Ученический проект &quot;Биомимикрия: решение экологических проблем&quot;

Управление образования администрации

МО «Багратионовский городской округ»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа им. А. Антошечкина»

IV муниципальная научно-практическая конференция учащихся

Секция 2 – естественно-научное, математическое направление

Тема: «Биомимикрия: решение экологических проблем»

Выполнил:

ученица 10 класса

Козлова Вероника

Руководитель:

учитель биологии

Гришанина В. В.

МО «Багратионовский городской округ»

2021

Оглавление Стр.

Глава I. ЧТО ТАКОЕ БИОМИМИКРИЯ.. 4

Глава II. ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИМИТИРУЮЩИЕ ПРИРОДУ.. 6

2.6.Материалы из вторичного сырья. 10

На уроках биологии при изучении животных я узнала о том, что в основе огромного количества изобретений лежат особенности строения живых организмов. В 10 классе во время поиска информации для написания проекта о биомимикрии обнаружила, что не только особенности строения, но и процессы жизнедеятельности организмов используются в решении экологических проблем.

Незлопамятная природа щедро делится с человеком своими уникальными возможностями.

Проблема проекта заключается в изучении биомимикрии.

Объект проекта - живые организмы: особенности их строения и процессы жизнедеятельности.

Предмет проекта – решение экологических проблем.

Цель проекта - выяснение значения биомимикрии в решении экологических проблем.

Задачи проекта:

1. Ознакомиться с литературой по данной проблеме.

2. Изучить информацию в глобальной сети Интернет.

3. Проанализировать и обобщить полученную информацию.

4. Провести опрос.

5. Создать презентацию.

Методы исследования:

1. Чтение литературы по проблеме исследования.

2. Поиск информации в глобальных компьютерных сетях.

3. Обобщение.

4. Анализ.

5. Опрос.

Гипотеза: возможно, человеку не нужно изобретать велосипед, а стоит посмотреть на то гениальное, что его окружает.

Птицам даны крылья,

рыбам – плавники,

а людям, которые живут в природе, -

изучение и познание природы;

вот их крылья.

Х. Марти

Мир вокруг нас полон удивительных тайн и замысловатых загадок. С незапамятных времен людям было свойственно любопытство и стремление не только проникнуть в тайны природы, но и поставить ее силы себе на службу, заставить ее работать на себя.

Человечеству уже известно многое из того, как устроен животный и растительный мир. Вопрос в том, чтобы суметь распорядиться этими знаниями во благо и человеку, и самой природе, стараясь во всех своих действиях учитывать, как это отразится на окружающем нас мире. И если мы не способны найти ответ сами, может быть, стоит посоветоваться с природой?

Вот для сознательного поиска таких, отобранных в течение миллионов лет, природных изобретений и создалось особое направление человеческой деятельности – биомимикрия [1].

Биомимикрия (от греч. bios - жизнь и mimesis - подражание) – это метод инноваций, который ищет устойчивые решения человеческих проблем путем подражания природным моделям и стратегиям. Устойчивость – это поддержание стабильного состояния без истощения природных ресурсов и причинения серьезного экологического ущерба. Термин биомимикрия возник в 1997 г. в книге Джанин Бенюс “Биомимикрия: инновации, вдохновленные природой”. В 2006 году она создала Институт биомимикрии (Biomimicry Instituite), который развивает открытый портал asknature.org — постоянно пополняющуюся базу данных идей и стратегий живой природы, которые вдохновляют инженеров, дизайнеров и практикующих стратегов создавать творческие решения.

«Эпоха биомимикрии, в отличие от промышленной революции, основана не на потреблении природных ресурсов, а на том, чтобы перенять опыт природы», – пишет Джанин Бенюс в статье «Жизненные уроки биомимикрии».

Перед началом проекта был проведён опрос обучающихся 10-11 классов. Результаты анкетирования (Таблица) показали, что знания обучающихся о биомимикрии находятся на низком уровне. Думаю, что мой проект будет интересен обучающимся и педагогам. Планирую выступить перед обучающимися школы с данным проектом.

ИЗОБРЕТЕНИЯ, ИМИТИРУЮЩИЕ ПРИРОДУ

На протяжении миллионов лет живые организмы с целью выживания вырабатывали механизмы, которые помогали им противостоять вызовам окружающей среды. Эти механизмы стали источником вдохновения и для технологических открытий, позволяющих решать человеку экологические проблемы.

Инженеры в компании Mercedes-Benz обратили внимание на рыбу-коробочку. Несмотря на то, что с первого взгляда рыба выглядит довольно неуклюже, ее формы развились таким образом, что в воде она передвигается с большой эффективностью. В результате эксперимента появился бионический автомобиль (Bionic Car) (Рис.1), который отличается легкой конструкцией и удивительными аэродинамическими способностями: получил кузов довольно странной формы, но при этом с впечатляюще высокой топливной экономичностью расхода топлива всего 2,8 л/100 км. Bionic является ходовым прототипом, то есть он полностью работоспособный.

Клюв зимородка послужил прототипом аэродинамической лобовой части «синкансен» - японских экспрессов (Рис.2). Старые модели сверхскоростного пассажирского экспресса сталкивались с проблемами, которые ограничивали скорость поезда: они создавали слишком большое атмосферное давление при прорыве через туннельные системы, вызывая слишком много шума и вибраций. Испытатели поездов почти отказались от выполнения тестовых пробегов, превышающих 350 километров в час, пока вдохновение не пришло к ним в виде зимородка и его способности погружаться из воздуха в воду без брызг. Они узнали, что это возможно, потому что форма клюва и головы зимородка были острыми и обтекаемыми. Когда они разработали новую головку поезда, чтобы она напоминала зимородка, скорость поезда увеличилась на 10%, а давление воздуха и потребление электроэнергии снизились на 30% и 15% соответственно[4].

Каждый год энергетические компании тратят миллиарды на исследования и разработки, ища самые новые и умные конструкции. Несмотря на это, эволюция все еще имеет преимущество, вкладывая миллиарды лет в пробы и ошибки. Многие прорывы были созданы с помощью биомимикрии, идеи, которая гласит: «Если вы не можете победить их, почему бы не скопировать их?».

Компания по производству ветряных турбин WhalePower находит вдохновение в ластах горбатых китов. Ласты горбатого кита имеют бугорки, или бугорки, вдоль края, обращенного вперед, что эффективно позволяет киту удерживать «захват» на воде и маневрировать в узких углах. Было обнаружено, что эти ребра с шипами из бугорка испытывают меньшее сопротивление и большую подъемную силу, чем их более гладкие аналоги. Преобразование этой конструкции и информации в ветряные турбины (Рис. 3) позволит нам собирать больше энергии ветра и предотвратит остановку лопастей ветряной мельницы.

Еще одна энергетическая инновация, вдохновленная природой, – солнечная панель (Рис. 4). Что делает некоторые солнечные панели особенно интересными, так это то, что они следуют за движением солнца, чтобы оптимизировать количество солнечного света, поглощаемого в течение дня – так же, как подсолнух, и так же, как листья располагаются на деревьях!

Кожа акулы не гладкая – она покрыта очень мелкими чешуйками со сложной рифлёной поверхностью. Учёным удалось воспроизвести её текстуру, и они получили материал, который снижает аэро- и гидродинамическое сопротивление, а кроме того, предотвращает скапливание бактерий на поверхности. Имитация такого покрытия чрезвычайно полезна для корпусов кораблей, подводных лодок и самолётов. Помимо скоростных преимуществ, оно экологически выгодно, поскольку позволяет снижать расход топлива.

Tillandsia landbeckii — особое растение, свободно произрастающее в невероятно засушливом регионе Атакама, Чили. Команда из Сантьяго предложила идею забора воды при помощи специальной противотуманной технологии. Она имитирует способность данного растения извлекать влагу из туманного воздуха в то время, как все другие растения в округе засыхают. Это довольно сложная сеть приспособлений установленных под углом (Рис.5). Как утверждают участники команды, такой проект может помочь местным фермерам, многолетний труд которых оказался под угрозой [3].

А спина намибийского жука подсказала людям решение проблемы нехватки воды в пустыне. Он во время тумана поднимает свою спину выше головы и замирает. Если присмотреться, можно увидеть, что на поверхности его тела собираются капли конденсированного тумана. Благодаря тому, что спина приподнята, капли воды стекают вдоль неё и попадают жуку прямо в рот. Таким образом, жук утоляет жажду. Влага, которую жук получил благодаря своей способности, составляет около 40 % веса его тела. Способность этого жука вдохновила людей на создание уникальной техники сбора воды. Создатель данной системы Пак Китэ (Pak Kitae) из Сеульского технического университета. Его изобретение копирует форму и функцию панциря жука (Рис. 6), чтобы утреннюю росу превратить в питьевую воду для тех, кто живет в местах с ограниченным доступом к воде [4].

Команда из Юкатан, Мексика, создала особое устройство для сбора росы и дождевой воды — Chaac-га. Идея проекта была позаимствована у комнатного растения, схожего на известный нам ананас, а особенно у паутины, расположенной на его листьях. Устройство представляет собой кусок тефлоновой ткани, накинутой на несущие конструкции, с баком для сбора жидкости под ним. Представители команды утверждают, что это дешевый, чистый и эффективный способ сбора почти 2,5 литров воды за ночь [3]!

Почва

Живые организмы сами создают условия для продолжения жизни: улучшают почву, очищают воздух и воду, производят газы, необходимые нам, чтобы дышать. При этом они полностью удовлетворяют свои потребности — одно не исключает другого.

Пермакультура (Рис. 7) – это сельскохозяйственная система, предназначенная для имитации естественной обработки энергии и материалов, присутствующих в природных экосистемах, с тем чтобы эта система работала в согласии с силами природы, а не против них. Это сельское хозяйство вдохновлено природой в своей планировке и разработке, чтобы минимизировать отходы и максимизировать производительность. Обычные практики в пермакультуре включают сбор дождевой воды, интенсивный ротационный выпас и капельное орошение. Эти методы служат повышению эффективности и продуктивности земли без ущерба для почвы или истощения ее питательных веществ.

Воздух

Для растений СО2 не представляет угрозы существованию. Растения перерабатывают углекислый газ в крахмал и глюкозу. Уже сейчас существуют технологии переработки углекислого газа в поликарбонат — вещество, из которого производят биологически разлагаемый пластик. Уменьшение концентрации углекислого газа в воздухе предотвращают потепление климата, а биологически разлагаемый пластик защищает окружающую среду от загрязнения твёрдыми бытовыми отходами.

На долю строительства приходится около тридцати процентов продуктов загрязнения воздуха. Но эти цифры можно исправить. Существуют, например, кирпичи и цементы, при производстве которых выброс углекислого газа снижается от двух до четырех раз. Механизм производства этих материалов основан на механизме образования кораллов. Внедрение таких изобретений поможет будущим поколениям найти гармонию техногенной и биосферы и сделать деятельность человека менее вредоносной для окружающей среды[5].

Вдохновением для новых исследований и инновационных разработок Ford стал… геккон. Работа над созданием более экологичного производства автомобилей привела Ford к проблеме разделения материалов для переработки: использующийся в автомобильном производстве клей не позволяет впоследствии отделять пеноматериалы от пластика и металла.

Оригинальный источник возможного решения специалисты компании нашли в живой природе. Геккон – маленькая ящерка, живущая в тропиках и субтропиках и способная перемещаться по потолку и вертикальным поверхностям. На лапках гекконов (Рис. 8) располагаются микроскопические волоски, благодаря которым существа могут как бы «приклеиваться» почти к любым поверхностям, но при этом не оставляют никаких следов. Взрослый геккон в среднем весит 71 грамм и выдерживает на весу нагрузку в 133 кг.

Для изучения возможности разработки инновационного решения соединения материалов по аналогии с процессами, благодаря которым гекконы могут перемещаться по стенам и потолку, Ford провел научный форум, участие в котором приняли также специалисты из Procter & Gamble и Института биомимикрии. Оба учреждения активно занимаются исследованием вопросов возможности подражания природе.

Кстати, это не первый шаг Ford в данном направлении: уже более десяти лет компания занимается разработкой технологий, навеянных живой природой. Одним из продуктов, созданных на основе таких технологий, стали новые ткани для обивки сидений и отделки салона. Волокно Repreve, на 100% состоящее из вторичного сырья, полученного, в том числе, из переработанных пластиковых бутылок, применяется в новом F-150, Explorer, Edge, Focus Electric и Fusion.

Поиск новых, более экологичных материалов и технологий, – часть глобальной стратегии компании по снижению воздействия на окружающую среду.

«Природа всегда показывает пример эффективности и использования минимальных ресурсов, – говорит Кэрол Кордич, специалист по глобальным стратегиям и разработке экологичных тканей Ford. – У природы всегда можно многому научиться» [6].

«Зеленое» здание в Зимбабве (Рис. 9) - это настоящее архитектурное чудо, в котором использовался принцип биомимикрии!

Подобно тому, как почвенные термиты строят свои курганы, Истгейт построен из строительных материалов с высокой теплоемкостью, что позволяет материалам удерживать и выделять тепло, как буфер, до изменения внутренней температуры. По дизайну похожий на насыпь из термитов, Центр Истгейт использует ветер, позволяя ему распространять воздух по всему зданию с помощью некоторых вентиляторов. Эта саморегулирующаяся конструкция вентиляции избавила здание от затрат на приобретение системы кондиционирования воздуха и сопутствующего ей счета за электроэнергию.

Центр Истгейт использует меньше чем 10 % энергии в сравнении со зданием подобного размера. Эта эффективность дает практический результат: владельцы Истгэйта сэкономили только $3,5 миллиона на системе кондиционирования, от которой они отказались. Кроме того, будучи экологически-эффективным и лучшим для окружающей среды, здание помогает арендаторам. Арендные платы в здании на 20 процентов ниже, чем в подобных офисах соседних зданий [7].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Потенциал бионики поистине безграничен… На какое бы современное живое существо ни посмотрел сегодня пытливый глаз ученого или инженера, он обязательно найдет у него ту или иную оригинальную систему, устройство или механизм, которые представляют собой последние модели, сходящие со сборочного конвейера универсальной мастерской природы. И в подавляющем большинстве своем они далеко превосходят все то, что создано до последнего времени человеком. И в этом нет ничего удивительного: фабрика жизни без устали работает по крайней мере 2,7 миллиарда лет, системы же технические создавались и улучшались только на протяжении нескольких тысячелетий существования развитой материальной культуры [2].

Выводы

1. Гипотеза: «Человеку не нужно изобретать велосипед, а стоит посмотреть на то гениальное, что его окружает» подтвердилась.

2. Проанализировав и обобщив полученную информацию, пришла к выводу, что биомимикрия помогает решать экологические проблемы

3. Опрос обучающихся показал, что их знания по биомимикрии находятся на низком уровне.

4. При подборе материала для написания проекта, обратила внимание на то, что мало примеров разработок в биомимикрии, которые изобрели российские учёные. Очевидно, работа в этой области науки в нашей стране находится в зачаточном состоянии.

Мне было интересно работать над этой темой. В дальнейшем я продолжу работу по изучению достижений биомимикрии и уделю особое внимание изобретениям наших соотечественников. А, может, сама найду в природе решение какой-либо экологической проблемы…

1. Леонович А.А. Бионика: подсказано природой. ООО «Издательство АСТ», 2019.

2. Литинецкий И.Б. На пути к бионике. М., "Просвещение", 1972. 223 с. с ил.

3. https://inweb.ua/blog/biomimicry/

4. https://zen.yandex.ru/media/id/5b18fd4f9f4347cb00b944bb/biomimikriia-vse-idealnoe-uje-davno-sozdano-v-prirode-5ec505f6e865ed4de2bbbec0

5. Ракипова Е.Р.,Каганович Н. Н. Биомимикрия в строительстве и архитектуре. Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург, rakipovaelena@gmail.com

6. https://amsrus.ru/2015/10/22/ford-primer-gekkonov/

7. https://www.liveinternet.ru/users/spacelilium/post207359787/

8. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/57816/1/eir_2017_225.pdf

9. https://yandex.ru/images/s

Результаты опроса

№ п/п

Вопросы

Ответы

Ответили

Не ответили

1.

Что такое экология?

13

2

2.

Какие экологические проблемы вам известны?

15

0

3.

Как человек решает эти проблемы?

12

3

4.

Что такое биомимикрия ?

2

13

5.

Приведите примеры биомимикрии, которые позволяют решать экологические проблемы.

0

15

Рис. 1. Бионический автомобиль компании Mercedes-Benz

Рис.2. Клюв зимородка и пассажирский экспресс

Рис. 3. Ласты кита и ветряные турбины

Рис. 4. Подсолнухи и солнечные панели

Рис. 5. Система забора воды при помощи специальной противотуманной технологии.

Рис. 6. Спина намибийского жука и решение проблемы нехватки воды в пустыне.

Рис. 7. Пермакультурный сад

Рис. 8. Микроскопические волоски на лапах геккона.

Рис. 9. Центр Истгейт в Хараре, Зимбабве