Bionika v človeškem življenju

Pravijo, da se enkrat na stoletje na Zemlji rodi genij. Takšen genij je bil Leonardo da Vinci. Največji umetnik, kipar, matematik, inženir in anatom Leonardo da Vinci si je prizadeval najti resnico, jo naučiti in opisati.

"Za svojega mentorja sem vzel naravo - učitelja vseh učiteljev."

Zakaj je ta veliki znanstvenik vzel naravo v svojega učitelja?

Življenje v svoji najbolj primitivni obliki je nastalo na Zemlji pred približno dvema milijardama let. Milijone stoletij je trajala neusmiljena naravna selekcija, zaradi česar so preživeli najmočnejši in najbolj popolni. Izposojanje najboljšega od narave za opolnomočenje človeka je prvi predlagal Leonarda da Vincija. Leta 1485 je ustvaril mehanski leteči stroj - ornitoptel, katerega načelo je prepisal od ptic. In čeprav se takrat človek ni uspel naučiti leteti, je to pomenilo začetek nove znanosti - bionike. Bionika je simbioza biologije in tehnologije.

Če je zgodovina Zemlje - 4,5 milijarde let - predstavljena kot en dan, se izkaže, da se je Homo sapiens na planetu pojavil pred manj kot minuto. Pretekel je le delček sekunde, on pa se že predstavlja kot ustvarjalec in ne more več ustvarjati slabše od narave... Do nedavnega, ko je izumil nekaj novega, se človek ni zavedal, da to že obstaja. Le videti in se prijaviti. 99% znanstvena odkritjačlovek je vohunil za naravo. Vse, kar nas obdaja, ima svojega naravnega dvojnika.

Bionika(od Βίον - živeti ) - uporabljeno ob prijavi v tehnične naprave in sistemi načel organizacije, lastnosti, funkcije in strukture ... Preprosto povedano, bionika je spojina in ... Datum rojstva bionike: 13. september 1960.Bionika ima simbol: križani skalpel, spajkalnik in integralni znak. Ta zveza biologije, tehnologije in matematike nam omogoča, da upamo, da bo bionična znanost prodrla tja, kjer še nihče ni prodrl, in bo videla tisto, česar še nihče ni videl.

Človek je vedno sanjal, da bi osvojil nebo. Vendar je bil dostopen le pticam. In ptice so ljudem dale idejo o letenju.

Sanje o letenju in njihovo dejansko utelešenje so zelo različne stvari. In kljub drzne ideje kot so Leonardo da Vinci, bi človeštvo ostalo vezano na zemljo dolga stoletja. Proučevanje ptic, zgradbe njihovih kril in repa je privedlo do dejstva, da je človek izumil letalo. Struktura človeškega očesa je postavila temelje za fotografski objektiv, struktura sončničnega socvetja - za sončne baterije. Znani oblikovalec je po sprehodu izčesal socvetja repinca in dlako psa sove, zato je izumil Velcro zapenjalke. Žuželke so znanstvenikom dale idejo o helikopterjih. Ribi so spodbudili nastanek podmornic. MercedesBenz Corporation je razvil bioniko vozilo kopirano iz tropskih škatlastih rib. Kljub svoji obliki kovčka ima stroj izjemno nizek zračni upor.

Vsak dan naletimo na bionične izume, ne da bi se tega sploh zavedali. Najpogosteje načela, prevzeta iz narave, najdemo v arhitekturi. Na primer pri oblikovanju slavnega Eifflov stolp leži struktura človeške stegnenice. Na glavi kosti je veliko sidrnih točk, zahvaljujoč njim je obremenitev sklepa enakomerno porazdeljena. To omogoča, da ukrivljena stegnenica podpira veliko telesno težo. Iste sidrne točke najdete na dnu Eifflovega stolpa. Njegova zasnova velja za arhitekturno merilo trajnosti.

Drugi stolp, Ostankino, ima naravni analog. Ona vitka silhueta prepoznavno. Prototip stolpa Ostankino je steblo pšenice. Njegova sposobnost, da se pod težo socvetij ne zlomi, je bila osnova stolpa.

Arhitekti se vse bolj obračajo k načelom delovanja živih organizmov. Da bi razumel, kako to deluje, mora oblikovalec preučiti biologijo. Naravni prototipi arhitekturne strukture postanejo ribe, ptice, rastline in celo človeško telo.

Bionika ne miruje. Ta znanost ustvarja pravo revolucijo. Enostavno opazovanje, simulacija je zmožna veliko.Moj prihodnji poklic je povezan z strojništvom. Inženirska industrija je najbolj robotizirana. Prvič v svoji praktični uporabiindustrijski robotiprejel zahvalo ameriškim inženirjema D. Devolu in D. Engelbergu v poznih 50. in začetku 60. let dvajsetega stoletja. Uporabljajo se za različne izvedbe tehnoloških procesov za izboljšanje učinkovitosti podjetja.

V zasnovi lahko robot vsebuje enega ali več manipulatorjev, sam manipulator pa ima lahko različne nosilnosti, natančnost pozicioniranja in stopnjo svobode. Pri ustvarjanju industrijskega robota se aktivno uporabljajo bionični modeli. Manipulator industrijskega robota je sestavljen iz določenega števila premičnih členov (osi), ki so med seboj povezani. Urejena je po principu okončin členonožcev. Več osi, več vsestranski dizajn robot.Lokacija in fleksibilnost osne povezave robota je bila skrbno narejena po človeškem vzorcu (zglobna povezava). Osi manipulatorja nadzorujejo senzorji. So analogni čutilom in reagirajo na svetlobo, položaj v prostoru.

Narava hrani veliko več skrivnosti, harmonija njenih stvaritev je vedno presenetila in bo osupnila človeški svet. Toda vprašanje je: "Ali bomo imeli čas, da izkoristimo preostale" patente divjih živali "? Glede na hitrost, s katero rastline in živali izginjajo z obličja zemlje, statistika pa neizprosno trdi: vsako leto ena vrsta živali in vsak dan ena vrsta rastlin, se to vprašanje sliši zelo zaskrbljujoče. V zvezi s tem ohranjanje redkih in ogroženih vrst živali in rastlin, vzdrževanje okolje v razmerah, ugodnih za življenje vsega življenja na Zemlji - nujna težava, in jamstvo za nadaljnji razvoj človeštva.

Najbolj popolne oblike, tako z vidika lepote kot z vidika organizacije in delovanja, je ustvarila narava sama in se razvila v procesu evolucije. Človeštvo si je dolgo časa sposodilo strukture, elemente, konstrukcije za reševanje svojih tehnoloških problemov. Trenutno tehnogena civilizacija osvaja vse več ozemelj od narave, okoli prevladuje pravokotne oblike, jeklo, steklo in beton, živimo pa v tako imenovani urbani džungli.

Vsako leto postaja človekova potreba po naravnem harmoničnem bivalnem okolju, napolnjenem z zrakom, zelenjem in naravnimi elementi, vse bolj oprijemljiva. Zato postajajo okoljske teme vse bolj aktualne v urbanističnem načrtovanju in. V tem članku se bomo seznanili s primeri bionike - zanimivi moderna smer v arhitekturi in notranjem oblikovanju.

Primeri bionike v arhitekturi. Znanstveni in umetniški pristop

Bionika je predvsem znanstvena smer, nato pa ustvarjalna. Ko se uporablja za arhitekturo, pomeni uporabo principov in metod organiziranja živih organizmov in oblik, ki jih ustvarijo živi organizmi pri načrtovanju in gradnji stavb. Prvi arhitekt, ki je delal v bioničnem slogu, je bil A. Gaudí. Njegova znana dela še vedno občudujejo svet (Casa Batlló, Casa Mila, Sagrada Familia, Park Guell itd.).

Hiša Mila Antonija Gaudija v Barceloni
Narodna operna hiša v Pekingu

Sodobna bionika temelji o novih metodah z uporabo matematičnega modeliranja in široki paleti programske opreme za izračun in 3d vizualizacijo. Njegova glavna naloga je preučiti zakonitosti nastajanja tkiv živih organizmov, njihovo zgradbo, fizične lastnosti, oblikovne značilnosti z namenom prenosa tega znanja v arhitekturo. Živi sistemi so primer struktur, ki delujejo po načelih zagotavljanja optimalne zanesljivosti, tvorijo optimalno obliko, hkrati pa prihranijo energijo in materiale. Ta načela so osnova bionike. Na spletnem mestu so predstavljeni znani primeri bionike.

Opera House Sydney
Plavalni kompleks v Pekingu

Tukaj je nekaj največjih bioničnih struktur na svetu:

• Eifflov stolp v Parizu (ponavlja obliko golenice)
• Stadion Swallow's Nest v Pekingu (zunanja kovinska konstrukcija ponavlja obliko ptičjega gnezda)
• Aqua nebotičnik v Chicagu (izgleda kot tok padajoče vode, oblika stavbe je tudi podobna zloženi strukturi apnenčastih nanosov ob obalah Velikih jezer)
• Stanovanjska stavba "Nautilus" ali "Shell" v Naucalpanu (zasnova je vzeta iz naravne strukture - lupine školjke)
• Operna hiša v Sydneyju (posnema odpiranje lotosovih cvetnih listov na vodi)
• Plavalni kompleks v Pekingu (struktura fasade je sestavljena iz "vodnih mehurčkov", ponavlja kristalno mrežo, omogoča kopičenje sončne energije, ki se uporablja za potrebe stavbe)
• Nacionalna operna hiša v Pekingu (posnema kapljico vode)

Bionika vključuje tudi ustvarjanje novih gradbenih materialov, katerih strukturo predlagajo naravni zakoni. Danes obstaja že veliko primerov bionike, od katerih vsak odlikuje neverjetna moč njegove strukture. Tako lahko dobite nove dodatne priložnosti za gradnjo struktur različnih velikosti.

Kiparska oblačna vrata v Chicagu
Primeri bionike v notranjem oblikovanju

Značilnosti notranje opreme v slogu bionike s primeri

Bionični slog je prišel tudi do notranje opreme: tako v stanovanjskih prostorih kot v prostorih storitvenega sektorja, v družbene in kulturne namene. Primeri bionike lahko vidimo v sodobnih parkih, knjižnicah, nakupovalna središča, restavracije, razstavne centre itd. Kaj je za to značilno modni slog? Kakšne so njegove značilnosti? Kot v primeru arhitekture, bionika notranjosti uporablja naravne oblike pri organizaciji prostora, pri načrtovanju prostorov, pri oblikovanju pohištva in dodatkov, v dekorju.

Oblikovalci črpajo svoje ideje iz znanih struktur divjih živali:

• Vosek in satje sta osnova za ustvarjanje nenavadnih dizajnov v notranjosti: stene in predelne stene, pohištveni elementi, dekor, stene in stropne plošče, okenske odprtine itd.
• Pajčevina je nenavadno lahek in ekonomičen mrežasti material. Pogosto se uporablja kot podlaga pri oblikovanju predelnih sten, oblikovanju pohištva in razsvetljave, visečih mrež.
• Zunanja ali notranja stopnišča so lahko izdelana v obliki spiralnih ali nenavadnih struktur, izdelanih iz kombiniranih naravnih materialov, ki ponavljajo tekoče naravne oblike. Pri oblikovanju stopnic bionični umetniki najpogosteje izhajajo iz rastlinskih oblik.
• Barvna očala se uporabljajo v primerih bionike za ustvarjanje zanimive osvetlitve.
• V lesene hiše drevesna debla se lahko uporabljajo kot podporni stebri. Na splošno je les eden najpogostejših notranjih materialov v bioničnem slogu. Uporabljajo se tudi volna, usnje, lan, bambus, bombaž itd.
• Zrcalne in sijajne površine so vzete z vodne površine in se harmonično prilegajo.
• Odlična rešitev je uporaba perforacije za zmanjšanje teže posameznih konstrukcij. Za ustvarjanje se pogosto uporabljajo porozne kostne strukture zanimivo pohištvo, hkrati pa prihrani material, ustvarja iluzijo zračnosti in lahkotnosti.

Naprave sledijo tudi biološkim strukturam. Svetilke, ki posnemajo slap, žareča drevesa in rože, oblaki, nebeška telesa izgledajo lepo in izvirno, morsko življenje itd. Pogosto uporabljajo primere bionike naravni materiali ki so okolju prijazni. Poudarjene lastnosti ta smer velja za gladke črte, naravne barve. To je poskus ustvariti vzdušje blizu naravne narave, hkrati pa ne odpraviti ugodnosti, ki jih je človek pridobil z razvojem tehnologije. Elektronika je v oblikovanje vključena tako, da ni vidna.

Nebotičnik Aqua v Chicagu je primer bionike v notranjosti stadiona Swallow's Nest v Pekingu.

V primerih bionike v notranjosti lahko upoštevate akvarije, zanimive nenavadne oblike in edinstvene oblike, ki se tako kot v naravi ne ponavljajo. Lahko rečemo, da v bioniki ni jasne meje in prostorsko zoniranje, nekatere sobe gladko "tečejo" v druge. Naravni elementi ne veljajo nujno za celotno notranjost. Trenutno so zelo pogosti projekti s posameznimi elementi bionike - pohištvo, ki ponavlja strukturo telesa, zgradbo rastlin in druge elemente prosto živečih živali, organske vložke, dekor iz naravnih materialov.

Treba je opozoriti, da ključna lastnost bionika v arhitekturi in notranjem oblikovanju je posnemanje naravnih oblik ob upoštevanju znanstvenih spoznanj o njih. Ustvarjanje okolju prijaznega okolja, ugodnega za ljudi z uporabo novih energetsko učinkovite tehnologije bi lahko bila idealna smer za razvoj mest. Zato je bionika hitro rastoča nova smer, ki pritegne misli arhitektov in oblikovalcev.

Nemogoče je reči, kdaj točno se je rodila znanost o bioniki, saj je človeštvo vedno črpalo navdih iz narave, znano je na primer, da so pred približno 3 tisoč leti poskušali kopirati ustvarjanje svile, kot to počnejo žuželke. . Seveda takšnim poskusom nikakor ne moremo reči razvoj, šele potem, ko so se pojavile sodobne tehnologije, je imel človek zelo resnično priložnost, da kopira naravne ideje, da v nekaj urah umetno reproducira vse, kar se z leti rojeva v naravnih razmerah. Na primer, znanstveniki vedo, kako gojiti sintetične kamne, ki po lepoti in čistosti niso slabši od naravnih, zlasti kot analog diamantov.

Najbolj znana vizualna utelešenja bionike je Eifflov stolp v Parizu. Ta konstrukcija je temeljila na študiji stegnenice, ki je, kot se je izkazalo, sestavljena iz majhnih kosti. Pomagajo pri popolni porazdelitvi teže, zato lahko glava stegnenice prenese velike obremenitve. Po istem principu je bil ustvarjen Eifflov stolp.

Morda najbolj znan "" bionik, ki je veliko prispeval k njegovemu razvoju, je Leonardo da Vinci. Na primer, opazoval je let kačjega pastirja in nato pri ustvarjanju poskušal prenesti njegove premike letalo.

Pomen bionike za druga znanstvena področja

Bionike ne sprejemajo vsi kot znanost, saj gre za znanje, ki se rodi na stičišču več disciplin, medtem ko je sam pojem bionike širok, zajema več znanstvene smeri... Še posebej to Genski inženiring, oblikovanje, medicinska in biološka elektronika.

Lahko bi govorili o njegovi izključno uporabni naravi, a moderni programsko opremo omogoča simuliranje in prevajanje vseh resničnih naravnih rešitev, zato sta preučevanje in primerjava naravnih pojavov s človeškimi zmožnostmi vse pomembnejša. Pri oblikovanju sodobne robotike se inženirji vse pogosteje obračajo po pomoč na bionične znanstvenike. Navsezadnje bodo prav roboti v prihodnosti v veliki meri olajšali človeško življenje, za to pa se morajo znati pravilno premikati, razmišljati, napovedovati, analizirati itd. Zato so znanstveniki z univerze Stanford ustvarili robota po opazovanjih ščurkov njihov izum ni le okreten in organski, ampak tudi zelo funkcionalen. V bližnji prihodnosti lahko ta robot postane nenadomestljiv pomočnik za tiste, ki se ne morejo samostojno gibati.

S pomočjo bionike bo v prihodnosti mogoče ustvariti ogromen tehnološki razvoj. Zdaj bo človek potreboval le nekaj let, da ustvari analog naravnih pojavov, narava pa bo za to porabila tisoče let.

Kako se odkrijejo, kako nastajajo različni izumi - z eno besedo, vse, kaj žene človeštvo naprej? Seveda to zahteva znanje, talent, vztrajnost in sposobnost dela. A to še ni vse.

Pravega znanstvenika odlikuje ostro opazovanje v kombinaciji z močjo ustvarjalna domišljija... Kombinacija teh lastnosti omogoča ustvarjanje industrijskih analogov naravnih struktur.

Po naravi patenti

Pojavil se je od 60-ih let XX stoletja nov izraz- bionika, znanost, ki uporablja znanje o divjih živalih za reševanje tehničnih problemov. Pomena te znanosti skoraj ni mogoče preceniti. Konec koncev, narava ustvarja svoje stvaritve z največjo učinkovitostjo.

Najpreprostejši primer ustvarjanja takšnega umetnega analoga je Velcro in zadrge, ki se uporabljajo kot zapirala na jaknah za čevlje itd. Toda človek si je ta preprost, a zelo priročen izum izposodil od narave. Repinove bodice se zlahka držijo različnih materialov, ki tvorijo dokaj močno povezavo in, ko pridejo na lase, povzročajo veliko težav.

Znanstveniki so s preučevanjem morskega življenja zbrali ogromno zanimivih idej:

• Tako, izpiljen z tisočletno evolucijo, je služil kot prototip za oblikovanje podmornic in morska plovila... Študija je omogočila ustvarjanje popolnoma edinstvenega materiala laminfo. Obloga podvodnega dela ladij, izdelana iz tega materiala, poveča njihovo hitrost za 15–20%.

• Verjetno ste se srečali, razpršeni morsko vodo, podobno želejevemu mesu. Študijo tega prebivalca morskih globin so znanstveniki v njej odkrili veliko zanimivega. Ali veste, kako se premika meduza? S silo potisne vodo iz lovk in se tako premakne naprej. po istem principu. Vroči plini so z veliko hitrostjo izbruhnili iz šobe in potisnili raketo v nasprotno smer.

• Toda meduze so za ljudi pripravile še eno presenečenje. Izkazalo se je, da lahko ti posamezniki "slišijo" zvok bližajoče se nevihte. In pred nevihto gredo daleč v morje, da jih morski valovi ne bi vrgli na kopno. Znanstvenikom je uspelo preučiti to lastnost meduz. Zahvaljujoč temu odkritju je nastala naprava "Meduzino uho", ki od takrat zelo zanesljivo služi ljudem. Omogoča vam napoved približevanja nevihte 12-15 ur pred njenim začetkom. V tem času se lahko mornarji in ribiči pripravijo na srečanje z divjajočimi elementi. Hvala meduze!
• V brazilskih rezervoarjih je riba s štirimi očesi. Pravzaprav ima samo dve očesi, vendar je vsako razdeljeno na dva dela. Zgornja polovica spremlja situacijo nad vodno gladino, spodnja pa vam omogoča, da se zaščitite pred plenilci, ki posegajo v to lepotce z očali. Isti princip je v središču bifokalov. Njihove leče so sestavljene iz dveh polovic z različno optično močjo. Zgornji del služi za vid na daljavo, spodnji - za branje.
• Izjemen francoski raziskovalec morskih globin, Jacques-Yves Cousteau, je z zanimanjem opazoval hrošča, ki je zaskrbljeno potegnil mehurček zraka v vodo. To je bila zamisel znanstvenika, da ustvari opremo za potapljanje.

Seznam patentov, izposojenih iz morskega življenja, še zdaleč ni izčrpan, vseeno pa se moramo seznaniti z zanimivimi izumi, ki jih je človeštvo vohunilo za pticami in letečimi žuželkami.

Ljudje so sanjali, da bi se tako hitro in mirno dvignili nad tlemi, ko so opazovali hitre ptice ali veličastne orle, ki iščejo svoj plen. skiciral lete in celo razvil leteči stroj, ki mu ni bilo usojeno dvigniti se v zrak.

Vendar so izumitelji letalskih strojev še vedno uporabljali ideje, izposojene iz narave:

• Zasnova letalskega krila je čim bližje obliki kril velikih ptic.
• Dolgo časa so se preizkuševalci hitrih letal soočali s pojavom flutterja - najmočnejših vibracij. Znebiti se ga je bilo mogoče zaradi odebelitve sprednjega roba letalskih kril. Izkazalo se je, da je narava že zdavnaj izumila že pripravljeno inženirsko rešitev tega problema - na krilih kačjih pastirjev je tako odebelitev.
• Kačji pastir je oblikovalce "navdihnil" za izdelavo helikopterja.
• Predlaga se uporaba živega kačjega pastirja kot drona. Na hrbtu bo pritrjen "nahrbtnik" s krmilnim sistemom sončni kolektorji za hrano. Na ta način je mogoče zatirati žuželke, ki jih vodijo k boljšemu opraševanju pridelkov. Njihova uporaba za sledenje osebi ni izključena.
• Sposobnost netopirjev za navigacijo z ultrazvokom je služila kot prototip za eholokacijo. Omogoča vam preučevanje topografije morskega dna, iskanje potopljenih ladij, lociranje krajev kopičenja komercialnih rib itd. Možno je bilo celo oblikovati palico za slepi ljudje, v katerem sta nameščena vir in sprejemnik ultrazvoka, kar močno izboljša njihovo kakovost življenja.
• Zagotovil neprecenljivo pomoč znanosti. Ob preučevanju enega od njegovih skrivnostnih organov (halter) so znanstveniki na tem načelu ustvarili zelo pomembno navigacijsko napravo - vibracijski žiroskop.

• Ta neprivlačna žuželka je predlagala še eno zanimiva ideja... Oči muhe omogočajo, da naenkrat dobi več slik istega predmeta. To ji omogoča, da z visoko stopnjo natančnosti določi hitrost njegovega gibanja. Po tem načelu so znanstveniki ustvarili napravo, ki se imenuje "oko muhe". Zdaj se uporablja za določanje hitrosti letal.
• Že tisočletja se pri razvoju materiala - kameleona, uporablja izostrena sposobnost živali, da se prikrijejo in spremenijo barvo, ki ustreza barvi okolja. Električni impulzi, ki se nanašajo nanj, vam omogočajo, da na njem ustvarite lažno podobo. Vojaška oprema, prekrita s takšnim materialom, postane za drone nevidna, saj se združi s terenom.
• Izkazalo se je, da je ideja o binarnem orožju izposojena od hrošča bombardirja. Narava mu je priskrbela izvirno orožje za samoobrambo. Dve žlezi, ki delujeta avtonomno, proizvajata dve neškodljivi snovi, ki ju jezen hrošč hkrati vrže iz trebuha. Na mestu, kjer se združijo, temperatura doseže 100 ° C! Binarni izstrelki so opremljeni s komoro, razdeljeno s pregrado na dva dela. Vsebujejo dve snovi, ki ločeno ne predstavljata nevarnosti. Ko pa eksplodirajo, se združijo v najmočnejši strupeni plin.
• Potovanje po dvoranah naravne patentne knjižnice se bliža koncu. Toda odprimo še eno mapo, na kateri je bil prej naveden žig "Strogo tajno".

Prihodnost bionike

V zadnjih letih se je v bioniki pojavil ločen odsek - nevrobionika. Preučuje podobnosti med računalniki in živčni sistemživali. Ena najpomembnejših nalog te znanosti je, da nadzor računalniške tehnologije postane tako zanesljiv in prilagodljiv kot živčni sistem.

Njeni prvi uspehi vključujejo ustvarjanje eksoskeletov in bioprotez, ki paralizirane ljudi postavljajo na noge. Naslednji korak je nadzor teh naprav z močjo misli. Verjetno bo nevrobionika postala osnova za ustvarjanje umetne inteligence.

Če vam je to sporočilo koristno, vas bo lepo videti.

1. Bionika kot znanost - zgodovina razvoja, definicije, bistvo
2. Analogi naravnih oblik v medicini
3. Načela bionike v službi medicine
Zaključek
Bibliografija

1. Bionika kot znanost - zgodovina razvoja, definicije, bistvo

Za uradni datum rojstva ene od novih znanosti, ki se je pojavila v sodobnem dvajsetem stoletju, bionike, velja 13. september 1960 - dan odprtja prvega ameriškega nacionalnega simpozija na temo »Živi prototipi umetnih sistemov - ključ do nova tehnologija". Ni treba posebej poudarjati, da je takšen simpozij postal mogoč le zato, ker se je do takrat nabralo veliko podatkov o načelih organizacije in delovanja živih sistemov ter možnosti za praktično uporabo pridobljenega znanja pri reševanju pojavile so se številne nujne tehnične težave.
Ime " bionika"Izhaja iz starogrške korenine" bion "- element življenja, celica življenja ali, natančneje, elementi biološkega sistema.
Takoj je nastal emblem in moto, ki nosi v sebi simbolično podobo znanstvenega bistva bionike - sintetizirati znanje, nabrano v različnih vedah. Lastno dvajsetemu stoletju. intenziven proces ločevanja, razdrobljenost znanstvenih disciplin, izjemna stopnja konkretizacije ciljev in ciljev posameznih ved so privedli do nastanka več kot tisoč in pol vej znanja. Takšno razlikovanje znanja je precej dolgo prispevalo uspešen razvoj večini vej znanosti in tehnologije, vendar se trenutno ozka specializacija znanstvenikov otežuje učenje, zato je nujno treba vključiti rezultate znanstvena raziskava temelji na enotnih, splošnih načelih.
Prvi poskus novega poenotenja je bila kibernetika, katere glavno integracijsko načelo je bila univerzalnost načinov upravljanja z živim in neživim ter njihova povezava.
Bionika v marsičem je logično nadaljevanje kibernetike, vendar odpravlja nasprotja, ki izhajajo iz specializacije znanosti in njihove ločitve, ter integrira heterogene informacije v skladu z enotnostjo žive narave oziroma biološkim principom. Zato sta emblem bionike skalpel in spajkalnik, povezana z integralnim znakom, moto pa je »Živi prototipi so ključ nove tehnologije«.
Še vedno ni soglasja o vsebini bionike - morda najbolj priljubljene med mladimi vedami, ki so nastale v 20. stoletju. Mnogi strokovnjaki menijo, da je bionika nova veja kibernetike, drugi jo pripisujejo biološkim znanostim, očitno pa imajo najbolj prav tisti, ki bioniko razlikujejo kot samostojno znanost.
Če se obrnemo na najbolj uveljavljeno definicijo, lahko to rečemo bionika je znanost, ki proučuje principe gradnje in delovanja bioloških sistemov in njihovih elementov ter uporabo pridobljenega znanja za korenito izboljšanje obstoječih in ustvarjanje bistveno novih strojev, naprav, naprav, gradbene konstrukcije in tehnoloških procesov. Bioniko lahko imenujemo tudi znanost o gradnji tehničnih naprav, katerih značilnosti so čim bližje značilnostim živih sistemov.
Kot pri večini znanosti je struktura bionike heterogena. Trenutno je običajno razlikovati tri metodološka področja bionike: biološko, matematično (teoretsko) in tehnično.
Biološka bionika temelji na najrazličnejših vejah biologije in medicine, z njihovimi dosežki identificira določene principe žive narave, ki jih lahko uporabimo kot osnovo za reševanje različnih inženirskih problemov.
Vsebina teoretične bionike je razvoj matematičnega aparata za biološko modeliranje, pa tudi matematičnih modelov pojavov in procesov, ki se pojavljajo v živih organizmih, živih sistemih ali celo v družbah organizmov.
Področje dejavnosti tehnične bionike je implementacija matematičnih modelov ali drugih vidikov dejavnosti živih organizmov, ki jih pogosto pridobimo med raziskavami biološke in teoretične bionike, da bi izboljšali obstoječe in ustvarili popolnoma nove. tehnična sredstva in sistemi, ki so po svojem vrhunski Tehnične specifikaciježe ustvarjen in deluje na biološkem principu.
Narava je v procesu dolge evolucije na Zemlji ustvarila nešteto živih organizmov, od katerih jih je veliko upravičeno pripisati »živim inženirski sistemi», Deluje zelo natančno, znanstveno in ekonomično, za katerega je značilna neverjetna natančnost, namenskost, sposobnost odzivanja na najslabše spremembe številnih okoljskih dejavnikov, zapomniti in upoštevati te spremembe, se nanje odzvati z različnimi prilagodljivimi reakcijami.
Razmislite o uporabi metod in rešitev bionike v medicini - tisti veji bioloških znanosti, s katero se vsak človek sooča več kot enkrat v življenju.
Številni "izumi" narave v starih časih so pomagali rešiti številne tehnične težave. Tako so na primer arabski zdravniki pri operaciji očesa pred več sto leti dobili idejo o lomu svetlobnih žarkov med prehodom iz enega prozornega medija v drugega. Študija očesne leče je starodavne zdravnike spodbudila, da za povečanje slike uporabijo leče iz kristala ali stekla, nato pa popravijo vid.
Ko je bil na enem od svojih potovanj Gerald Darell prisiljen pristati na stavo, katere pomen je bil poimenovati štiri izjemne izume in dokazati, da so načelo, določeno v njih, uporabljale živali, še preden so ljudje pomislili na to, enega od izumi so imenovali uporaba anestezije pri oseh. Ko cestne ose "pripravljajo" hrano za bodoče ličinke, uporabljajo metode, ki jih lahko vsak zdravnik imenuje metode prevodne anestezije - ugriz z vbrizgavanjem nevroplegične (živčno -paralitične) snovi v območje velikih živčnih deblov popolnoma ohromi, vendar ne ubije pajka, ki leži nepremično gnezdo os do pojava ličink iz sklopke, za katero je bila ta hrana pripravljena.

2. Analogi naravnih oblik v medicini

Mnogi medicinski instrumenti imajo prototip med predstavniki živega sveta. Igla za odstranjevanje igel, ki služi za zbiranje periferne krvi (na primer za namene splošne preiskave krvi, ki jo vsakemu izmed nas večkrat predpišejo zdravniki vseh profilov), je zasnovana po načelu, ki popolnoma ponavlja zgradba sekalnega zoba netopirja, katerega ugriz je po eni strani neboleč, po drugi strani pa ga vedno spremlja dovolj močna krvavitev.
Batna brizga, ki jo poznajo vsi, v mnogih pogledih posnema krvosesni aparat žuželk - komarja in bolhe, katerih ugriz je zagotovo znan vsakemu človeku. Igla, uporabljena med operacijo, za šivanje notranji organi in človeško tkivo že nekaj stoletij ni spremenilo svoje prvotne oblike - oblike rebernih kosti velike ribe, skalpel pa še vedno sledi obliki trstičnega lista z naravnim rezalnim robom.
A teh je le največ preprosti primeri, ki so k nam prišli dobesedno od nekdaj, sodobni razvoj bionike pa zadeva različne visoko razvite medicinske tehnologije. Tipičen primer je sodobna tehnologija rekonstrukcija in povečanje zobne sklenine, ki je eden od "kitov" sodobnega zobozdravstva in tehnologije podaljševanja nohtov in las, ki se uporablja v kozmetologiji. Osnova za te tehnologije je princip gradnje morskih spužv, pa tudi tehnika gradnje gnezd strižnikov. Oba načela gradnje temeljijo na tehnikah kemičnega in svetlobnega strjevanja.

3. Načela bionike v službi medicine

Enako pomemben dosežek bionike v medicini je uporaba biotokov. Ko je konec 18. stoletja. italijanski fiziolog Luigi Galvani je kot stranski produkt poskusov o anatomiji žab odkril biotokove, ki nastanejo v mišicah med gibanjem; prihodnja uporaba biotokov se je zdela omejena na žerjav. Vendar pa rezultati sodobnih raziskav potrjujejo ravno nasprotno. Možgani, ki ukazujejo premike roke, še naprej pošiljajo biotokove v mišice roke - šibek električni signal - tudi ko je spodnji del roke amputiran. Seveda v tem primeru ni gibanja, saj impulzi, ki padejo v živčni konec okrnjene mišice panja, dajejo le občutek določenih gibov, materialni substrat gibov (mišica) pa je odsoten.
Prvi model umetne roke, ki jo nadzira biopotencial, je bil izdelan leta 1957. Imel je elektromagnetni pogon in zelo okoren sistem za ojačanje in pretvorbo bioelektričnih signalov iz katere koli mišice. Prva umetna roka je zaznala le splošne signale, kot so "stisnjeni prsti", "raztegnjeni prsti" in najpreprostejša menjava teh ukazov, ne da bi zaznala signale regulacijskega tipa, ki kažejo, s kakšno silo je treba gibanje izvesti. Poskus pozdrava osebe s tako "železno roko" bi se neizogibno končal s poškodbo.
Izboljšanje protez, nadzorovanih z biotokovi, je šlo zares skokovito in že poleti 1960 so udeleženci 1. mednarodnega kongresa federacije za avtomatsko krmiljenje, ki je potekal v Moskvi, videli, kako se je deček, ki ni imel roke, prevzel. umetna roka kos krede in na tablo jasno in jasno zapisal: "Pozdravljeni udeleženci kongresa." Biotokovi so nadzorovali roko proteze, ki se je jasno stisnila in odklenila. Dosežena je bila jasnost gibov, ki je zadostovala za ustrezno delovanje proteze, naslednji cilj znanstvenikov pa je bil oblikovanje povratnih informacij, sposobnost čutiti protezo.
Malo kasneje so na konferenci o bioniki v Bakuu prikazali maketo roke s senzorji, občutljivimi na pritisk, pritrjenimi na konice prstov, iz prevodne gume ali tanke žice. Pod vplivom pritiska na senzorje signali iz njih spremenijo frekvenco vibracij brenčalnika, ki je pritrjen na roko blizu živca, ki gre v možgane. Trenutno so najbolj obetavni senzorji, ki uporabljajo kostne vibracije in elektrokostne dražljaje, vendar je za razjasnitev parametrov signalov in zasnove igralnih elementov potrebno še precej časa, polnega eksperimentov in raziskovalnega dela.
Drugi vidik uporabe biotokov v medicini je njihova uporaba pri zdravljenju pareze in paralize, popravljanju številnih patoloških stanj med nosečnostjo in po možnosti za ublažitev stanja bolnic s poliomielitisom in otroško cerebralno paralizo, za katere ni ustreznega zdravljenja trenutno obstaja.
Izvajanje najobsežnejših in najzahtevnejših operacij na srcu in možganih je postalo mogoče zaradi uvedbe metode nadzorovane hipotermije (to je namerne hipotermije operiranega telesa za upočasnitev metabolnih procesov v tkivih in organih) v medicinsko prakso. Toda malo ljudi ve, da je hipotermija osnova za prekinitev animacije in parobiozo - stanje globokega mirovanja - za številne žuželke in nekatere majhne glodalce v neugodnih zimskih časih. Pri teh živalih je hipotermija namenjena tudi upočasnitvi presnovnih procesov v organih in tkivih, kar vodi do manjše porabe energijskih substratov kot v aktivnem stanju.
Metoda premikanja nekaterih praživali je postala prototip za izdelavo avtomatske gastrointestinalne sonde, ki je najbolj zanimiva in obetavna možnost za instrumentalne študije v gastroskopiji.
Če se vrnem k protetiki okončin, je treba opozoriti, da druga sodobna vrsta protez, ki se uporablja predvsem za protetiko spodnjih okončin, oziroma proteze na silikonski osnovi, v osnovi vsebuje tudi naravno načelo- načelo hidravlične strukture hodnih nog pajka, katerega gibanje temeljijo na prehodu stanja biološkega koloida po tipu "gel-sol".
Do neke mere napredek bionike na področju medicine temelji na strukturi same osebe. Tako perfuzijski filmi, ki se nanesejo na obsežne opekline in služijo za preprečevanje okužbe rane, skoraj v celoti posnemajo strukturo površinske plasti nedotaknjena človeška koža, ki ima baktericidne lastnosti in je značilna polprepustnost.
Dosežki bionike v mnogih pogledih dajejo upanje, da se bo stanje izboljšalo ali skoraj popolnoma nadomestilo kakovost življenja bolnikov, katerih položaj se je prej obravnaval kot skoraj brezupen.
Eden prvih korakov na tej poti je izdelava slušnih aparatov. Izguba sluha je pomembna in nevarna za osebo in vodi do popolne ali skoraj popolne invalidnosti. Ta problem ostaja eden izmed izjemno kompleksnih in praktično nerešljivih problemov v medicini.
V zadnjem času je veliko gluhih dobilo resnično priložnost slišati s pomočjo aparata, ustvarjenega na podlagi najnovejše odkritje Fiziološki znanstveniki: nizkofrekvenčne vibracije, ki jih zaznava človeško uho, lahko zazna živi živec zoba in jih prenese v možgane. Radijski inženirji so ustvarili tako imenovani "radijski zob" - sistem, s katerim slišijo prej nezaslišani ljudje. Za vzpostavitev take naprave je potrebna prisotnost enega samega zobnega živca, popolna odsotnost živih zobnih živcev pa ni značilna niti za popolnoma prizadeto ustno votlino.
Zasnovo aparata lahko opišemo približno tako: miniaturni mikrofon, ki ga lahko nosite na zapestju kot uro, je priključen na isti miniaturni oddajnik, ki pretvori zvok v radijske signale, ki jih sprejme sprejemnik, nameščen v zob. Sprejemnik je tanka plast polprevodniške zlitine, ki se nanese na proste živčne končiče v zobnem kanalu. Ta polprevodniška zlitina tvori piezoelektrični element, prevlečen na vrhu s plastjo zlata ali srebra, ki služi kot antena. Avtor videz Ta oblika se praktično ne razlikuje od metaliziranih zalivk in kron, ki so običajne v sodobnem ortopedskem zobozdravstvu.
Signal iz radijskega oddajnika, ki ga sprejme takšna antena, vstopi v piezoelektrični element; v piezoelektričnem elementu se pojavijo vibracije, ki se v vzbujajočih prostih živčnih končičih v zobu v obliki živčnih impulzov prenašajo v kortikalna in podkortična slušna središča možganov. Tako začne slišati oseba, ki je do tega trenutka živela v svetu brez zvokov. Seveda v resnično življenje za osebo, opremljeno s takšno napravo, ostaja na primer veliko omejitev pri uporabi Mobilni telefoni, pa tudi pri delu s tako imenovanimi generatorji hrupa, kaj pa pomenijo te omejitve v primerjavi s popolno gluhostjo, ki človeku ne daje popolne socialne rehabilitacije.
V zadnje čase V številnih državah so se razširile študije tako imenovane kvazi slušne identifikacije z namenom izdelave naprav, ki simulirajo slušni aparat. Nekatere slušne naprave so že razvite in preizkušene. Tako so na univerzi v Leidnu v povezavi s preučevanjem mehanizma zaznavanja zvokov pri ljudeh razvili elektronski model ušesa (v obliki filtrirnega sistema), ki reproducira frekvenčne značilnosti ušesa. Modeliranje je omogočilo izpopolnitev slušnega modela in zlasti združevanje pojavov, kot so zaznavanje tona in zvokov v njihovi dinamiki.
Model ameriških znanstvenikov W. Caldwella, E. Glenerja, J. Stewarta je zasnovan tako, da analizira odvisnost jakosti zvoka različnih frekvenc v zvokih, ki jih človek izgovori od časa, da bi identificiral znake, po katerih oseba prepozna zvoke, izgovarjajo se fonemi in besede s strani različnih ljudi... Te študije lahko služijo tako v medicinske namene v smislu ustvarjanja naprednejših slušnih aparatov kot za izboljšanje računalniške tehnologije.

Zaključek

Tako je že iz nekaj primerov mogoče sklepati, da ima bionika pomembno vlogo v sodobnem znanstvenem svetu in ne le kot abstraktna znanost, ki ni brez majhne uporabne vrednosti, temveč kot temeljna osnova sodobne tehnologije in tehnologije. . Narava že nešteto let izpopolnjuje svoje inženirske sposobnosti, kar pojasnjuje podrobno, celo miniaturno, izpopolnjenost funkcij in oblik naravnih objektov. Človek ima inženirske sposobnosti relativno nedavno, kar pomeni, da je njegova privlačnost do naravnih predmetov v osnovi pravilna in obljublja veliko zanimivih in nepričakovanih stvari v prihodnosti, zato določa razvoj ene od novih znanosti - bionike.

Bibliografija

1. Berezin FB Psihološka in psihofizična prilagoditev človeka. L.: Nauka, 1988.
2. Gerald Darell. Po vsem svetu. Zelena serija. M.: Armado-press, 2001.
3. Venčikov AI Biotokovi. M.: Mediz, 1962.
4. Matyukhin VA, Razumov AN Okoljska fiziologija ljudi in restavratorska medicina. M.: GOETAR "Medicina", 1999.
5. Pugovkina N. A. Splošna biologija. M.: "Izobraževanje", 1990.
6. Zgodovina medicine: Zbirka esejev. Založba Volgograd. medu. akad., 1994.
7. Neverjetno v svetu živali / ur. Konstantinova A.S., Larinoj N.I. država ne-to, 1970.