Ственный институт наука и студенты: новые идеи и решения Сборник материалов viii-й внутривузовской научно-практической студенческой конференции Кемерово 2009

Вид материала

Содержание

БИОН – ЯЧЕЙКА ЖИЗНИ Павлюченко А.А. Научный руководитель: Шапошникова Е.В.
НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ Норкин С.А. Научный руководитель: Дворовенко Н.И.
Сборник материалов

Подобный материал:

1 ... 77 78 79 80 81 82 83 84 85

БИОН – ЯЧЕЙКА ЖИЗНИ

Павлюченко А.А.

Научный руководитель: Шапошникова Е.В.

ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»

Бионика (от греч. biōn – элемент жизни, буквально – живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др.

Бионика – наука об использовании в технике знаний о конструкции, принципе и технологическом процессе живого организма. Основу бионики составляют исследования по моделированию различных биологических организмов. Моделирование осуществляют на радиоэлектронной, электролитической, пневматической и других физико-химических основах. Бионическое моделирование отличается от моделирования, которое осуществляется в других науках. Как правило, модели бионики – несравненно более сложные динамические структуры. Их создание требует не только проведения специальных уточняющих исследований на живом организме, но и разработки специальных методов и средств для реализации и исследования столь сложных моделей.

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.

Формальным годом рождения бионики принято считать 1960 г. Учёные-бионики избрали своей эмблемой скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы – ключ к новой технике».

Создание модели в бионике – это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа – бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

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

Сегодня бионика 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.

В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий 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.

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.

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". Эти направления тесно связаны друг с другом. Анализ и синтез устройств, которые обеспечивают решение основных задач обработки информации, – общая цель всех четырёх названных направлений. Именно проблемы, связанные с созданием разнообразной информационной техники, привлекают главное внимание бионики.

Давно известно, что птицы, рыбы, насекомые очень чутко и безошибочно реагируют на изменения погоды. Низкий полет ласточек предвещает грозу. По скоплению медуз у берега рыбаки узнают, что можно отправляться на промысел, море будет спокойным. Животные – "биосиноптики" от природы наделены уникальными сверхчувствительными "приборами". Задача бионики – не только найти эти механизмы, но и понять их действие и воссоздать его в электронных схемах, приборах, конструкциях.

Изучение сложной навигационной системы рыб и птиц, преодолевающих тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, способствует разработке высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов.

В настоящее время большим вкладом в ход научно-технического прогресса являются исследования анализаторных систем животных и человека. Эти системы столь сложны и чувствительны, что пока еще не имеют себе равных среди технических устройств. Например, термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010ОC; электрический орган рыб (скатов, электрических угрей) воспринимает потенциалы в 0,01 микровольта, глаза многих ночных животных реагируют на единичные кванты света, рыбы чувствуют изменение концентрации вещества в воде 1 мг/м3 (=1мкг/л).

Многие живые организмы имеют такие анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков 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 в 0,10ОС. Устройство, воспринимающее радиоактивное излучение, имеют улитки, муравьи и термиты. Многие реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции). Есть те, кто воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания: совы, летучие мыши, дельфины, киты, большинство насекомых и т. д. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, таракана – на инфракрасный и т. д.

Есть еще многие системы ориентации в пространстве, устройство которых пока не изучено: пчелы и осы хорошо ориентируются по солнцу, самцы бабочек (например, ночной павлиний глаз, бражник мертвая голова и т. д.) отыскивают самку на расстоянии 10 км. Морские черепахи и многие рыбы (угри, осетры, лососи) уплывают на несколько тысяч километров от родных берегов и безошибочно возвращаются для кладки яиц и нереста к тому же самому месту, откуда сами начали свой жизненный путь. Предполагается, что у них есть две системы ориентации – дальняя, по звездам и солнцу, и ближняя – по запаху (химизм прибрежных вод).

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека? Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за кадром". Бионика наступает. Быстрее, выше, сильнее!

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.

УДК 577:620.3

НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ

Норкин С.А.

Научный руководитель: Дворовенко Н.И.

ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»

Нанотехнологии. В последнее время мы часто читаем и слышим это слово в средствах массовой информации. Также появилось много рекламы, предлагающей купить что-нибудь с приставкой «нано…». А что это такое?

Мы хорошо знаем, что сантиметр – сотая доля метра, миллиметр – тысячная. А нано – просто обозначает миллиардную долю чего-нибудь. Нанометр – миллиардная часть метра (1 нм = 10-9 м). Технология (от греч. Technё – искусство, мастерство, умение и …логия) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Задача технологии как науки – выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

До сих пор не умолкают споры в науке относительно даты основания и имени основателя нанотехнологии. Кто-то считает отцом-основателем греческого философа Демокрита, который примерно в 400 году до н. э. впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Кто-то называет основоположником нанотехнологии Ричарда Фейнмана. Есть сторонники и у Эрика Дрекслера, автора книги «Машины созидания». Сам же термин «нанотехнологии» ввел в научный оборот больше тридцати лет назад японский физик Норио Танигучи, который предложил так называть механизмы размером менее одного микрона. Однако не стоит думать, что эти технологии – что-то новое для человечества. Археологические раскопки, которые проводились учеными разных стран, свидетельствуют о наличии рукотворных нанообъектов еще в античном мире. Например, так называемые «китайские чернила» появились в Древнем Египте более четырех тысяч лет назад, а возраст биологических нанообъектов может исчисляться с момента возникновения жизни на Земле. В разные периоды на протяжении всей истории человечества интерес к ним то возникал, то пропадал. Сегодня человечество накрыла очередная волна интереса к нанотехнологиям. Вопрос – к чему она приведет? К расцвету и процветанию землян или смоет их в каменный век?

Каких чудес и разочарований ждать через 20, 30, 40 лет? Вот прогноз того что, могут дать нанотехнологии через несколько десятилетий при сохранении современных темпов развития. Основная проблема наноиндустрии сегодня – управляемый механосинтез, то есть составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. На сегодня подобные манипуляторы не существуют.

Эксперты прогнозируют появление такой системы к 2010 - 2020 годам. На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, их освоение многозвенными роботами-амебами, производство подводных строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это в 2050-х годах). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. Нанотехнологии существенно изменят конструирование машин и механизмов – одни части упростятся вследствие новых технологий сборки, другие станут ненужными. Это даст возможность конструировать машины и механизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки и конструирования. С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создавать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Появится возможность глобального экологического и погодного контроля благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно. Искусственный фагоцит сможет уничтожать чужеродные бактерии и вирусы. Большее развитие получат биотехнологии и компьютерная техника. С появлением наномедицинских роботов станет возможным отдаление человеческой смерти на неопределенный срок. Не будет проблем и с перестройкой человеческого тела для качественного увеличения естественных способностей. Человеку, чтобы запастись энергией, совсем не обязательно будет что-либо есть. Нанотехнологии обеспечат его запасами энергии без употребления пищи.

Различные нейроинтерфейсы и имплантаты, разработанные в настоящее время, будут значительно улучшены. Их биологическая совместимость с нервными тканями человека станет еще более полной. Тогда наступит время «настоящей» виртуальной реальности и полноценного взаимодействия с компьютерами через нервную систему человека. Сегодня такие нейрочипы и нейроинтерфейсы проходят лабораторные тесты. Благодаря новым возможностям, компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности. Причем каждый человек будет терминалом – через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.

Средства отображения информации на сегодня уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок или квантовых точек. А через несколько лет с их помощью можно будет реализовать сворачиваемые электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.

Существенно изменится область материаловедения: появятся так называемые «умные» материалы, которые способны к мультимедиаобщению с пользователем. Сырьевая проблема, по мнению аналитиков, для нанороботов существовать не будет. Они для постройки большинства объектов станут использовать несколько самых распространенных типов атомов: водород, углерод, кремний, азот, кислород, серу и другие – в значительно меньшем количестве. С освоением человечеством соседних планет проблема сырьевого снабжения будет окончательно решена.

Использование нанотехнологий в биофизике переживает самый начальный этап своего развития. Несмотря на это, уже сегодня понятно, что именно внедрение нанотехнологических и биофизических методов в «классическую» биологию позволит добиться самых невероятных и удивительных результатов. Многие исследователи даже полагают, что биологический вид «Человека разумного» в течение ближайшего столетия будет практически полностью заменен новым биологическим видом. Этот человек будет представлять из себя сложнейший синтез генных модификаций и имплантаций технологических систем. Электронные компоненты, размещаемые непосредственно в человеческом организме, будут обеспечивать непрерывную связь с сетями, подобными Internet. В этом направлении ведутся эксперименты по вживлению многоэлектродных решеток непосредственно в кору головного мозга. Целью этой технологии является выявление поврежденных мозговых центров. Предполагается использовать эту методику в будущем для диагностирования ряда заболеваний высшей нервной деятельности и их лечения.

Сегодня уже применяется множество имплантирующих устройств разнообразного назначения: от простых механических суставов и соединительных деталей до сложных сердечных электростимуляторов. В будущем сложность и разнообразие подобного рода устройств будет возрастать в геометрической прогрессии и, прежде всего, за счет новейших достижений нанотехнологий.

Интересным и перспективным классом имплантатов являются устройства, позволяющие управлять биохимией естественных процессов организма за счет программируемого выделения препаратов. Например, имплантируемое устройство может измерять уровень содержания сахара в крови и при необходимости немедленно вводить в кровь требуемое количество инсулина.

Другое крайне интересное направление развития медицинских имплантатов связано с возможностью создания контактной среды между мозгом и электронными системами, например, c Internet, а также созданием гибридов искусственного и естественного интеллектов. Сейчас пытаются вводить электроды в глаз человека для стимулирующего воздействия на сетчатку. Это позволит врачам возвращать зрение пациентам с некоторыми формами врожденной слепоты.

Наука и студенты

Сборник материалов

VIII-й внутривузовской научно-практической

студенческой конференции

Компьютерная верстка: Телепов К.В.

Редактор: Кособуцкая Р.А.

Подписано к печати 10.07.2009 Формат 84х108 1/32

Бумага для множительной техники. Печать лазерная.

Гарнитура «Times New Roman»

Усл. печ. л. 16,3 Тираж 100 экз. Заказ № 466-09

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт,

Информационно-издательский отдел

650056 Кемерово ул. Марковцева,5. Тел. 73-43-59.

1 По данным Молодёжной биржи труда Кемеровской области.

Blog