Трудове навчання (обслуговуючі види праці). 9 клас. Пелагейченко

§ 12. Основи проектної діяльності

Пригадай, що тобі вже відомо про...

  • основні етапи проектної діяльності;
  • метод комбінування, метод фокальних об’єктів, метод комбінаторики.

А чи знаєш ти...

  • Як спостереження за природою може допомогти в розробці нових виробів?
  • Які природні об’єкти та явища заслуговують уваги дизайнерів та інженерів?
  • Чи доцільно використовувати біонічні форми для створення виробів на уроках трудового навчання?

Основи біоніки в проектуванні. Важко знайти таку сферу людської діяльності, яка не спиралася б на живу природу та використання її форм і конструкцій. Саме природа сприяє народженню багатьох ідей, реалізація яких може привести до покращення життя людини.

Уважно подивившись довкола, можна виявити чимало дивовижних досягнень природи, що випереджають людські технічні винаходи.

Дерева простягають своє коріння в твердому ґрунті та скельних щілинах, які вони розширюють у процесі росту, і, завдяки цьому, витримують жорстокі урагани.

Дятли роблять глибокі отвори в дереві, і сили, спрямовані до їх мозку, моментально зруйнували б будь-який інший мозок. Уникнення цього можливе завдяки спеціальному амортизатору між черепом та дзьобом птаха.

Копито коня — приголомшливий за задумом композит, який у змозі протистояти надзвичайній кількості навантажень. Його структура забезпечує поглинання удару і розсіювання енергії одночасно.

Вивчення та спостереження природи породило науку.

Цицерон, давньоримський політичний діяч, оратор, філософ та літератор

Інженери захоплюються здатністю звичайної мурахи переносити вантажі, маса яких значно перевищує масу її власного тіла. Учені сподіваються, що чітке розуміння того, як функціонує шия мурахи, дасть змогу вдосконалити будову роботизованих механізмів.

Каракатиці мають здатність маскуватися, змінюючи свій колір. Учені зазначають, що вивчення м’язів каракатиць допоможе створити одяг, здатний змінювати колір за частки секунди.

Вуса (вібриси) котів допомагають їм розпізнавати предмети поблизу і ловити здобич, особливо після настання темряви. Учені працюють над створенням електронних сенсорів, які імітують котячі вуса. Такі сенсори допомогли б роботам оминати перешкоди.

Об’єднання живого і штучного світів дає людям можливість здійснювати нечувані раніше відкриття і винаходи. Науку, яка займається такими комплексними дослідженнями, називають біонікою.

Біоніка — наука, що займається застосуванням живих форм і алгоритмів до техніки.

Термін «біоніка», запропонований Джеком Стілі в 1958 р., імовірно, походить від грецького кореня βίον — «одиниця життя» та суфікса -іс — «подібний» і в перекладі означає «життєподібний». Його було вперше застосовано в 1960 р., коли фахівці різних профілів, зібравшись на симпозіум у Дайтоні (США), висунули гасло: «Живі прототипи штучних систем — ключ до нової техніки».

  • Емблемою біоніки є скальпель (символ біології) і паяльник (символ техніки), з’єднані знаком інтеграла.
  • У 1979 р. іспанські архітектори Гав’єр Піоз, Роза Сервер, Слой Селайя розробили проект «Bionic Tower» — вертикальне місто-вежу заввишки 1228 м із використанням біотехнологій, які мають вирішити проблему зростання населення світу екологічним способом.

Основу біоніки становлять дослідження з моделювання різних біологічних організмів. Одна з найважливіших цілей біоніки — встановити аналогії між фізико-хімічними та інформаційними процесами, що трапляються в техніці, та відповідними процесами в живій природі. Біоніка вчить мистецтва раціонального копіювання живої природи, дослідження технічних умов доцільного використання біологічних об’єктів, процесів і явищ.

Мал. 12.1. Винахід Леонардо да Вінчі — літальний апарат з крилами

Ідея застосування знань про живу природу для вирішення інженерних завдань належить Леонардо да Вінчі, який намагався побудувати літальний апарат, вивчаючи техніку руху птахів і летюче насіння рослин.

Біоніка сформувалася на базі природничих і численних інженерно-технічних наук. По суті, вона синтезує знання, накопичені в біології та радіотехніці, хімії та кібернетиці, фізиці та психології тощо. Ця наукова галузь поєднує різнорідні знання відповідно до єдності живої природи. Використання досягнень біоніки можна спостерігати в різних галузях життєдіяльності людини: машинобудуванні, архітектурі, легкій промисловості, побуті, спорті.

Сьогодні існує ціла низка напрямів, у яких застосування біоніки є найбільш перспективним:

  • 1. Вивчення роботи мозку, принципів організації нейронних мереж і функцій нейронів для моделювання технічних систем.
  • 2. Дослідження надійності та її підвищення в біологічних системах, здатність до адаптації.
  • 3. Моделювання органів, що відповідають за слух, зір і нюх, тобто біопротезування.
  • 4. Вивчення можливостей створення нових технічних рішень, заснованих на принципах навігації, локації та інших систем орієнтування в живих істот.
  • 5. Дослідження способів обміну інформацією в живих системах на різних рівнях для створення нових систем зв’язку.
  • 6. Гідродинамічні, аеродинамічні та інші дослідження тварин, комах і птахів із подальшим застосуванням їх результатів в авіабудуванні, робототехніці та суднобудуванні.
  • 7. Розроблення та застосування природних способів отримання енергії.
  • 8. Використання біологічних методів у виробництві складних хімічних сполук і видобутку корисних копалин.
  • 9. Дослідження природних конструкцій з метою їх застосування в архітектурі та будівельній техніці.

Творіння природи досконаліші від витворів мистецтва.

Цицерон

Насамперед біоніка знайшла свій вияв в архітектурі, використовуючи принципи і методи організації живих організмів і форм, створених цими організмами, у проектуванні та спорудженні будівель. Першим архітектором, який працював у стилі біоніки, був Антоніо Гауді.

Біонічна архітектура Гауді

Мал. 12.2. Будинок Міла (Барселона)

Видатний іспанський архітектор Антоніо Гауді розробив і втілив у життя інноваційні проекти споруд незвичайної форми — будинок Міла, школу Саграда Фамілія, будинок Бальо та інші. Наприклад, будинок Міла (1883-1888), одна з найвизначніших пам’яток м. Барселони (Іспанія), є залізобетонною конструкцією з хвилеподібним фасадом.

У 1900-1914 рр. Гауді створив унікальний архітектурний комплекс — парк Гуель,

споруди якого не лише імітують різноманітні природні форми — від морських зміїв до пташиних гнізд і стовбурів дерев, — а й буквально вростають у природний ландшафт. Цей парк досі називають не інакше як «природа, застигла в камені».

Мал. 12.3. Парк Гуель (Барселона)

Найвідоміші архітектурні споруди на основі принципів біоніки:

  • Ейфелева вежа в Парижі (повторює форму гомілкової кістки);
  • стадіон «Ластівчине гніздо» в Пекіні (зовнішня металева конструкція відтворює форму пташиного гнізда);
  • хмарочос «Аква» в Чикаго (зовні нагадує водоспад, а також складчасті вапняні відкладення на берегах Великих озер);
  • житловий будинок «Наутилус» (або «Мушля») у Наукальпані (його дизайн відтворює природну структуру мушлі молюска);
  • оперний театр у Сіднеї (наслідує розкриті пелюстки лотоса на воді);
  • Великий національний оперний театр у Пекіні (імітує краплю води);
  • Художній музей у Мілуокі (подібний до білого птаха);
  • вежа «Сент-Мері Екс 30» у Лондоні (нагадує корнішон);
  • театр «Еспланада» в Сінгапурі (дах споруди схожий на дві половинки тропічного фрукта дуріан).

Мал. 12.4. Біоніка в архітектурі

Природа так про все подбала, що всюди знаходиш, чого вчитися.

Леонардо да Вінчі, італійський митець, винахідник, учений і письменник

Біонічні форми у створенні предметного середовища та інтер’єру. Уважно розглядаючи навколишні природні форми, можна побачити їхні унікальні особливості. Конструкції багатьох виробів, які виготовляє людина, є похідними від структур об’єктів природи: шкаралупи горіха, качана кукурудзи, крила метелика, форми яйця, мушлі тощо. Якщо природний аналог має чітко виражений характер, об’єм, конструкцію і форму, то можна відразу оцінити його цілісність. Це дає змогу архітекторам, інженерам та дизайнерам швидко і з меншими витратами часу досягти технічного вирішення форми проектованого об’єкта.

Якщо ж форма природного аналога складається з багатьох складно організованих елементів, то потрібний ретельний аналіз, відбір і порівняння ознак, щоб у проектованому об’єкті проявилися форма та властивості природного аналога.

Метод функційних аналогій — зіставлення принципів і засобів формоутворення промислових виробів та живої природи.

Основний метод біоніки — це метод функційних аналогій. Однак він не означає заперечення незалежних біонічних відкриттів. Метод аналогій лише спрямовує пошук, але відкриття при цьому можуть бути найнесподіванішими. Аналогія означає лише порівняння і фіксацію факту подібності.

Дії дизайнера:

  • спостереження за природним об’єктом;
  • порівняльний аналіз об’єктів природи і тих, які створила людина;
  • визначення доцільності застосування певних характеристик живих об’єктів для створення чи вдосконалення технічних об’єктів.

У біонічному дизайні інтер’єру часто використовують екологічно чисті природні матеріали. Характерними особливостями цього напрямку є плавні лінії, натуральна колірна гама. Типові кольори: білий, молочний, бежевий, дуже світлий сірий, барви зелені, неба, води, кори, піску та інші. Але можливі й елементи яскравих кольорів: синій, червоний, лимонний. Це допомагає створити атмосферу, наближену до природної, при цьому не скасовуючи зручностей, яких людина набула з розвитком техніки. Електроніку вписують у дизайн таким чином, щоб вона не впадала в очі.

Інтер’єрна біоніка часто використовує високотехнологічні матеріали і продукти органічного синтезу. Полімери чудово поєднуються з традиційними натуральними матеріалами, доповнюючи їх та створюючи принципово новий органічний простір. Штучно синтезовані та перероблені матеріали дають абсолютно новий рівень комфорту, витримують високі навантаження і вкрай прості в догляді. Матеріали «майбутнього» стійкі до забруднень, мають малу вагу і, залежно від свого призначення, можуть тривалий час зберігати тепло або, навпаки, не нагріватися.

За аналогією з живою природою, у якій неможливо знайти двох однакових пелюсток або сніжинок, інтер’єрний напрям біоніки вирізняється індивідуальністю. Кожен проект цього стилю неповторний. У концепції одного дизайну інтер’єру може обіграватися краса лісової галявини, натомість інший буде відтворювати атмосферу тропічних островів або повторювати рельєф гірської місцевості.

Мал. 12.5. Біонічні світильники

Однак переліченими напрямами не вичерпуються всі галузі, де може бути застосована сучасна біоніка. Зараз також активно розвивається математична біоніка, яка вдосконалює і проектує комп’ютерні моделі, у тому числі інформаційні, а також медична біоніка, яка розробляє методи лікування людини і профілактики хвороб на основі досягнень природи.

Нові напрями біоніки

Сучасні інженери-робототехніки дедалі частіше намагаються розробляти моделі, які повторюють механіку руху людини або тварин. Але справжня мрія вчених — створення штучних органів, що працюватимуть, як справжні. Це могло б вивести медицину на новий рівень.

Один з популярних сьогодні напрямів біоніки — розробка мініатюрних контактних лінз для очей, які поєднуватимуть функції більшості сучасних гаджетів, тобто становитимуть повноцінний дисплей, на якому можна буде читати новини, перевіряти пошту, переглядати карту тощо. Імовірно, у майбутньому ця диво-лінза буде вимірювати і відображати стан організму: температуру, пульс, рівень холестерину і цукру в крові тощо. Але усе це не має заважати головній функції очей — бачити навколишній світ.

Немає нічого більш винахідливого, ніж природа.

Цицерон

Практична робота

Застосування біонічних форм під час проектування виробу

Мета роботи: знайти й утілити ідеї застосування біонічних форм під час проектування виробу.

Матеріали, інструменти: каталог біонічних форм, олівець, папір, інструменти для креслення.

Послідовність виконання роботи

1. Визнач об’єкт для проектування.

2. Проаналізуй конструкційні особливості об’єкта проектування.

3. Розглянь каталог біонічних форм.

4. Визнач перелік біонічних форм, які можна використати в розробці об’єкта проектування.

5. Здійсни пошук ідей під час проектування виробу з використанням біонічних форм.

6. Зроби графічні зображення майбутнього виробу.

7. Запропонуй ідеї використання біонічних форм у процесі проектування виробу.

8. Здійсни самооцінку отриманих результатів.

Ключові поняття: біоніка, біонічні форми, метод функційних аналогій.

  • 1. Що вивчає наука біоніка?
  • 2. Назви основні напрямки біоніки.
  • 3. У яких галузях людської життєдіяльності використовують досягнення біоніки?
  • 4. З якими іншими науками пов’язана біоніка?
  • 5. Наведи приклади застосування надбань біоніки в архітектурі та побуті.
  • 6. У чому полягає сутність методу функційних аналогій?

Теми пошукових, дослідницьких та інформаційних проектів:

«Першовідкривачі біоніки».

«Біоніка в архітектурі мого (або найближчого) міста».

«Прояви біоніки в нашому повсякденному житті».

«Чому в природі ми знаходимо ідеї, які покращують життя людини?»

«Розумність природи: випадковість чи чийсь задум?»

«Біоніка у спорті».

«Найкращі досягнення біоніки у XXI столітті».

Одні учні («дослідники») в кожній парі називають об’єкти та явища природи, інші учні («генератори ідей») переносять їхні форми та властивості на об’єкт, який розробляється, та пропонують ідеї для його покращення.

Ділова гра «Конструкторське бюро». Об’єднавшись у групи, оберіть об’єкт проектування та визначте вимоги до його виготовлення. Розподіліть між собою ролі «дизайнера», «біолога», «фізика», «конструктора» та ін. Проведіть відповідні дослідження з метою покращення об’єкта за допомогою використання біонічних форм. Розгляньте пропозиції кожного «фахівця» та прийміть загальне рішення в кожній групі.

  • 1. Знайди застосування біонічних форм в об’єктах, які тебе оточують: а) у класі; б) у школі.
  • 2. Склади перелік об’єктів живої природи для самостійного дослідження.
  • 3. Розглянь природні об’єкти та запропонуй власні ідеї щодо об’єктів, які можна виготовити на їх основі.