Бионика в быту: Сообщение на тему бионика в быту. По просьбам читателей

Содержание

Бионика в нашей жизни | Статья в журнале «Юный ученый»


 


Работа посвящена исследованию объектов бионики, которые человечество создало благодаря самой природе. В работе рассматриваются множество примеров объектов бионики в жизни человека. Например, описание о текстурах с необыкновенными сцепляющими свойствами, которые к тому же способны «переклеиваться» бесчисленное число раз, как лапы ящерицы геккона. Показывается, что общего между глазами кошки и дорожными отражателями, которые сейчас можно встретить повсюду. А также, работа познакомит вас с нашими изобретениями бионики, которые мы придумали сами.


Ключевые слова: бионика, объекты живой природы, биология, техника.


 


Человек часто учится от природы, создавая инструменты и приборы, которыми природа пользуется на протяжении многих лет, оттачивая свое мастерство в процессе эволюции. Мы часто пользуемся такими инструментами как клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое и не задумываемся, как они появились.


Первоначально этим создателем была природа. Это она имеет множество инструментов, только они сделаны еще лучше, качественней и являются наиболее точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, например, из хитина, как у насекомых. Природа — гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы — это надежность, прочность, экономичность. Большинство человеческих изобретений уже “запатентовано” природой. И доказательства этой мысли можно встретить на каждом шагу.


Природа создала необыкновенно совершенные живые механизмы. Ученых привлекает скорость и принцип передвижения дельфинов, искусство полета птиц, особенности органов зрения мух, лягушек, органов слуха медузы, термолокаторов гремучих змей и т. д.


Гипотеза: Мы предположили, что человек часто использует в своей повседневной жизни инструменты, созданные природой, и не может без них обойтись.


Цель работы:


1. Рассмотреть устройство живых организмов в природе, которые человека использует в своей жизни.


2. Выяснить, как человек использует науку в своей жизни.


Задачи исследования:


1.Узнать, что такое бионика и изучить разнообразные живые организмы.


2. Выяснить, для каких целей человек использует живые организмы в жизни.


Объект исследования: объекты, используемые человеком.


Предмет исследования: знания о природе, используемые человеком, при создании объектов бионики в жизни человека.


Методы исследования: анализа и синтеза, самостоятельное создание объекта бионики.


Изучая науку — Бионику — возникали вопросы. А многие ли знают про эту науку? А какими приборами и инструментами, созданными природой, мы пользуемся дома? Может ли человек обойтись без этих инструментов?


Проведя небольшой опрос среди учеников нашего 2–2 класса Самарского медико-технического лицея, выявили, что большинство из наших одноклассников не знали о такой науке, как бионика.


Бионика — это наука, которая тесно связана с живой природой. Свое название бионика получила от греческого слова bion — элемент жизни. И это не случайно, потому что наука занимается изучением живых организмов.


Лозунг бионики — Природа знает лучше!!! На основе наблюдения за их особенностями создаются технические модели, которые по своей структуре прототипы природным процессам. Сегодня современная бионика получила колоссальное развитие.


Наука бионика — сформировалась во второй половине 20-го века. Бионика — наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организма. Бионика — это наука, которая применяет знания о живой природе для решения бытовых, инженерных, архитектурных задач и многих других.


Сегодня бионика как наука имеет несколько направлений. Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений.


Круг вопросов, которые бионика изучает, очень широк, и это требует объединенных усилий многих наук. Большой интерес к бионике обусловлен значительной практической направленностью этой науки, изучающей принципы построения и функционирования биологических систем и прежде всего с целью создания новых машин, приборов, механизмов, строительных конструкций и технологических процессов, характеристики которых были бы столь же совершенными и высокоэффективными, как в живых системах.


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: орнитоптера. После внимательного изучения полета птиц, Леонардо да Винчи спроектировал свою первую (1485–1487 гг. ).


Бионика как самостоятельная наука относительно молода. Она зародилась в 1960 г. на международном симпозиуме в Дейтоне (США) на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике», а первые работы по бионике начали появляться в США и СССР в начале 70-х годов.


У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.


Одним из первых памятников архитектурной бионики является Эйфелева башня, бионический принцип которой воплощен в ее конструкции. Конструкция Эйфелевой башни имеет сходное строение с берцовой костью человека, и благодаря этому обладает достаточной прочностью.


Основоположником бионики можно считать Антонио Гауди, ещё в 19 столетии построивший первые уникальные дома. Именно Гауди первым стал не просто привносить в архитектурные сооружения декоративные элементы природы, а придал постройкам характер окружающей среды. Его знаменитые работы, до сих пор радуют людей. Одной из них это: Дом Мила в Каталонии, (Барселоне, Испания, 1910 г.), напоминает морскую пещеру или как его привыкли называть каталонцы «Каменоломня».


Благодаря изучению живых существ были сделаны очень важные и значительные открытия в технике, медицине, электронике и других науках. Многие даже не догадываются, как многим они обязаны именно животным, и растениям. Собираясь утром в школу и на работу, мы, не задумываясь, застёгиваем молнии, «липучки».


Приведем некоторые примеры объектов бионики.


  1.               Липучка.


Швейцарский инженер Джордж де Местраль часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав в 1955 году феномен, он определил, что прилипание возможно благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк, репейника). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку». В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении одежды.


2. Застёжка-молния.


Такое изобретение XX века, как застежка «молния», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление. Считается, что первый прототип «молнии» разработал американский инженер-изобретатель Уиткомб Лео Джадсон, запатентовав его 7 ноября 1891 года за номером 504038 как «застёжку для обуви». Публике это изобретение было представлено в 1893 году, однако оно оказалось сложным в изготовлении и ненадёжным. В нашей жизни застежка «молния» закрепилась прочно и каждый из нас имеет одежду с такой застежкой.


3. Лотос и суперкраска.


Наверняка вы иногда замечали, что лепестки лотоса всегда чистые и красивые. Это происходит из-за специального покрытия на лепестках, которое не позволяют частицам грязи и пыли прилипнуть к цветку. Немецкая компания ISPO, производящая краски, потратила несколько лет на изучение данного феномена, после чего создала инновационную продукцию. Если вы решите покрасить дом такой краской, то навсегда забудете о его мойке. Впервые эффект лотоса открыл немецкий ботаник, профессор Боннского университета Вильгельм Бартлотт в 1990-х годах.


 


Литература:


 


  1. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М.: 1967.

  2. Воронцова З. С. Мастерская природы. — М.: «Изобразительное искусство», 1981.

  3. Доктор Карл Шукер. Удивительные способности животных. О.В.. Иванова, И. Г. Лебедев, перевод на русский язык, 2000. ООО “ТД Изд-во Мир книги”, 2006.

  4. И. И. Гармаш. Тайны бионики. Киев: 1985.

  5. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М.: 1968.

  6. Мартека В., Бионика, пер. с англ., М.: 1967.

Современные примеры бионики в архитектуре и дизайне интерьеров

Самые совершенные формы, как с точки зрения красоты, так и с точки зрения организации и функционирования, созданы самой природой и развились в процессе эволюции. Человечество с давних пор заимствовало у природы структуры, элементы, построения для решения своих технологических задач. В настоящее время техногенная цивилизация отвоевывает у природы все большие территории, вокруг доминируют прямоугольные формы, сталь, стекло и бетон, а мы живем в так называемых городских джунглях.

И с каждым годом все более ощутимой становится потребность человека в естественной гармоничной среде обитания, наполненной воздухом, зеленью, природными элементами. Поэтому экологическая тематика становится все более актуальной в градостроительстве и ландшафтном дизайне. В данной статье мы познакомимся с примерами бионики — интересного современного направления в архитектуре и дизайне интерьеров.

Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход

Бионика – это направление в первую очередь научное, а потом уже творческое. Применительно к архитектуре оно означает использование принципов и методов организации живых организмов и форм, созданных живыми организмами, при проектировании и строительстве зданий. Первым архитектором, работающим в стиле бионики,был А. Гауди. Его знаменитыми работами до сих пор восхищается мир (Дом Бальо, Дом Мила, Храм Святого Семейства, Парк Гуэля и др.).

Дом Мила Антонио Гауди в Барселоне
Национальный оперный театр в Пекине

Современная бионика базируется на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Знаменитые примеры бионики представлены на сайте.

Оперный театр в Сиднее
Плавательный комплекс в Пекине

Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире:

  • Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости)
  • Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда)
  • Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер)
  • Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры – раковины моллюска)
  • Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде)
  • Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания)
  • Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды)

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов.

Скульптура Облачные ворота в Чикаго
Примеры бионики в дизайне интерьера

Особенности дизайна интерьеров в стиле бионики с примерами

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера:как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы:

  • Воск и пчелиные соты – основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, стеклянных конструкций, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т. д.
  • Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
  • Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
  • Цветные стекла и зеркала используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
  • В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево – один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
  • Из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
  • Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д.Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза.

небоскреб Aqua в Чикаго
пример бионики в дизайне интерьера
стадион Ласточкино гнездо в Пекине

В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики – мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов.

Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров.

Бионика: технический взгляд на живую природу

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

Подробнее о работе:

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

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

Оглавление

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

Введение

Ещё в глубокой древности мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

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

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

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

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

Теоретические задачи:

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

Практическая задача:

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

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

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

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

В ходе работы над проектом применялись следующие методы:

Методы теоретического уровня:

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

Метод практического уровня:

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

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

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

Что такое бионика?

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

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

В России, вместо биомиметики, чаще употребляется термин бионика.

История создания науки

Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:«От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ…».

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

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

«Биология + электроника = Бионика»

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

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

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

Новый всплеск развитие этой науки можно объяснить следующими факторами:

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

Мудрая природа

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

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

Бионический подход

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

Разделы бионики

Существует три основных вида бионики:

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

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

Основные направления работ в бионике

изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики, телемеханики (нейробионика).

Исследование памяти и других параметров нервной системы — основной путь сотворения «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления.

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

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

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

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

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

Исследование структуры кожи быстроходных акваживотных позволило прирастить скорость кораблей.

Основные направления бионики

Бионика имеет несколько направлений:

  1. Архитектурно-строительная бионика;
  2. Нейробионика.

Архитектурно – строительная бионика:

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

Например,
полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений.
«Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение». Секрет кроется в их строение, и оно сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица.

Нейробионика:

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

Основными направлениями нейробионики являются изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток – нейронов и нейронных сетей. Это дает возможность совершенствовать и развивать электронную и вычислительную технику.

Нейробионику рассматривают с трех позиций:

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

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

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

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

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

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

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

Современные открытия, «подсмотренные у природы»

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

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

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

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

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

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

Список подобных примеров можно долго продолжать:

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

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

Анализ полученных знаний по предмету «

Биология»и собственного жизненного опыта

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

Список использованных источников и литературы

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

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Значение биологии в жизни человека. Бионика

1. Значение биологии в жизни человека

Работу выполнила Шутова
Анастасия 10 «А»

2. Бионика —

(от греч. biōn — элемент жизни, буквально живущий), наука, пограничная между
биологией и техникой, решающая
инженерные задачи на основе
моделирования структуры и
жизнедеятельности организмов.
Основу бионики составляют исследования
по моделированию различных
биологических организмов. Создание
моделей требует не только проведения
специальных уточняющих исследований на
живом организме, но и разработки
специальных методов и средств для
реализации и исследования столь сложных
моделей.
Формальным годом рождения
бионики принято считать 1960г. Учёные –
бионики избрали своей эмблемой скальпель
и паяльник, соединённые знаком
интеграла, а девизом– «Живые прототипы –
ключ к новой технике».
Прародителем бионики считает
ся 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 о
рнитоптера.
Из современных учёных
можно назвать имя Осипа М. Р.
Дельгадо. С помощью своих
радиоэлектронных приборов он
изучал неврологическофизические характеристики
животных. И на их основе
пытался разработать алгоритмы
управления живыми
организмами.
Направления
бионики
Архитектурностроительное
Нейробионика
Архитектурностроительная бионика изучает законы
формирования и структурообразования
живых тканей, занимается анализом
конструктивных систем живых
организмов по принципу экономии
материала, энергии и обеспечения
надежности.
Яркий пример архитектурностроительной бионики — полная
аналогия строения стеблей злаков и
современных высотных сооружений.
В последние годы бионика
подтверждает, что
большинство человеческих
изобретений уже
«запатентовано» природой.
Такое изобретение ХХ века,
как застежки «молния»
было сделано на основе строения пера
птицы, а «липучки» – прототип плодов
репейника .
В архитектурно-строительной бионике большое
внимание уделяется новым строительным
технологиям. Например, перспективным
направлением является создание слоистых
конструкций. Идея заимствована у глубоководных
моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко
распространенного «морского уха», состоят из
чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда
жесткая пластинка трескается, то деформация
поглощается мягким слоем и трещина не идет
дальше. Такая технология может быть использована и
для покрытия автомобилей.
Нейробионика изучает работу мозга,
исследует механизмы памяти. Интенсивно
изучаются органы чувств животных,
внутренние механизмы реакции на
окружающую среду и у животных, и у
растений.
Наиболее продвинувшиеся
исследования в бионике — это
разработка биологических
средств обнаружения,
навигации и ориентации;
комплекс исследований,
связанных с моделированием
функций и структур мозга
высших животных и человека;
создание систем
биоэлектрического управления
и исследования по проблеме
«человек — машина».

12. Применение знаний бионики

В медицине
В транспорте
В архитектуре
В быту
Приборы и инструменты

13. В медицине

14. В транспорте

15. В архитектуре

16. В быту

17. Приборы и инструменты

Особенность передвижения насекомых
была заложена японскими биониками в
созданного им робота. Такой робот
используется в поисковых работах на
развалах или в горных районах. Он
помогает искать людей под завалами. А,
изучив структуру кожного покрова
дельфинов, бионики создали уникальную
обшивку для кораблей. Военные корабли с
такой обшивкой способны развивать
скорость на 20% выше, чем обычные.

19. Заключение

Помимо теории бионик хороший практик и
великолепный аналитик. Он должен обладать
нестандартным, креативным мышлением.
Бионик не берет свои идеи из воздуха. Он
черпает их из природы, создавая технические
аналоги органических систем.
Бионика играет большую роль в жизни
человека. Это одна из самых
быстроразвивающихся наук нашего времени,
мощный ускоритель научно-технической
революции. Она обещает неслыханный расцвет
производительных сил человечества, новый
взлет науки и техники.

описание и фото-примеры – Rehouz

≡ Содержание:

Стиль Бионика в интерьере

Бионика относительно новый стиль в архитектуре и дизайне интерьеров. Его суть заключается в тесной связи природы и новых научных и технологических достижений.
Урбанизация, стремительное развитие строительного рынка материалов и технологий, дали жизнь новому, необычному стилю. Он начал зарождаться в Европе, в 20-х годах прошлого столетия, а в 70-х был признан как самостоятельный стиль.

Стиль бионика в интерьере

Основная идея стиля — перенесение в интерьер предметов и мотивов, имитирующих объекты живой природы. Бионический дизайн в интерьере является наиболее прогрессивным, и одновременно естественным и близким к природе направлением.

Характерные черты Бионики

— При создании дизайна интерьера в стиле бионика, преимущественно используется светлая цветовая гамма (натуральные, природные оттенки) в отделке и оформлении.
— В интерьере стиля нет привычного разграничения и зонирования пространства, острых углов и строгих линий. Бионика стремится объединить жилое пространство, так, чтобы одна комната плавно перетекала в другую.
— Ярко выраженное структурное строение (ячейки, соты, поры, пузырьки воды) используется в бионике повсеместно — для перегородок, мебели, декора…
— Оформление интерьера в бионическом стиле происходит по принципу модульных конструкций. Т.е. предметные комбинации в пространстве помещения, реализуются в довольно широком диапазоне путем различных построений – по форме, цвету, формированию вертикальных и горизонтальных рядов.
Концепция бионики строится на утверждении, что естественные формы окружающей природы являются совершенными, поэтому текстуры и декоративные элементы интерьера повторяются в стиле с той же гармоничностью, какая свойственна природе.

Отделка и материалы

Для оформления интерьера в стиле бионики могут применяться как новейшие материалы: смарт-стекло, мдф-панели, а также полимерные материалы (гибкий камень, древесный композит, жидкие обои), так и привычные: дерево, металл, текстиль, кожа, керамика. Приветствуются зеркальные, полупрозрачные и глянцевые поверхности.

Мебель в бионическом стиле

Стилевая мебель, как правило, имеет обтекаемые формы, приятна по тактильным ощущениям, практична, эргономична и функциональна.
Стандартная мебель вряд ли впишется в такой стиль, поэтому лучше обратиться к дизайнерским проектам либо заказать её изготовление по собственным эскизам.

   

Освещение

Хорошее освещение является важным аспектом в бионике. Его должно быть много, ведь именно свет подчеркивает объем, пространство и форму. Большие окна и встроенные светильники помогут грамотно решить этот вопрос.

Текстиль и декор

Текстиль и декор должны быть соответствующие, стилевые. Шторы на окнах скорее будут неуместны, ведь это лишняя преграда естественному свету. Если такая преграда все же требуется, лучше отдать предпочтение современным, практичным жалюзи, светлых расцветок.
В качестве декора отлично подойдут креативные кадки с неприхотливыми комнатными растениями, оригинальные вазы с цветами…
И также общую картину могут дополнить эксклюзивные статуэтки, кубки, награды — которые еще подчеркнут неповторимость интерьера.

Стиль бионика в интерьере фото

Стиль Бионика в интерьере загородного домаСтиль Бионика в интерьере квартирыБионика в гостиной комнатеКухня в стиле бионикаСпальная в стиле бионика

Такой незаурядный и прогрессивный стиль призван сделать помещение уникальным, оригинальным, функционально продуманным и максимально комфортным.

+ Похожие стили:

≡ Стили интерьера, полный список с фото →

0 0 голоса

Рейтинг статьи

Сообщение на тему бионика в быту. Бионика — учимся у природы. Бионика. И её достижения

Глазкова Настя

С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

Скачать:

Предварительный просмотр:

  1. Введение……………………………………2
  2. Что такое «Бионика»?…………………………..4
  3. Патенты живой природы…………………9
  4. Архитектурная бионика………………….16
  5. Нейробионика…………………………… 29
  6. Техническая бионика………………………37
  7. Заключение…………………………………39
  8. Литература…………………………………. 40

Птица – действующий по математическом закону

инструмент, сделать который в человеческой власти

Со всеми его движениями…

Леонардо да Винчи.

С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:

«От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ…»

Прочитав высказывание Демокрита, я задумалась, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы.

Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.

К примеру:

  • Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий.
  • Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса?
  • …Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море.
  • …Крысы ощущают радиацию?
  • …Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации?
  • …Обыкновенный черный таракан радиацию видит?
  • …Комар развивает при укусе удельное давление до I миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2, показывает, как велика “комариная сила”.
  • …Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера?
  • …Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний “прощупывает” свой путь в воде?

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи — создать своими руками то, что уже создала природа?

Задача моего исследования:
Выяснить, как человек использует «естественные» изобретения животных и растений при создании искусственных устройств на благо человека.

Что такое «Бионика»?

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи.

Его чертежи и схема летательных аппаратов

Были основаны на строении крыла птиц

Чертежи Леонардо да Винчи..

В наше время, по чертежам Леонардо да Винчи неоднократно осуществлялось моделирование орнитоптера.

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

Био
логия + электро
ника
=
Бионика.

Бионика
(от греческого слова «bion» -элемент жизни, буквально- живущий), наука пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

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

У
бионики
есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла. Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука
бионика
проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто.

Патенты живой природы.

Известно, что растения – «зеленые фильтры», очищающие воздух и воду от вредных примесей. Они пополняют атмосферу кислородом, увлажняют и ионизируют воздух, снижают количество микробов.

Хлорофитум- природный кондиционер.

Созданы бытовые и промышленные электровоздухоочистители, по функциям подобные природным зеленым фильтрам.

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка
ламинфло
и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением.

Деревья – мощнейшие растительные насосы. Большое значение для перемещения воды имеют корневое давление и транспирация (испарение воды листьями), а также сила сцепления между молекулами воды и стенками сосудов.

Как дерево корнями обеспечивает себя питательными веществами и влагой, так люди пытаются добывать из земли полезные ископаемые.

Гидрометаллургический метод прост и экономичен по сравнению с огневым (в доменных печах). В залежи урановой руды накачивают карбонат натрия. Затем по шлангам, как растение корнями, насосом отсасывают из шахты жидкую смесь, содержащую уран. После отстаивания получают уран в более чистом виде, чем добытый иными способами. Так же извлекают уран и из медных руд, в которых он содержится в очень малых количествах.

Гидрометаллургия применяется при обработке сложных руд и рудных концентратов.

Архитектурная бионика.

Живая природа перестает быть загадочным феноменом. Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов на самых различных уровнях: молекулярном, при образовании кристаллов, формировании механических (конструктивных) тканей и опорных скелетов, общей системы форм и экологических связей. Живая природа и архитектура развиваются в одних и тех же биофизических условиях земной и космической сферы и подчиняются законам гравитации, инерции, термодинамики. Их формы обусловливаются сходным действием температурновлажностных факторов, режимом инсоляции, цикличностью метеорологических явлений и т.д. Строительная деятельность живых организмов так же, как и в архитектуре, связана с созданием строительных материалов и определенным порядком (технологией) производства работ.

Архитектура, ставшая в процессе своего развития большим общественным явлением, нацелена вместе с тем на удовлетворение не только общественных, но и биологических потребностей человека. И здесь через изучение биологической организации человека архитектура получает особые импульсы формообразования, значение которых повышается в условиях научно-технической революции, роста требований к экономии общественной энергии и интенсификации человеческого труда.

Опытом мировой архитектуры последних трех десятилетий подтверждается, что архитектурная бионика способна решать самые разнообразные вопросы архитектуры как в их раздельной интерпретации, так и в комплексе. Сюда относятся: уточнение обще теоретических вопросов архитектуры, касающихся принципиальных сторон ее развития; совершенствование теории систем; дальнейшие направления дифференциации функциональной структуры архитектурных форм и архитектурного пространства; углубление композиционных приемов — тектоники, пропорций, равновесности, симметрии, ритмов, света, цвета и т.д.; решение проблемы создания благоприятного микроклимата
в
зданиях и в других архитектурных образованиях; рационализация существующих конструкций и внедрение новых конструктивных форм; развитие индустриализации производства на основе унификации, стандартизации и сборности архитектурно-конструктивных элементов; создание строительных материалов с новыми эффективными комплексными конструктивными и теплоизолирующими свойствами; дальнейшая разработка технологии производства конструкций и организации производства возвещения зданий; совершенствование методики экспериментально го конструирования на физических моделях и др.

Таким образом, результаты исследований, проводимых в области архитектурной бионики, оказываются полезными при решении проблем социального и эстетического совершенствования архитектуры в самых ее различных типологических отраслях: в жилых комплексах, в общественных и промышленных зданиях и сооружениях, в градостроительстве. Конечно, все это не означает, что она
в
состоянии решить все эти вопросы до конца. Нет, она не подменяет и не исключает существующие методы и лишь готова помочь их дальнейшему прогрессу. Вместе с тем в отдельных областях она может оказать революционизирующее воздействие. Архитектурная бионика, следовательно, приобретает большое значение в дальнейшем развитии не толь ко практики, но и архитектурной науки.

ИСТОРИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРНОЙ БИОНИКИ

Интересно проследить, как складывались исторические предпосылки формировании теории и практики архитектурной бионики, подтверждающие ее правомерность, неизбежность развития и одновременно проливающие свет на становление тех ее направлений, которые получили развитие в наше время.

На всем протяжении истории человек в своей архитектурно-строительной деятельности сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы.

Хижина южноамериканских индейцев и термитник; гнездо птицы ткач; глинобитный дом африканца

Конечно, не с подражания начал человек. Вероятнее всего, можно говорить об органически присущих ему формах трудовой строительной деятельности. Чело век, как известно, постепенно развивался от древнейших приматов млекопитающих к состоянию «гомо сапиенс». Но, по-видимому, постепенное удаление человека во времени от своих животных предков, самостоятельное развитие человеческой ветви, формирование деятельности по принципу «я сам» сгладили органическую непосредственность животного происхожде- ния и перевели ее на уровень более или менее осмысленного подражания живой природе, строительной деятельности живых организмов.

Оформление капителей колонн храмов Древнего Египта по аналогии с формами цветов лотоса и папируса: от акцентирования внимания на декоративной стороне
(1-4)
до тектонического освоения
(5-6)

Японская народная архитектура. Разрез здания, напоминающего ель

Образное представление пространства живой природы в интерьере готического собора: собор в Амьене (Франция) и аллея в лесу (фото Ю. Лебедева)

Единство форм архитектуры и окружающей природы. Саввино-Сторожевский монастырь вблизи Звенигорода под Москвой (ХУ- ХУМ вв.) (фото Ю. Лебедева)

Радиотелевизионная башня в Москве, 1922 г. Инж. В.Г. Шухов. Общий вид и вид изнутри (фото Л.В. Кучинского)

Специалисты по бионике рассуждают таким образом. Когда они сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, они ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям.

Примерно так же поступил 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 (Hermann Von Meyer). 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.

Фон Мейер обнаружил, что головка кости покрыта изощренной сетью миниатюрных косточек, благодаря которым нагрузка удивительным образом перераспределяется по кости. Эта сеть имела строгую геометрическую структуру, которую профессор задокументировал.

В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман (Carl Cullman) подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем.

Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже.

Этот процесс использования законов формообразования живой природы менял свой характер и границы в зависимости от объективных и субъективных факторов.

Можно выделить три хронологических этапа, предшествующих современному и соответствующих изменениям по существу этого процесса.

Первый этап — наиболее древний, уходящий в глубь истории можно считать этапом стихийного использования конструктивных и функционально-пространственных средств живой природы и результатов «строительной» деятельности животных, птиц и насекомых в создании убежищ-гнезд, шалашей, дольменов или «общественных сооружений», каковыми могли быть менгиры, кромлехи и т. д. Насколько здесь заимствованные из природы формы осмысливались эстетически, трудно сказать. Несомненно, лишь одно: они были, прежде всего, функциональными (на своем уровне и в своем роде). Вместе с функцией в искусственные сооружения механически привносилась и природная форма, поэтому многие древние человеческие сооружения — гнезда, шалаши и т.п. — часто трудно отличить от построек каких-либо животных или насекомых, например термитов.

Второй этап — от начала формирования архитектуры как искусства и примерно до середины XIX в. Несмотря на большую протяженность этого периода по времени, все его возможные промежуточные ступени объеди -нены одной основой — принципом подражания природе. Это означало главным образом использование форм природы с изобразительно-декоративными целя ми и копирование внешних форм природы. Примером могут служить колонны египетских храмов в Луксоре и Карнаке; коринфские и ионические капители колонн греческих храмов; палаццо Ренессанса и двор- цы классицизма; образно-художественные приемы формообразования в русских храмах; капители колонн и весь их строй как подражание мотиву леса в готических соборах; народная японская архитектура и т. д.

Говоря об этом периоде, нельзя отрицать также и интерпретацию некоторых конструктивно-тектонических принципов живой природы. Например, тектоника колонн с периодичностью ее диаметров по высоте интерпретирует тектонику ствола дерева; каннелюры колонн подобны встречающимся каннелированным стеблям растений, придающим им дополнительную прочность. Логика перехода одной формы в другую в конструктивных узлах ордеров греческих храмов повторяет, по существу, принципы изменения форм по вертикали стебля растения, ствола дерева, скелетов животных; нервюры покрытий готических храмов выполняют ту же конструктивную функцию, что и нерватура (прожилки) зеленого листа дерева и т.д.

Природная тектоника в архитектурных формах присутствует не всегда стихийно, доказательством чему служат высказывания Витрувия, Альберти, Пал-ладио и др. Но высказываемые мысли, касающиеся конструктивных решений, в большинстве своем из- за ограниченности технических возможностей не могли быть претворены в жизнь. Проще было сделать из камня или глины форму, подобную природной, с художественными целями, чем создать конструктивную систему, подобную природной.

Третий этап — конец XIX — начало XX в., нашедший свое выражение в архитектуре «модерн» . На этом этапе природные принципы одновременно, хотя и в разной степени, проявились в функционально-структурных, конструктивных и декоративных решениях.

Большое влияние на использование средств природы на этом этапе оказали бурное развитие биологии и небывалые успехи строительной техники (например, изобретение железобетона и начало интенсивного применения металлических конструкций, керамики и т.д.).

Именно в архитектуре модерн, как показали последние исследования русского модерна, получило начало функционально-структурное развитие архитектурных форм по принципу приспособляемости к функционально усложняющимся задачам архитектуры и окружающей среды. Именно модерн открыл путь к самым различным интерпретациям архитектурных форм, не связанным какой-либо установившейся жесткой системой, подобной классической. Здесь также вольно или невольно воплотился природный принцип многообразия форм при их «стилевом» единстве. Именно в модерне нашли свое применение новые пространственные конструкции, напоминающие природные. И наконец, использование биоформ с деко -ративными целями.

Достижения биологии XIX -начала XX в., комплексные, системные принципы развития живой природы нашли отражение и в такой широкой области деятельности, как градостроительство. Подразумевается попытка практического претворения в жизнь теории «города-сада» Э. Говарда в Англии, Германии/ России и т.д. Рост индустриальных городов заставил задуматься над проблемой экономии городских территорий, планомерного их формирования, поисков мер, предотвращающих хаос, над решением вопросов, транспорта, размещения общественных центров и т.д. И здесь также не обошлось без попыток обращения к живой природе. В конце XIX -начале XX в. было сделано много подобных предложений: Т. Фрич- город, развивающийся подобно раковине моллюска по спирали, 1896 г.; проекты Сант Элиа, Э. Гледена и др.

Известные испанские архитекторы М.Р. Сервера и Х. Плоз, активные приверженцы бионики, с 1985 г. начали исследования «динамических структур», а в 1991 г. организовали «Общество поддержки инноваций в архитектуре». Группа под их руководством, в состав которой вошли архитекторы, инженеры, дизайнеры, биологи и психологи, разработала проект «Вертикальный бионический город-башня». Через 15 лет в Шанхае должен появиться город-башня (по прогнозам ученых, через 20 лет численность Шанхая может достигнуть 30 млн человек). Город-башня рассчитан на 100 тысяч человек, в основу проекта положен «принцип конструкции дерева».

Башня-город будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м, а в самой широкой точке 166 на 133 м. В башне будет 300 этажей, и расположены они будут в 12 вертикальных кварталах по 80 этажей. Между кварталами — перекрытия-стяжки, которые играют роль несущей конструкции для каждого уровня-квартала. Внутри кварталов — разновысокие дома с вертикальными садами. Эта тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте по принципу гармошки, который не заглубляется, а развивается во все стороны по мере набора высоты — аналогично тому, как развивается корневая система дерева. Ветровые колебания верхних этажей сведены к минимуму: воздух легко проходит сквозь конструкцию башни. Для облицовки башни будет использован специальный пластичный материал, имитирующий пористую поверхность кожи. Если строительство пройдет успешно, планируется построить еще несколько таких зданий-городов.

Нейробионика.

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.

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

1) Весьма совершенное и гибкое восприятие внешней информации вне зависимости от формы, в которой она поступает (например, от почерка, шрифта, цвета текста, чертежей, тембра и других особенностей голоса и т.п.).

2) Высокая надёжность, значительно превышающая надёжность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких деталей; при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов, составляющих головной мозг, работоспособность системы сохраняется).

3) Миниатюрность элементов нервной системы: при количестве элементов
10
10

10
11
объём мозга человека 1,5
дм
3
.
Транзисторное устройство с таким же числом элементов заняло бы объём в несколько сот, а то и тысяч
м
3
.

4) Экономичность работы: потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков
вт.

5
) Высокая степень самоорганизации нервной системы, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Попытки моделирования нервной системы человека и животных были начаты с построения аналогов нейронов и их сетей. Разработаны различные типы искусственных нейронов. Созданы искусственные «нервные сети», способные к самоорганизации, т. е. возвращающиеся в устойчивые состояния при выводе их из равновесия. Изучение
памяти
и других свойств нервной системы — основной путь создания «думающих» машин для автоматизации сложных процессов производства и управления. Изучение механизмов, обеспечивающих надёжность нервной системы, очень важно для техники, т.к. решение этой первоочередной технической проблемы даст ключ к обеспечению надёжности ряда технических систем (например, оборудования самолёта, содержащего
10
5
электронных элементов).

Исследования анализаторных систем. Каждый
анализатор
животных и человека, воспринимающий различные раздражения (световые, звуковые и др.), состоит из рецептора (или органа чувств), проводящих путей и мозгового центра. Это очень сложные и чувствительные образования, не имеющие себе равных среди технических устройств. Миниатюрные и надёжные датчики, не уступающие по чувствительности, например, глазу, который реагирует на единичные кванты света, термочувствительному органу гремучей змеи, различающему изменения температуры в 0,001°С, или электрическому органу рыб, воспринимающему потенциалы в доли микровольта, могли бы существенно ускорить ход технического прогресса и научных исследований.

Через наиболее важный анализатор — зрительный — в мозг человека поступает большая часть информации. С инженерной точки зрения интересны следующие особенности зрительного анализатора: широкий диапазон чувствительности — от единичных квантов до интенсивных световых потоков; изменение ясности видения от центра к периферии; непрерывное слежение за движущимися объектами; адаптация к статичному изображению (для рассматривания неподвижного объекта глаз совершает мелкие колебательные движения с частотой 1-150
гц
)
.
Для технических целей представляет интерес разработка искусственной сетчатки. (Сетчатка — очень сложное образование; например, глаз человека имеет 10
8
фоторецепторов, которые связаны с мозгом при помощи 10
6
ганглиозных клеток.) Один из вариантов искусственной сетчатки (аналогичной сетчатке глаза лягушки) состоит из 3 слоев: первый включает 1800 фоторецепторных ячеек, второй — «нейроны», воспринимающие положительные и тормозные сигналы от фоторецепторов и определяющие контрастность изображения; в третьем слое имеется 650 «клеток» пяти разных типов. Эти исследования дают возможность создать следящие устройства автоматического распознавания. Изучение ощущения глубины пространства при видении одним глазом (монокулярном зрении) дало возможность создать определитель глубины пространства для анализа аэрофотоснимков.

Ведутся работы по имитации слухового анализатора человека и животных. Этот анализатор тоже очень чувствителен — люди с острым слухом воспринимают звук при колебании давления в слуховом проходе около 10
мкн/м
2
(0,0001
дин/см
2
)
.
Технически интересно также изучение механизма передачи информации от уха к слуховой области мозга. Изучают органы обоняния животных с целью создания «искусственного носа» — электронного прибора для анализа малых концентраций пахучих веществ в воздухе или воде [некоторые рыбы чувствуют концентрацию вещества в несколько
мг/м
3
(мкг
/
л
)]. Многие организмы имеют такие анализаторные системы, каких нет у человека. Так, например, у кузнечика на 12-м членике усиков есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение, у акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры на 0,1°С. Чувствительностью к радиоактивным излучениям обладают улитки и муравьи. Рыбы, по-видимому, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой). Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра- и ультразвуковые колебания. Некоторые медузы реагируют на инфразвуковые колебания, возникающие перед штормом. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45-90
кгц
, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.

Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы — для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана — для обнаружения инфракрасных лучей).

Большое значение в техническом конструировании имеют т. н.
персептроны

«самообучающиеся» системы, выполняющие логические функции опознавания и классификации. Они соответствуют мозговым центрам, где происходит переработка принятой информации. Большинство исследований посвящено опознаванию зрительных, звуковых или иных образов, т. е. формированию сигнала или кода, однозначно соответствующего объекту. Опознавание должно осуществляться независимо от изменений изображения (например, его яркости, цвета и т.п.) при сохранении его основного значения. Такие самоорганизующиеся познающие устройства работают без предварительного программирования с постепенной тренировкой, осуществляемой человеком-оператором; он предъявляет изображения, сигнализирует об ошибках, подкрепляет правильные реакции. Входное устройство персептрона — его воспринимающее, рецепторное поле; при опознавании зрительных объектов — это набор фотоэлементов.

После периода «обучения» персептрон может принимать самостоятельные решения. На основе персептронов создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм и т.д.

Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных — также одна из важных задач бионики., т.к. миниатюрные и точные воспринимающие и анализирующие системы, помогающие животным ориентироваться, находить добычу, совершать миграции за тысячи
км
,
могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Ультразвуковая локация обнаружена у летучих мышей, ряда морских животных (рыб, дельфинов). Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч
км
и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху (химизм прибрежных вод). Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10
км.
Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу. Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике.

Так, американская компания Orbital Research, разработчик систем навигации, начала работу над интуитивной сенсорной системой, которая позволит избежать столкновений автомобилей на земле и самолетов в воздухе.

Спроектировать такую систему ученых натолкнуло поведение тараканов в тот момент, когда их пытаются поймать. Нервная система тараканов постоянно контролирует все, даже самые мельчайшие изменения, происходящие рядом, и при возникновении опасности реагирует быстро, четко и, самое главное, правильно. Уже создана действующая модель радиоуправляемого авто с «тараканьими мозгами».

Ученые же из Австралийского национального университета подробно изучили полет стрекозы. Они пришли к выводам, что «несмотря на очень маленький мозг, эти насекомые способны выполнять быстрые и точные воздушные маневры, требующие устойчивости и умения избегать столкновения». Новые летательные аппараты, сконструированные по «образу и подобию» хотят использовать для исследования атмосфер планет солнечной системы.

А вот еще какие уникальные идеи «подбрасывает» природа. Как выяснилось, паутина в пять раз прочнее стали и на 30% эластичнее нейлона. Из нового материала, «позаимствованного» у пауков, ученые предлагают делать ремни безопасности, невесомые провода, пуленепробиваемые ткани, медицинские нити, автомобильные шины и даже искусственные связки, ведь паутинный белок практически не отторгается организмом, так как имеет преимущественно белковую основу и обладает уникальными свойствами: она необычайно прочная, лёгкая, долго не разрушается под воздействием окружающей среды, почти не подвержена поражению микроорганизмами и грибками. Но так как добывать натуральную паутину в должном количестве достаточно проблематично, то генетики канадской биотехнологической компании Nexia имплантировали гены, ответственные за синтез паутины у пауков, нигерийским козам. И те стали давать молоко, содержащее такие же белки, что и паутина. Из молока извлекают сырье для получения нитей и ткут сверхпрочный шелк.

В свою очередь, ученые Лабораторий Белла, научно-исследовательского центра Lucent Technologies, обнаружили, что кристаллы кальцита, формирующие скелет морских звезд класса офиур (змеехвостки), обладают уникальными функциями: они не только служат офиурам панцирем, но еще и выполняют функции оптических рецепторов составного глаза. По словам ученых, изучение этого нового биоматериала может содействовать совершенствованию конструкции оптических элементов для телекоммуникационных сетей. «Перед нашими глазами — прекрасный пример того, чему мы можем научиться у природы, — сказал вице-президент Лабораторий Белла Федерико Капассо. — Эти маленькие кристаллы кальцита представляют собой практически идеальные микролинзы, значительно лучше тех, что мы можем производить на сегодняшний день».

А вот пример, который можно взять с другого беспозвоночного. В одной из лабораторий Министерства энергетики США изучают смесь, которую вырабатывают двустворчатые моллюски, чтобы намертво прилипать к днищам судов. На основе исследований изготавливают новый клей, который поможет склеивать окисленные металлические пластины, из которых собираются важные компьютерные узлы, или, даже заменить хирургические швы на теле человека после операции. Однако для получения всего 1 грамма протеинового клея требуется 10 тысяч моллюсков. В связи с этим ученые рассматривают следующий шаг своих исследований — имплантацию нужного гена моллюска в какое-нибудь растение.

В центре же нанотехнологий в Манчестере ученые работали над «задачей» поставленной примитивно организованной группой ящериц (гекконами), которые могут перемещаться практически по любой поверхности. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса — по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10
-7
Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается.

Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Не исключено, что массовый выпуск «гекконовых лапок» возможен с помощью не столь дорогих технологий, как, например, электронно-лучевая литография. Если обратить свое внимание на других позвоночных — китов и дельфинов, то обнаружится, что они «упакованы» в ткань наподобие очень упругой резины, которая состоит из сложной сети волокон коллагена. Это открытие дает возможность начать производство ее синтетического аналога. Если одеть в этот чудо-материал морские суда и подводные лодки, то повысится их обтекаемость, уменьшится расход топлива, увеличится устойчивость.

А вот к олимпиаде-2004 специально был создан новый «акулий» костюм Fastskin FSII американской компании Speedo. Его поверхность выстлана сотнями мельчайших зубчиков. Эта «кожа» была подсмотрена у акулы и дополнительно просчитана на компьютере. Она снижает трение о воду, которое, по утверждению компании, достигает 29% от общего сопротивления, а не 8-10%, как считали ранее, сообщает
Мембрана.ру.
Как результат — сокращение на 4% общего сопротивления движению и соответствующий рост скорости передвижения в воде. Для профессионального спорта этот выигрыш может оказаться критичным.

Не остались в стороне и военные. Так, профессор Хоуи Чозет на деньги военных разрабатывает колёсного робота с подобием хобота слона, военно-морские силы США финансируют создание роботов-лобстеров, а агентство передовых оборонных разработок оплачивает строительство механических насекомых.

Техническая бионика.

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло создать особую обшивку подводной части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход — крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.

В новой печатной схеме, созданной в исследовательском центре Xerox (Пало Альто), отсутствуют подвижные части (она состоит из 144 наборов по 4 сопла в каждом)

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.

Сконструированная в Пало Альто 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. В устройстве отсутствуют подвижные части, что позволяет удешевить производство. Каждая печатная схема содержит 144 набора по 4 сопла, направленных в разные стороны, а также 32 тыс. оптических сенсоров и микроконтроллеров.

Но самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые занимаются конструированием роботов. Сегодня среди разработчиков весьма популярна точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно действовать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Ученые и инженеры исходят из того, что им придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческом» интерьере — с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги (колеса, гусеницы и прочее не подходит для города). Но у кого копировать конструкцию ног, если не у животных?

В направлении создания прямоходящих двуногих роботов дальше всех продвинулись ученые из Стенфордского университета. Они уже почти три года экспериментируют с миниатюрным шестиногим роботом, гексаподом, построенным по результатам изучения системы передвижения таракана.

Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Первый гексапод был сконструирован 25 января 2000 г. Сейчас конструкция бегает весьма шустро — со скоростью 55 см (более трех собственных длин) в секунду — и так же успешно преодолевает препятствия.

Заключение.

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

В прошлом отношение человека к природе было потребительским. Техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды.

Природа как эталон — это и есть бионика.

Список литературы.

1. Бионика в школе. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович, Киев, 1990.

2. Живые приборы
.
Ю.Г.Симвков, М., 1986.

3. Тайны бионики. И.И.Гармаш, Киев, 1985.

4. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.

5. Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.

7. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.

Интернет-ресурсы

http://www.studik.ru

http://www.BankReferatov.ru

http://www.bestreferat.rureferat-42944.html

http://referat.ru/pub/item/9920

http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html

Бионические формы отличаются сложностью конструкций и нелинейными формами.

Возникновение термина.
Понятие «бионика» (от греч. «биос» — жизнь), появилось в начале ХХ в. В глобальном смысле оно обозначает область научного знания, основанную на открытии и использовании закономерностей построения естественных природных форм для решения технических, технологических и художественных задач на основе анализа структуры, морфологии и жизнедеятельности биологических организмов. Название было предложено американским исследователем Дж. Стилом на симпозиуме 1960 года в г. Дайтоне — «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике», — в ходе которого было закреплено возникновение новой, неизведанной области знания. С этого момента перед архитекторами, дизайнерами, конструкторами и инженерами возникает ряд задач, направленных на поиск новых средств формообразования.
В СССР к началу 1980 гг., благодаря многолетним усилиям коллектива специалистов лаборатории ЦНИЭЛАБ, просуществовавшей до начала 1990 гг., архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление в архитектуре. В это время выходит итоговая монография большого международного коллектива авторов и сотрудников этой лаборатории под общей редакцией Ю. С. Лебедева «Архитектурная бионика» (1990 г.)
Таким образом, период с середины ХХ в. по начало ХХI в. в архитектуре ознаменовался повышением интереса к сложным криволинейным формам, возрождением, уже на новом уровне, понятия «органическая архитектура», своими корнями уходящего в конец XIX — начало XX века, к творчеству Л. Салливана и Ф. Л. Райта. Они считали, что архитектурная форма, как и в живой природе, должна быть функциональной и развиваться как бы «изнутри наружу».

Проблема гармоничного симбиоза архитектурной и природной среды.
Технократическое развитие последних десятилетий давно подчинило себе образ жизни человека. Шаг за шагом человечество вышло из своей экологической ниши обитания на планете. Фактически, мы стали жителями искусственной «природы», созданной из стекла, бетона и пластика, совместимость которой с жизнью природной экосистемы неуклонно стремится к нулю. И чем сильнее искусственная природа захватывает живую, тем более явственной становится потребность человека в естественной, природной гармонии. Наиболее вероятным способом возврата человечества «в лоно природы», восстановления равновесия между двумя мирами является развитие современной бионики.

Небоскреб-кипарис в Шанхае. Архитекторы: Maria Rosa Cervera & Javier Pioz.

Сиднейская опера. Архитектор: Jørn Utzon.

Учебный центр Rolex. Архитекторы: японское архитектурное бюро SANAA.

Архитектурная бионика — это инновационный стиль, берущий все самое лучшее от природы: рельефы, контуры, принципы формообразования и взаимодействия с окружающим миром. Во всем мире идеи бионической архитектуры успешно воплощены известными архитекторами: небоскреб-кипарис в Шанхае, Сиднейская опера в Австралии, здание правления NMB Bank — Нидерланды, учебный центр Rolex и музей плодов — в Японии.

Музей фруктов. Архитектор: Itsuko Hasegawa.

Интерьер музея фруктов.

Во все времена существовала преемственность природных форм в архитектуре, созданной человеком. Но, в отличие от формалистского подхода прошлых лет, когда архитектор просто копировал природные формы, современная бионика опирается на функциональные и принципиальные особенности живых организмов — способность к саморегуляции, фотосинтез, принцип гармоничного сосуществования и т. д. Бионическая архитектура предполагает создание домов являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Дальнейшее развитие бионики предполагает разработку и создание экодомов — энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого здания предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологичные материалы и строительные конструкции. В идеале, дом будущего — это автономная самообеспечивающаяся система, органично вписывающаяся в природный ландшафт и существующая в гармонии с природой. Современная архитектурная бионика практически слилась с понятием «экоархитектура» и напрямую связана с экологией.

Формообразование, переходящее из живой природы в архитектуру.
Каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем — результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений.
Формообразование в живой природе характеризуется пластичностью и комбинаторностью, разнообразием как правильных геометрических форм и фигур — окружностей, овалов, ромбов, кубов, треугольников, квадратов, различного рода многоугольников, так и бесконечным множеством чрезвычайно сложных и удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций, созданных в результате комбинирования этих элементов. Подобные структуры отражают сложность и многоэтапность эволюции развития живых организмов.
Основными позициями для изучения природы в ракурсе архитектурной бионики являются биоматериаловедение и биотектоника.
Объектом изучения в биоматериаловедении являются различные удивительные свойства природных структур и их «производных» — тканей животных организмов, стеблей и листьев растений, нитей паутины, усиков тыкв, крыльев бабочки и т.п.
С биотектоникой все сложнее. В этой области знания исследователей интересуют не столько свойства природных материалов, сколько сами принципы существования живых организмов. Главные проблемы биотектоники заключаются в создании новых конструкций на основе принципов и способов действия биоконструкций в живой природе, в осуществлении адаптации и роста гибких тектонических систем на основе адаптации и роста живых организмов.
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Так в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше.

Технологии архитектурной бионики.
Приведем в пример несколько наиболее распространенных современных направлений разработки бионических зданий.
1. Энергоэффективный Дом — сооружение с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников (Energy Efficient Building).
2. Пассивный Дом (Passive Building) — сооружение с пассивной терморегуляцией (охлаждение и отопление за счет использования энергии окружающей среды). В таких домах предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций и практически отсутствует традиционная отопительная система.
3. Биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi-tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры — гармония с природой: «… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него». В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.
4. Умный Дом (Intellectual Building) — здание, в котором при помощи компьютерных технологий и автоматизации оптимизированы потоки света и тепла в помещениях и ограждающих конструкциях.
5. Здоровый Дом (Healthy Building) — здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т. д.) Технологии «здорового» дома включают системы очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ и т. д.

История использования архитектурных форм в архитектурной практике.
Архитектурная бионика возникла не случайно. Она явилась результатом предшествующего опыта использования в том или ином виде (чаще всего — ассоциативном и подражательном) определенных свойств или характеристик форм живой природы в архитектуре — к примеру, в гипостильных залах египетских храмов в Луксоре и Карнаке, капителях и колоннах античных ордеров, интерьерах готических соборов и т. д.

Колонны гипостильного зала храма в Эдфу.

К бионической архитектуре зачастую относят здания и архитектурные комплексы, которые органично вписываются в природный ландшафт, являясь как бы его продолжением. К примеру, такими можно назвать сооружения современного швейцарского архитектора Петера Цумтора. Наравне с натуральными строительными материалами, он работает с уже существующими природными элементами — горами, холмами, газонами, деревьями, практически не видоизменяя их. Его сооружения словно растут из земли, а, порой, настолько сливаются с окружающей природой, что их не сразу можно обнаружить. Так, например, термы в Швейцарии со стороны кажутся просто зеленой площадкой.

Термы в Вальсе. Архитектор: Peter Zumthor.

С точки зрения одной из концепций бионики — образа эко-дома, — к бионической архитектуре можно отнести даже привычные нам деревенские дома. Они созданы из натуральных материалов, а структуры деревенских поселков всегда были гармонично вписаны в окружающий ландшафт (верхняя точка поселка — церковь, низина — жилые дома и т. д.)

Купол Флорентийского собора. Архитектор: Filippo Brunelleschi.

Возникновение данной области в истории архитектуры всегда связано с какой-либо технической новацией: так, зодчий итальянского Возрождения Ф. Брунеллески в качестве прототипа для конструирования купола Флорентийского собора взял скорлупу яйца, а Леонардо да Винчи копировал формы живой природы при изображении и конструировании строительных, военных и даже летательных аппаратов. Принято считать, что первым, кто начал изучать механику полета живых моделей «с бионических позиций», был именно Леонардо да Винчи, который пытался разработать летательный аппарат с машущим крылом (орнитоптер).

Галерея в парке Гюэль. Архитектор: Antonio Gaudi.

Портал Страстей Христовых Собора Святого Семейства (Sagrada Familia).

Успехи строительной техники в ХIХ-ХХ вв. породили новые технические возможности для интерпретации архитектуры живой природы. Это нашло свое отражение в произведениях многих архитекторов, среди которых, безусловно, выделяется Антонио Гауди — зачинатель широкого использования биоформ в архитектуре ХХ в. Спроектированные и построенные А. Гауди жилые здания, монастырь Гюэль, знаменитый «Sagrada Familia» (Собор Святого Семейства, выс. 170 м.) в Барселоне и ныне остаются и непревзойденными архитектурными шедеврами и, одновременно, наиболее талантливым и характерным примером ассимиляции архитектурных природных форм — их применения и развития.

Чердачное перекрытие Casa Mila. Архитектор: Antonio Gaudi.

Арочный свод галереи в Casa Batlló. Архитектор: Antonio Gaudi.

А. Гауди считал, что в архитектуре, как и в природе, нет места копированию. В результате его сооружения поражают своей сложностью — вы не найдете в его постройках двух одинаковых деталей. Его колонны изображают стволы пальм с корой и листьями, лестничные поручни имитируют завивающиеся стебли растений, сводчатые перекрытия воспроизводят кроны деревьев. В своих творениях Гауди использовал параболические арки, гипер-спирали, наклонные колонны и т.д., создавая архитектуру, геометрия которой превосходила архитектурные фантазии и зодчих, и инженеров. Одним из первых А. Гауди использовал также и био-морфологические конструктивные свойства пространственно-изогнутой формы, которая была воплощена им в виде гиперболического параболоида небольшого лестничного пролета из кирпича. При этом Гауди не просто копировал объекты природы, но творчески интерпретировал природные формы, видоизменяя пропорции и масштабные ритмические характеристики.
Не смотря на то, что смысловой ряд протобионических построек выглядит достаточно внушительно и оправданно, некоторые специалисты считают архитектурной бионикой только те здания, которые не просто повторяют природные формы или созданы из естественных природных материалов, а содержат в своих конструкциях структуры и принципы живой природы.

Сооружение Эйфелевой башни. Инженер: Gustave Eiffel.

Проект моста. Архитектор: Paolo Soleri.

Эти ученые скорее назвали бы протобионикой такие постройки как 300-метровая Эйфелева башня инженера-мостовика А. Г. Эйфеля, которая в точности повторяет строение большой берцовой кости человека, проект моста архитектора П. Солери, напоминающий свернутый лист злака и разработанный по принципу перераспределения нагрузок в стеблях растений и т. д.

Велотрек в Крылатском. Архитекторы: Н. И. Воронина и А. Г. Оспенников.

В России законы живой природы также были заимствованы для создания некоторых архитектурных объектов “доперестроечного” периода. Примерами можно назвать Останкинскую радиотелевизионную башню в Москве, Олимпийские объекты — велотрек в Крылатском, мембранные покрытия крытого стадиона на проспекте Мира и универсального спортивно-зрелищного зала в Ленинграде, ресторан в Приморском парке Баку и его привязка в г. Фрунзе — ресторан «Бермет» и др.
Среди имен современных зодчих, работающих в направлении архитектурной бионики, выделяются Норман Фостер (http://www.fosterandpartners.com/Projects/ByType/Default.aspx), Сантьяго Калатрава (http://www.calatrava.com/#/Selected%20works/Architecture?mode=english), Николас Гримшоу (http://grimshaw-architects.com/sectors/), Кен Янг (http://www.trhamzahyeang.com/project/main.html), Винсент Калебо (http://vincent.callebaut.org/projets-groupe-tout.htm l) и т. д.

Если какой-либо аспект бионики заинтересовал Вас, пишите нам, и мы расскажем о нем более подробно!
Архитектурное бюро «Inttera».

Описание презентации по отдельным слайдам:

1
слайд

Описание слайда:

Выполнила: Крюкова Олеся ученица 11 класса Руководитель: Войтихина Г.А. учитель химии и биологии

2
слайд

Описание слайда:

Актуальность исследования: В каждом творении Природы мы видим высочайшую степень целесообразности, надежности, прочности, экономичности, и в то же время разнообразие форм и конструкций природных творений бесконечно. Этот синтез биологии и человеческого разума открывает для нас мир растений и животных как неиссякаемый источник новых идей для различных форм моделирования.

3
слайд

Описание слайда:

4
слайд

Описание слайда:

Цель:изучение Природы как гениального конструктора, инженера, художника и великого строителя.

5
слайд

Описание слайда:

Задачи: При изучении живой мастерской природы, выяснить, что изучает наука бионика. Историю ее развития, символы, направления бионики, перспективы развития науки. Изучить литературу и Интернет — ресурсы по данному вопросу; Провести наблюдение в природе, фотографирование и изучение природных объектов. Развивать умения находить необходимый материал в учебных и справочных изданиях, сети Интернет, грамотно излагать материал; Подготовить презентацию по данному вопросу и выступление на научном форуме исследовательских работ.

6
слайд

Описание слайда:

Содержание проекта: Что изучает наука бионика? Символ бионики. Прародитель бионики. Виды бионики. Моделирование живых организмов. Направления бионики. Примеры использования принципов работы и устройства биологических объектов в бионике. Упор бионики на человекоподобных роботов. Торжество бионики — искусственная рука. Перспективы развития бионики. Источники информации

7
слайд

Описание слайда:

Что изучает наука бионика? Бионика — наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г.

8
слайд

Описание слайда:

Символ бионики Учёные – бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике». Этот союз биологии, техники и математики позволяет надеяться, что наука бионика проникнет туда, куда не проникал еще никто, и увидит то, чего не видел еще никто.

9
слайд

Описание слайда:

Прародителем бионики 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. Чертеж аэроплана, выполненный Леонардо да Винчи

10
слайд

Описание слайда:

Орнитоптер Термин «орнитоптер» происходит от греческих слов ornithos, что означает птица, и pteron — крыло. Орнитоптер представляет собой летательный аппарат, передвигающийся за счёт маха крыльев. Упоминания людей, способных летать подобно птицам при помощи искусственных крыльев, встречаются, например, в мифах Древней Греции.

11
слайд

Описание слайда:

Виды бионики: биологическая бионика, изучающая процессы, происходящие в биологических системах; теоретическая бионика, которая строит математические модели этих процессов; техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач. Воздушный колокол паука-серебрянки Водолазный колокол Галлея

12
слайд

Описание слайда:

Природа знает лучше. В последнее десятилетее бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с переходом современных технологий на гига- и наноуровень и позволяют копировать природные конструкции с небывалой точностью. Именно в этой области, граничащей на стыке биологии и техники, свершаются величайшие открытия современности.

13
слайд

Описание слайда:

14
слайд

Описание слайда:

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

15
слайд

Описание слайда:

Что же такое сооружение в бионическом стиле? Дома хоббитов построены по всем законам бионики. Постройки в бионическом стиле выбиваются из правильной геометрии. В бионике стены подобны живым мембранам. Пластичные и протяженные стены и окна выявляют направленную сверху вниз силу нагрузки и противодействующую ей силу сопротивления материалов. Благодаря ритмической игре меняющихся вогнутых и выпуклых поверхностей стен сооружений кажется, что здание дышит. Здесь стена уже не просто перегородка, она живет подобно организму.

16
слайд

Описание слайда:

17
слайд

Описание слайда:

Нейробионика 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.

18
слайд

Описание слайда:

Бионика нашла свое широкое применение практически везде: в моде, в медицине,в устройстве некоторых объектов, в танцевальном направлении.

19
слайд

Описание слайда:

1. Застёжка — молния. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. Такое изобретение XX века, как застежки «молния» и «липучки», было сделано на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление. Примеры использования принципов работы и устройства биологических объектов в бионике

20
слайд

Описание слайда:

2.Изобретение застежек «липучки» Другое знаменитое заимствование сделал швейцарский инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти постоянно прилипают какие-то непонятные растения. Устав постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (так называется этот сорняк). В результате инженер осознал важность сделанного открытия и через восемь лет запатентовал удобную «липучку» Плод дурнишника на рубашке Застежка — липучка

21
слайд

Описание слайда:

3. Эйфелева башня Конструкция Эйфелевой башни основана на научной работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера (Hermann Von Meyer). 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. Костная структура Основание Эйфелевой башни напоминает костную структуру головки бедренной кости

22
слайд

Описание слайда:

4. Обшивка торпед Благодаря изучению гидродинамических особенностей китов и рыб, удалось создать особую обшивку торпед, которая при той же мощности двигателя обеспечивает повышение скорости на 20 — 25%.

23
слайд

Описание слайда:

5. Китоподобное судно Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма тела кита совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское китоподобное судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же.

24
слайд

Описание слайда:

6. Снегоход «Пингвин» Бионический принцип положен и в основу конструкции снегоходной машины «Пингвин». Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками. Так же, лежа на снегу днищем, скользит по поверхности снега и «Пингвин» механический.

25
слайд

Описание слайда:

6. Фабричные трубы Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия стеблей — кольца жесткости.

26
слайд

Описание слайда:

В Штутгарте создали новый экспериментальный «бионический автомобиль Mercedes», который в точности похож на рыбу! Работу над проектом мерседесовцы начали с того, что запустили в аквариум тропическую рыбу-кузовок (boxfish). Изучив ее вдоль и поперек, инженеры сделали точную модель рыбки и отправили на продувку в аэродинамическую трубу. Инженеры также обратили внимание на рыбью чешую — шестиугольные чешуйки образуют прочную поверхность при минимальном весе. Если подобную технологию применить, например, при формовке внешних дверных панелей, то их жесткость увеличится на 40%. А если чешуйчатым сделать весь кузов, то он станет на треть легче традиционного, не потеряв при этом в прочности! 7.«Бионический автомобиль Mercedes»,

27
слайд

Описание слайда:

28
слайд

Описание слайда:

29
слайд

Описание слайда:

30
слайд

Описание слайда:

31
слайд

Описание слайда:

32
слайд

Описание слайда:

33
слайд

Описание слайда:

34
слайд

Описание слайда:

35
слайд

Описание слайда:

36
слайд

Описание слайда:

37
слайд

Описание слайда:

Бионика делает упор на человекоподобных роботов Как известно, самые преданные адепты бионики — это инженеры, которые конструируют роботов. Сегодня среди разработчиков очень популярна такая точка зрения, что в будущем роботы смогут эффективно функционировать только в том случае, если они будут максимально похожи на людей. Разработчики -бионики исходят из того, что роботам придется функционировать в городских и домашних условиях, то есть в «человеческой» среде — с лестницами, дверями и другими препятствиями специфического размера. Поэтому, как минимум, они обязаны соответствовать человеку по размеру и по принципам передвижения. Другими словами, у робота обязательно должны быть ноги, а колеса, гусеницы и прочее совсем не подходит для города. И у кого же копировать конструкцию ног, если не у животных? Миниатюрный, длиной около 17 см., шестиногий робот (гексапод) из Стенфордского университета уже бегает со скоростью 55 см/сек

Бионика
(от греч. biоn
— элемент жизни, буквально — живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

Совсем недавно родилась наука бионика (в 1960 г.), цель которой — помочь человеку перенять «секреты» у живой природы. Природа создала необыкновенно совершенные живые механизмы. Ученых привлекает скорость и принцип передвижения дельфинов, китов, кальмаров, пауков, кротов, кенгуру, искусство полета птиц и насекомых, особенности органов зрения мух, лягушек, органов слуха медузы, «секреты» эхолокаторов летучих мышей, термолокаторов гремучих змей и т.д. и т.п.

Бионика нашла применение в таких сферах деятельности как самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, архитектура, навигационное приборостроение, горном деле и др.

Бионика в строительстве и промышленности

Рассмотрим некоторые конкретные достижения бионики, уже реализованные в практических целях.

Пингвины передвигаются, скользя по снегу, отталкиваясь ластами. Снегоходная машина была разработана по такому же принципу
в Горьковском политехническом институте.
Лежа на снегу широким днищем она не образует колею, не буксует и не вязнет.

Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным.

Конусообразную формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, грибов. Именно такую форму имеют угледобывающие комбайны. Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Архитекторы нередко используют конусовидный конструкции (Останкинская телебашня.)

Сооружения, созданные природой, намного совершеннее того, что пока умеет делать человек.

Богат и разнообразен мир животных, обитающих под землей. Дождевые черви, кроты имеют удивительные приспособления, с помощью которых они прокладывают подземные ходы.


Они представляют большой интерес при создании подземных роющих агрегатов. Разработана, например, оригинальная модель, которая, двигаясь под землей подобно кроту, пробивает туннель с гладкими плотными стенками.

Бионика взяла от земноводных принцип строения задней конечности. Воплотив это в таком предмете, как ласты.

Это всего лишь небольшой ряд примеров того, как человек применяет биологические модели. Но животные обладают и многими другими свойствами, которые используются, или могут быть использованы человеком: ультразвуковое видение летучих мышей, эхолокация дельфинов (на расстоянии 20–30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм).

Самые совершенные формы, как с точки зрения красоты, так и с точки зрения организации и функционирования, созданы самой природой и развились в процессе эволюции. Человечество с давних пор заимствовало у природы структуры, элементы, построения для решения своих технологических задач. В настоящее время техногенная цивилизация отвоевывает у природы все большие территории, вокруг доминируют прямоугольные формы, сталь, стекло и бетон, а мы живем в так называемых городских джунглях.

И с каждым годом все более ощутимой становится потребность человека в естественной гармоничной среде обитания, наполненной воздухом, зеленью, природными элементами. Поэтому экологическая тематика становится все более актуальной в градостроительстве и . В данной статье мы познакомимся с примерами бионики — интересного современного направления в архитектуре и дизайне интерьеров.

Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход

Бионика – это направление в первую очередь научное, а потом уже творческое. Применительно к архитектуре оно означает использование принципов и методов организации живых организмов и форм, созданных живыми организмами, при проектировании и строительстве зданий. Первым архитектором, работающим в стиле бионики,был А. Гауди. Его знаменитыми работами до сих пор восхищается мир (Дом Бальо, Дом Мила, Храм Святого Семейства, Парк Гуэля и др.).

Дом Мила Антонио Гауди в Барселоне

Национальный оперный театр в Пекине

Современная бионика базируется
на новых методах с применением математического моделирования и широкого спектра программного обеспечения для расчета и 3d-визуализации. Основной ее задачей является изучение законов формирования тканей живых организмов, их структуры, физических свойств, конструктивных особенностей с целью воплощения этих знаний в архитектуре. Живые системы являются примером конструкций, которые функционируют на основе принципов обеспечения оптимальной надежности, формирования оптимальной формы при экономии энергии и материалов. Именно эти принципы и положены в основу бионики. Знаменитые примеры бионики представлены на сайте.

Оперный театр в Сиднее

Плавательный комплекс в Пекине

Вот несколько величайший сооружений на основе бионики во всем мире:

  • Эйфелева башня в Париже (повторяет форму берцовой кости)
  • Стадион «Ласточкино гнездо» в Пекине (внешняя металлическая конструкция повторяет форму птичьего гнезда)
  • Небоскреб Аква в Чикаго (внешне напоминает поток падающей воды, также форма здания напоминает складчатую структуру известковых отложений по берегам Великих Озер)
  • Жилой дом «Наутилус» или «Раковина» в Наукальпане (его дизайн взят из природной структуры – раковины моллюска)
  • Оперный театр в Сиднее (подражает раскрывшимся лепесткам лотоса на воде)
  • Плавательный комплекс в Пекине (конструкция фасада состоит из «пузырьков воды», повторяет кристаллическую решетку, она позволяет аккумулировать солнечную энергию, используемую на нужды здания)
  • Национальный оперный театр в Пекине (имитирует каплю воды)

Бионика включает в себя и создание новых для строительства материалов, структуру которых подсказывают законы природы. На сегодняшний день существует уже множество примеров бионики, каждый из которых отличается удивительной прочностью своей структуры. Таким образом, можно получить новые дополнительные возможности для возведения сооружений различных масштабов.

Скульптура Облачные ворота в Чикаго

Примеры бионики в дизайне интерьера

Особенности дизайна интерьеров в стиле бионики с примерами

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера:как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Свои идеи дизайнеры черпают из знакомых структур живой природы:

  • Воск и пчелиные соты – основа для создания необычных конструкций в интерьере: стен и перегородок, элементов мебели, декора, элементов стеновых и потолочных панелей, оконных проемов и т.д.
  • Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
  • Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
  • Цветные стекла и используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
  • В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево – один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
  • Из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
  • Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Светильники также повторяют биологические структуры. Красиво и оригинально смотрятся светильники, имитирующие водопад, светящиеся деревья и цветы, облака, небесные светила, морских обитателей и т.д.Примеры бионики зачастую используют природные материалы, которые являются экологически чистыми. Характерными особенностями данного направления считаются плавные линии, натуральная цветовая гамма. Это попытка создать атмосферу, приближенную к естественной природе, при этом не упраздняя удобств, которые человек приобрел с развитием техники. Электронику вписывают в дизайн таким образом, чтобы она не бросалась в глаза.

Небоскреб Aqua в Чикаго
пример бионики в дизайне интерьера
стадион Ласточкино гнездо в Пекине

В примерах бионики в интерьере можно рассмотреть аквариумы, интересные необычные конструкции и уникальные формы, которые, как и в природе, не повторяются. Можно сказать, что в бионике нет четких границ и зонирования пространства, одни помещения плавно «перетекают» в другие. Природные элементы не обязательно будут применимы ко всему интерьеру. Очень распространены в настоящее время проекты с отдельными элементами бионики – мебелью, повторяющей структуру тела, структуру растений и других элементов живой природы, органические вставки, декор из натуральных материалов.

Стоит отметить, что ключевой особенностью бионики в архитектуре и дизайне интерьера является подражание природным формам с учетом научных знаний о них. Создание благоприятной для человека экологически безопасной среды обитания с применением новых энергоэффективных технологий может стать идеальным направлением развития городов. Поэтому бионика является новым быстро развивающимся направлением, захватывающим умы архитекторов и дизайнеров.

«Бионика: подсказано природой» — описание книги | Простая наука для детей

Алтайский край

Альметьевск

Ангарск

Астрахань

Белгород

Благовещенск

Братск

Владивосток

Владимирская область

Волгоград

Воронеж

Екатеринбург

Ивановская область

Иркутск

Кабардино-Балкарская Республика

Калужская

Кемерово

Кемеровская область

Киров

Краснодарский край

Красноярск

Курск

Липецк

Москва

Московская область

Нижнеудинск

Нижний Новгород

Новосибирск

Омск

Оренбург

Оренбургская область

Орловская область

Пенза

Республика Адыгея

Республика Башкортостан

Республика Крым

Республика Татарстан

Республика Хакасия

Россошь

Ростов-на-Дону

Рязань

Самара

Самарская область

Саратов

Саянск

Севастополь

Смоленск

Ставрополь

Ставропольский край

Старый Оскол

Тамбов

Тамбовская область

Томск

Тула

Тюмень

Улан‑Удэ

Хабаровск

Ханты-Мансийский автономный округ

Челябинск

Челябинская область

Чита

Шелехов

Энгельс

Ярославль

Ярославская область

Бионика в реальной жизни

23 июля 2018 г. | Автор: Стефан Харрер

Категории: IBM Research-Australia

Поделитесь этим сообщением:

Бионика больше не является предметом научной фантастики. Для некоторых людей с ампутированными конечностями способность выполнять повседневную деятельность зависит от того, насколько эффективно и надежно они могут обходить нарушенные пути между мозгом и протезом.Надежные интерфейсы мозг-машина могут помочь восстановить мобильность этих людей.

Разнообразные состояния, такие как инсульт, травма спинного мозга, травма конечности и несколько нервно-мышечных и неврологических заболеваний, также могут вызывать недостаточность конечностей. В этих условиях моторная кора головного мозга часто остается неповрежденной и потенциально может извлечь выгоду из вспомогательных технологий. Надежный интерфейс мозг-машина имеет потенциал для реабилитации этих людей, обеспечивая естественный контроль конечностей путем декодирования намерений движения из мозга и последующего преобразования их в исполняемые действия для роботизированных приводов, подключенных к пораженной конечности.

Впервые мы продемонстрировали сквозную проверку концепции такого интерфейса мозг-машина, объединив специально разработанный код ИИ с исключительно коммерчески доступными недорогими компонентами системы. В двух рецензируемых научных статьях, представленных и опубликованных параллельно на Международной объединенной конференции по искусственному интеллекту (IJCAI) 2018 г. и 40 -й ежегодной международной конференции IEEE Общества инженеров в медицине и биологии, мы описываем, как новое глубокое обучение Алгоритмы могут использоваться для декодирования намерений действий исключительно на основе системы электроэнцефалографии (ЭЭГ) скальпа, которую можно взять домой, и для выполнения запланированных действий с помощью стандартного роботизированного манипулятора в реальной среде.

Интерфейсы мозг-машина, включающие дорогостоящие медицинские системы ЭЭГ, работающие в тщательно контролируемой среде, непрактичны для домашнего использования. В предыдущих исследованиях использовались недорогие системы; однако показатели эффективности были неоптимальными или неубедительными. Мы оценили недорогую систему ЭЭГ, гарнитуру OpenBCI, в естественной среде, чтобы расшифровать намерения испытуемых исключительно путем анализа их мыслей. Используя самую большую на сегодняшний день когорту здоровых испытуемых в сочетании с методами нейробиоуправления и глубокого обучения, мы показываем, что наш метод на основе ИИ более надежен, чем предыдущие исследования, пытающиеся расшифровать состояния мозга на основе данных OpenBCI.

После того, как предполагаемые действия были расшифрованы, мы преобразовали их в инструкции для роботизированной руки, способной захватывать и позиционировать объекты в реальной жизненной среде. Мы связали роботизированную руку с камерой и специально разработанной структурой глубокого обучения, которую мы называем GraspNet. GraspNet может определять оптимальные позиции для захвата-робота для захвата интересующих объектов. Это новая архитектура глубокого обучения, которая превосходит современные модели глубокого обучения с точки зрения точности схватывания с меньшим количеством параметров и объемом памяти всего 7.2 МБ и скорость вывода в реальном времени на процессоре Nvidia Jetson TX1. Эти атрибуты делают GraspNet идеальной моделью глубокого обучения для встраиваемых систем, которые требуют быстрого обновления модели по воздуху.

В более чем 50 экспериментах мы продемонстрировали, что весь конвейер от декодирования намеченной задачи путем анализа мыслительных образов испытуемого до выполнения намеченных задач с помощью роботизированной руки может быть выполнен в реальном времени и в реальной жизненной среде. Мы планируем расширить архитектуру GraspNet для одновременного распознавания объектов и обнаружения захвата, а также еще больше уменьшить общую задержку систем визуального распознавания, сохраняя при этом компактный дизайн модели и скорость вывода в реальном времени.

Наша демонстрация знаменует собой важный шаг на пути к разработке надежных, недорогих, маломощных интерфейсов мозг-машина для управления протезами с помощью силы мысли. Когда-нибудь эта технология может быть использована для создания устройства, которое будет управлять протезами конечностей.

Бионические конечности — Любопытный

Быстрее? Сильнее? Более могущественный? Бионические тела — и то, на что они могут быть способны — веками захватывали человеческий разум.От неуклюжего Inspector Gadget до почти неразрушимого Терминатора идея использования технологий для создания «лучшего человека» привела к постоянному технологическому прогрессу.

Термин «бионика» впервые был использован в 1960-х годах. Он сочетает в себе приставку «био», означающую жизнь, с «электроникой». Бионика — это исследование механических систем, которые функционируют как живые организмы или части живых организмов.

Хотя мир бионики сейчас охватывает почти все части человеческого тела — внешние и внутренние, — здесь мы подробно рассмотрим бионические конечности и то, как развиваются технологии.Чтобы узнать больше о других достижениях в области бионики, следите за обновлениями в следующей главе серии статей Nova о бионике.

Протезы или протезы используются для замены отсутствующей части тела, которая могла быть потеряна из-за травмы, болезни или врожденного дефекта. Тип протеза, который может использовать человек, зависит от человека, включая причину ампутации или потери конечности, а также расположение отсутствующей конечности.

Основные протезы используются с 600 г. до н.э. Деревянные ноги, металлические руки, крючки для рук — хотя эти примитивные заменители возвращали владельцу некоторое подобие движения или функции, они часто были неудобными, трудными в использовании, имели плохую функциональность и были косметически непривлекательными.

Протез ноги времен Первой мировой войны. Источник изображения: Томас Куайн / Flickr.

Сегодня исследователи стремятся разработать более легкие, компактные, лучше контролируемые, более реалистичные и доступные варианты. Что отличает новое поколение протезов конечностей, так это их союз с бионическими технологиями, а также то, как они сочетают такие разные области исследования, как электроника, биотехнология, гидравлика, вычислительная техника, медицина, нанотехнологии и протезирование. Технически эта область известна как биомехатроника, прикладная междисциплинарная наука, которая работает для интеграции механических элементов и устройств с биологическими организмами, такими как человеческие мышцы, кости и нервная система.

Наружные протезы

Недавний прогресс в области материаловедения и технологий привел к значительным достижениям в области протезирования конечностей. Хотя заманчиво представить себе эти конечности как нечто сверхчеловеческое, на самом деле исследователи в настоящее время просто пытаются воссоздать функциональность и диапазон движений здоровой человеческой конечности.Это сложнее, чем кажется.

Подумайте — если чешется в носу, почешите его. Но найдите время, чтобы подумать, как вы на самом деле это делаете. Во-первых, вам нужно согнуть локоть, поднимая предплечье так, чтобы оно находилось в правильном положении рядом с вашим носом. Затем вам нужно повернуть предплечье на нужный угол, чтобы палец мог дотянуться до носа, затем вытяните палец и несколько раз двигайте им вверх и вниз при зуде. И вы должны делать все это, прикладывая необходимое усилие, чтобы остановить зуд, но не царапая кожу.Как вы понимаете, создание роботизированной конечности, которая бы выполняла все эти задачи плавно, легко и быстро, является довольно сложной задачей.

Точность и расчет подсознательно лежат в основе многих, казалось бы, простых задач, например, почесать нос. Источник изображения: блог Search Engine People / Flickr.

Таким образом, если дать пять или подняться по лестнице может показаться не очень сложным занятием, за кулисами (или внутри вашей головы) ваш мозг постоянно работает, чтобы помочь вам выполнять даже самые простые жесты.Нервы, мышцы, синапсы, кора головного мозга — все они должны работать без сбоев, чтобы вы могли выполнять эти задачи.

Именно это взаимодействие между мыслью, действием и реакцией исследователи всего мира пытались воспроизвести в своих бионических технологиях.

В настоящее время доступен ряд бионических протезов, которые начинают имитировать некоторые функциональные возможности утраченных конечностей. Другие все еще находятся на стадии исследований и разработок, но демонстрируют большие перспективы.Давайте посмотрим на некоторые из них.

Миоэлектрические конечности

Традиционно протезы верхних конечностей питались от тела с использованием кабелей и ремней, прикрепленных к человеку, и полагались на движения тела для манипулирования кабелями, которые управляют протезом конечности. Это может быть физически утомительным, обременительным и неестественным.

Миоэлектрические конечности получают внешнее питание, используя батарею и электронную систему для управления движением. Каждый протез изготавливается по индивидуальному заказу и прикрепляется к остаточной конечности с помощью аспирационной технологии.

После того, как устройство было надежно прикреплено, оно использует электронные датчики для обнаружения даже мельчайших следов мышечной, нервной и электрической активности в оставшейся конечности. Эта мышечная активность передается на поверхность кожи, где она усиливается и отправляется на микропроцессоры, которые используют информацию для управления движениями протеза.

В зависимости от умственных и физических стимулов, предоставляемых пользователем, конечность движется и действует как естественный придаток.Изменяя интенсивность движения существующих функциональных мышц, пользователь может контролировать такие аспекты, как сила, скорость и захват бионической конечности. Если мышечные сигналы не могут использоваться для управления протезом, можно использовать переключатели с качалкой, вытягиванием или сенсорной панелью. Повышенная маневренность достигается за счет добавления датчиков и моторизованных элементов управления, что позволяет пользователям выполнять такие задачи, как использование ключа для открытия двери или извлечение карт из бумажника.

Одной из особенностей этой технологии является функция «самозахвата», которая автоматически регулирует натяжение, когда обнаруживает изменение обстоятельств (например, удерживание стакана, который затем наполняется водой).Дополнительным преимуществом миоэлектрической конечности является то, что, как и традиционные устройства с питанием от тела, ее можно сделать так, чтобы она имитировала внешний вид естественной конечности.

Недостатки этой технологии заключаются в том, что аккумулятор и двигатель внутри нее делают ее тяжелой, дорогостоящей и есть небольшая временная задержка между отправкой команды пользователем и компьютером, обрабатывающим эту команду и превращающим ее в действие.

Остеоинтеграция

Другой бионический прорыв в конечностях известен как «остеоинтеграция» (OI).Произведено от греческого «остеон», что означает кость, и латинского «интеграре», что означает «собирать единое целое», процесс включает создание прямого контакта между живой костью и поверхностью синтетического имплантата, часто на основе титана.

Процедура была впервые проведена в 1994 году с использованием скелетно интегрированного титанового имплантата, соединенного через отверстие (стому) в остаточной конечности с внешним протезом конечности. Прямое соединение между протезом и костью имеет ряд преимуществ:

  1. Обеспечивает большую стабильность и управляемость, а также может снизить количество потребляемой энергии.
  2. Не требует всасывания для подвешивания, что делает его проще и удобнее для пользователя.
  3. Опора возвращается к бедренной кости, тазобедренному суставу, большеберцовой или другой кости, что снижает вероятность дегенерации и атрофии, которые могут сопровождать традиционные протезы.

Обычно процедура требует двух операций. Первый включает в себя введение титановых имплантатов в кость и, часто, обширную ревизию мягких тканей.Второй этап, примерно через шесть-восемь недель, включает доработку стомы и прикрепление оборудования, которое соединяет имплантат с внешним протезом ноги. Постепенно кости и мышцы начинают расти вокруг имплантированного титана на конце кости, создавая функциональную бионическую ногу. Внешний протез легко прикрепляется и снимается с
опора

в течение нескольких секунд. Недавно австралийский хирург доцент Мунджед Аль Мудерис смог выполнить операцию за одну операцию.

Поскольку протез прикреплен непосредственно к кости, он имеет больший диапазон движений, контроля и, в некоторых случаях, позволяет пользователям различать тактильные различия между поверхностями (например, ковром и плиткой) посредством остеопортинга.

Кристаллы монетита (CaHPO 4 ) можно использовать с титаном, чтобы сделать его более совместимым с телом. Источник изображения: Wellcome Images / Flickr.

Тренировка, укрепление и реабилитация походки — все это важные части до и после хирургической процедуры.Многие из тех, кто получил новую технологию, поднялись и начали ходить самостоятельно в течение нескольких недель после операции и смогли восстановить большую часть своего качества жизни.

Постоянным развитием в области OI является внедрение продуктов, в которых используется пористая металлическая конструкция, например, титановая пена. Традиционные конструкции OI, предназначенные для бедренной кости, не были успешными при применении к большеберцовой кости, поскольку структура проксимальной большеберцовой кости очень губчатая. Однако с развитием технологии пены титана применение OI теперь распространилось на транстибиальных ампутантов.Адъюнкт-профессор Аль Мудерис является пионером в создании имплантата из вспененной поверхности, напечатанного на 3D-принтере, который успешно используется у пациентов с ампутированными конечностями. Эти напечатанные на 3D-принтере металлические пены могут способствовать инфильтрации кости, а также формированию и росту сосудистых систем в определенной области. Таким образом, пористая металлическая пена, напоминающая кости, позволяет
остеобласт

деятельность, чтобы начать.

Получатели процедуры OI говорят, что это почти похоже на настоящую вещь. Недостатки этого типа протезов в том, что они дороги (обычно более 80 000 австралийских долларов) и не подходят для многих типов людей с ампутированными конечностями.

Бионические конечности, контролируемые разумом

Следующим шагом вперед в технологии бионических конечностей стало появление бионических конечностей, управляемых разумом. Это протезы, которые можно интегрировать с тканями тела, включая нервную систему. Они очень продвинуты, способны реагировать на команды центральной нервной системы и, следовательно, более точно воспроизводить нормальные движения и функции, а также мгновенно запускать желаемое движение с меньшим «временем задержки».В настоящее время на стадии исследований и разработок находится несколько различных процедур и технологий.

Протез руки, управляемый разумом. Источник изображения: ВМС США / Flickr.

Нацеленная реиннервация мышц

Операция, называемая целевой реиннервацией мышц, использует нервы, оставшиеся после ампутации, и те же импульсы от мозга, которые когда-то контролировали плоть и кровь, для управления протезом. В ходе операции нервы, которые контролируют суставы отсутствующей части конечности, повторно прикрепляются к мышечной ткани остаточной конечности, чтобы обеспечить более естественный мыслительный процесс и управлять протезом так же, как миоэлектрический контроль.Фактически, мозговые импульсы связаны с компьютером в протезе, который управляет двигателями для движения конечности.

В 2014 году Ле Бо, пациент с двусторонней разобщением плеча (через сустав) с ампутированной конечностью, впервые смог использовать эту технологию для работы с двумя протезами верхних конечностей. Работая с исследователями из Университета Джона Хопкинса, он смог поднимать чашки и выполнять различные задачи каждой рукой, что стало результатом процедуры, которая могла изменить способ мышления, разработки и использования протезов конечностей.

Видео: Ампутанты вошли в историю с модульными протезами конечностей (Лаборатория прикладной физики JHU / YouTube). Посмотреть подробности и стенограмму.

Процедура включала множество этапов в течение многих месяцев:

  1. Лесу была проведена целенаправленная операция по реиннервации мышц — процедура, при которой происходит переназначение нервов, которые когда-то контролировали руку и кисть. Переназначив существующие нервы, Лес получил возможность управлять своими протезами, просто думая о действии, которое он хотел, чтобы они выполняли.
  2. После выздоровления Лес прошел обучение по системе распознавания образов, которая составляет ключевую часть технологии. Алгоритмы распознавания образов используются для идентификации отдельных мышц, того, как они сокращаются, общаются и работают друг с другом, а также их амплитуды и частоты. Эта информация затем используется для создания фактических движений протеза.
  3. Ортез был изготовлен на заказ для туловища и плеч Леса. Это устройство поддерживает протезы конечностей, а также создает неврологические связи с реиннервируемыми мышцами.
  4. Лес прошел дополнительное обучение по системе конечностей с использованием виртуальной среды интеграции.
  5. Наконец, конечности были прикреплены к скобе, и Лес смог начать применять свои тренировки на практике, перемещая различные объекты.

Исследователи были удивлены скоростью, с которой Лес мог управлять технологией, особенно его способностью контролировать диапазон движений обеих рук одновременно — впервые для одновременного бимануального управления.

Думаю, мы только начинаем … Перед нами просто огромный потенциал, и мы только начали двигаться по этому пути. И я думаю, что следующие пять-десять лет принесут феноменальный прогресс. Revolutionizing Prosthetics Главный исследователь, Майкл Маклафлин

У некоторых пациентов, перенесших эту процедуру, был также неожиданный эффект: они не только могли двигать своей новой конечностью, но и могли ощущать с ее помощью некоторые ощущения.

Технология имплантированного миоэлектрического сенсора

Руки — не единственная часть тела, в которой используются усовершенствованные технологии. Исследователи из Исландии создали управляемый разумом протез ноги, в котором используется технология имплантированного миоэлектрического датчика (IMES). При этом датчики имплантируются непосредственно в мышцы конечностей пациента, но, в отличие от реиннервации нервов, нет необходимости пересаживать нервную ткань из одной части тела в другую. Имплантация технологии IMES относительно легка и проста — требуется всего 15 минут операции, когда каждый датчик вводится в ткань через надрезы длиной всего 1 сантиметр.После установки датчики не нужно заменять, если они не повреждены.

Торвальдур Ингварссон, хирург, который завершил операцию, описал процесс: «Технология позволяет пользователю работать с протезом более интуитивно и интегрированно … Им больше не нужно думать о своих движениях, потому что их бессознательные рефлексы автоматически преобразуются. в миоэлектрические импульсы, управляющие их бионическим протезом ».

Участник исследования Гудмундур Олафссон сказал: «Как только я встал на ноги, мне потребовалось около 10 минут, чтобы взять это под контроль.Я мог встать и просто уйти … Это было похоже на то, что я двигал этим мышцами, никто не делал этого, нога не делала этого, я делал это, так что это было действительно странно и подавляюще. ‘

Самое интересное в технологии IMES состоит в том, что она может быть относительно простой в установке (не требует сложной хирургической операции), хорошо работает в «реальных» сценариях и может работать в течение длительного периода времени.

Бионическая нога, управляемая разумом. Источник изображения: Army Medicine / Flickr.

Сделав еще один шаг вперед, в 2015 году исследователи из Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) объявили, что они дали парализованному человеку возможность ощущать физические ощущения с помощью протезной руки робота, провода которой были напрямую подключены к его мозгу. Когда ему завязали глаза, мужчина смог успешно определить, когда к каким пальцам его протезной руки прикасались, а когда.

Мы завершили схему … Протезы конечностей, которыми можно управлять с помощью мыслей, демонстрируют большие перспективы, но без обратной связи от сигналов, возвращающихся в мозг, может быть трудно достичь уровня контроля, необходимого для выполнения точных движений.Путем передачи осязания от механической руки непосредственно к мозгу, эта работа показывает потенциал для бесшовного биотехнологического восстановления почти естественной функции. Менеджер программы DARPA, Джастин Санчес

Как это все работает? Набор электродов был клинически имплантирован в сенсорную кору головного мозга человека — область мозга, отвечающую за определение тактильных ощущений, таких как давление и текстура. Команда также разместила массивы на моторной коре добровольца, части мозга, которая управляет движениями тела.Провода от этих массивов были подключены извне к механической руке, что давало добровольцу возможность контролировать движения руки. Однако, что наиболее важно, рука содержала сложные датчики крутящего момента, которые могли определять различные уровни давления, преобразовывая эти ощущения в электрические сигналы. Затем эти сигналы направлялись обратно в матрицы в мозгу добровольца, стимулируя сенсорные нейроны в головном мозге и позволяя пациенту «почувствовать» ощущения и ощущения каждого пальца.

Эта технология еще не поступила в продажу, но предлагает большой потенциал для будущих разработок.

Благодаря таким достижениям эти протезы стали более практичными и интуитивно понятными, но даже самые современные протезы еще не могут полностью воспроизвести функциональность естественных конечностей.

Косметические улучшения

Появление 3D-печати и компьютерного дизайна помогает создавать конечности, которые идеально подходят для пользователя и со временем должны стать более доступными.

Хотя многие из новых биоников выглядят как что-то из научно-фантастического фильма, исследователи также преуспевают в создании вариантов, которые выглядят более реалистично, чем когда-либо прежде. Теперь можно создавать протезы анатомически правильной формы, которые отражают форму пользователя, и могут включать такие детали, как точный цвет кожи, веснушки, родинки, волосы, вены, татуировки, отпечатки пальцев и ногти. Эти реалистичные творения могут быть изготовлены из ПВХ или ряда силиконов и покрывать протезы конечности с помощью различных методов, таких как адгезия, эластичная кожа, отсасывание, подгонка формы или кожный рукав.Для многих людей с ампутированными конечностями очень важно иметь конечность, которая не привлекает нежелательного внимания.

Протез руки (правая рука человека), внешне напоминающий его настоящую (левую) руку. Источник изображения: WBUR Boston News Station NPR / Flickr.

Вывод

Что делает нас людьми? Это наши тела? Наш мозг? Наши эмоции? Или что-то более нематериальное? Достижения в области бионики человека могут в конечном итоге потребовать от нас переосмысления наших представлений о том, что значит быть человеком, поскольку границы между человеком и машиной становятся все более размытыми.

Тем не менее, несмотря на желание представить будущее кибернетических улучшений, в настоящее время бионические конечности остаются в основном медицинскими устройствами, предназначенными для восстановления функций и обеспечения людей, потерявших конечности, более высоким качеством жизни. Бионика может выглядеть впечатляюще футуристичной, но она еще не в состоянии полностью воспроизвести сложность, диапазон движений и функциональность нормальной человеческой конечности.

Быть бионическим: как технологии изменили мою жизнь | Техника

Я родился с обычным набором конечностей.Когда мне было девять месяцев, я заболел менингококковой септицемией, опасной инфекцией крови, которая чуть не убила меня. Я выжил, но из-за серьезного повреждения тканей мне пришлось ампутировать правую ногу ниже колена, все пальцы левой руки и второй и третий пальцы правой руки. Я научился ходить на протезе ноги в возрасте 14 месяцев и всю свою жизнь носил протезы.

Со временем, с развитием технологий, изменились и мои конечности.Как и наши мобильные телефоны, протезы стали легче, быстрее и эффективнее. Когда мне было девять, у меня была безжизненная силиконовая рука, бесполезная вещь, которая была чисто косметической и настолько неуклюжей, что я отказался ее носить после первого дня. Сейчас, когда мне 21 год, и я учусь на третьем курсе Эдинбургского университета, я ношу бионическую руку с проворными пальцами, которые двигаются независимо, которой я управляю, используя контролируемые движения мышц предплечья, а также приложение на моем телефоне. В детстве я носил жесткую протезу, прикрепленную ремнями, которые часто отваливались; Ранее этим летом я получил новую динамическую правую ногу с амортизаторами и лопастями из углеродного волокна.

Протезирование существует уже более 3000 лет: на ногах древнеегипетских мумий были обнаружены деревянные пальцы ног, которые были пристегнуты ремнями и были специально разработаны для работы с сандалиями. На протяжении большей части истории протезирование создавалось для того, чтобы сделать жизнь взрослых более комфортной, предоставить пользователю некоторые ограниченные движения и избежать привлечения внимания к своей инвалидности (заполнением пустого рукава куртки или скрытием культи). Только недавно, когда достижения в области робототехники и вычислительной мощности были включены в протезы, эта функция стала первостепенной, и потребности активных людей с ограниченными возможностями, особенно детей, начали влиять на дизайн.

До мая этого года нога, которую я носил, была довольно простой: гнездо из углеродного волокна, закрепленное булавкой, и титановая штанга, прикрепленная к водонепроницаемой ступне. Это, безусловно, меня заинтересовало, но у него были свои ограничения, особенно на неровных поверхностях, таких как мощеные улицы, галечные пляжи и любые значительные склоны — что, кстати, описывает большую часть Эдинбурга.

В апреле 2016 года я начал работать с Össur, разработчиком протезов, который делает высокотехнологичные суставы и конечности для людей с ампутированными конечностями, и разработал новый вид крепления, которое помогает балансировать и удерживать вес.Два года спустя ясным и холодным майским утром я поехал в реабилитационный центр Pace в Стокпорте, где физиотерапевт поставил мне новую ногу. Я немного нервничал, так как с двух лет ходил в тот же центр протезирования в Хэмпшире, но теперь, когда я провожу много времени в Шотландии, поездка стала слишком длинной. Пол, мой новый протезист, встретил меня у двери. Я разговаривал с ним на тренировке в Оссуре несколько месяцев назад, и не было опасности забыть его.У него татуированные рукава на обеих руках, длинные волосы, собранные в хвост, и сильный акцент Джорди, но больше всего я запомнил, сколько вопросов он задавал.

Пол и физиотерапевт задали массу вопросов и несколько раз засняли, как я хожу по комнате. Они заметили, что моя старая правая нога была примерно на дюйм короче, что никогда не приходило мне в голову. Убедившись, что у них есть вся необходимая информация, они сделали полную гипсовую повязку моей ноги.Всего через три часа на новую технологию была установлена ​​простая тестовая розетка. Когда Пол описывал каждый компонент и то, как он разработан, чтобы помочь мне двигаться, было трудно не начать планировать марафон в голове.

В верхней части новой ножки имеется гнездо из углеродного волокна, которое крепится с помощью вакуума. Это равномерно распределяет давление и не будет тянуть за какую-либо часть моей культи, а это означает, что у меня больше не будет постоянного болезненного любовного укуса, когда булавка слишком сильно давила на мою кожу. Под титановым соединительным элементом находится большой полый резиновый шар, обеспечивающий скручивание — способность вращаться.Двойные лезвия из углеродного волокна входят в полую пластиковую ножку. Лезвие ступни разделено пополам, там, где находится большой палец ноги. Это сделано для того, чтобы ступня могла справиться с неровной поверхностью (это также означает, что я могу носить шлепанцы). Небольшой рычаг из углеродного волокна находится на вершине лезвия в ноге. Каждый раз, когда я делаю шаг, вес моего тела слегка сгибает ступню, нажимая на рычаг и вытягивая воздух из гнезда. Он разработан, чтобы максимально имитировать человеческую ногу, и все это выглядит очень круто.

Мои первые шаги на новой ноге были неустойчивыми.Перенося свой вес через протез, я почувствовал сжатие пятки и, естественно, перекатил свой вес на переднюю часть стопы, которая затем оттолкнула меня пальцами ног. Оказалось, что я прилагал много усилий, чтобы ходить на правой ноге. Внезапно моя новая нога снова начала прикладывать усилия. Это было очень удобно, и я покинул клинику через пять часов с пружинящей походкой. Мне даже захотелось прогуляться. Раньше ходьба требовала значительных усилий, и я не стал бы этого делать, если в этом нет необходимости, но в тот вечер я впервые обнаружил, что гуляю по саду моего друга ради чистого удовольствия.


Я был здоровым ребенком, и первый признак того, что со мной что-то не так, появился после беспокойного ночного сна. Для девятимесячного ребенка в этом не было ничего слишком тревожного, и мои родители в то утро пошли на работу, как обычно, оставив меня с моей няней Сандрой. К полудню меня рвало, я был вялым и сонным. Через несколько часов я буду бороться за свою жизнь.

Моя мама была на работе и заказала такси, чтобы отвезти нас с Сандрой к терапевту, который находился недалеко от нашего дома в западном Лондоне.Врач не подумал, что это что-то слишком серьезное, и порекомендовал Калпол: жидкий парацетамол, который является основным продуктом в аптечке каждой семьи. Не совсем довольная этим, моя мать, которая все еще разговаривала по телефону, нашла такси, чтобы отвезти меня в клинику больницы Святой Марии в Паддингтоне, менее чем в миле от меня. Это географическое происшествие и настойчивость моей матери спасли мне жизнь.

В больнице меня принял доктор Парвиз Хабиби, один из основателей педиатрического отделения интенсивной терапии в Сент-Мэри.Я недавно разговаривал с Хабиби, и он рассказал мне о моем приезде с такой ясностью, что можно было подумать, что это произошло пару недель назад. В течение часа у меня появилась менингококковая сыпь, которая распространилась по всему моему телу. Хабиби и его команда распознали признаки и подключили меня к катетеру, вставленному в большую вену в моей груди, чтобы дать моему телу необходимую жидкость. Но медицинские устройства отделения интенсивной терапии просто не были предназначены для такого маленького ребенка, и моя кожа начала растягиваться и трескаться, когда из моих капилляров вытекала жидкость.Я увеличился в четыре раза за несколько часов.

Через шесть часов после моего прибытия началась полиорганная недостаточность, сначала затронувшие мои почки, затем кровь, сердце и легкие. Хабиби вспомнил, что именно в эти первые часы моему телу был нанесен наибольший ущерб, а оставшаяся часть моего девятинедельного пребывания в больнице была потрачена на решение проблем, возникших в первый день. Изначально мое крещение было назначено на День Святого Патрика, но из-за того, что мои родители боялись, что я умру, оно было перенесено на вечер моего второго дня в больнице, когда близкие родственники и друзья неловко сжимались между трубами и мигающим механизмом, поддерживающим меня. .

Патрику Кейну установили новый протез ноги в реабилитационном центре Pace в Стокпорте. Фотография: Кристофер Томонд / The Guardian

. Именно среди этих гудящих ящиков и мигающих огней спала моя мама, поклявшись не покидать больницу, пока я не покидаю больницу. Люди по-разному справляются с этими травмирующими ситуациями, и моя мать пыталась справиться с этим, овладевая механизмом моей заботы. Она поставила перед собой задачу понять назначение каждой трубки, знать, какой свет что означает, и предупредить медсестру, как только на мониторах произойдет изменение.Я не помню, чтобы когда-либо был болен, и у меня не было чувства «борьбы» с болезнью; однако я часто думаю о силе, проявленной моей матерью в те месяцы, как о вдохновении. Когда моя пятилетняя сестра Рози решила, что все это длилось достаточно долго, она ворвалась в мою комнату и крикнула: «Проснись, проснись, Патрик!» Впервые за месяц мои глаза открылись.

В последующие дни и недели возникли разные проблемы. Я пристрастился к морфию, который мне давали для снятия боли.Мой отец хорошо помнит, как видел, как мое тело испытывало судороги отмены. После того, как меня отлучили от препарата, на что потребовалось несколько дней, я стал достаточно стабильным, чтобы меня перевели из отделения интенсивной терапии в палату с высокой степенью зависимости. Как ни странно, это было самое тяжелое время для моей семьи. Моя мать утешилась пониманием медицинского оборудования, а в новом блоке его не было. Без мониторов для успокоения она чувствовала себя потерянной и беспомощной.

Выход из реанимации также означал, что я достаточно хорошо себя чувствовал, чтобы снова перенести операцию.За несколько недель некоторые из моих пальцев почернели и покрылись гангреной, потому что к ним поступало недостаточно насыщенной кислородом крови, и моя семья ожидала, что я потеряю некоторые из них. Но почернение распространилось на обе мои ноги. Каким-то образом моя левая нога пришла в норму через несколько часов, но правая нога осталась черной. Когда это произошло, это означало, что ткань была мертва, поэтому не оставалось другого выбора, кроме ампутации. Каждый раз, когда я ходил в театр, родители видели, как я возвращаюсь с еще одной перевязанной культей, свисающей с меня.

Всю мою жизнь люди спрашивали, что со мной случилось, и когда я рассказываю им эту историю, они всегда отвечают: «Бедняга, как ужасно». Я никогда не видел этого таким. Тот факт, что я был так близок к смерти в таком молодом возрасте, сильно повлиял на отношение моих родителей к моей инвалидности: поскольку они знали, что все могло быть намного хуже, у них не было и не прошло , отношение «бедный я». Я не помню тех месяцев: не я испытал стресс и травму, вызванную моей болезнью.Только когда я стал намного старше, я осознал, какое влияние должно быть на мою семью.


Протезы ног не имеют штрих-кодов. Мы с мамой обнаружили это во время поездки в супермаркет, когда мне было около двух лет. Раньше я сидел в детском кресле тележки, держась за громоздкую ногу-протез несколькими ремнями. Моя мать услышала лязг между замороженными продуктами и свежей рыбой, за которым последовали громкие вздохи всех в проходе, которые только что стали свидетелями того, как моя нога упала.Это было достаточно часто; моя мама подняла его и положила в тележку с продуктами. Было бы слишком хлопотно надеть его тут же, чтобы он мог подождать, пока мы сядем в машину. В кассе одно изделие за другим проходило через сканер, пока рука кассира не потянулась к ноге с его маленьким ботинком. Бедная женщина была ошеломлена.

У меня было нормальное детство. Только в такие моменты мы поняли, что это не совсем нормально для всех остальных. Через три месяца после того, как я выписался из больницы, когда мне было 15 месяцев, мы все поехали на семейный отдых в Марбелью.К тому времени мои руки и ноги уже зажили, и я научился использовать культю, чтобы ползать и подниматься на столы и стулья. Однажды сестра прибежала к маме, плача. Один из других детей сказал ей, что ее младший брат «отвратителен».

Вскоре после этого отпуска мне поставили первый протез ноги, и к 18 месяцам я уже могла ходить. Но придумать ножки для младенцев сложно. Первые, которые я использовал, были неудобными и часто падали.Мои родители нашли Dorset Orthopaedic, частную клинику недалеко от Солсбери, которая смогла повозиться со стандартной процедурой, сначала приспособив гнездо для руки к моей ноге, чтобы она лучше прилегала. Эти новые протезы соответствовали моим повседневным привычкам и были разработаны так, чтобы максимально походить на мою ногу. «Кожа» телесного цвета имела консистенцию и текстуру тканевого бинта, который легко прокалывался или рвался при падении. Я вырастал из одного каждые шесть месяцев в возрасте от трех до 18 лет.Они не были водонепроницаемыми, но я всегда использовал свою недавно выброшенную ногу, чтобы пойти в воду и поплавать. К тому времени, когда я закончил с ногой, часто казалось, что на меня напали.

Кейн проверяет свою новую ногу. Фотография: Кристофер Томонд / The Guardian

Ноги позволили мне играть так, как я выбрал. Но протезирование и частная клиника были очень дорогими. Они были доступны мне только благодаря еще одной невероятной удаче. В то время мой отец работал в Sunday Business, еженедельной финансовой газете, которой владели братья Баркли — британские близнецы-миллиардеры, которым также принадлежит Daily Telegraph.Сэр Дэвид Барклай читал о моей болезни и хотел помочь, поэтому он учредил фонд для оплаты моего протезирования. Я прекрасно понимаю, что у большинства людей с ампутированными конечностями нет такой возможности. NHS просто не может позволить себе оплачивать эту технологию.

Позиция моих родителей заключалась в том, что я должен делать все, что делают мои братья и сестры, и когда я пошел в дошкольное учреждение, от меня ожидали, что я буду делать все, что могут другие дети. Это означало, что я мог обнаружить свои собственные пределы, а не определять их для меня другими.Оказывается, помимо ношения только туфель с ремешками на липучках и чуть менее одаренности диктофона, у меня не было особых проблем.

В первый раз в школе «покажи и расскажи» я принесла мешок с протезами ног, и это было воспринято как крутая, волнующая вещь, а не как нечто, что нужно скрывать. Я был бесстрашен, и мой выбор ног вскоре стал отражать это — от мясистых самозванцев до ярко-синего цвета, покрытого почтовыми марками, и даже водонепроницаемой ноги, украшенной леопардовым принтом.

С самого начала я обнаружил, что не хочу вписываться, даже если это происходит за счет моей способности функционировать. Пока я использовал серию протезов ног, я продолжал эффективно использовать культю левой руки, научился печатать вслепую и в одиночку побеждал своих друзей в ФИФА. Когда мне было около девяти, я попробовал ложную руку. Моя левая рука короткая из-за поврежденных пластин роста, и все пальцы ампутированы на суставе. Он выглядит как половина руки, но он всегда был полезен, позволяя мне прижимать предметы к своему телу или толкать ими.На ложной руке была силиконовая косметическая перчатка, которая облегала мою культю, с морщинами и реалистичными ногтями. Это была красивая вещь, но я ее ненавидел. Он был полностью пассивен и просто сидел там. Я обнаружил, что это убирает функцию, которую я имел с моей культей, такую ​​как набор текста или ловля мяча, и служил только для того, чтобы успокоить идею других людей о «целостности». Я носил его один день и больше никогда. Думаю, прошло некоторое время, прежде чем моя семья поняла мое решение.

Все изменилось в 2010 году, когда мне было 13 лет, и мой отчим увидел в газете рекламу i-limb pulse, которая утверждала, что это самый продвинутый протез руки в мире.Он позвонил в шотландскую компанию Touch Bionics, которая его выпустила, и мы договорились о встрече. Я сомневался в преимуществах фальшивой руки: я отлично справлялся с обувными ремнями на липучках, и я всегда мог заставить членов семьи нарезать мою еду.

Команда Touch Bionics продемонстрировала, как работает рука, и проверила мышцы предплечья, которые контролируют руку.

Мне показали, как может выглядеть рука, в том числе силикон телесного оттенка. Меня не интересовала имитация плоти, и я спросил, есть ли у них что-нибудь, что лучше демонстрирует технологию.Остроконечными пальцами они вытащили полупрозрачную тонкую перчатку, сквозь которую можно увидеть детали робота. Это выглядело идеально.

У руки тонкие, элегантные черные пальцы, приводимые в действие отдельными двигателями, что позволяет каждому пальцу двигаться отдельно от своих соседей и обхватывать предметы необычной формы, как это делает настоящая рука. Рука прикрепляется к гнезду поворотным движением и может быть снята, повернув ее на полные 360 градусов. Розетка с батареями, проводами и электродами простирается чуть выше моего локтя.

Жужжание двигателей было чистой фантастикой. Команда Touch постоянно говорила мне, что я не должен надеяться, поскольку есть шанс, что я не смогу использовать эту технологию, но оказалось, что невозможно не радоваться тому, что я стану Терминатором. Несколько месяцев спустя мне установили руку, и в 13 лет я стал самым молодым человеком в мире с бионической рукой.


Моя новая рука изменила мою жизнь. Все стало проще. Раньше я открывал бутылки с водой, зажимая их между бедрами и скручивая обеими руками, но теперь я просто держу бутылку твердой бионической хваткой и скручиваю другой.Я заметил, что это также изменило то, как меня воспринимают другие. Я больше не выглядел жалким, когда гулял на публике. Вместо этого мой взгляд изменился на неподдельное любопытство к этому роботизированному устройству. Люди подходили ко мне и говорили: «Мне просто нужно знать, что это такое и как это работает». Я обнаружил, что люди предпочитают говорить об этих вещах — они просто не знают, разрешено ли это. Нереалистичный вид руки — это сигнал другим, что я счастлив поговорить об этом.

«Моя новая рука изменила мою жизнь.Все стало проще, — пишет Кейн. Фотография: Кристофер Томонд / The Guardian

Рука работает очень просто. Когда я вставляю руку в розетку, есть два электрода, которые касаются моей кожи. Один из них отвечает за открытие руки, другой — за ее закрытие. Все, что мне нужно сделать, это послать мышечный сигнал. Когда я впервые получил руку, у меня была недельная тренировка, чтобы научить меня разделять сигналы, скручивая и сгибая запястье, чтобы я мог посылать каждый из них по отдельности и четко.

Я бы обновил руки до более новых поколений, по мере их появления, каждые несколько лет, каждое из которых лучше предыдущего. Но мне также нужно было бы получать новую розетку каждый год или около того, поскольку форма моей руки менялась по мере того, как я рос. Моя нынешняя рука, i-limb Quantum, имеет титановые пальцы для увеличения веса. Приложение на моем iPhone устанавливает пальцы в один из 36 различных режимов захвата, что позволяет мне получить правильную конфигурацию для конкретной задачи, от использования аэрозольного очистителя до работы с компьютерной мышью.После более чем восьми лет практики я могу контролировать руку до такой степени, что могу держать виноградину между большим и указательным пальцами и сдавливать ее по команде.

Когда мне исполнилось 13 лет, мой отчим взял на себя оплату моего протезирования. Эти устройства стоят около 20 000 фунтов стерлингов, и мне очень повезло, что моя семья могла себе это позволить. Самая большая причина ампутации в Великобритании — сосудистые заболевания, хотя у молодых людей травмы чаще возникают в результате несчастных случаев, особенно в автомобилях. Сложные коленные суставы недавно стали доступны через NHS, и есть надежда, что в будущем многоартикулярные протезы рук могут стать повседневно доступными.Но на данный момент они остаются недоступными для большинства людей.

Я прекрасно понимаю, что мое положение чрезвычайно привилегированное, поэтому считаю своим долгом рассказать о том, что со мной произошло. В 2013 году я стал послом UK Sepsis Trust и помогаю им повышать осведомленность, выступая с докладами и давая интервью. В 2015 году я стал послом Touch Bionics. Я получаю бесплатные обновления в руку взамен помощи в исследовании и разработке устройства. Я даю им отзывы о конкретных вещах — например, о том, какие схемы захвата я использую, или как долго длится заряд (два дня).Я сказал им, что не буду полностью счастлив, пока не научусь жонглировать — и шучу только наполовину. В настоящее время рука переходит из полностью открытой в полностью закрытую за 0,8 с, так что нам еще предстоит пройти путь.

За пределами бионики: как будущее протезирования переопределяет человечество — видео

Как посол, я регулярно встречаюсь с другими инвалидами, обычно на конференциях, где они рассматривают различные продукты. В 2016 году Touch Bionics была куплена исландской протезной компанией Össur, основанной в 1971 году Эссуром Кристинссоном, изобретателем революционного силиконового интерфейса для протезов суставов.Когда я работал с представителями Össur в Китае, один из них сказал то, о чем я никогда раньше не думал: «У нас есть долг перед нашими клиентами, которого нет у других предприятий, потому что никто не хочет, чтобы наши продукты были нужны».

Подавляющее большинство людей с ампутированными конечностями не имеют доступа ни к технологиям, ни к опыту, необходимым для установки этих сложных устройств. В Китае, когда я представлял Оссура, я разговаривал со многими людьми, которые не могли позволить себе новейшие технологии, и у которых были плохо подогнанные розетки или конечности, из которых они выросли, что иногда доставляло дискомфорт и травмы.«Переработать» старые конечности всегда сложно, потому что остаточная конечность каждого человека уникальна. Ежегодно во всем мире появляется более 1 миллиона новых людей с ампутированными конечностями, поэтому потребность в более широком доступе к этим ресурсам возрастает. К счастью, постоянное развитие технологий, таких как 3D-печать, может принести протезы в те части мира, где нет специализированных бригад протезистов.


Хотя я потерял часть правой ноги и левой руки в детстве, только недавно я узнал, что я инвалид.Большую часть моего детства я избегал этого слова, боясь, что оно мне прижмут. Инвалидные вещи сломаны и не работают. Когда вы слишком много раз вводите неправильный пароль на своем iPhone, он отключается. Я всегда предпочитал, чтобы меня называли инвалидом, поскольку это говорит о том, что со мной произошло, не делая предположений о моих способностях.

Раньше самые большие амбиции людей с ампутированными конечностями заключались в том, чтобы соответствовать и быть нормальными. Я заметил, что отчасти это связано с поколениями: пожилые люди обычно стремятся сделать свои протезы как можно более реалистичными, и для того, чтобы они выглядели реалистично, с волосами, родинками и татуировками может быть задействован удивительный уровень детализации.Но для многих молодых людей приоритетом является функция. Протезы нового поколения не похожи на человеческие конечности, и они не должны сливаться с ними. На некоторых ногах, которые я видел за эти годы, были пламя, футбольные логотипы и даже динамики. Беговые лезвия, разработанные для использования в спорте, сделаны из тканого углеродного волокна большой С-образной формы, которая не похожа на ногу, но действительно очень хорошо работает.

Технологии — ключ к изменению восприятия, и они делают гораздо больше, чем предыдущие поколения доброжелательных кампаний по повышению осведомленности.Изображение бионических персонажей сверхчеловеческими и могущественными помогает сформировать отношение общества к инвалидности. Изменения могут быть медленными, но по мере того, как технологии продолжают совершенствоваться, представления развиваются. Я уверен, что наступит время, когда не придется искать компромисс между функцией и внешним видом, но даже в этом случае хотим ли мы, чтобы эти устройства выглядели нормально? Чем точнее что-то имитирует реальную жизнь, тем резче это выглядит. Мне все еще нравится выделяться из толпы.

«Технологии играют важную роль в переосмыслении инвалидности», — пишет Кейн.Фотография: Кристофер Томонд / The Guardian

Хотя я приложил огромные усилия, чтобы не допустить, чтобы инвалидность оставила меня в стороне, я также понял, что важно не дистанцироваться от маргинализованной группы только потому, что привилегии несколько уводят меня от нее. Отрезвляющая правда заключается в том, что я — как и многие инвалиды — всего в одном инциденте от серьезной борьбы. В январе у меня вывихнули колено, и, поскольку я не могу пользоваться костылями, я не мог выходить из квартиры в течение трех дней. У меня были соседи по квартире, которые приносили мне еду из магазинов, но я не мог не думать о том, насколько беспомощным я был бы, если бы жил один.

Во время исследования этого произведения я наткнулся на один, написанный моим отцом в 1999 году. «В этот раз в прошлом году мой девятимесячный сын Патрик был настолько близок к смерти, насколько это возможно», — начиналось оно. . Читая эту статью сегодня, трудно не удивиться тому, как далеко мы продвинулись за 19 лет, прошедших с момента ее написания. Преобладающим тоном было беспокойство о том, что ждет меня в будущем и насколько сложной будет моя жизнь. Особо выделялась одна фраза: «Если не считать серьезных достижений в медицине, он никогда не сможет использовать свою левую как обычную руку.Когда я недавно спросил отца об этой статье, он сказал: «Я был неправ по двум пунктам. Технология протезирования оказалась более инновационной, чем я мог себе представить. И ты был гораздо более стойким и решительным, чем я тогда мог знать.

Технологии играют важную роль в переосмыслении инвалидности, но отношение тоже должно измениться. В Великобритании более 13 миллионов людей с ограниченными возможностями, однако недавний опрос, проведенный Scope, показывает, что 67% британской общественности чувствуют себя некомфортно, разговаривая с инвалидами: 21% молодых людей в возрасте от 18 до 34 лет признают, что избегали общения с ними. инвалиды, потому что они не знали, как с ними общаться.

Время от времени мне напоминают о разнице между тем, как я вижу свою инвалидность, и тем, как меня видит весь остальной мир. Когда мне было 18, со мной связался помощник телепродюсера, который видел, как мой TEDxTeen рассказывал об инвалидности, и хотел узнать, появлюсь ли я в шоу о свиданиях, над которым она работала. Она прислала электронное письмо, пообещав, что фильм будет снят со вкусом и «чутко изобразит мои поиски любви». Опасаясь вуайеризма такого рода шоу, я отказался. Позже я узнал, что меня пригласили сняться в фильме с поразительным названием «Слишком уродлив для любви?» Шоу длилось три сезона, что многое говорит о том, сколько работы еще предстоит сделать, чтобы изменить отношение к инвалидности.

Передовые технологии протезирования изменят общественное мнение, поскольку они стирают разрыв между инвалидностью и способностями. У нас есть олимпийцы, утверждающие, что нельзя позволять безногим инвалидам соревноваться с ними, если у них есть несправедливое преимущество, которое было бы трудно представить во время первых Паралимпийских игр в 1960 году. камеры, люди с параличом нижних конечностей снова учатся ходить с помощью экзоскелетов с электроприводом, а я могу управлять своей бионической рукой с помощью приложения на телефоне.Но иногда действительно существенное изменение оказывается более простым. Это может быть так же просто, как завязать шнурки и уйти.

Следите за долгим чтением в Твиттере по адресу @gdnlongread или подпишитесь на длинное еженедельное электронное письмо здесь.

На что похожа повседневная жизнь с управляемым сознанием протезом?

Впервые люди с ампутацией руки могут испытывать ощущения прикосновения в управляемом сознанием протезе руки, который они используют в повседневной жизни. Исследование, опубликованное в журнале New England Journal of Medicine , сообщает о трех шведских пациентах, которые в течение нескольких лет жили с этой новой технологией — одним из наиболее интегрированных в мире интерфейсов между человеком и машиной.

Достижение уникально: пациенты использовали протез с управляемым сознанием в повседневной жизни до семи лет. Последние несколько лет у них появилась новая функция — ощущение прикосновения к протезу руки. Это новая концепция протезов конечностей, которые называются нейромышечно-скелетными протезами, поскольку они связаны с нервами, мышцами и скелетом пользователя.

Исследованием руководил Макс Ортис-Каталан, доцент Технологического университета Чалмерса, в сотрудничестве с университетской больницей Сальгренска, Гетеборгским университетом и Integrum AB, все в Гетеборге, Швеция.Также были задействованы исследователи Венского медицинского университета в Австрии и Массачусетского технологического института в США.

«Наше исследование показывает, что протез руки, прикрепленный к кости и управляемый электродами, имплантированными в нервы и мышцы, может работать намного точнее, чем обычные протезы руки. Мы еще больше улучшили использование протеза, интегрировав тактильную сенсорную обратную связь, что пациенты определяют, насколько сильно они схватывают или сжимают предмет. Со временем способность пациентов различать меньшие изменения интенсивности ощущений улучшилась », — говорит Ортис-Каталан.

«Самым важным вкладом этого исследования было продемонстрировать, что этот новый тип протеза является клинически жизнеспособной заменой потерянной руки. Независимо от того, насколько сложным становится нейронный интерфейс, он может принести реальную пользу пациентам только в том случае, если связь между пациент и протез безопасны и надежны в долгосрочной перспективе. Наши результаты являются результатом многолетней работы, и теперь мы, наконец, можем представить первый бионический протез руки, которым можно надежно управлять с помощью имплантированных электродов, а также передавать ощущения пользователь в повседневной жизни », — продолжает Ортис-Каталон.

С момента получения протезов пациенты использовали их ежедневно во всех своих профессиональных и личных делах.

Новая концепция нейромышечно-скелетного протеза уникальна тем, что он обеспечивает несколько различных функций, которые не были представлены вместе ни в одной другой протезной технологии в мире:

  • Он имеет прямое соединение с нервами, мышцами и скелетом человека. .
  • Он управляется разумом и доставляет ощущения, которые пользователь воспринимает как результат отсутствующей руки.
  • Самостоятельно; вся необходимая электроника находится внутри протеза, поэтому пациентам не нужно носить с собой дополнительное оборудование или батареи.
  • Надежен и стабилен в долгосрочной перспективе; технология использовалась пациентами без перерыва в повседневной деятельности, без надзора со стороны исследователей и не ограничивалась замкнутыми или контролируемыми средами.

Новейшая технология — ощущение прикосновения — стало возможным благодаря стимуляции нервов, которые раньше были связаны с биологической рукой до ампутации.Датчики силы, расположенные на большом пальце протеза, измеряют контакт и давление, прикладываемое к объекту при захвате. Эта информация передается по нервам пациентов, ведущим в их мозг. Таким образом, пациенты могут чувствовать, когда они касаются объекта, его характеристики и насколько сильно они на него нажимают, что очень важно для имитации биологической руки.

«В настоящее время датчики не являются препятствием для восстановления чувствительности», — говорит Ортис-Каталан. «Задача состоит в создании нейронных интерфейсов, которые могут беспрепятственно передавать большие объемы искусственно собранной информации в нервную систему таким образом, чтобы пользователь мог испытывать ощущения естественно и без усилий.»

Имплантация этой новой технологии прошла в университетской больнице Сальгренска под руководством профессора Рикарда Бранемарка и доктора Паоло Сассу. Более миллиона человек во всем мире страдают от потери конечностей, что является конечной целью исследовательской группы в сотрудничестве с Integrum AB. , заключается в разработке широко доступного продукта, подходящего для как можно большего числа этих людей.

«Сейчас пациенты в Швеции участвуют в клинической проверке этой новой протезной технологии для ампутации руки», — говорит Ортис-Каталан.«Мы ожидаем, что эта система станет доступной за пределами Швеции в течение нескольких лет, и мы также добиваемся значительного прогресса в создании аналогичной технологии для протезов ног, которую мы планируем имплантировать первому пациенту в конце этого года».

Как работает технология


Система имплантатов для протеза руки называется e-OPRA и основана на системе имплантатов OPRA, созданной Integrum AB. Система имплантата прикрепляет протез к скелету в культе ампутированной конечности посредством процесса, называемого остеоинтеграцией (osseo = кость).Электроды имплантируются в мышцы и нервы внутри культи ампутации, а система e-OPRA отправляет сигналы в обоих направлениях между протезом и мозгом, как в биологической руке.

Протез управляется разумом с помощью электрических мышечных и нервных сигналов, посылаемых через культю руки и улавливаемых электродами. Сигналы передаются в имплант, который проходит через кожу и соединяется с протезом. Затем сигналы интерпретируются встроенной системой управления, разработанной исследователями.Система управления достаточно мала, чтобы поместиться внутри протеза, и она обрабатывает сигналы с использованием сложных алгоритмов искусственного интеллекта, что приводит к сигналам управления движениями протеза руки.

Ощущения прикосновения возникают от датчиков силы в большом пальце протеза. Сигналы от датчиков преобразуются системой управления в протезе в электрические сигналы, которые посылаются для стимуляции нерва в культе руки. Нерв ведет к мозгу, который затем воспринимает уровень давления на руку.

Нейромышечно-скелетный имплантат может подключаться к любому имеющемуся в продаже протезу руки, что позволяет им работать более эффективно.

Как возникает искусственное ощущение


Люди, потерявшие руку или ногу, часто испытывают фантомные ощущения, как будто отсутствующая часть тела остается, хотя физически отсутствует. Когда датчики силы в протезе большого пальца реагируют, пациенты в исследовании чувствуют, что ощущение исходит от их фантомной руки.Точное место на фантомной руке у разных пациентов различается в зависимости от того, какие нервы культи получают сигналы. Самый низкий уровень давления можно сравнить с прикосновением к коже кончиком карандаша. По мере увеличения давления ощущение становится сильнее и становится все более «электрическим».

Ссылка


Ortiz-Catalan et al . (2020). Автономные нейромышечно-скелетные протезы руки. NEJM . DOI: https: // doi.org / 10.1056 / NEJMoa1917537

Эта статья была переиздана на основании следующих материалов. Примечание: материал мог быть отредактирован по объему и содержанию. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с цитируемым источником.

бионических движений | Новости здравоохранения NIH

августа 2018

Распечатать этот номер

Соединяя разум и машину

Когда вы теряете способность использовать конечность, даже самые простые повседневные задачи могут превратиться в проблему.Восстановить независимость помогут высокотехнологичные устройства. Новые технологии даже позволяют соединить разум с протезом. Эти протезы называются бионическими протезами. Устройства, заменяющие часть тела.

«Чтобы вернуть часть этой утраченной функции, вам нужен какой-то вспомогательный инструмент или технология, чтобы либо улучшить восстановление, либо восстановить способность анатомии, которая сейчас отсутствует», — говорит доктор Ник Лангхолс, который курирует исследования протезной инженерии, поддерживаемые NIH .

Это динамичное исследование направлено на улучшение жизни людей за счет восстановления движений и чувств.

Контроль протезирования

Традиционные протезы используют ремни с питанием от тела для управления ручным устройством. Их легко использовать. Если пожать плечом, протез руки или крючок открывается. При отпускании плеча протез закрывается. По ощущению натяжения троса на плечах вы можете определить, открыт протез или закрыт, не глядя на него.

Новые моторизованные руки не так просто научиться пользоваться. Чтобы закрыть устройство, вы сокращаете оставшиеся мышцы руки. Электрический датчик, расположенный над этими мышцами, обнаруживает сокращение и приказывает руке сомкнуться. Поскольку исходные мышцы, которые контролировали руку, ушли, оставшиеся мышцы необходимо тренировать заново. Чтобы научиться открывать и закрывать протез руки таким образом, требуется некоторое время. И вам все равно нужно смотреть на устройство, чтобы знать, что оно делает.

Чтобы сделать моторизованные руки более интуитивно понятными, исследователи разрабатывают способы обнаружения электрических сигналов в вашем мозгу и нервах, специальных тканях, которые передают сигналы между вашим мозгом и другими частями вашего тела.чтобы помочь контролировать передовое бионическое протезирование. Это можно сделать разными способами, например, путем имплантации крошечных датчиков в те части мозга, которые контролируют движение, или путем прикрепления небольших электродов к инструментам, которые используются для передачи электричества к различным частям тела или от них. к ампутированным нервам. В любом случае пациенты просто думают о движении своей руки, а компьютеры преобразуют это в движения бионического протеза руки.

Двусторонняя связь

Чтобы восстановить чувство целостности, человеку с бионической конечностью нужно больше, чем просто управлять устройством.Им также нужно «чувствовать», что он делает. Новые бионические устройства могут отправлять ощущения от устройства обратно в мозг. Это позволяет человеку с бионическим устройством чувствовать, что он использует собственную конечность.

«Самое важное в исследованиях, которые мы проводим, — это чувство целостности», — говорит доктор Пол Мараско, исследователь биомедицинской инженерии из клиники Кливленда.

Один из способов помочь человеку почувствовать протез руки — переместить оставшиеся сенсорные нервы от ампутированной руки к коже плеча.Затем вы можете использовать маленьких роботов, чтобы давить на кожу плеча, когда рука чего-то касается.

Команда

Мараско разработала аналогичную систему для восстановления ощущения движения. Бионическая рука посылает сигналы компьютеризированной системе управления за пределами тела. Затем компьютер приказывает маленькому роботу на руке посылать вибрации в мышцу руки. Эти колебания глубоко в мышцах создают иллюзию движения, которое сообщает мозгу, когда рука закрывается или открывается.

Команда

Мараско протестировала эту систему обратной связи на нескольких людях, у которых были протезы руки. Участники исследования могли управлять бионической рукой и знать, в каком положении она находилась, так же хорошо, как и своей естественной рукой. Благодаря этой системе обратной связи им не нужно было смотреть на бионическую руку, чтобы знать, когда она открыта или закрыта, или когда она тянется к объекту.

«Мы обманываем их мозг, заставляя поверить в то, что протез на самом деле является частью их тела», — говорит Мараско.Этот прогресс напрямую влияет на то, как мозг воспринимает движение, что помогает улучшить двустороннюю связь между протезом и разумом.

Носимые роботы

Исследовательские группы также пытаются помочь людям, потерявшим способность пользоваться ногами. Используя роботизированное устройство, называемое экзоскелетом, некоторые люди с параличом ног смогли восстановить способность ходить.

Группа под руководством доктора Томаса Буля, биомедицинского инженера из клинического центра NIH, создала носимый экзоскелет для детей с церебральным параличом.Детский церебральный паралич — это заболевание головного мозга, из-за которого трудно стоять прямо, сохранять равновесие и ходить. Моторизованный роботизированный экзоскелет изменяет способ ходьбы детей, помогая им выпрямлять колени в ключевых точках цикла ходьбы. Хотя экзоскелет может облегчить ходьбу, дети должны уметь самостоятельно преодолевать хотя бы небольшие расстояния, чтобы использовать его.

«Конечная цель действительно состоит в том, чтобы человек носил это вне нашей лаборатории или даже вне клинических условий», — объясняет Булеа.«Для этого у вас должна быть действительно надежная система управления, которая гарантирует, что робот ведет себя должным образом в самых разных средах».

Сейчас команда пишет программное обеспечение, чтобы роботизированное устройство можно было носить при навигации по неровностям местности и в других реальных условиях.

В поисках подходящего устройства

«Я пытаюсь привлечь внимание людей к тому, что в нашем распоряжении есть множество потенциальных инструментов и технологий, чтобы попытаться сделать людей лучше, и им следует изучить их и подумать о том, чтобы принять их», — говорит Лангхалс.

В настоящее время разрабатываются многие типы протезов. Если вы хотите найти клиническое исследование, которое поможет протестировать его, вы можете выполнить поиск на сайте Clinicaltrials.gov, в базе данных исследований, проводимых при поддержке NIH, и других исследований по всему миру.

Если вы хотите принять участие в исследовании, поговорите со своим врачом о возможных рисках и преимуществах. См. Раздел «Спросите своего врача», чтобы задать вопросы.

9 элементов бионической технологии, которые сделают вас сверхчеловеком

Бионическую технологию можно определить как поток концепций от инженерии к биологии и наоборот.Прогресс в бионических технологиях на протяжении многих лет помог ученым создавать различные инновационные материалы, расширяющие наши возможности.

Бионические устройства, такие как протезы рук и ног, даже помогли людям с ограниченными возможностями вести нормальный образ жизни. Но научная фантастика буквально повысила наши ожидания, и исследователи и новаторы по всему миру прилагают все усилия для создания бионических технологий, которые когда-нибудь действительно могут сделать нас сверхчеловеческими.

Вот список приложений бионики, которые вскоре могут позволить нам интегрировать сверхчеловеческие способности!

H.Экзоскелет U.L.C с титановым корпусом был разработан Berkley Bionics и Lockheed Martin, в первую очередь для солдат. Это экзоскелет 3-го поколения, который позволяет пользователю легко поднимать до 200 фунтов веса, а также снижает количество метаболической энергии, необходимой владельцу.

Экзоскелет по сути наделяет человека сверхчеловеческими способностями за счет увеличения силы и выносливости. Экзоскелет H.U.L.C был создан для солдат, чтобы помогать им преодолевать большие расстояния, неся тяжелые грузы, с низким потреблением кислорода и низкой частотой сердечных сокращений.

Сила и выносливость — самые важные качества, которые требуются солдату, особенно во время длительных миссий. Экзоскелет увеличивает выносливость пользователя за счет снижения потребности в кислороде с помощью запатентованной технологии, основанной на HULC ™.

Источник: Sam Bald / Flickr

Бионические линзы — это предложение многих разработчиков и производителей, которые будут иметь виртуальный дисплей и могут иметь множество применений — от улучшения зрения до видеоигр. Компания под названием Ocumetics Technology Corporation находится в авангарде этой технологии.

Компания разработала бионические линзы, которые могут заменить естественный хрусталик человеческого глаза во время наиболее распространенных операций по удалению катаракты. Эти линзы изготовлены из биокомпактного, инертного и полимерного материала, который не вызывает каких-либо биофизиологических изменений в человеческом глазу.

Это не только решение всех проблем, связанных со зрением, но также расширяет возможности человеческого глаза. Он может фокусировать зрение в более широком диапазоне, чем нормальный глаз, регулируя кривизну линзы.

Это достигается за счет того, что бионическая линза соединена с мышцами, отвечающими за регулировку кривизны нормальных линз.Зрение 20/20 улучшается в три раза с помощью бионической линзы, которая позволяет человеку видеть вещи даже на расстоянии 30 футов.

Прежде всего, самой интересной особенностью этого объектива является то, что он построен из компонентов, которые позволяют в будущем иметь доступ для модификаций и обновлений. Подготовка к клиническим испытаниям уже ведется, и компания ожидает разрешения регулирующих органов на проведение операции.

Источник: Z22 / Wikimedia Commons

Первое, что приходит в голову, когда мы слышим о мантии-невидимке, — это та, которую использовал Гарри Поттер в фильме.Что ж, чудаковатое устройство из фильма вдохновило многих и может очень скоро превратиться в настоящий продукт.

Исследователи из Монреальского национального института научных исследований занимались этим довольно давно и утверждают, что разработали материал, невидимый для некоторых полос света, с использованием технологии, называемой спектральной маскировкой.

Для маскировки используются метаматериалы, которые могут отклонять свет и придавать глазу несуществующий вид. Многие исследователи из разных мест пытаются идеально разработать технологию невидимости, и в случае успеха она будет иметь широкий спектр приложений безопасности в будущем.

Источник: The US Army / Flickr

Шлем, контролирующий разум, может заставить вас задуматься о получении телепатических способностей, как и профессор X из Людей Икс. На разработку такой технологии может потребоваться больше лет, но шлем управления разумом DARPA действительно помогает контролировать разум человека до некоторой степени.

DARPA пытается внедрить эту технологию ультразвуковой стимуляции мозга в шлем, чтобы помочь солдатам в полевых условиях. Этот шлем будет обладать способностями уменьшать боль, стресс и беспокойство, увеличивать продолжительность времени бдительности и улучшать когнитивные способности.

Шлемы оснащены микроконтроллерами и ультразвуковыми преобразователями, которые излучают звуковые волны высокой частоты, нацеленные на определенные части мозга. Эти звуковые волны отвечают за управление сознанием человека, который их носит.

Большая часть людей в мире страдает инсулинозависимостью из-за диабетических заболеваний. Эти люди не только должны контролировать продукты, которые они едят, но и должны регулярно принимать инсулин.

Тем не менее, Фонд исследования ювенильного диабета находится в процессе создания искусственной поджелудочной железы, которая сможет контролировать уровень сахара в крови и соответственно регулировать уровень инсулина в организме.

Проще говоря, это устройство объединяет две существующие технологии, монитор глюкозы и инсулиновую помпу в одну, чтобы создать эту портативную поджелудочную железу. Когда он появится на рынке, он может помочь людям с диабетом (тип 1) вести нормальный образ жизни и избавить большинство из них от высоких рисков слишком высокого или слишком низкого уровня сахара в крови.

Вы знакомы с заменой колена или конечности, но слышали ли вы о замене части мозга? В течение некоторого времени ведутся исследования по разработке технологии для замены частей мозга, и нейробиолог Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии находится в процессе разработки чипа для этого.

Ожидается, что компьютерный чип, разрабатываемый Бергером, заменит гиппокамп, который является частью мозга, контролирующей пространственное понимание и кратковременную потерю памяти. Гиппокамп — это часть мозга, которая часто повреждается при инсульте или болезни Альцгеймера.

Возможность заменить часть мозга, например, гиппокамп, на чип и восстановить его функцию, может стать большим прорывом как в научной, так и в медицинской сфере.

Nuada, португальская компания, скоро предоставит людям умную перчатку, которая предоставит владельцу дополнительные возможности.Перчатки были разработаны совместно Витором Креспо и Филипе Киназом, и они обеспечивают пользователю отличную координацию и силу удара слева, увеличивая движение пальцев и ладони.

Перчатки имеют электронные связки и действуют как электромеханическая опора, которая позволяет пользователю выполнять почти невозможные задачи. Он помогает легко поднимать тяжелые предметы, улучшает захват рук и позволяет человеку удерживать предметы в течение длительного времени, не вызывая мышечной усталости.

Перчатки Nuada изготовлены из гибкого, дышащего, тонкого и элегантного текстиля, который обеспечивает комфорт владельцу.Его также могут использовать люди, страдающие травмами рук, или люди с ослабленной рукой, чтобы выполнять свои повседневные задачи, не нагружая руки.

Рука Люка — протез руки, названный в честь знаменитого Люка Скайуокера из «Звездных войн». Он был разработан Дином Каменом при финансовой поддержке DARPA и является единственным на рынке протезом с приводом плеча.

Рука Люка более интуитивно понятна, чем другие протезы, доступные на рынке, обеспечивает больший захват и полностью автоматизирована.Рука Luke также может управляться отдельно с помощью различных устройств, таких как EMG, IMU Foot Control, переключатель давления, датчик давления, рокер-датчик и линейный датчик.

В руке используются электроды для приема электрических сигналов от мышц пользователя, что обеспечивает большую подвижность и гибкость. Без сомнения, это большое нововведение в области бионики.

Человеческое ухо — орган, без которого мы не можем представить себе жизнь.Представьте себе возможность расширить возможности человеческого уха с помощью технологий. Наушники Here были разработаны в Doppler Labs Ноа Крафт и его командой.

Это позволило человеку изменить вход уха в соответствии с потребностями. С помощью этой технологии можно легко отключить выбранные звуки, увеличить громкость нужных, отрегулировать низкие частоты и многое другое.

В наушниках Here используется набор микрофонов для передачи звука в уши через DSP (цифровой сигнальный процессор).Эти наушники, по сути, дают возможность слышать больше, чем то, что есть у обычного человека.

Удивительный образец бионической технологии был идеальным решением для производства слуховых аппаратов, однако компании пришлось прекратить свою деятельность из-за неспособности обеспечить достаточный капитал для поддержания бизнеса.

По мере того, как эти бионические технологии модернизируются и совершенствуются, получение сверхчеловеческих способностей может стать реальностью раньше, чем мы думаем.

Бионические люди: 10 лучших технологий

Бионические люди

В отличие от мозга шимпанзе, человеческий мозг с возрастом сжимается.Связанная с возрастом потеря объема мозга может быть ценой, которую мы платим за то, что переживаем репродуктивные годы. (Изображение предоставлено Национальным институтом общих медицинских наук, Артур Тога, Калифорнийский университет, Лос-Анджелес)

Ученые приближаются к созданию бионического человека, по крайней мере, за 6 миллионов долларов. Сегодня мы можем воспроизвести или восстановить больше органов и различных частей тела, чем когда-либо прежде. Джентльмены, от того, чтобы дать зрение слепым до создания языка, более точного, чем любой человеческий вкусовой рецептор, у нас есть технологии.

Бионические глаза

Пациенту следует носить специальный набор очков с маленькой цифровой камерой, установленной в линзе. У камеры будет провод, который связывается с внешним сигнальным процессором, который, в свою очередь, будет преобразовывать изображение камеры в нейронные импульсы и передавать их по беспроводной сети на имплантированный стимулятор. Стимулятор будет приводить в действие электрод, хирургическим путем помещенный в мозг, доставляющий изображения в зрительную систему. (Изображение предоставлено Джоном Пезарисом, адаптировано с разрешения Д.H. Hubel)

Когда вы слепы, способность видеть даже основы света, движения и формы может иметь большое значение. И протез сетчатки Argus II, который в настоящее время проходит испытания FDA, и система, разрабатываемая научным сотрудником Гарварда доктором Джоном Пезарисом, записывают основную визуальную информацию с помощью камеры, преобразуют ее в электронные сигналы и отправляют по беспроводной сети на имплантированные электроды. В Argus II используются электроды, имплантированные в глаз, которые могут помочь людям, которые частично утратили функции сетчатки.Система доктора Пезариса, все еще находящаяся на ранних этапах исследований, полностью обходила глаза, отправляя визуальные данные прямо в мозг. Обе системы будут лучше всего работать с людьми, которые когда-то могли видеть, потому что их мозг уже знает, как обрабатывать информацию. «Зрительный мозг зависит от визуального опыта, чтобы нормально развиваться», — объяснил Пезарис.

Отросшая кость

(Изображение предоставлено UCLA)

С 1960-х годов исследователи знали о белках, которые могут побуждать костную ткань образовывать собственные участки на отсутствующих или поврежденных частях.К сожалению, эта технология никогда не работала идеально, часто вырастали неправильный тип ткани или вырастали кость там, где кость быть не должна. В 2005 году исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе решили эту проблему, используя специально разработанный белок, способный запускать рост только в определенных типах клеток. Этот белок, получивший название UCB-1, теперь используется для выращивания новой кости, которая может срастаться и фиксировать участки позвонков, облегчая у некоторых пациентов сильную боль в спине.

Переносная поджелудочная железа

(Изображение предоставлено: запас.xchange)

Искусственная поджелудочная железа, способная контролировать уровень сахара в крови человека и регулировать уровень инсулина в соответствии с потребностями его организма, вероятно, появится на рынке в течение нескольких коротких лет, сказал Аарон Ковальски, директор проектов стратегических исследований в Juvenile. Фонд исследований диабета. Ковальски сказал, что устройство изначально будет представлять собой комбинацию двух существующих технологий: инсулиновой помпы и непрерывного монитора глюкозы. Это приспособление может помочь инсулинозависимым диабетикам вести более нормальный образ жизни и помочь им избежать обезображивающих и опасных для жизни побочных эффектов слишком низкого или слишком высокого уровня сахара в крови.

Нечеловеческий вкус

(Изображение предоставлено: stock.xchng)

Язык может быть мощным инструментом, но также очень субъективным, сказал Дин Нейкирк, профессор компьютерной и электротехники Техасского университета в Остине. Когда пищевые компании хотят каждый раз создавать один и тот же аромат, они обращаются к электронному языку — устройству, разработанному Нейкирком и его командой, чтобы анализировать жидкости и определять их точный химический состав. В языке Нейкирка используются микросферы, крошечные сенсоры, которые меняют цвет при воздействии на определенные цели, такие как определенные виды сахаров.В результате получается система, которая не может заменить человека, который говорит: «Это вкусно!» но можно убедиться, что химия хорошего вкуса надежно воспроизводится.

Новые конечности

i-LIMB имеет гибкие гидравлические приводы, расположенные непосредственно в подвижных суставах пальцев. (Изображение предоставлено: Touch Bionics, Ортопедическая университетская больница)

Теперь инвалиды могут использовать протез руки так же, как и настоящую: силой мысли. Разработанная доктором Тоддом Куикеном из Реабилитационного института Чикаго, «бионическая рука» связана с мозгом с помощью здоровых двигательных нервов, которые раньше входили в отсутствующую конечность пациента.Эти нервы перенаправляются в другую область тела, например, в грудную клетку, где нервные импульсы, которые они переносят, могут улавливаться электродами в бионической руке. Когда пациент решает пошевелить рукой, нервы, которые послали бы сигнал настоящей руке, вместо этого посылают его протезу. Сейчас команда доктора Куикена работает над улучшением руки, используя уцелевшие сенсорные нервы для передачи ощущения температуры, вибрации и давления от бионической руки в мозг пациента.

Умное колено

(Изображение предоставлено Ossur)

Колено — это не часть тела, о которой вы ожидаете подумать, это протез коленного сустава RHEO, разработанный исследователями искусственного интеллекта Массачусетского технологического института Хью Херром и Ари. У Вилкенфельда действительно есть собственное мнение.Ранние электронные коленные системы обычно должны были программироваться техником, когда пациент впервые их надевал. Колено RHEO, с другой стороны, само по себе создает реалистичное и комфортное движение, изучая, как пользователь ходит, и используя датчики, чтобы определить, по какой местности он идет. Система делает ходьбу с протезом более легкой и менее утомительной.

Носимая почка

(Изображение предоставлено 3Dscience.com)

Для людей с почечной недостаточностью выполнение основных жизненных потребностей, таких как удаление токсинов из крови и поддержание баланса жидкости, требует часов подключения к диализному аппарату размером с одежду сушилка.Но новая портативная искусственная почка, маленькая и достаточно легкая, чтобы ее можно было разместить на ремне, могла это изменить. Несмотря на свой небольшой размер, автоматизированная носимая искусственная почка (AWAK), разработанная Мартином Робертсом и Дэвидом Б.Н. Ли из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе на самом деле работает лучше, чем традиционный диализ, потому что его можно использовать 24 часа в сутки, семь дней в неделю, как настоящую почку.

Искусственные клетки

(Изображение предоставлено: Тодд МакДевитт, Технологический институт Джорджии)

Иногда, когда вам нужно доставить лекарство в нужное место в теле, таблетка или инъекция не справятся с горчицей.У Дэниела Хаммера, профессора биоинженерии Пенсильванского университета, есть лучший метод: искусственные клетки, сделанные из полимеров, которые могут имитировать легкость, с которой белые кровяные тельца перемещаются по телу. Эти поддельные клетки, называемые с, могут доставлять лекарства прямо туда, где они необходимы, что упрощает и безопаснее бороться с некоторыми заболеваниями, включая рак.

Старик, новый пенис

Туляремия, или кроличья лихорадка, может передаваться от кроликов, енотов, скунсов или других мелких млекопитающих.(Изображение предоставлено Stock.xchng.)

Эректильная дисфункция может лишить мужчину удовольствия, но Энтони Атала и его команда из Университета Уэйк Форест придумали метод, который может вернуть пружину в состояние многих парней. , шаг. В 2006 году Атала удалось вырастить новые кавернозные тела, губчатую ткань, которая наполняется кровью во время эрекции, для кроликов-самцов, которым удалили их. Новая ткань была выращена из собственных клеток кроликов, и через месяц кролики вернулись к тому, что у них получается лучше всего.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *