и
Наука и педагогика 12.08.2020

Бионика – это какая наука?

15 мин.

Вы слышали о такой науке, как бионика?

Биология – популярное знание, с которым нас знакомят ещё в школе. Почему-то многие считают, что бионика – один из подразделов биологии. На самом деле это утверждение не совсем точное. Действительно, в узком смысле слова бионика – это наука, изучающая живые организмы. Но чаще всего мы привыкли ассоциировать с этим учением нечто другое. Прикладная бионика – наука, которая сочетает в себе биологию и технику.

бионика это

Название

Название бионики происходит от древнегреческого слова бион — «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения технических задач. Бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

Биомиметика

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин биомиме́тика (от др.-греч. βίος  «жизнь» + μίμησις «подражание») в значении — подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. [1] Бионика подтверждает, что многие человеческие изобретения имеют аналоги в живой природе, например, застежки «молния» и «липучки» были сделаны на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная текстильная застёжка, прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.

Нейробионика

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 физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нервных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и вычислительной техники. Существуют теории, утверждающие, что развитие нейробионики было основанием создания искусственного интеллекта.

Эмблема науки бионики

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».
Первые летательные аппараты создавались по внешнему сходству со стрекозой. Это обеспечивало равновесие и способность передвигаться по воздуху. С развитием авиации совершенствовались и летательные аппараты. Однако, длительное время страшным бичом скоростной авиации был флаттер – внезапно возникающие на определённой скорости вибрации крыльев, которые приводили к тому, что самолёты самых прочных конструкций разваливались в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы научились бороться с этим бедствием: крылья стали делать с утолщением на конце. И уже потом нашли точно такие же утолщения – птеростигмы – на концах крыльев стрекозы. Таким образом, авиация начинала с копирования внешних свойств животного мира и в своем развитии неоднократно возвращалась к ним. Строение и функция движущейся части экскаватора с ковшом, напоминает нам сегодня форму передних лапок жуков и принцип их действия.

  1. Наблюдая за ракообразными и за тем, как они хватают клешнями, учёные придумали удобные медицинские зажимы, которыми пользуются и сейчас.
  2. Моделирование органа медузы, улавливающего инфразвуки, позволило создать техническое устройство, предупреждающее за много часов о наступления шторма и указывающее направление, откуда он придёт.

На основе строения пера птицы, где бородки различных порядков с крючками обеспечивают надёжное сцепление, были созданы застёжка молния, которая и сейчас есть во многой одежде. Принцип действия ядозубного аппарата змей человек применил в медицинском шприце. Обтекаемая форма акулы и её внешнее строение стало прототипом современных подводных лодок. Кальмар, забирая в себя воду, с силой её выталкивает. Это помогает ему двигаться с большой скоростью. Данный принцип человек применил для создания реактивного двигателя.

  • Летучая мышь во время полёта ориентируется по отражению непрерывно создаваемых ею звуковых волн. Локационный аппарат мышей обладает большей точностью, чем созданные человеком радио- и гидролокаторы. Характерно и то, что точность обнаружения препятствий достигается даже при наличии шума, интенсивность которого во много раз превосходит интенсивность принимаемого сигнала.

Радиолокатор посылает в пространство короткий всплеск радиоволн, а потом слушает: не вернётся ли эхо? Если вернётся, – значит, там, в том направлении есть какой-то предмет: самолёт, ракета и т.д. Густав Эйфель в 1889 году построил чертёж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор Херман фон Мейер исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость не ломается под тяжестью тела. Фон Мейер обнаружил, что головка покрыта изощрённой сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман подвёл теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем. Наблюдая, как заяц передвигается по снегу и не проваливается, человек изобрёл лыжи.

  • Передние лапы зайца – это палки, а задние – это лыжи. В октябре 2003 года в исследовательском центре Xerox в Паль Альто разработали новую технологию подающего механизма для копиров и принтеров. В новой печатной схеме отсутствуют подвижные части. В устройстве AirJet разработчики скопировали поведение стаи термитов, где каждый термит принимает независимые решения, но при этом стая движется к общей цели, например, построению гнезда. Печатная схема оснащена множеством воздушных сопел, каждое из которых действует независимо, без команд центрального процессора, однако в то же время они способствуют выполнению общей задачи – продвижению бумаги.
  • Глаз лягушки отсеивает информацию о неподвижных предметах и настраивается на движущиеся. Таким образом, лягушка концентрирует своё внимание на добыче. Изучение этих особенностей глаза лягушки позволило создать прибор ретинатрон. Ретинатрон не реагирует на неподвижные предметы, находящиеся в поле зрения, и обеспечивает наблюдение за движущимися.

Во время первой мировой войны английский флот нёс огромные потери из-за германских подводных лодок. Нужно было научиться их обнаруживать. Для этой цели были созданы специальные приборы – гидрофоны. Они должны были находить корабли противника по шуму гребных винтов. Однако, во время хода корабля движение воды у приёмного отверстия гидрофона создавало шум, заглушавший шум подводной лодки. Известный физик Роберт Вуд предложил инженерам поучиться у тюленей, которые хорошо слышат при движении в воде. Приёмному отверстию гидрофона придали форму ушной раковины тюленя, и гидрофон стал «слышать» даже на полном ходу корабля. К тому же они позволяли определять направление на источник звука и расстояние до него. В направлении создания двуногих роботов дальше всех продвинулись учёные Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

История развития

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.

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.

Основные направления работ

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

  • изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нервных 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.

Предмет и объект бионических исследований

Что изучает бионика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть структурное деление самого учения.

Биологическая бионика исследует природу такой, какая она есть, без попытки вмешательства. Объектом её изучения являются процессы, происходящие внутри биологических систем.

Теоретическая бионика занимается изучением тех принципов, которые были замечены в природе, и на их основе создаёт теоретическую модель, в дальнейшем применяемую в технологиях.

Практическая (техническая) бионика – это применение теоретических моделей на практике. Так сказать, практическое внедрение природы в технический мир.

Природные прототипы технических изобретений

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. Тихоокеанские сердцевидки-великаны достигают размеров 15-20 см. Шарнирный принцип в соединении их ракушек хорошо просматривается невооружённым взглядом. Мелкие представители этого вида применяют такой же способ фиксации створок.

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, их используют для усовершенствования конструкций ножек различных кухонных приспособлений, чтобы избежать их скольжения во время работы. Также 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.

что изучает бионика

Можно найти множество таких примеров. Бионика – это как раз та наука, которая помогает человеку заимствовать у природы технические решения для своих изобретений.

Кто первый – природа или люди?

Иногда случается, что то или иное изобретение человечества уже давно «запатентовано» природой. То есть изобретатели, создавая нечто, не копируют, а придумывают сами технологию или принцип работы, а позже оказывается, что в естественной природе это уже давно существует, и можно было просто подсмотреть и перенять.

Так произошло с обычной липучей застёжкой, которая используется человеком для застегивания одежды. Было доказано, что в строении перьев птиц для сцепления тонких бородочек между собой тоже применяются крючочки, подобно тем, которые есть на застёжке-липучке.

В строении фабричных труб наблюдается аналогия с полыми стеблями злаков. Продольная арматура, используемая в трубах, сходна со склеренхимными тяжами в стебле. Стальные кольца жёсткости – междоузлия. Тонкая кожица с внешней стороны стебля – это аналог спиральной арматуры в строении труб. Несмотря на колоссальное сходство структуры, учёные самостоятельно изобрели именно такой метод постройки фабричных труб, а уже позже увидели тождество такого строения с природными элементами.

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 достижение 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.

Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

Кто такой бионик?

Бионик – высококвалифицированный специалист, который изучает природные процессы, структуру и жизнедеятельность организмов для того, чтобы на основе полученных данных найти решение различных инженерных задач.

Другими словами, в основе бионики лежат знания о природе, которые используются для создания оригинальных технологических процессов и технических идей. Одним из ярких примеров бионики в действии можно назвать «липучки» – застежки на одежде. Мало кто знает, что их изобрел швейцарский инженер Ж. де Местраль, который “подсмотрел” идею у хорошо известного нам растения – плодов репейника.

Отметим, что человечество с давних пор наблюдает за окружающим миром и пытается постичь его законы. Стремление к совершенству и подражание природе послужило толчком для развития науки – бионики. Кстати, с древнегреческого слово «бион» переводится как «живущий».

Бионика - это какая наука?

Основоположником биоинженерии по праву считается Леонардо да Винчи. Из наиболее известных изобретений великого итальянца сохранилась его мечта о свободном полете человека, воплощенная в чертежах – орнитоптер, летательный аппарат с крыльями, как у птиц. Хотя, здесь уместно вспомнить и легенду об Икаре, но именно Леонардо занимался разработкой аппарата, а не созданием крыльев для полета человека.

Современная наука продвинулась настолько, что в основе многих изобретений лежат принципы действия клеток живых организмов и молекул различных материалов. Сфера применения бионики очень разнообразна: все направления медицины, экология, космонавтика, вредные производства, где человека должны заменить роботы, строительство и архитектура и многие другие сферы, которые только предстоит открыть человечеству.

Бионика тесно связана с химией, физикой, математикой и биологией. Этой науке человечество обязано появлением наноматериалов, искусственного интеллекта, развитием протезирования и созданием искусственных органов человека. В зависимости от сфер применения знаний, бионику разделяют на несколько специализаций:

  • биобионику – изучение процессов, происходящих в биологических системах;
  • теоретическую бионику – разработка и математическое моделирование, вычисление процессов, лежащих в основе действия;
  • техническую бионику – прикладная наука, объединяющая наблюдения и математические вычисления для создания новых машин и материалов.

Исходя из сфер применения нанотехнологий, работа специалистов над наблюдениями, вычислениями или в области прикладной бионики имеет отличительные особенности. Но исследование (наблюдения за природой), изучение теории, а также создание модели и ее апробирование – звенья одной цепи, в которых должен разбираться каждый специалист по бионике.

Бионика - это какая наука?

Какими личностными качествами должен обладать бионик?

В любой профессии важно обладать достаточным количеством знаний и опыта. Бионик должен обладать универсальными знаниями в области точных и естественных наук, которые ему необходимы в работе. То есть, готовность к обучению должна стать его естественной и постоянной потребностью. Совмещение работы и учебы требует, в свою очередь, высокой работоспособности, постоянного умственного напряжения, терпения и целеустремленности.

Из особенных личностных качеств, необходимых в профессии бионика, следует отметить:

  • наблюдательность, которая поможет в поиске новых идей;
  • творческий подход, фантазия;
  • системное мышление: оно поможет выстраивать логические связи в процессе теоретической разработки идей;
  • коммуникативность.

Каждому открытию или изобретению предшествует долгая и кропотливая работа. Даже если бионик не занимает ведущую должность, ему пригодится упорство в достижении цели и ответственность.

Обязанности Бионика

Бионики могут работать в разных областях. В научных исследованиях бионики анализируют особые сильные стороны животных с точки зрения телосложения и передвижения, кристаллизуют основополагающие принципы и переводят их в искусственные продукты. Или, исследуя техническую проблему, бионики ищут решения в природе. Они публикуют результаты исследований, обучают студентов в университетах, готовят лекции и семинары, проверяют письменную работу и принимают экзамены. Самостоятельная научная деятельность возможна только после получения степени магистра и доктора.

В отделах разработки в промышленности бионики внедряют результаты исследований вместе с инженерами, техниками и дизайнерами и используют биологические и инженерные методы и методы для разработки материалов, механизмов мобильности или методов строительства. Это приводит к таким продуктам, как самоочищающиеся фасадные краски на основе водоотталкивающей модели растения «Лотос» или купальные костюмы для профессиональных спортсменов, которые имитируют благоприятное поведение акульих шкур.

Где работают Бионики

Бионики находят работу, например:

  • в автомобильных компаниях
  • в машиностроении
  • в медицинской технике
  • в аэрокосмической отрасли
  • в технологии материалов
  • в исследовательских институтах и морских институтах
  • в университетах

Преимущества профессии бионик

Учитывая существующие потребности в специалистах и перспективы развития профессии, бионик вряд ли столкнется с проблемами при трудоустройстве (естественно при условии, что к началу карьеры он подготовился основательно).

Крупные компании не только заинтересованы в наборе специалистов, но и готовы материально стимулировать их творческую активность. Начальный уровень зарплаты бионика составляет порядка 48-55 тысяч рублей, без учета премий за творческую активность.

При желании специалисты в области бионики и нанотехнологий легко смогут трудоустроиться не только в России, но и за рубежом. При этом универсальность знаний обеспечит им свободный переход в другие отрасли, где требуются бионики. Теоретики смогут работать даже дистанционно.

Бионика - это какая наука?

Недостатки профессии бионик

Не стоит ожидать от профессии бионика стремительного карьерного роста. Молодому специалисту, не обладающему особым талантом к изобретательству, придется пройти долгий путь по служебной лестнице, начав его с должности лаборанта или рядового сотрудника компании.

Нужно помнить, что яблоко, упавшее на голову Ньютону, благодаря чему им был открыт закон всемирного тяготения – счастливая случайность. Молодому специалисту, потратившему годы на получение двух высших образований, скорее всего придется работать «в тени» гениев, довольствоваться более скромной зарплатой и быть готовым к ненормированному графику, который стандартно практикуется в лабораториях НИИ и на производственных площадках при совершении открытий и их внедрении.

Поэтому, если нет уверенности, что бионика – единственное призвание, лучше распорядиться полученными знаниями более практично.

Где можно получить профессию бионик?

Чтобы стать биоником нужно выбрать один из двух вариантов получения образования:

учиться в двух ВУЗах параллельно или поочередно;

поступить в один из ВУЗов (которых, пока, к сожалению, немного) на базе которых готовят специалистов по направлению «Биотехнологии».

Конечно же, большинство будущих биоников предпочтут второй вариант и будут делать свой выбор из таких ВУЗов, как:

  • Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого;
  • Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) – специальность: Биотехнические системы и технологии;
  • Уральский федеральный университет;
  • Казанский (Приволжский) федеральный университет;
  • Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана;
  • Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского;
  • Волгоградский государственный медицинский университет – для тех, кто планирует связать свою жизнь с медициной;
  • Белгородский государственный национальный исследовательский университет;
  • Донской государственный технический университет;
  • Рязанский государственный радиотехнический университет.

Поскольку бионика достаточно специфическая наука, старшеклассникам желательно проверить свои творческие и изобретательские способности в технопарках, где занятия проводятся в интерактивных классах, при участии опытных педагогов, преподавателей ВУЗов, профильных специалистов. И только после этого принимать решение о выборе профессии.


Top.Mail.Ru

Зарплата Бионика

Уровень зарплаты, которую получают Бионики в Германии составляет

  • от 4627€ до 5493€ в мес

(по данным различных статистических бюро и служб занятости в Германии)

Источники

  • https://FB.ru/article/188187/bionika—eto-kakaya-nauka-chto-izuchaet-bionika-primenenie-bioniki
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  • https://wiki2.org/ru/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  • http://iocryb.ru:1122/mediawiki/index.php/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0_2018
  • https://fulledu.ru/articles/1573_bionik.html
  • https://StudyInFocus.ru/profession/bioniker/
[свернуть]
Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Комментарии закрыты.