

Автором проанализировано содержание энциклопедии «Животный мир» Бейко В. Б., составлена картотека «Биология + Техника», которая может быть полезна ученикам и педагогам.

Проведенные наблюдения подтвердили то, что многие изобретения, действительно, были позаимствованы у природы. Природа не прячет от нас свои тайны, она служит для человека эталоном для творения нового. Тот, кто умеет быть внимательным к ней - совершает новые открытия. Таким образом, выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение.

И может кто – то из школьников, а также просто читателей заинтересуется наукой бионикой и в каждом листочке, стебле, насекомом и другом биологическом существе найдет решение возникшей в его сознании проблемы.₽

1. Бейко В. Б. / Большая энциклопедия животного мира. -М.: ЗАО «Росмен-Пресс», 2011.
2. Бионика Большая серия знаний/Проф. В. Нахтигаль. - М.: ООО Мир книг, 2006.
3. Бионика. Беседы для учащихся начальной школы / Сост. З.В. Артамонова, Н.В.Щепина. – Глазов: Глазовский государственный педагогический институт, 2007.
4. Гармаш, И.И. Тайны бионики / И.И. Гармаш Тайны бионики. М.1985.
5. Гастев А.А. Леонардо да Винчи. Серия ЖЗЛ, Издательство «Молодая гвардия», 1982.
6. Кричевский Г.Е. «Основы Бионики. Учимся мудрости у Природы». М., 2015.
7. Рийо А., Мейе Ж.А. Бионика. Когда наука имитирует природу. М.: Техносфера,2013.
8. Романенко, Е.В. Бионика / Большая Российская Энциклопедия. М.: Научное издательство «Большая Российская Энциклопедия», 2005.
9. Скурлатова М. В. Бионика как связь природы и техники // Молодой ученый. 2015.
10. Соколов Е.Н., Шмелев Л.А. Нейробионика. Организация нейроподобных элементов и систем. М.: Наука, 1983.
11. Нанотехнологии. Азбука для всех. М.:"Физ.-мат. лит." 2007.
12. Нанотехнологии вдохнули новую жизнь в бионику. Новые технологии. № 44 (216) от 29.10.2003