|
|
Принципы бионики и медицинаБионика Бионика – наука на границе биологии и техники. Задачи бионики – черпать у природы идеи, принципы, создававшиеся десятки и сотни тысяч лет, и применять их в технике. Поучиться же у природы есть чему. До сих пор мысль человека не может создать таких миниатюрных, компактных, высокочувствительных, безотказных приборов, с высшим запасом прочности, надежности, взаимозаменяемостью одних элементом другими, какие изобрела, сконструировала природа. Очень интересно с точки зрения бионики изучение устройства и работы мозга, отдельных нервных клеток. При громадном числе отдельных элементов – «деталей» мозг человека занимает всего 1,5 дм3. Когда пробовали подсчитать, какое место занимает машина, действующая, как мозг, то оказалось, что для этого потребуется площадь в несколько тысяч кубических метров. Как сделать ее компактнее? Ведь запоминающее устройства типа памяти животных, «думающие» машины очень нужны для развития кибернетики, автоматизации процессов управления и производства. Каждый анализатор животных – глаз, ухо, орган осязания, обоняния, вкуса – неповторимый по чувству и действию «прибор». Изучение их строения и принципа действия помогает развитию различных направлений техники, промышленности и других отраслей хозяйства человека. Глаз может воспринимать отдельные кванты света и интенсивные световые потоки, регулировать четкость восприятия изображения с различных дистанций и т. п. на этих принципах создаются следующие устройства с автоматическим распознаванием объекта и др. Термочувствительный орган змей улавливает изменение окружающей температуры в 0,20, а электрический орган электрического ската и угря – разницу потенциалов в доли микровольта, что помогает им обнаружить добычу. Человек по этому принципу создает приборы, предупреждающие о пожаре или других опасных явлениях, связанных с изменением температуры и электрического потенциала. Некоторые медузы своим «ухом» улавливают инфразвуковые колебания; летучие мыши, бабочки, совы, дельфины используют в поисках добычи ультразвуковые колебания. По этому принципу уже созданы приборы, предупреждающие приближение шторма, локаторы и др. Изучение строения животных и растений, их отдельных органов также находит применение в практике. Раскрытие секретов строения кожи дельфинов помогло увеличить скорость кораблей на 20%. Строение кости животных и соломы (стебля злаковых растений) подсказало, как создать легкие и прочные конструкции; биосинтез и биоэнергетика помогли при проектировании безотходных, экономичных, быстродействующих технологических линий. Люди издавна интересовались взаимоотношениями растений и животных со средой, в которой они живут, границами распространения жизни на нашей планете. Подмечали неразрывную связь живых организмов с «неживой» природой. Такие знания необходимы как основа правильного использования природы, оценки ее продуктивности и ресурсов. Поэтому начиная с XVII века передовые ученые Б. Варениус, Ж. Б. Ламарк, А. Гумбольдт, Ж. Л. Бюффон, а в конце XIX века В. В. Докучаев попытались показать, что все живое на Земле и его окружение – единое целое, все части которого тесно взаимосвязаны. Изменение в какой-либо из них всегда приводят к нарушению взаимоотношений между всеми частями. В 1875г. австрийский геолог Э. Зюсс впервые назвал биосферой оболочку Земли, где обитают живые организмы. Выдающийся советский ученый-геохимик В. И. Вернадский расширил это понятие, включив в него другие структуры Земли, связанные с живым веществом. В 20-30-х гг. он создал общее учение о биосфере. Следовательно, биосфера – это область распространения жизни на Земле, точнее оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены главным образом прошлой или современной деятельностью живых организмов. Верхняя ее граница охватывает тропосферу и нижнюю часть стратосферы, нижняя – дно океанов и толщу Земли на глубину проникновения живых организмов. Главный источник энергии, обеспечивающий жизнедеятельность биосферы, - Солнце.
Биофизика Для понимания и изучения многих биологических явлений, физических, физико-химических процессов, проходящих в живых организмах, структуры биологических систем от молекулярного уровня до целого организма ученым необходимо было применить методы и знания, накопленные другими науками, в частности объединить усилия биологии, физики и химии. Так на стыке этих трех наук возникла новая наука – биологическая физика, биофизика. Первый в мире институт биологической физики был создан в СССР в Москве в 1919г. Биофизика имеет ряд самостоятельных научных направлений. Молекулярная биофизика изучает физические и физико-химические свойства молекул и их комплексов, характер протекающих в них энергетических процессов. Благодаря работам в этой области определена структура сотен белков, изучены принципы строения молекул, из которых построены клетки живого организма. Подробные исследования имеют большое значение для развития других наук – биохимии, генетики, молекулярной биологии, цитологии. Биофизика изучает и возбужденное состояние молекул, в котором они приобретают высокую химическую активность. Именно это явление лежит в основе фитобиологических процессов фотосинтеза, зрения, биолюминесценции. Проникновение в суть таких процессов помогло изучить слабое ультрафиолетовое свечение, свойственное некоторым животным и растениям. Любой живой организм – сложная система, в которой происходит превращение одного вида энергии в другой. Организм получает энергию из пищи, расходует ее на построение клеток, движение и другие действия. Биофизика исследует вопрос, как происходит энергетический обмен на молекулярном уровне и во всем организме в целом. Многие организмы на 90% состоят из жидкости: артериальная, венозная кровь, лимфа, желудочный сок. Что их разделяет и как при этом происходит обмен веществ в организме – получение новых и вывод отработанных? Все это обеспечивают биологические мембраны (см. клетка). Изучение принципа их действия имеет большое значение. В частности, содружество биофизики, биохимии и физиологии в этой части помогло создать искусственную почву. Живой организм – саморегулирующаяся система. Разгадкой принципов движения – ходьбы, бега, тока крови, дыхание – вместе с биофизикой заняты биокибернетика, биомеханика. Это важно для познания физиологических процессов в человеческом организме во время труда, отдыха, полета в космос, для предупреждения сердечно-сосудистых заболеваний, создания аппаратов, заменяющих отдельные органы человека.
Биохимия Биохимия стала самостоятельной наукой только в конце XIX в. предмет, который она изучает – химический состав организмов, образование в них различных единений и превращение одних в другие химические процессы, происходящие в организме. Одна из ее задач – исследовать, какие процессы, вещества могут быть общими для всех организмов и что характерно для определенной группы их, отдельного организма. В зависимости от того, какой биологический объект изучается, различают биохимию человека, животных, растений, микробов. Но часто открытие, сделанное на одних объектах, находит приложение и к другим. По методам исследования биохимию также делят на несколько направлений. Эстетическая биохимия занимается анализом химического состава организма. Так, в организме животных были найдены белки, углеводы, витамины, ферменты; растений – витамины, дубильные и эфирные масла, антибиотики, алкалоиды, гликозиды и другие вещества. Динамическая биохимия изучает процессы преобразования веществ в организме, например, процессы брожения веществ, фиксации азота из воздуха. К. А. Тимирязев исследовал фотосинтез и химию хлорофилла, а его ученики – процессы биоокисления, азотистого и белкового обмена веществ у растений. Достижения в этом направлении биохимии позволили расширить использование антибиотиков в медицине, создать на основе биологического синтеза производства различных продуктов. Биохимия дала человеку знания, помогающие успешно хранить собранный урожай, определять лучшие сроки заготовки растительного и животного сырья, правильно его перерабатывать. Появился научный подход к управлению процессами повышения урожайности растений на полях с помощью улучшения почвы. Определением химических веществ, лежащих в основе различных процессов жизнедеятельности организмов, занимается функциональная биохимия. В частности она изучает ферменты и гормоны и их роль в важнейших жизненных процессах, влияние лекарственных и других веществ на организм и др. Развитие биохимии привело к крупным открытиям в биологии. Было выяснено строение белков, порядок расположения в них аминокислот. Объяснена роль нуклеиновых кислот в синтезе белков и передаче наследственных признаков в организмах и многое другое. Особенности строения белков и нуклеиновых кислот обусловливают их чрезвычайно высокую химическую активность. Они являются основными двигателями и регуляторами процессов обмена веществ, протекающих в живой клетке. Знание строения нуклеиновых кислот позволяет управлять развитием организмов, получать животных и растения с нужными качествами.
теоретическую бионику, которая разрабатывает математический аппарат биологического моделирования, а также математические модели явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов. техническую бионику, реализует математические модели или иные стороны деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. Примеры: мы все знаем самолёт. Но не догадываемся как придумали самолёт. А его придумали так: люди увидели птицу и решили собрать свою птицу. Люди увидели рыбу и решили создать подводную лодку. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер. Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п. В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития. Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы: 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 и телемеханики (нейробионика); исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения; изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике; исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей. Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови, неоднократно назначаемого каждому из нас врачами всех профилей), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается безболезненностью, а с другой — всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением. Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых — комара и блохи, с укусом которых гарантированно знаком каждый человек. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, за несколько веков не изменила своей первоначальной формы — формы реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой. Принципы бионики и медицина Не менее актуальным достижением бионики в медицине является использование биотоков. Когда в конце XVIII в. итальянский физиолог Луиджи Гальвани в качестве побочного результата опытов по анатомированию лягушек открыл биотоки, возникающие в мышцах при движении, будущее применение биотоков представлялось кранйе ограниченным. Однако результаты современных исследований утверждают прямо противоположное. Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам руки биотоки — слабый электрический сигнал — и тогда, когда нижний сегмент руки ампутирован. Разумеется, движения в этом случае нет, т. к. импульсы, попадая в нервное окончание усеченной мышцы культи, дают лишь ощущение тех или иных движений, а материальный субстрат движений (мышцы) отсутствует. Совершенствование протезов, управляемых биотоками, шло поистине «семимильными шагами», и уже летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, проходившему в Москве, увидели, как мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусочек мела и написал на доске ясно и четко: «Привет участникам конгресса». Кистью протеза, которая четко сжималась и разжималась, управляли биотоки. Была достигнута четкость движений, достаточная для адекватного функционирования протеза, и следующей целью ученых было становление обратной связи, возможности ощущать протез. Проведение обширнейших и сложнейших операций на сердце и головном мозге стало возможным благодаря введению в медицинскую практику метода управляемой гипотермии (т. е. осознанного переохлаждения тела оперируемого для замедления обменных процессов в тканях и органах). Но мало кто знает, что именно гипотермия является основой анабиоза и паробиоза — состояния глубокой спячки — многих насекомых и некоторых мелких грызунов в неблагоприятное зимнее время. У этих животных гипотермия также направлена на замедление обменных процессов в органах и тканях, обусловливающее меньшее, чем в активном состоянии, потребление энергетических субстратов. Метод передвижения некоторых простейших стал прообразом для создания автоматического желудочно-кишечного зонда, являющегося наиболее интересной и многообещающей перспективой инструментальных исследований в гастроскопии. В какой-то степени достижения бионики в области медицины основаны на строении самого человека. Так, перфузионные пленки, накладываемые на обширные ожоговые поверхности и служащие для предупреждения раневой инфекции, практически полностью имитируют строение поверхностных слоев неповрежденной человеческой кожи, обладающей бактерицидными свойствами и характеризующейся полупроницаемостью. Достижения бионики во многом подают надежды некоторого улучшения состояния или практически полной компенсации качества жизни для больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное. Одним из первых шагов на этом пути является создание аппаратов, способных слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека и приводит к полной или практически полной инвалидизации. Эта проблема остается одной из крайне сложных и практически неразрешимых проблем медицины. Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе новейшего открытия ученых-физиологов: низкочастотные колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый «радиозуб» — систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного-единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие живых зубных нервов не характерно даже для тотально пораженной ротовой полости. Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в пьезоэлементе возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом человек, который до этого момента жил в мире без звуков, начинает слышать. Конечно, в реальной жизни для человека, снабженного таким аппаратом, остается значительное количество ограничений, например в использовании мобильных телефонов, а также при работе с так называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации. В последнее время в ряде стран получили широкое распространение исследования так называемого квазислухового опознания, имеющие целью создание устройств, моделирующих слуховой аппарат. Некоторые устройства, воспроизводящие функции органов слуха, уже созданы и испытаны. Так, в лейденском университете в связи с исследованиями механизма восприятия звуков человеком разработана электронная модель уха (в виде системы фильтров), воспроизводящая частотные характеристики уха. Моделирование позволило уточнить модель слуха и в частности объединить такие явления, как восприятие тембра и звуков в их динамике. Бионика и техника Снегоходная машина, имитирующая принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу, была разработана в Горьковском политехническом институте под руководством А.Ф. Николаева. Пингвины передвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежа на снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители наших северных регионов – охотники, оленеводы и т.д. Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могут использоваться и на мелководных озерах, где обычные плавсредства чаще всего не могут применяться. Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирского парохода «Куренаи Маару». По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% он сохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка «Скипджек», корпус которой по форме напоминает тунца, имеет более высокую скорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судам Список литературы
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
биологическую бионику, базирующуюся на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.