入り口人間の生活におけるバイオニクスの例。 バイオニクスは自然からインスピレーションを得た科学です。 バイオニック建築物の特徴
バイオニックフォームは、デザインの複雑さと非直線的な形状によって区別されます。
という用語の登場。
「バイオニクス」（ギリシャ語の「バイオス」-生命）の概念は、20世紀初頭に登場しました。 世界的な意味では、構造、形態、生命活動の分析に基づいて技術的、技術的、芸術的問題を解決するための自然形態の構築パターンの発見と使用に基づく科学的知識の分野を指します。 生物。 この名前は、1960 年にデイトナで開催されたシンポジウムでアメリカの研究者 J. スティールによって提案されました。「人工システムの生きたプロトタイプ - の鍵」 新技術」、-その間、新しい未知の知識分野の出現が統合されました。 この瞬間から、建築家、デザイナー、建設業者、エンジニアは、新しい形の手段を見つけることを目的とした多くの課題に直面することになります。
ソ連では、1990 年代初頭まで存在した TsNIELAB 研究室の専門家チームの長年の努力のおかげで、1980 年代初頭までに、建築バイオニクスがついに建築の新しい方向性として浮上しました。 このとき、Yu. S. Lebedev の総編集のもと、この研究室の著者と従業員からなる大規模な国際チームの最後の単行本「Architectural Bionics」（1990 年）が出版されました。
つまり、20世紀半ばからの時代です。 21世紀初頭まで。 建築界では、複雑な曲線の形への関心が高まり、そのルーツをもつ「有機建築」の概念がすでに新たなレベルで復活していることが特徴でした。 19 年後半- 20世紀初頭、L.サリバンとF.L.ライトの作品へ。 彼らは、建築の形態も、生きた自然と同じように、機能的であり、いわば「内側から外側へ」発展していくべきだと信じていました。
建築環境と自然環境の調和のとれた共生の問題。
ここ数十年のテクノクラートの発展は、長い間人間の生活様式を征服してきました。 人類は一歩ずつその状態から抜け出しました 生態的地位地球上の生息地。 実際、私たちはガラス、コンクリート、プラスチックで作られた人工的な「自然」の住人となっており、自然生態系の生命との適合性は着実にゼロに近づいています。 そして、人工自然が生きた自然に取って代わるほど、自然の調和に対する人間の必要性がより明らかになります。 人類を「自然の懐に」戻し、二つの世界のバランスを回復する最も可能性の高い方法は、現代のバイオニクスの開発です。
上海のサイプレス超高層ビル。 建築家: マリア ローザ セルベラ & ハビエル ピオズ
シドニーオペラハウス。 建築家: ヨーン・ウツソン。
ロレックス トレーニング センター。 建築家：日本の建築局SANAA。
建築バイオニクスは、レリーフ、輪郭、形状形成の原則、外界との相互作用など、自然から最大限のものを取り入れた革新的なスタイルです。 世界中で、バイオニック建築のアイデアは、上海のヒノキ超高層ビル、オーストラリアのシドニーオペラハウス、オランダのNMB銀行取締役会ビル、ロレックストレーニングセンター、日本の果物博物館など、有名な建築家によって実現され成功しています。 。
果物博物館。 建築家：長谷川逸子。
果物博物館の内部。
人間が作った建築には、常に自然な形の連続性があります。 しかし、建築家が単に自然の形態を模倣した過去数年の形式主義的なアプローチとは対照的に、現代のバイオニクスは、自己調節能力、光合成、調和のとれた共存の原理など、生物の機能的かつ基本的な特徴に基づいています。バイオニック建築には、自然と衝突しない、自然の延長である住宅の創造が含まれます。 さらなる発展バイオニクスには、独立した生命維持システムを備えたエネルギー効率の高い快適な建物であるエコハウスの開発と創造が含まれます。 このような建物の設計には、エンジニアリング機器の複合体が含まれます。 建設中に環境に優しい材料と建築構造が使用されます。 理想的には、未来の住宅は、自然の景観にシームレスにフィットし、自然と調和して存在する、自律的で自立したシステムです。 現代の建築バイオニクスは「エコアーキテクチャ」の概念と実質的に融合しており、エコロジーに直接関係しています。
生きた自然から建築への形の形成。
地球上のすべての生き物は、完璧に機能するシステムであり、 環境。 このようなシステムの存続可能性は、何百万年にもわたる進化の結果です。 生物の構造の秘密を明らかにすることで、建物の建築に新たなチャンスを得ることができます。
生きた自然における形状形成は、可塑性と組み合わせ性、つまり、円、楕円、ひし形、立方体、三角形、正方形、さまざまな種類の多角形、および非常に複雑で驚くほど美しい無限の種類の規則的な幾何学的形状と図形の両方によって特徴付けられます。これらの要素を組み合わせた、軽量、耐久性、経済的な構造。 このような構造は、生物の発達の複雑さと多段階の進化を反映しています。
建築バイオニクスの観点から自然を研究する主な立場は、生体材料科学とバイオテクトニクスです。
生体材料科学の研究対象は、動物の組織、植物の茎や葉、クモの巣の糸、カボチャの触角、蝶の羽など、自然の構造とその「派生物」のさまざまな驚くべき特性です。
バイオテクトニクスでは、すべてがより複雑になります。 この知識分野では、研究者は天然素材の特性よりもむしろ、生物の存在原理そのものに興味を持っています。 バイオテクトニクスの主な問題は、生きた自然における生物構造の作用原理と方法に基づいた新しい構造の創造、生物の適応と成長に基づいた柔軟な地殻システムの適応と成長の実装です。
建築および建設バイオニクスでは、新しい建設技術に大きな注目が集まっています。 このように、効率的で無駄のない建設技術の開発においては、積層構造の創出が有望な方向性となっている。 このアイデアは深海の軟体動物から借用したものです。 耐久性のあるシェルは、硬いプレートと柔らかいプレートが交互に重なって構成されています。 硬い板に亀裂が入った場合、その変形は柔らかい層によって吸収され、それ以上亀裂が進むことはありません。
建築バイオニクスの技術。
バイオニック建築物の開発における最も一般的な現代のトレンドの例をいくつか挙げてみましょう。
1. エネルギー効率の高い住宅 - 標準供給源からのエネルギー消費が低い、またはエネルギー消費がゼロの建物 (エネルギー効率の高い建物)。
2. パッシブハウス（パッシブビルディング） - 受動的温度調節（環境エネルギーを利用した冷暖房）を備えた構造。 このような住宅には、省エネの建築材料と構造が使用されており、実際には従来の暖房システムがありません。
3. 生物気候アーキテクチャ。 ハイテクスタイルのトレンドのひとつ。 生物気候建築の主な原則は、自然との調和です。「オフィスに飛来する鳥がオフィスの中にいることに気づかないように」。 基本的に、生物気候を考慮した超高層ビルが多数知られており、そこではバリア システムとともに多層ガラス (ダブル スキン技術) が積極的に使用され、換気と併せて防音と微気候のサポートを提供しています。
4. スマート ハウス (知的建物) - コンピューター技術と自動化の助けを借りて、部屋や周囲の構造内の光と熱の流れが最適化された建物。
5. 健康的な家（健康建築） 省エネ技術や代替エネルギーの活用とともに、自然建築材料（土と粘土の混合物、木、石、砂など）を優先的に使用した建築物「健康」家庭用テクノロジーには、有害な煙、ガス、放射性物質などを除去する空気浄化システムが含まれます。
建築実践における建築形式の使用の歴史。
建築バイオニクスは偶然に生まれたわけではありません。 それは、建築における生きた自然の形態の特定の特性や特徴を何らかの形で（ほとんどの場合連想的かつ模倣的に）使用するというこれまでの経験の結果でした。たとえば、ルクソールとカルナックのエジプト神殿の列柱ホール、首都とカルナック、古代修道会の柱、ゴシック様式の内装の大聖堂など。
エドフ神殿の列柱ホールの柱。
バイオニック建築には、自然の景観に有機的に適合し、いわばその継続である建物や建築複合体が含まれることがよくあります。 たとえば、これらはスイスの近代建築家ピーター・ズントーの建物と呼ぶことができます。 天然の建築材料に加えて、山、丘、芝生、樹木などの既存の自然要素を実質的に変更することなく使用できます。 彼の建物は地面から成長しているように見え、時には地面と非常に融合しています。 周囲の自然それらはすぐには検出できないということです。 たとえば、スイスの温泉は外から見るとただの緑地に見えます。
ヴァルスの浴場。 建築家：ピーター・ズントー。
バイオニクスの概念の一つであるエコハウスのイメージから見れば、私たちに身近な村の家もバイオニクス建築に分類できます。 それらは天然素材から作られており、田舎の村の構造は常に周囲の風景に調和して組み込まれています（村の最高点は教会、低地は住宅など）。
フィレンツェ大聖堂のドーム。 建築家：フィリッポ・ブルネレスキ。
建築史におけるこの領域の出現は、常に何らかの技術革新と関連しています。たとえば、イタリアのルネサンス建築家 F. ブルネレスキは、フィレンツェ大聖堂のドームを建設するためのプロトタイプとして卵の殻を使用しました。また、レオナルド ダ ヴィンチは、建築物や軍事施設、さらには航空機を描写および設計する際に、生きた自然の形を模倣しました。 「生物学的な位置から」生きたモデルの飛行機構を最初に研究し始めたのは、羽ばたき翼 (鳥飛行装置) を備えた航空機の開発を試みたレオナルド ダ ヴィンチであると一般に認められています。
グエル公園のギャラリー。 建築家：アントニオ・ガウディ。
聖家族大聖堂 (サグラダ ファミリア) のキリストの受難の入り口。
19 世紀から 20 世紀にかけての建設技術の進歩。 生きた自然の建築を解釈するための新たな技術的可能性を生み出しました。 これは多くの建築家の作品に反映されており、その中でももちろん、20世紀の建築におけるバイオフォームの広範な使用の先駆者であるアントニ・ガウディは際立っています。 A. ガウディが設計・建設した住宅建築、グエル修道院、バルセロナの有名な「サグラダ・ファミリア」（聖家族大聖堂、高さ170メートル）は、今なお比類のない建築の傑作であり、同時に最も才能に溢れた建築物です。建築上の自然な形態の同化の特徴的な例 - その応用と発展。
カサ・ミラの屋根裏部屋の床。 建築家：アントニオ・ガウディ。
カサ・バトリョのギャラリーのアーチ型の金庫室。 建築家：アントニオ・ガウディ。
A. ガウディは、自然と同様に、建築にも模倣の余地はないと信じていました。 その結果、彼の構造はその複雑さが際立っており、彼の建物には同じ部分が 2 つとして見つかりません。 その柱は樹皮と葉が付いたヤシの幹を表現し、階段の手すりはカールした植物の茎を模倣し、アーチ型の天井は樹冠を再現しています。 ガウディはその創作において、放物線状のアーチ、超螺旋、傾斜した柱などを使用し、その幾何学形状が建築家と技術者の両方の建築上の空想を超えた建築を生み出しました。 A. ガウディは、空間的に湾曲した形状の生物形態学的なデザイン特性を最初に使用した人物の 1 人であり、彼はそれを小さなレンガ階段の双曲放物面の形で具体化しました。 同時に、ガウディは単に自然物をコピーしたのではなく、自然の形を創造的に解釈し、プロポーションや大規模なリズミカルな特徴を修正しました。
プロトバイオニクス建築の意味論的な範囲は非常に印象的で正当なものに見えるという事実にもかかわらず、一部の専門家は、建築バイオニクスとは、単に自然の形状を繰り返したり、天然素材から作成されたりするのではなく、生きた自然の構造と原則をその設計に含んでいる建物だけだと考えています。 。
エッフェル塔の建設。 エンジニア：ギュスターヴ・エッフェル。
橋プロジェクト。 建築家：パオロ・ソレーリ。
これらの科学者はむしろ、人間の脛骨の構造を正確に再現した橋梁技師 A. G. エッフェルによる高さ 300 メートルのエッフェル塔や、建築家 P. ソレリによる丸めた穀物の葉を思わせる橋プロジェクトのような建物をプロトバイオニクスと呼びたいと考えています。植物の茎などにおける荷重再配分の原理に基づいて開発されました。
クリラツコエのサイクリングコース。 建築家: N. I. ヴォロニナと A. G. オスペニコフ。
ロシアでも、生きた自然の法則を借りて、「プレペレストロイカ」時代のいくつかの建築物が作られました。 例としては、モスクワのオスタンキノのラジオ塔とテレビ塔、オリンピック施設 - クリラツコエの自転車競技場、ミラ通りの屋内スタジアムとレニングラードのユニバーサルスポーツ・エンターテイメントホールの膜カバー、バクー沿海公園のレストランとその関係などが挙げられる。フルンゼ市のベルメットレストランなど。
建築バイオニクスの方向に取り組んでいる現代建築家の名前としては、ノーマン フォスター (http://www.fosterandpartners.com/Projects/ByType/Default.aspx)、サンティアゴ カラトラバ (http://www.calatrava.com/#) があります。 /Selected) 目立つ %20works/Architecture?mode=english)、Nicholas Grimshaw (http://grimshaw-architects.com/sectors/)、Ken Young (http://www.trhamzahyeang.com/project/main.html) ）、ヴィンセント・カレボ（ http://vincent.callebaut.org/projets-groupe-tout.htm l）など。
バイオニクスの側面に興味がある場合は、私たちに手紙を書いてください。それについて詳しく説明します。
建築局「インテラ」。
バイオニクス(ギリシャ語より バイオン- 生命の要素、文字通り - 生きている）、生物学とテクノロジーに隣接する科学であり、生物の構造と重要な機能のモデル化に基づいて工学的問題を解決します。
さらに最近では、バイオニクスの科学が誕生しました (1960 年)。その目的は、人間が生きた自然の「秘密」を学ぶのを助けることです。 自然は、異常に完璧な生命メカニズムを作り上げてきました。 科学者たちは、イルカ、クジラ、イカ、クモ、モグラ、カンガルーの速度と動きの原理、鳥や昆虫の飛行術、ハエ、カエルの視覚器官の特徴、クラゲの聴覚器官、エコーロケーターの「秘密」 コウモリ、ガラガラヘビのサーモロケーターなど。 等々。
バイオニクスは、航空機や造船、宇宙飛行、機械工学、建築、航行計器の製造、鉱業などの分野で応用されています。
建設および産業におけるバイオニクス
すでに実用化されているバイオニクスの具体的な成果をいくつか考えてみましょう。
ペンギンは雪の中を滑って足ひれで押して移動します。 スノーモービルも同じ原理で開発されましたゴーリキー工科大学にて。 底が広い雪の上に寝転がっても、轍ができず、滑ったり、引っかかったりしません。
世界中の造船所は、現代の船のナイフ型の船首よりも水中での移動に適したクジラの頭の洋ナシ型の形状に長い間注目してきました。 従来の船と比較して、鯨類汽船はより経済的であることが判明しました。
円錐形のものは、樹冠や幹、キノコの構造に見られます。 まさに炭鉱コンバインの形です。 風荷重や重力に耐える最適な形状です。 建築家は円錐形の構造物をよく使用します (オスタンキノのテレビ塔)。
自然が作り出した構造物は、人間がこれまでに作り上げたものよりもはるかに完璧です。
地下に住む動物たちの世界は豊かで多様です。 ミミズやモグラは、地下通路を作るための驚くべき適応力を持っています。
これらは、地下掘削ユニットを作成するときに非常に興味深いものです。 たとえば、モグラのように地下を移動し、滑らかで緻密な壁を持つトンネルを突破するオリジナルモデルが開発されました。
バイオニクスは両生類の後肢の構造原理を取り入れました。 それをフリッパーズなどのアイテムで具現化する。
これらは、人間が生物学的モデルをどのように適用するかのほんの一例です。 しかし、動物には人間が利用できる、または利用できる他の多くの特性もあります。コウモリの超音波視覚、イルカのエコーロケーション（距離 20 ～ 30 m で、イルカは直径 4 のペレットが飛んだ場所を正確に示します） mm落ちました）。
2003 年 10 月 24 日、金曜日、18:10、モスクワ時間
過去 10 年間、現代のテクノロジーにより、前例のない精度で小型の自然構造をコピーできるようになり、バイオニクスは新たな開発への強い推進力を受けてきました。 同時に、現代のバイオニクスは、過去の透かし彫りのデザインではなく、天然の類似物、ロボット工学、人工臓器をコピーする新しい材料の開発と大きく関係しています。バイオニクスの概念は決して新しいものではありません。 たとえば、3000年前、中国人は昆虫から絹を作る方法を採用しようとしました。 しかし 20 世紀の終わりに、バイオニクスに第二の風が吹き、現代のテクノロジーにより、これまでにない精度でミニチュアの自然構造をコピーできるようになりました。 そこで、数年前、科学者たちはクモの DNA を分析し、絹のような巣の人工類似体であるケブラーを作成することに成功しました。 このレビュー資料では、現代のバイオニクスの有望な分野をいくつか列挙し、自然から借用した最も有名な事例を紹介します。
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人間工学による構造と自然が作り出した構造の主な違いは、後者の驚異的なエネルギー効率です。 生物は何百万年にもわたって改善、進化し、最小限のエネルギーで生き、動き、繁殖することを学びました。 この現象は、動物の独特の代謝と動物間の最適なエネルギー交換に基づいています。 さまざまな形で人生。 したがって、自然から工学的ソリューションを借用することにより、現代技術のエネルギー効率を大幅に向上させることが可能です。
天然素材は超安価で量も豊富で、人間が作ったものよりも「品質」が優れています。 したがって、鹿の角の材料は、人類が開発できたセラミック複合材料の最良の例よりもはるかに強力です。 同時に、人々は特定の超強力物質を得るためにかなり「愚かな」エネルギーを大量に消費するプロセスを使用しており、自然はそれらをはるかにインテリジェントで効率的な方法で作成します。 この目的のために、周囲の天然物質（糖、アミノ酸、塩）が使用されますが、独自の設計とエンジニアリングソリューション、多くの場合まだ利用できない超効率の有機触媒という「ノウハウ」を使用します。人間の理解力。 バイオニクスは、自然のノウハウを研究し、コピーします。
バイオニクス(英語名 - 「バイオミメティクス」）は、自然から貴重なアイデアを借用し、それらをエンジニアリングおよび設計ソリューション、および新しい情報技術の形で実装するための有望な科学技術の方向性です。 アイテム バイオニクスさまざまな名前で知られています。たとえば、アメリカではこの用語が一般的に使用されています。 「バイオミメティクス」、しかし時々彼らはについて話します 生物発生。 この有望な科学技術の方向性の本質は、自然から貴重なアイデアを借用し、それを独自のエンジニアリングおよび設計ソリューション、および新しい情報技術の形で実装することです。 過去 10 年間、バイオニクスは新たな開発への大きな推進力を受けてきました。 これは、現代のテクノロジーがギガおよびナノレベルに移行しており、これまでにない精度で小型の自然構造をコピーできるようになったという事実によるものです。 現代のバイオニクスは主に、自然の類似物、ロボット工学、人工臓器をコピーする新しい材料の開発に関連しています。 |
自然構造物の設計も、自然に効果的であると主張するものを人間が設計しようとする試みと比較することはできません。 生物学的対象物 (成熟した木など) の形状は、通常、友好的な環境 (森の中の他の木からの支援など) と攻撃的な環境の両方に長年さらされたことを考慮した、長い適応プロセスの結果として作成されます。要因。 成長と発達のプロセスには、細胞レベルでの相互作用の制御が関与します。 これらすべてが一体となり、製品全体にわたって驚異的な耐久性を保証します。 ライフサイクル。 成形過程におけるこのような適応性は、バイオニクスで呼ばれる独自の適応構造の作成につながります。 インテリジェントシステム。 同時に、私たちの業界は、環境と相互作用し、その特性を変更することで適応できるインテリジェントなシステムを作成するためのテクノロジーをまだ利用できていません。
現在、科学者は環境への適応性を少なくとも最小限に抑えたシステムを設計しようとしています。 たとえば、現代の自動車には、個々のコンポーネントの負荷を測定する多数のセンサーが装備されており、たとえば、タイヤの空気圧を自動的に変更することができます。 ただし、開発者と科学はこの長い旅の始まりにすぎません。
インテリジェント システムの可能性は刺激的です。 完璧 インテリジェントシステム独自の設計を独自に改善し、構造の特定の部分に不足している材料を追加したり、個々のコンポーネントの化学組成を変更したりするなど、さまざまな方法でその形状を変更できるようになります。 しかし、人々は自然から学ぶのに十分な観察力と知性を持っているでしょうか?
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20世紀後半に科学界に登場したバイオニクス？ バイオニクスは、自然システムの観察材料に基づいて、それに基づいて現代の技術を生み出すものです。
英語から翻訳された「バイオニクス」という言葉は「生物の知識」を意味します。 その主なタスクは (前述したように) 生きた自然のパターンを特定し、それをシステムに適用することです。 人間の活動。 バイオニクスの問題点、その目標と機能が、米国のデイトナシンポジウムで初めて明らかになりました。 そして 1960 年には、生物学的メカニズムのみが技術開発の真の原型になり得るという主張が大胆に提唱されました。
バイオニクスの主な問題と課題
- 生物の個々のシステムや器官（神経系、心臓、皮膚など）の機能と特性を観察および研究し、得られた知識を車両やコンピューティングなどの最新の技術成果を生み出すための基礎として使用します。
- 生物の生体エネルギーの可能性を研究し、エネルギーを節約するために筋肉のように機能するエンジンをそれらに基づいて作成します。
- 新しい洗剤や医薬品の生産のための化学産業の発展のための生化学合成プロセスの研究。
バイオニクスと人類の知識の他の分野との関係
「バイオニクスは、多くの技術（電子、輸送、情報技術）と自然科学（医学、生物学、化学）の間の接続リンクであると考えられています。」
専門家らは、既存の知識の全体性を一定の統一性へ結合することは、合理的な目的のために行われると主張している。 実用化～に最も必要なプロセスです 現代世界。 バイオニクスは、知識の個々の分野の専門化が強化され、科学から重要な統一性が失われたときに登場しました。
したがって、生物学におけるバイオニクスは、獲得した知識を数学、技術、化学と定性的に組み合わせて応用できるようにするために必要な要素です。 情報、技術資源、天然資源の間に同様のつながりを確立することは、バイオニクス研究に不可欠な部分です。
最も広い意味でのバイオニクスが自然から「借りる」手段であるならば 素晴らしいアイデア最新の科学の発展については、より狭い意味では、生物学と航空学、サイバネティクス、材料科学、建設、ビジネス、医学、化学、建築、さらには芸術の間の非常に密接な関係としてこの科学について話すことができます。 バイオニクスの専門家は、進化を通じて既存の材料と新たに更新された材料、および人類の発展によってもたらされた技術的能力を適切に比較できるように、過剰な観察力と分析心を備えていなければなりません。
狭義のバイオニクスについての会話を続けると、生産に使用する天然資源や鉱物を抽出する最新の方法の開発などの課題について話すことができます。
バイオニクスは、自然が私たちに与えてくれるものをより良く、より合理的に利用する方法の科学であるという事実にもかかわらず、その基本的な機能の 1 つは、社会の継続的な進歩のための資源とアイデアの無尽蔵の源としての天然素材を保護することです。 これを達成するために、バイオニクスの専門家は 3 つの主要なアプローチを使用します。
- 関数数学的プログラムのアプローチ (進行中のプロセス、その構造、起源と結果の図を研究)。 このアプローチにより、既存のツールを使用して新しいモデルを構築することが可能になります。
- 物理化学的アプローチ (生化学プロセスの研究)。 このアプローチは、確立されたメカニズムを使用して新しい物質を合成する機会を研究者に提供します。
- インバースモデリングと呼ばれる、テクノロジーフレームワークにおける生物学的システムの直接適用。 以前のアプローチでは、新しい技術的手段を生み出すための生物学的材料の使用について話していましたが、ここでは生物学的環境で答えと必要なリソースを探すことによって問題と技術的問題を解決することについて話すことができます。
したがって、バイオニクス研究の科学とは何かという質問には、次のように答えるのが最善です。 バイオニクスとは、科学の進歩を促進し、同時に既存の天然資源を保護することを目的として、存在の生物学的側面と技術の進歩を結び付ける方法、手段、可能性の探求です。
ストゥルニコフ・マキシム
「バイオニクス - 最大の可能性の科学」というテーマに関する研究活動
ダウンロード：
プレビュー:
地域科学・実践カンファレンス
地域青少年フォーラムの枠内で
「未来は私たちだ！」
自然科学分野（物理学、生物学）
テーマに関する研究活動
「バイオニクス - 最大の可能性をもたらす科学」
サラトフ州ペトロフスクの市立予算教育機関「組織化学校第7」
リーダー:
フィリヤニナ・オルガ・アレクサンドロヴナ
化学と生物の教師
ゲラシモワ・ナタリア・アナトレヴナ、
数学と物理の先生、
ペトロフスク
2014 年 4 月
- はじめに pp.3-4
- 古代から現代へ。 pp.5-6
- バイオニクスセクション:
3.1. 建築および建設バイオニクス。 pp.6-8
3.2. 生体力学; pp.8-12
3.3. ニューロバイオニクス。 pp.13-14
4. 「自然から見た」素晴らしい小さなもの。 pp.14-15
5. 結論 16 ページ
6. 文献および使用されたインターネット リソース。 16ページ
鳥 -
アクティブ
数学的法則によると
道具、
どちらを行うには、
人間の力で…
レオナルド・ダ・ヴィンチ.
1 回のジャンプで車の上を飛び、スパイダーマンのように動き、数キロ離れた敵を発見し、鉄骨の梁を手で曲げてみたいと思いませんか? そうだと想定しなければなりませんが、残念ながら、これは非現実的です。 今のところ非現実的ですね…
世界の創造以来、人間は多くのことに興味を持ってきました。なぜ水は湿っているのか、なぜ昼が夜の後に続くのか、なぜ花の香りを嗅ぐのかなどです。当然のことながら、人間はこれに対する説明を見つけようとしました。 しかし、学べば学ぶほど、彼の中にさらなる疑問が生じました。人は鳥のように飛び、魚のように泳ぐことができるのか、動物はどのようにして嵐の接近、差し迫った地震、来るべき火山の噴火について「知る」ことができるのでしょうか。人工知能を作ることは可能ですか？
「なぜ」という疑問はたくさんありますが、多くの場合、これらの疑問は科学的に解釈されず、作り話や迷信を生み出します。 これを行うには、物理学と化学、天文学と生物学、地理と生態学、数学と技術、医学と宇宙など、多くの分野で優れた知識を持っている必要があります。
すべてを組み合わせ、矛盾したものを組み合わせることのできる科学は存在するのでしょうか? 存在することが判明しました！
アイテム 私の研究 - バイオニクスの科学 - "バイオロギア』と『テックニカ』。
研究活動の目的:バイオニクス科学の出現の必要性、その能力と適用可能性の限界。
これを行うには、行を入れることができますタスク:
1. 「バイオニクス」とは何かを知る。
2. 「バイオニクス」科学の発展の歴史をたどります：古代から現代まで、そして他の科学との関係。
3. バイオニクスの主要なセクションを特定します。
4. 私たちが自然に感謝する必要があるもの: バイオニクスの開かれた可能性と謎。
研究手法：
理論的:
- 科学論文、テーマに関する文献の研究。
実用的：
観察;
一般化。
実用的な意義。
私たちは皆、自然の中で自然が生み出した法則に従って生きているので、私の作品は幅広い生徒や教師にとって有益で興味深いものになると思います。 自然のすべてのヒントをテクノロジーに変換し、その秘密を明らかにするには、人は知識を巧みに習得する必要があります。
古代から現代まで
バイオニクスは、生物と技術的装置を組み合わせる可能性を研究する応用科学であり、今日非常に速いペースで発展しています。
自然が私たちに与えてくれた能力を超える能力を持ちたいという願望は、すべての人の心の奥深くにあります。フィットネストレーナーや形成外科医なら誰でも、これを確認するでしょう。 私たちの体は驚くべき適応力を持っていますが、できないこともいくつかあります。 たとえば、私たちは声の届かないところにいる人たちとどう話せばよいのかわかりませんし、飛ぶこともできません。 だからこそ電話と飛行機が必要なのです。 人々は自らの欠陥を補うために、古くからさまざまな「外部」装置を利用してきましたが、科学の発展とともにその道具は徐々に小型化され、私たちに身近になってきました。
さらに、自分の体に何かが起こった場合、医師が最新の医療技術を使用して「修復」を行うことは誰もが知っています。
これら 2 つの単純な概念を組み合わせると、人類進化の次のステップについてのアイデアが得られます。 将来的には、医師は「損傷した」または「故障した」生物を修復できるだけでなく、人間を積極的に改善し、自然管理よりも強く、より速く人間を作り始めるでしょう。 これはまさにバイオニクスの本質であり、今日私たちは新しいタイプの人間の出現の入り口に立っています。 おそらく私たちのうちの誰かがそうなるでしょう...
レオナルド・ダ・ヴィンチはバイオニクスの祖先と考えられています。 彼の航空機の図面や図は、鳥の翼の構造に基づいていました。 私たちの時代には、レオナルド・ダ・ヴィンチの図面に従って、モデリングが繰り返し実行されました。鳥翅目 (ギリシャ語の órnis、性別 órnithos - 鳥と pterón - 翼から)、フライホイール 、空気よりも重い翼を羽ばたく航空機）。 生き物の中でも、例えば鳥は翼をはばたかせて飛びます。
現代の科学者の中で、オシップ・M・R・デルガドの名前を挙げることができるでしょう。
彼は無線電子装置の助けを借りて、動物の神経学的および身体的特徴を研究しました。 そしてそれらに基づいて、生物を制御するためのアルゴリズムの開発を試みました。
バイオニクス (ギリシャ語の Biōn - 生命の要素、文字通り - 生きている) に由来し、生物学とテクノロジーに隣接する科学であり、生物の構造と重要な機能のモデル化に基づいて工学的問題を解決します。 バイオニクスは、生物学、物理学、化学、サイバネティクス、工学科学 (エレクトロニクス、ナビゲーション、通信、海事など) と密接に関連しています。/BSE.1978/
バイオニクスの正式な誕生年は、 1960年 バイオニクス科学者は、一体化された記号によって接続されたメスとはんだごてをエンブレムとして選択し、彼らのモットーは次のとおりです。生きたプロトタイプが新技術の鍵となる».
多くのバイオニック モデルは、技術的に実装される前に、コンピューター上で生活を開始します。 コンピュータープログラム– バイオニックモデル。
現在、バイオニクスにはいくつかの方向性があります。
バイオニクスセクション
- 建築および建設バイオニクス。
建築および建設バイオニクスの顕著な例 - 完成穀物の茎の構造の類似そして近代的な高層ビル。 穀物の茎は、花序の重みで壊れることなく、重い負荷に耐えることができます。 風によって地面に曲がっても、すぐに垂直位置に戻ります。 秘密は何ですか？ その構造は現代の高層ビルのデザインに似ていることがわかりました。工場のパイプ - 工学思想の最新の成果の 1 つ。
スペインの有名な建築家 M.R. バイオニクスの積極的な支持者であるセルベラと H. プロズは、1985 年に「動的構造」の研究を開始し、1991 年に「建築革新を支援する協会」を組織しました。 彼らのリーダーシップの下、建築家、エンジニア、デザイナー、生物学者、心理学者を含むグループがこのプロジェクトを開発しました。垂直型バイオニックタワーシティ」 15年以内に上海にタワーシティが出現するはずだ（科学者によると、20年以内に上海の人口は3000万人に達する可能性がある）。 このタワーシティは10万人向けに設計されており、プロジェクトは「木造建築の原則」に基づいています。
タワーシティはこんな形になりますヒノキ 高さは 1,128 メートル、根元の周囲は 133 × 100 メートル、最も広い部分で 166 × 133 メートルで、タワーは 300 階建てで、80 階建ての 12 の垂直ブロックに配置されます。
フランス革命100周年を記念して、パリで世界博覧会が開催されました。 この展覧会の敷地内に、偉大さを象徴する塔を建てる予定でした。 フランス革命、そして最新のテクノロジーの進歩。 コンテストには 700 以上のプロジェクトが提出され、最も優れたプロジェクトが橋梁技師アレクサンドル ギュスターヴ エッフェルのプロジェクトとして認められました。 19 世紀末、その作成者の名前にちなんで名付けられたこの塔は、その透かし彫りと美しさで全世界を驚かせました。 高さ 300 メートルの塔はパリの一種のシンボルとなっています。 この塔は未知のアラブ科学者の図面に従って建てられたという噂がありました。 そして、半世紀以上が経って初めて、生物学者と技術者は予期せぬ発見をしました。エッフェル塔 大きな構造の構造を正確に繰り返します脛骨 、人体の重量に簡単に耐えます。 耐荷重面間の角度も一致します。 これはもう一つです 実例バイオニクスが活躍中。
建築および建設バイオニクスでは、新しい建設技術に大きな注目が集まっています。 例えば、効率的で無駄のない建設技術の開発の分野では、有望な方向性が生み出されています。層状構造。 アイデアは以下から借用しました深海の軟体動物。 広く普及しているアワビのような耐久性のある殻は、硬い板と柔らかい板が交互に重なって構成されています。 硬い板に亀裂が入った場合、その変形は柔らかい層によって吸収され、それ以上亀裂が進むことはありません。 この技術は自動車のカバーにも使用できます。
2. バイオメカニクス
自然ロケーター。 ライブ気圧計と地震計。
バイオニクスにおける最も先進的な研究は、検出、ナビゲーション、方向確認の生物学的手段の開発です。 高等動物と人間の脳の機能と構造のモデル化に関連した一連の研究。 生体電気制御システムの構築と「マンマシン」問題の研究。 これらの領域は互いに密接に関連しています。 現在の技術開発レベルにおいて、自然はなぜ人間よりもはるかに先を行っているのでしょうか?
鳥、魚、昆虫が気象の変化に非常に敏感かつ正確に反応することは長い間知られていました。 ツバメの低空飛行は雷雨の前兆です。 海岸近くにクラゲが集まることで、漁師たちは海が穏やかになり、釣りに行けることがわかります。
動物 - 「生共観光学」本質的に、ユニークな超高感度の「デバイス」が備わっています。 バイオニクスの課題は、これらのメカニズムを発見するだけでなく、その動作を理解し、それを再現することです。 電子回路、デバイス、構造。
複合施設の探索 ナビゲーションシステム魚や鳥は回遊中に数千キロメートルを移動し、産卵、越冬、雛の育成のために間違いなく元の場所に戻ってくるため、高感度の追跡、誘導、物体認識システムの開発に貢献しています。
多くの生物は人間にはない分析システムを持っています。 たとえば、バッタの第 12 触角節には、赤外線を感知する結節があります。 サメやエイの頭と体の前面には、0.10℃の温度変化を感知するチャネルがあります。カタツムリ、アリ、シロアリには、放射性放射線を感知する装置があります。 多くは磁場の変化に反応します（主に長距離を移動する鳥や昆虫）。 フクロウ、コウモリ、イルカ、クジラ、およびほとんどの昆虫は、インフラストラクチャおよび超音波振動を知覚します。 ミツバチの目は紫外線に反応し、ゴキブリの目は赤外線に反応します。
ガラガラヘビの熱に敏感な器官は、0.0010℃の温度変化を感知します。 魚 (エイ、デンキウナギ) の電気器官は 0.01 マイクロボルトの電位を感知し、多くの夜行性動物の目は単一量子の光に反応し、魚は水中の物質の濃度 1 mg/m3 (=1) の変化を感知します。 μg/l)。
さらに多くの空間定位システムがありますが、その構造はまだ研究されていません。ミツバチやスズメバチは太陽によって適切に方向を定められ、雄の蝶（たとえば、夜のクジャクの目、デスヘッドオオスカシバなど）は太陽の光で雌を見つけます。 10kmの距離。 ウミガメや多くの魚（ウナギ、チョウザメ、サケ）は、故郷の海岸から数千キロメートル離れたところを泳ぎ、間違いなく、彼らが人生の旅を始めた同じ場所に産卵と産卵のために戻ってきます。 彼らは2つの方位システムを持っていると考えられています - 遠くでは星と太陽によって、そして近くでは匂い（沿岸水域の化学的性質）によって。
コウモリは一般に小さく、正直に言うと、私たちの多くにとって不快で、嫌悪感を抱く生き物ですらあります。 しかし、それはたまたま彼らを偏見をもって扱っただけであり、その基礎となっているのは、原則として、人々が精霊や悪霊を信じていた時代に発展したさまざまな種類の伝説や信念です。
コウモリは生物音響科学者にとってユニークなオブジェクトです。 彼女は完全な暗闇の中で障害物にぶつかることなく完全に自由に移動できます。 さらに、コウモリは視力が低いため、小さな昆虫をその場で見つけて捕まえ、飛んでいる蚊と風に飛んでいる斑点、食用の昆虫と味のないてんとう虫を区別します。
イタリアの科学者ラザロ・スパランツァーニは、1793 年にコウモリのこの異常な能力に初めて興味を持ちました。 最初に彼は、さまざまな動物が暗闇の中でどのようにして道を見つけるのかを調べようとしました。 彼は、フクロウや他の夜行性の生き物は暗闇でもよく見えるということを証明することができました。 確かに、完全な暗闇の中では、結局のところ、彼らも無力になります。 しかし、彼がコウモリの実験を始めたとき、そのような完全な暗闇はコウモリにとって障害ではないことがわかりました。 それからスパランツァーニはさらに進んで、数匹のコウモリの視力を奪っただけだった。 そして何？ これによって彼らの行動は何も変わりませんでしたが、彼らは目の見える人と同じように昆虫を狩るのが上手でした。 スパランツァーニは、実験用マウスの胃を開いたとき、これを確信しました。
謎への関心が高まった。 特にスパランツァーニがスイスの生物学者チャールズ・ジュリンの実験を知るようになってからは、1799年にコウモリは視覚がなくても生きていけるが、深刻な聴覚障害はコウモリにとって致命的であるという結論に達した。 彼らは特殊な銅管で耳に栓をするとすぐに、彼らの行く手に現れるすべての障害物に盲目的かつランダムにぶつかり始めました。 これに加えて、視覚、触覚、嗅覚、味覚といった器官の機能の障害がコウモリの飛行に影響を及ぼさないことも、さまざまな実験で示されている。
スパランツァーニの実験は間違いなく印象的でしたが、明らかに時代を先取りしていました。 スパランツァーニは、科学的にまったく正しい主要な質問に答えることができませんでした。聴覚や視覚ではないとしたら、この場合、コウモリが宇宙でうまく移動するのに何が役立つのでしょうか?
当時、彼らは超音波について何も知りませんでしたし、動物が耳や目だけでなく他の知覚器官 (システム) を持っている可能性があることも知りませんでした。 ちなみに、一部の科学者はスパランツァーニの実験を説明しようとしたのはこの精神でした。科学者たちは、コウモリには微妙な触覚があり、その器官はおそらく翼の膜にあると言います...
その結果、スパランツァーニの実験は長い間忘れ去られました。 科学者自身がそれを呼んだ、いわゆる「コウモリのスパランザン問題」は、100年以上経った私たちの時代になって初めて解決されました。 これは、エレクトロニクスベースの新しい研究ツールの出現により可能になりました。
ハーバード大学の物理学者 G. ピアースは、コウモリが人間の耳の可聴限界を超えた音を発することを発見することができました。
空力要素。
現代空気力学の創始者N. E. ジュコフスキーは、鳥の飛行メカニズムと鳥が空を飛ぶための条件を注意深く研究しました。 鳥の飛行の研究に基づいて、航空が誕生しました。
昆虫は自然界ではさらに高度な飛行機械を持っています。 飛行効率、相対速度、操縦性の点で、本質的に同等のものはありません。 創作の考え方 航空機昆虫飛行の原理に基づくものであり、許可を待っているところです。 飛行中に有害な振動が発生するのを防ぐために、高速で飛ぶ昆虫は羽の端にキチン質の肥厚を持っています。 現在、航空機の設計者は同様の装置を航空機の翼に使用しており、それによって振動の危険性が排除されています。
ジェット推進.
飛行機、ロケット、宇宙船で使用されるジェット推進も、タコ、イカ、イカなどの頭足類の特徴です。 イカのジェット推進力はテクノロジーにとって最も興味深いものです。 本質的に、イカには 2 つの根本的に異なる推進メカニズムがあります。 ゆっくりと移動するときは、周期的に曲がる大きなひし形のひれを使用します。 素早く投げるために、この動物はジェット推進力を使います。 筋肉組織 - 外套膜は軟体動物の体を四方から囲み、その体積は体の体積のほぼ半分です。 ジェット水泳法では、動物は外套膜の隙間から外套腔内に水を吸い込みます。 細いノズル（漏斗）から水流を吐き出すことでイカの動きを生み出します。 このノズルには特別なバルブが装備されており、筋肉がそれを回転させることで動きの方向を変えることができます。 イカの推進システムは非常に経済的で、そのおかげで時速 70 km の速度に達することができ、一部の研究者は最高 150 km/h まで到達できると考えています。
ハイドロプレーン 体の形はイルカに似ています。 このグライダーは美しく、素早く乗り、イルカのように波の中でヒレを振って自然に遊ぶ能力を持っています。 本体はポリカーボネート製です。 モーターは非常に強力です。 この種の最初のイルカは 2001 年に Innespace によって建造されました。
第一次世界大戦中、イギリス艦隊はドイツの潜水艦により多大な損害を被りました。 それらを検出し追跡する方法を学ぶ必要がありました。 この目的のために特別な装置が作成されました。水中聴音器。 これらの装置はプロペラの音によって敵の潜水艦を探知することになっていました。 これらは船に設置されていましたが、船が動いている間、水中聴音器の受け穴の水の動きが騒音を発生させ、潜水艦の騒音をかき消してしまいました。 物理学者のロバート・ウッドは、エンジニアが水中を移動するときによく聞こえるアザラシから学ぶことを提案しました。 その結果、ハイドロフォンの受け穴の形状が決まりました。 耳介アザラシの音が鳴り響き、船が全速力で進んでも水中聴音器が「聞こえる」ようになった。
3. ニューロバイオニクス。
ロボットごっこをしたり、ターミネーターやウルヴァリンの映画を見たりすることに興味のない少年がいるでしょうか？ 最も熱心なバイオニストは、ロボットを設計するエンジニアです。 将来のロボットは、人間にできるだけ似ている場合にのみ効果的に機能できるようになるという見方があります。 バイオニクスの開発者は、ロボットが都市や家庭の状況、つまり階段、ドア、その他の特定のサイズの障害物がある「人間の」環境で機能しなければならないという事実に基づいて研究を進めています。 したがって、少なくとも、サイズと動作原理の点で人に対応する必要があります。 つまり、ロボットには脚がなければならず、車輪や履帯などは都市にはまったく適していないのです。 そして、動物ではないとしたら、誰の足のデザインをコピーすべきでしょうか？ スタンフォード大学の全長約17センチメートルの小型6足ロボット（ヘキサポッド）はすでに秒速55センチメートルの速度で走行している。
人工心臓は生体材料から作られています。 新しい 科学的発見ドナー臓器の不足を解消できるかもしれない。
ミネソタ大学の研究者グループは、世界で心臓病を抱えて生きている人の数に相当する2,200万人を治療する根本的に新しい方法を開発しようとしている。 科学者たちは心臓から筋肉細胞を除去し、心臓弁の枠だけを保存することに成功しました。 血管。 新しい細胞がこのフレームに移植されました。
バイオニクスの勝利 - 義手。 シカゴリハビリテーション研究所の科学者たちは、患者が思考で手を制御できるだけでなく、特定の感覚を認識できるようにするバイオニック義肢の作成に成功した。 バイオニックハンドの所有者は、元軍人のクラウディア・ミッチェルでした。 海軍アメリカ合衆国。 2005年、ミッチェルは事故で負傷した。 外科医は切断しなければならなかった 左手ミッチェルは肩まで。 その結果、プロテーゼの制御に使用できたはずの神経が使用されないままになってしまった。
「自然から見た」素晴らしい小さなもの
有名な借用はスイスの技術者ジョルジュ・ドによって行われました。
1955年のメストラル。 彼はよく犬と一緒に散歩していましたが、その毛皮に奇妙な植物が常にくっついていることに気づきました。 この現象を研究したデ・メストラル氏は、ザルガイ (ゴボウ) の果実に付いている小さなフックのおかげでそれが可能であると判断しました。 その結果、エンジニアは自分の発見の重要性を認識し、8 年後に便利な「ベルクロ」の特許を取得しました。
吸盤はタコの研究中に発明されました。
清涼飲料メーカーは、製品をパッケージする新しい方法を常に模索しています。 同時に、普通のリンゴの木はずっと前にこの問題を解決しました。 リンゴは97％が水分で、木製のボール紙ではなく食用の皮に詰められており、食欲をそそるほど動物が果物を食べたり、穀物を分配したりするのに十分です。
自然の驚くべき創造物であるクモの糸は、エンジニアの注目を集めています。 このウェブは、長く柔軟なケーブルで橋を建設するためのプロトタイプであり、これにより、強くて美しい吊り橋の建設の始まりとなりました。
超音波を使用して敵軍に衝撃を与えることができる新しいタイプの兵器が開発されました。 この影響力の原理はトラから借用したものです。 捕食者の咆哮には超低周波が含まれており、人間には音として認識されませんが、麻痺させる効果があります。
採血に使用されるスカリファイアーニードルは、切歯の構造を完全に再現した原理に従って設計されています。 コウモリ、噛まれたときは痛みがなく、重度の出血を伴います。
私たちによく知られているピストン注射器は、誰もが刺される蚊やノミという吸血装置を模倣しています。
パラシュートが人間の落下を遅らせるのと同じように、ふわふわの「パラシュート」はタンポポの種が地面に落ちるのを遅らせます。
結論。
バイオニクスの可能性は本当に無限大です...
人類は、自然の方法をより詳しく調べ、それをテクノロジーに賢く利用しようとしています。 自然は巨大な工学局のようなもので、どんな状況からでも常に正しい方法で脱出することができます。 現代人は自然を破壊するのではなく、自然を模範とすべきです。 動植物の多様性により、自然は人が複雑な問題に対する適切な技術的解決策を見つけたり、あらゆる状況から抜け出す方法を見つけたりするのに役立ちます。
このテーマに取り組むのは私にとって非常に興味深いことでした。 今後もバイオニクスの成果の研究に取り組んでいきたいと思います。
自然を標準 – そしてバイオニクスもある!
文学：
1. バイオニクス。 V. マルテック編: ミール、1967
2. バイオニクスとは何ですか。 シリーズ「ポピュラーサイエンスライブラリー」。 アスタシェンコフ P.T. M.、ヴォニズダット、1963
3. 建築バイオニクス Yu.S. レベデフ、V.I.ラビノヴィッチ他、モスクワ、ストロイズダット、1990年。
使用されるインターネット リソース
http://www/cnews/ru/news/top/index。 shtml 2003/08/21/147736;
Bio-nika.narod.ru
www.computerra.ru/xterra
- http://ru.wikipedia.org/ ウィキ/バイオニクス
www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/
http://factopedia.ru/publication/4097
http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg
http://novostey.com
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