Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Этапы развития бионики

Введение

В наш век наука приобрела огромное значение. Мир не стоит на месте, наука так же движется вперед и дает человеку такие возможности, о которых он мог только мечтать. С незапамятных времен человек наблюдая за процессами жизнедеятельности живых организмов, хотел заимствовать у природы что-то новое неподвластное ему самому. Так знаменитый Леонардо да Винчи изучая строение крыльев птиц, мечтал о полете человека в воздухе. Так позднее по его схемам и чертежам была разработана модель орнитоптера.

В 60-е годы появилась бионика, наука - будущего, которая сейчас получила сильный импус к развитию. Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион» - «ячейка жизни».

С освоением бионики в современном мире появляются все более новые технологии, облегчающие процессы жизнедеятельности человека, помогающие продлить жизнь на планете Земля и дающие человеку возможность отвечать на многие вопросы прошлого и будущего.

В данной работе рассматривается процесс внедрения в жизнь человека, все более новых и продуктивных технологий будущего и их развития с помощью процессов, которые присущи живым организмам.

Человек всю свою жизнь добывает знания, развивается, пытается найти ответы, на загадки будущего понимая важность и особенность их в жизни. Наука движется вперед семимильными шагами, каждый день ученые открывают новые элементы, структуры, ищут ответы на вопросы: как продлить жизнь на планете, когда будет конец света, есть ли жизнь на Марсе?

Неужели сбывается мечта фантастов? Ведь именно они в XX веке, задолго до появления терминов «бионика» и «нанотехнология», уверяли нас, что в далеком будущем люди научатся ловко манипулировать «штучными» атомами. Превращение одних веществ в другие станет обыденным, крошечные роботы будут ремонтировать технику, проникать в наш организм и лечить его, а разумные пылинки смогут образовывать суперкомпьютеры буквально в считанные секунды и прямо в воздухе.

Польский писатель-фантаст Станислав Лем в своем романе «Непобедимый» более сорока лет тому назад в деталях описал, как микророботы побеждают огромные и тяжеловооруженные машины, Лем как в воду глядел — тема миниатюризации военных устройств в наши дни стала более чем актуальной...

Слово «nannos», пришедшее из греческого языка, означает «карлик». Но сегодня, если поверить обещаниям ученых и заявлениям политиков, готовых вкладывать большие деньги во все, что преподносится с приставкой «нано -», возникает ощущение, что далекого будущего ждать не придется и «карлик», стремительно приближаясь к нам, по законам перспективы вырастает в истинного «великана».

Неудивительно, что со временем люди начнут освоение новых планет и откроют жизнь в этих тайнах космического пространства. Ученые- бионики, уже сделали открытие в разных сферах жизни человека: медицине, архитектуре, промышленности, дизайне. Единственное, что еще не подвластно деятельности технологического прогресса: это мозг человека. Вот уж она великая загадка природы. Но и здесь сделано немало открытий. Ученые всего мира стремятся создать мегамозг, человека - киборга, который сможет с легкостью отвечать на любые вопросы и при этом помочь науке в продвижении вперед.

У бионики есть свой символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Это союз биологии, техники и математики, который позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.

История возникновения и сущность бионики.

1.1 История бионики

Бионика - это наука, занимающаяся использованием биологических процессов и методов для решения инженерных задач. Бионику можно определить также как учение о методах создания технических систем, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов.

Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов.

Название бионики происходит от древнегреческого слова «бион» - «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения инженерных задач. Другими словами, бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы. Бионика интересуется всем, что может быть названо «техникой природы».

Годом рождения бионики принято считать 1960 год. Прародителем науки считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов были основаны на строении крыла птицы. В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществляли моделирование орнитоптера.

Из современных ученых можно назвать имя Осипа М.Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами.

Подобные опыты проводились и в СССР, а в Российской Федерации в связи с общим упадком науки – многие программы были свернуты, а многие специалисты трудятся теперь в зарубежных исследовательских центрах.

2.Этапы развития бионики

2.1 Бионика в медицине

Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине — той отрасли биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь.

Многие из «изобретений» природы еще в глубокой древности помогали решать ряд технических задач. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи уже много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения.

Интересный факт в науке о том, когда в одном из своих странствий Джеральд Дарелл был вынужден согласиться на пари, смыслом которого было назвать четыре выдающихся изобретения и доказать, что заложенный в них принцип использовали животные до того, как до этого додумался человек, одним из изобретений было названо использование осами анестезии.

При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они применяют методы, которые любой врач может назвать методами проводниковой анестезии — укус с впрыскиванием нейроплегического (нервнопаралитического) вещества в область крупных нервных стволов полностью парализует, но не умерщвляет паука, который недвижимо лежит в осином гнезде вплоть до появления из кладки личинок, для которых и заготавливалась эта пища. Это еще одно доказательство бионики в действии.

Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира.

Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой — всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением.

Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой. Все, что было в природе, со временем внедрялось в жизнедеятельность человека.

Но это лишь самые простые примеры, дошедшие до нас буквально из глубины веков, а современное развитие бионики касается множества высокоразвитых медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос. Основой для этих технологий является принцип построения морских губок, а также техника строения гнезд стрижей-саланганов. Оба эти строительных принципа основаны на химиоотвердевающей и светоотвердевающей методиках.

2.2 Нейро-бионика

Искусственный интеллект вот задача и главная цель науки - нейро - бионики.

Нейро-бионика делает первые шаги, но уже видно ее значение. Она может помочь конструктору ЭВМ в создании необычайно емкой памяти машины; конструктору приборов эта наука способна будет предложить новые варианты высокочувствительных электронных «глаз», «ушей», «носа». Нейро-бионика поможет врачу в автоматизации наркоза и анабиоза, позволит добиться управления возбуждением и торможением в центральной нервной системе, сформировать надежные методы оценки нервно-психологического состояния человека. А это — средства борьбы с различными тяжелыми заболеваниями, в том числе и психическими, сохранения работоспособности оператора, вынужденного справляться со сложнейшими задачами, которые ставит перед человеком НТР.

Решение этого широкого круга задач займет не одно десятилетие. Появились работы, где исследуются общие принципы переработки информации головным мозгом с целью создания нейроэлектронных систем, осуществляется совместное функционирование нервной системы (в качестве управляющего устройства) и технического устройства.

Избранный учеными путь — это один из новых подходов изыскания оптимальных методов управления функциями мозга в нормальных и патологических условиях с целью интенсификации или нормализации его деятельности.

Из некоторых источников известно, что в 1962—1966 гг. учеными-нейробиониками были исследованы биологические системы различных уровней сложности. Моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, также бы проведены разработки методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозгу с помощью электрических токов и магнитного поля. Наблюдения за процессами памяти и ее возбуждения.

На кроликах изучалась электрическая активность корково-подкорковых структур мозга при воздействии ряда химических (эфир, барбитураты, аминазин) и физических факторов (импульсный ток). Был проведен сравнительный анализ взаимодействия структур при различных функциональных состояниях, при котором использовались методы математической обработки с помощью ЭВМ. В мировой литературе таких работ — единицы. Описанная методика позволяет дать четкую оценку функционального состояния структур мозга. Получаемые данные положены в основу гипотезы о принципах работы мозга.

На микроуровне проводились изучение электрической активности беспозвоночных при помощи микроэлектродов с целью выявления закономерностей кодирования информации в сравнительно просто организованной нервной сети. На основе экспериментов разработаны бионические предпосылки нового метода кодирования непрерывных случайных функций и использования его для классификации ограниченного набора образов, задаваемых непрерывными сигналами.

Исследования, которые были проведены заложили основу разработки нейроэлектронных систем для контроля за состоянием и управлением функциями оператора, находящегося в экстремальных условиях. Были получены новые данные о сущности механизма сна и наркоза. В частности, подвергнуты пересмотру установившиеся представления о сне и наркозе как диффузном торможении коры мозга, распространяющимся затем на подкорку. При этом использовались методы теории автоматического регулирования в изучении процессов саморегуляции коры головного мозга. Впервые сделана попытка количественно оценить коэффициент отрицательной обратной связи между корой и нижележащими образованиями.

Определение оптимальных параметров электрического тока для воздействия на мозг позволили рекомендовать метод сочетания импульсов высокой и низкой частоты для электростимуляции мозга, что открывает новые перспективы практического их использования в медицине.

Показан защитный эффект электронаркоза при острейшей лучевой болезни, защитный эффект электронаркоза при анафилактическом и гистаминовом шоке.

«В будущем мы будем добиваться направленного воздействия физических факторов на определенные участки центральной нервной системы, уяснять в полной мере механизм адаптивных реакций организма на системном уровне, - говорит в своем интервью автор книги « Нейроэлектроника. Мозг. Организм» Иванов-Муромский К. А.

Как бы далеко не зашел прогресс, природа все равно выигрывает в этих соревнованиях, доказывая свое превосходство над техникой.

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.

Искусственная природа стремительно старается вытеснить природу естественную: новые технологии меняют состояние общества, индивидуальное и общественное сознание, а теперь претендуют на изменение генотипа человека. Апологеты информационной глобализации убеждены, что возможно создание суперинтеллекта, который воспроизведет деятельность человеческого мозга и превзойдет умнейших людей по всем показателям, включая здравый смысл, социальные навыки, науку, творчество. Машины с искусственным интеллектом (ИИ) будут способны создавать более совершенные машины, которые, в свою очередь, помогут строить еще лучшие... Нередки примеры технотронной маниакальности: «Под воздействием технического прогресса биовид homo sapiens в третьем тысячелетии неизбежно эволюционирует в новый вид человека под названием «homo kubernetike organon» (человек-киборг)... это не зомби, а реальный живой человек, жизнь которого обеспечивается кибернетическими органами, позволяющими ему выйти на качественно новый социальный уровень самосознания» (А.Бондарь, российский социолог). «Пост-человек (post human) — это потомок человека, модифицированный до такой степени, что уже не является человеком... Постлюди могут оказаться полностью искусственными созданиями (основанными на искусственном интеллекте) или результатом большого числа изменений и улучшений биологии человека или трансчеловека» (Ник Востром, английский философ).

Такие и подобные им утверждения основаны на том, что в тело человека могут имплантироваться микрочипы с колоссальной базой данных, которые управляют непосредственно мозгом и сознанием. Нанотехноологии благодаря непосредственному доступу к головному мозгу и органам чувств позволят каждому человеку стать своего рода терминалом. По прогнозам ученых наноустройства будут способны, и разобрать организм человека на атомы, и, манипулируя атомами, воссоздать его копию. Некоторые ученые уверяют, что человеческое сознание когда-нибудь будет отделено от человеческого тела и перенесено на чипы.

В конечном итоге, подобные научные достижения грозят превратить человека из существа биологического в биотехногенное, из духовного, нравственного, разумного — в информационный фантом. К сожалению, на каком-то из этапов не исключено случайное или намеренное создание вируса — органического, механического или биомеханического, который уничтожит человеческий вид.

Перед лицом такого рода перспектив утешить может только, то

что как бы далеко не зашел прогресс, природа все равно выигрывает в этих соревнованиях, доказывая свое превосходство над техникой

Нервная система живых организмов имеет ряд преимуществ перед самыми современными аналогами, изобретенными человеком:

Гибкое восприятие внешней информации, независимо от формы, в которой она поступает (почерк, шрифт, цвет, тембр и т. д.).
Высокая надежность: технические системы выходят из строя при поломке одной или нескольких деталей, а мозг сохраняет работоспособность при гибели даже нескольких сотен тысяч клеток.
Миниатюрность. Например, транзисторное устройство с таким же числом элементов, как головной мозг человека, занимало бы объем около 1000 м³, тогда как наш мозг занимает объем 1,5 дм³.
Высокая степень самоорганизации — быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

2.3 Бионика в архитектуре

Сегодня бионика имеет направление и в архитектуре.

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

Яркий пример тому знаменитая Эйфелева башня. Густав Эйфель, который в 1889 году построил чертеж Эйфелевой башни. Это сооружение считается одним из самых ранних очевидных примеров использования бионики в инженерии.

Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения парижского инженерного чуда профессор исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему-то не ломается под тяжестью тела.

Замечен интересный факт, чтоб большая берцовая кость человека, в вертикальном положении, может выдержать груз в 1500 кг. Это еще один показательный пример бионики в действии.

Стебель почти всех представителей семейства злаков - соломина, утолщенная в узлах и полая в междоузлиях. Такое строение стебля сочетает большую прочность и легкость конструкции.

Принцип строения соломины был использован при строительстве самого высокого здания в нашей стране - Останкинской телебашни в Москве.

В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами. Уже сейчас она, является неотъемлемой наукой современного мира, все технологии будущего основываются на применениях моделей бионики. Об этом свидетельствует сюжет на телевидении, о том как в медико-хирургическом центре имени Пирогова делают операцию с помощью знаменитого робота Да Винчи. Пациента окружают все нужные специалисты, кроме хирурга. Тот вообще сидит далеко и больше похож на ребенка, орудующего джойстиком перед компьютером. Движения его рук повторяют две тонкие руки робота, будто воткнутые в тело через маленькие отверстия (при традиционном хирургическом вмешательстве в подобной ситуации разрезали бы полживота). Еще две руки робота помогают — освещают место операции и передают картинку на экран. Робот, о чем признают даже лучшие хирурги, делает операции ювелирно — более тонко, точно, а потому почти бескровно и без осложнений. После такой операции пациент восстанавливается намного быстрее. Применение роботов-хирургов даст возможность проводить дистанционные операции: врач может сидеть в Москве, а пациент лежать в клинике на Сахалине. Роботы в здравоохранении используются не только для проведения операций, но, к примеру, и для ухода за лежачими больными. Медсестры и близкие знают, как тяжело поднимать такого больного, куда-то его переносить; роботы научились делать это с легкостью и нежностью.

Эксперты предсказывают, что уже лет через десять почти все операции будут делаться с помощью хирургов-роботов. Более того, эти роботы смогут самостоятельно собираться в организме, получая детали, которые пациент будет отправлять внутрь себя, как пельмешки. Такой робот Ares уже разрабатывается в Италии. Пока, правда, не сообщается, как он будет путешествовать внутри тела и как выбираться после операции. Может, путем саморазборки и направления к естественному выходу. В нескольких лабораториях мира испытывают нанороботов, способных перемещаться внутри сосудов. В перспективе они могут стать прекрасными диагностами и врачами.

Бионика давно шагнула далеко вперед, так Жительница Калифорнии Линда Морфут прочувствовала настоящую роскошь жизни лишь в 64 года, когда смогла увидеть, как играет в футбол дворе ее внук, как огромна статуя Свободы в Нью-Йорке и как восхитительны огни Парижа с высоты Эйфелевой башни. В 21 год ей бы поставлен диагноз пигментный ретинит, зрение постоянно ухудшалось, и к пятидесяти годам она практически полностью ослепла. В 2004 году ее прооперировали, установив на сетчатку глаза имплантат с 16 электродами.

А в 2008-м нескольким слепым хирурги уже имплантировали пластинку с 60 электродами, вернув им зрение. Миниатюрная видеокамера, вмонтированная в очки, направляет запечатленные образы на электроды, те в свою очередь с помощью зрительного нерва переправляют образы в мозг.

В прошлом тысячелетии это было за гранью фантастики. Современная бионика во многом связана с разработкой новых материалов, которые копируют природные. Примером может служить тот же кевлар, который появился благодаря совместной работе биологов-генетиков и инженеров, специалистов по материалам.

Он в 5 раз прочнее стали, но намного легче.

В настоящее время некоторые ученые пытаются найти аналоги органов человеческого тела, чтобы создать, например, искусственное ухо (оно уже поступило в продажу в США) или искусственный глаз (в стадии разработки).

Другие разработчики концентрируются на изучении природных организмов. Например, исследователи из Bell Labs (корпорация Lucent) недавно обнаружили в теле глубоководных губок рода Euplectellas высококачественное оптоволокно, по свойствам очень близкое к самым современным образцам волокон, используемых в телекоммуникационных сетях. Более того, по некоторым параметрам природное оптоволокно может оказаться лучше искусственного.

Согласно общепринятой сегодня классификации, губки образуют самостоятельный тип примитивных беспозвоночных животных. Они ведут абсолютно неподвижный образ жизни. Губка рода Euplectella обитает в тропических морях. Она в длину достигает размеров 15-20 см. Ее внутренний каркас сетчатой формы образуют цилиндрические стержни из прозрачного диоксида кремния. У основания губки находится пучок волокон, который по форме похож на своеобразную корону. Длина этих волокон - от 5 до 18 см, толщина - как у человеческого волоса. В ходе исследований этих волокон выяснилось, что они состоят из нескольких четко выделенных концентрических слоев с различными оптическими свойствами. Центральная часть цилиндра состоит из чистого диоксида кремния, а вокруг нее расположены цилиндры, в составе которых заметное количество органики.

Ученые были поражены тем, насколько близкими оказались структуры природных оптических волокон к тем образцам, что разрабатывались в лабораториях в течение многих лет. Хотя прозрачность в центральной части волокна несколько ниже, чем у лучших искусственных образцов, природные волокна оказались более устойчивыми к механическим воздействиям, особенно при разрыве и изгибе. Именно эти механические свойства делают уязвимыми оптические сети передачи информации - при образовании трещин или разрыве в оптоволокне его приходится заменять, а это очень дорогостоящая операция. Ученые из Bell Labs приводят следующий факт, демонстрирующий чрезвычайно высокую прочность и гибкость природных оптоволокно, - их можно завязывать в узел, и при этом они не теряют своих оптических свойств. Такие действия с искусственными оптоволокнами неизбежно приведут к поломке или, по крайней мере, образованию внутренних трещин, что в конечном итоге также означает потерю функциональных свойств материала.

Ученые пока не знают, каким образом можно воспроизвести в лаборатории подобное творение природы. Дело в том, что современное оптоволокно получают в печах из расплавов при очень высокой температуре, а морские губки, естественно, в ходе развития синтезируют его путем химического осаждения при температуре морской воды. Если удастся смоделировать этот процесс, он будет, помимо всего прочего, еще и экономически выгодным.

По результатам тестов оказалось, что материал из скелета этих 20-сантиметровых губок может пропускать цифровой сигнал не хуже, чем современные коммуникационные кабели, при этом природное оптоволокно значительно прочнее человеческого благодаря наличию органической оболочки. Вторая особенность, которая удивила ученых, — это возможность формирования подобного вещества при температуре около нуля градусов по Цельсию, в то время как на заводах Lucent для этих целей используется высокотемпературная обработка. Теперь ученые думают над тем, как увеличить длину нового материала, поскольку скелеты морских губок не превышают 15 см.