Bionika - Bionics

Inne zastosowania, patrz Bionic (ujednoznacznienie) .

Zachowanie robota (na dole) wzorowane na zachowaniu karalucha (na górze) i gekona (pośrodku).

Bionika lub inżynieria inspirowana biologicznie to zastosowanie biologicznych metod i systemów występujących w przyrodzie do badania i projektowania systemów inżynierskich i nowoczesnych technologii .

Słowo Bionic , wymyślone przez Jack E. Steele w sierpniu 1958 roku, jest kufer z bio logii i elektro NIC , który został spopularyzowany przez 1970 amerykańskich seriali telewizyjnych The Six Million Dollar Man i Bionic Woman , zarówno w oparciu o powieść Cyborg przez Martin Kaidina . Wszystkie trzy historie przedstawiają ludzi obdarzonych różnymi nadludzkimi mocami przez ich elektromechaniczne implanty.

Według zwolenników technologii bionicznej transfer technologii między formami życia a wytworzonymi przedmiotami jest pożądany, ponieważ presja ewolucyjna zazwyczaj zmusza żywe organizmy – faunę i florę – do optymalizacji i wydajności. Na przykład farba (powłoka) odporna na zabrudzenia i wodę powstała z obserwacji, że praktycznie nic nie przykleja się do powierzchni kwiatu lotosu ( efekt lotosu ).

Termin „ biomimetyczny ” jest preferowany w odniesieniu do reakcji chemicznych, takich jak reakcje, które w naturze obejmują makrocząsteczki biologiczne (np. enzymy lub kwasy nukleinowe), których chemię można odtworzyć in vitro przy użyciu znacznie mniejszych cząsteczek.

Przykłady bioniki w inżynierii obejmują kadłuby łodzi imitujące grubą skórę delfinów; sonarowe , radarowe i medyczne obrazowanie ultrasonograficzne imitujące echolokację zwierząt .

W dziedzinie informatyki badania bioniki doprowadziły do ​​powstania sztucznych neuronów , sztucznych sieci neuronowych i inteligencji roju . Obliczenia ewolucyjne były również motywowane pomysłami bioniki, ale rozwinęły tę ideę dalej, symulując ewolucję in silico i tworząc dobrze zoptymalizowane rozwiązania, które nigdy nie pojawiły się w naturze.

Według szacunków Juliana Vincenta , profesora biomimetyki na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu w Bath , „obecnie istnieje tylko 12% pokrywania się biologii i technologii pod względem stosowanych mechanizmów”.

Historia

Nazwa „biomimetyka” została ukuta przez Otto Schmitta w latach 50. XX wieku. Termin „bionika” został ukuty przez Jacka E. Steele'a w sierpniu 1958 roku podczas pracy w Aeronautics Division House w bazie lotniczej Wright-Patterson w Dayton w stanie Ohio . Jednak terminy takie jak biomimikra lub biomimetyka są bardziej preferowane w świecie technologii w celu uniknięcia pomyłek z terminem medycznym „bionika”. Przypadkowo Martin Caidin użył tego słowa w swojej powieści Cyborg z 1972 roku , która zainspirowała serial Człowiek za sześć milionów dolarów . Caidin był długoletnim pisarzem branży lotniczej, zanim zwrócił się na pełny etat w fikcję.

Metody

Rzep został zainspirowany maleńkimi haczykami znajdującymi się na powierzchni wierteł .

Badania bioniki często kładą nacisk na realizację funkcji występującej w przyrodzie, a nie na naśladowanie struktur biologicznych. Na przykład w informatyce cybernetyka próbuje modelować mechanizmy sprzężenia zwrotnego i kontroli, które są nieodłącznie związane z inteligentnym zachowaniem, podczas gdy sztuczna inteligencja próbuje modelować inteligentną funkcję niezależnie od konkretnego sposobu, w jaki można ją osiągnąć.

Świadome kopiowanie przykładów i mechanizmów z naturalnych organizmów i ekologii jest formą stosowanego rozumowania opartego na przypadkach , traktującego samą naturę jako bazę rozwiązań, które już działają. Zwolennicy argumentują, że presja selekcyjna wywierana na wszystkie naturalne formy życia minimalizuje i usuwa niepowodzenia.

Chociaż prawie całą inżynierię można by powiedzieć, że jest formą biomimikry , współczesne początki tej dziedziny przypisuje się zwykle Buckminsterowi Fullerowi, a późniejszą kodyfikację jako dom lub kierunek studiów Janine Benyus .

Ogólnie rzecz biorąc, w faunie lub florze występują trzy poziomy biologiczne, według których można modelować technologię:

Przykłady

  • W robotyce bionika i biomimetyka są wykorzystywane do zastosowania sposobu poruszania się zwierząt w projektowaniu robotów. BionicKangaroo został oparty na ruchach i fizjologii kangurów.
  • Rzep to najbardziej znany przykład biomimetyki. W 1948 roku szwajcarski inżynier George de Mestral czyścił swojego psa z zadziorów zabranych na spacer, kiedy zdał sobie sprawę, jak haczyki zadziorów przywierają do futra.
  • Rogowaty, piłowaty wzór ostrzy drwala, stosowanych na przełomie XIX i XX wieku do ścinania drzew, gdy jeszcze wykonywano to ręcznie, został wymodelowany na podstawie obserwacji chrząszcza drążącego drewno . To zrewolucjonizowało branżę, ponieważ ostrza pracowały znacznie szybciej przy ścinaniu drzew.
  • Odbłyśniki kocie oko zostały wynalezione przez Percy'ego Shawa w 1935 roku po zbadaniu mechanizmu kocich oczu. Odkrył, że koty mają system odbijających komórek, znany jako tapetum lucidum , który jest w stanie odbić najmniejszą część światła.
  • Latające maszyny i statki Leonarda da Vinci to wczesne przykłady czerpania z natury w inżynierii.
  • Resilin jest zamiennikiem gumy, który został stworzony przez badanie materiału występującego również w stawonogach.
  • Julian Vincent czerpał z badań nad szyszkami, kiedy w 2004 roku opracował „inteligentne” ubrania, które dostosowują się do zmieniających się temperatur. „Chciałem nieożywionego systemu, który reagowałby na zmiany wilgotności poprzez zmianę kształtu”, powiedział. „W zakładach jest kilka takich systemów, ale większość jest bardzo mała – szyszka jest największa, a więc najłatwiejsza w obróbce”. Szyszki reagują na wyższą wilgotność, otwierając łuski (aby rozproszyć nasiona). „Inteligentna” tkanina robi to samo, otwierając się, gdy użytkownik jest ciepły i spocony, a zamykając się szczelnie, gdy jest zimno.
  • „Morfujące skrzydła samolotu”, które zmieniają kształt w zależności od prędkości i czasu lotu, zostały zaprojektowane w 2004 roku przez biomimetyków z Penn State University . Zmieniające się skrzydła zostały zainspirowane różnymi gatunkami ptaków, które mają różnie ukształtowane skrzydła w zależności od prędkości, z jaką latają. Aby zmienić kształt i podstawową strukturę skrzydeł samolotu, naukowcy musieli sprawić, by pokrywająca je skóra również mogła się zmieniać, co czyni ich projekt, pokrywając skrzydła łuskami inspirowanymi rybami, które mogą się na siebie nakładać. Pod pewnymi względami jest to udoskonalenie konstrukcji swing-wing .
Powierzchnia liści lotosu, renderowana : widok mikroskopowy
  • Niektóre farby i dachówki zostały zaprojektowane tak, aby były samoczyszczące, kopiując mechanizm z lotosu Nelumbo .
  • Cholesteryczne ciekłe kryształy (CLC) to cienkowarstwowy materiał często używany do wytwarzania termometrów akwariowych lub pierścieni nastroju , które zmieniają kolor wraz ze zmianami temperatury. Zmieniają kolor, ponieważ ich cząsteczki są ułożone w układ spiralny lub chiralny , a wraz z temperaturą zmienia się skok tej spiralnej struktury, odbijając różne długości fal światła. Chiral Photonics, Inc. wyodrębniła samoorganizującą się strukturę organicznych CLC do produkcji analogicznych urządzeń optycznych przy użyciu niewielkich odcinków nieorganicznego, skręconego włókna szklanego .
  • Nanostruktury i mechanizmy fizyczne , które wytwarzają lśniący kolor skrzydeł motyla , zostały odtworzone in silico przez Grega Parkera , profesora Elektroniki i Informatyki na Uniwersytecie w Southampton oraz studenta badań Luca Plattnera w dziedzinie fotoniki , czyli elektroniki wykorzystującej fotony jako informację . nośnik zamiast elektronów .
  • Zbadano strukturę skrzydeł niebieskiego motyla morpho i naśladowano sposób, w jaki odbija on światło, aby stworzyć tag RFID, który można odczytać w wodzie i na metalu.
  • Struktura skrzydeł motyli zainspirowała również stworzenie nowych nanoczujników do wykrywania materiałów wybuchowych.
  • Neuromorficzne chipy , siatkówki krzemowe lub ślimaki , mają okablowanie wzorowane na prawdziwych sieciach neuronowych . Sa: łączność.
  • Technoekosystemy lub systemy „EcoCyborg” polegają na łączeniu naturalnych procesów ekologicznych z procesami technologicznymi, które naśladują funkcje ekologiczne. Skutkuje to stworzeniem samoregulującego się systemu hybrydowego. Badania w tej dziedzinie zainicjował Howard T. Odum , który postrzegał strukturę i dynamikę emergii ekosystemów jako analogiczne do przepływu energii między elementami obwodu elektrycznego.
  • Kleje medyczne zawierające klej i maleńkie nanowłoski są opracowywane w oparciu o fizyczne struktury znajdujące się w stopach gekonów.
  • Wirusy komputerowe wykazują również podobieństwa do wirusów biologicznych w zakresie ograniczania informacji zorientowanych programowo na samoreprodukcję i rozpowszechnianie.
  • System chłodzenia budynku Eastgate Center w Harare został wzorowany na kopcu termitów, aby uzyskać bardzo wydajne chłodzenie pasywne.
  • Klej, który pozwala małżom przyklejać się do skał, pomostów i kadłubów łodzi inspirowany bioadhezyjnym żelem do naczyń krwionośnych .
  • W dziedzinie bioniki można tworzyć nowe projekty samolotów o znacznie większej zwinności i innych zaletach. Zostało to opisane przez Geoffa Speddinga i Andersa Hedenströma w artykule w Journal of Experimental Biology . Podobne wypowiedzi przedstawili również John Videler i Eize Stamhuis w swojej książce Avian Flight oraz w artykule, który prezentują w Science na temat LEV-ów. John Videler i Eize Stamhuis opracowali rzeczywiste ulepszenia skrzydeł samolotu, korzystając z badań bionicznych. Te badania w dziedzinie bioniki mogą być również wykorzystane do stworzenia wydajniejszych helikopterów lub miniaturowych bezzałogowców . To ostatnie zostało stwierdzone przez Breta Tobalske w artykule w Science o Hummingbirds . Bret Tobalske rozpoczął więc teraz prace nad stworzeniem tych miniaturowych bezzałogowych statków powietrznych, które mogą być wykorzystywane do szpiegostwa. UC Berkeley i ESA w końcu również pracowały w podobnym kierunku i stworzyły Robofly (miniaturowy UAV) i Entomopter (UAV, który może chodzić, czołgać się i latać).
  • Zainspirowane biologią urządzenie mechaniczne może generować plazmę w wodzie poprzez kawitację przy użyciu dokładnego morfologicznie pazura krewetki. Zostało to szczegółowo opisane przez Xin Tang i Davida Staacka w artykule opublikowanym w Science Advances .

Konkretne zastosowania terminu

Indukowana plastyczność sensomotoryczna mózgu kontroluje ból u pacjentów z kończynami fantomowymi-ncomms13209-s2

W medycynie

Bionika odnosi się do przepływu pojęć z biologii do inżynierii i odwrotnie. W związku z tym istnieją dwa nieco odmienne punkty widzenia dotyczące znaczenia tego słowa.

W medycynie bionika oznacza zastępowanie lub wzmacnianie narządów lub innych części ciała przez mechaniczne wersje. Implanty bioniczne różnią się od zwykłych protez tym , że bardzo dokładnie naśladują pierwotną funkcję, a nawet ją przewyższają.

Niemiecki odpowiednik Bionics, Bionik , zawsze trzyma się szerszego znaczenia, ponieważ stara się opracowywać rozwiązania inżynieryjne na podstawie modeli biologicznych. Podejście to jest motywowane faktem, że rozwiązania biologiczne są zwykle optymalizowane przez siły ewolucyjne .

Podczas gdy technologie, które umożliwiają implanty bioniczne, rozwijają się stopniowo, istnieje kilka udanych urządzeń bionicznych, z których dobrze znanym jest wielokanałowy implant ślimakowy (bioniczne ucho) wynaleziony przez Australijczyka , urządzenie przeznaczone dla osób niesłyszących . Od czasu powstania bionicznego ucha pojawiło się wiele bionicznych urządzeń, a prace nad rozwiązaniami bionicznymi dla innych zaburzeń sensorycznych (np. wzroku i równowagi) postępują. Badania bioniczne umożliwiły ostatnio leczenie problemów medycznych, takich jak schorzenia neurologiczne i psychiatryczne, na przykład choroba Parkinsona i epilepsja.

W 1997 roku kolumbijski prof. Alvaro Rios Poveda , badacz bioniki w Ameryce Łacińskiej , opracował protezę kończyny górnej i ręki z sensorycznym sprzężeniem zwrotnym . Technologia ta pozwala pacjentom po amputacji obsługiwać systemy protetyczne ręki w bardziej naturalny sposób

Do 2004 roku opracowano w pełni funkcjonalne sztuczne serca . Oczekuje się znacznego postępu wraz z pojawieniem się nanotechnologii . Dobrze znanym przykładem proponowanego nanourządzenia jest respirocyt , sztuczna czerwona krwinka , zaprojektowana (choć jeszcze nie zbudowana) przez Roberta Freitasa .

Kwabena Boahen z Ghany był profesorem na Wydziale Bioinżynierii Uniwersytetu Pensylwanii . W ciągu ośmiu lat spędzonych w Penn opracował siatkówkę krzemową, która była w stanie przetwarzać obrazy w taki sam sposób, jak żywa siatkówka. Potwierdził wyniki, porównując sygnały elektryczne z jego krzemowej siatkówki z sygnałami elektrycznymi wytwarzanymi przez oko salamandry, podczas gdy dwie siatkówki patrzyły na ten sam obraz.

21 lipca 2015 roku korespondent medyczny BBC , Fergus Walsh, doniósł: „Chirurdzy w Manchesterze wykonali pierwszy bioniczny implant oka u pacjenta z najczęstszą przyczyną utraty wzroku w krajach rozwiniętych. 80-letni Ray Flynn jest w wieku suchym zwyrodnienie plamki żółtej, które doprowadziło do całkowitej utraty widzenia centralnego. Używa implantu siatkówkowego, który konwertuje obrazy wideo z miniaturowej kamery wideo noszonej na jego okularach. Teraz może rozpoznać kierunek białych linii na ekranie komputera za pomocą implantu siatkówki”. Implant, znany jako Argus II i wyprodukowany w USA przez firmę Second Sight Medical Products , był wcześniej stosowany u pacjentów niewidomych z powodu rzadkiej dziedzicznej choroby zwyrodnieniowej oczu, zwyrodnienia barwnikowego siatkówki .

17 lutego 2020 r. Darren Fuller, weteran wojskowy, został pierwszą osobą, która otrzymała bioniczne ramię. Fuller stracił dolną część prawej ręki podczas odbywania kary w Afganistanie podczas incydentu z użyciem amunicji moździerzowej w 2008 roku.

Polityka

Polityczną formą biomimikry jest demokracja bioregionalna , w której granice polityczne odpowiadają naturalnym ekoregionom, a nie kulturom ludzkim lub wynikom wcześniejszych konfliktów.

Krytycy tych podejść często argumentują, że dobór ekologiczny sam w sobie jest kiepskim modelem minimalizowania złożoności produkcji lub konfliktów, a wolny rynek opiera się na świadomej współpracy, porozumieniu i standardach w takim samym stopniu, jak na wydajności – bardziej analogicznej do doboru płciowego . Sam Karol Darwin twierdził, że obie były zrównoważone w doborze naturalnym – chociaż jemu współcześni często unikali szczerej rozmowy o seksie lub jakichkolwiek sugestii, że sukces wolnego rynku opiera się na perswazji, a nie na wartości.

Zwolennicy, zwłaszcza w ruchu antyglobalistycznym , twierdzą, że podobne do kojarzenia procesy standaryzacji, finansowania i marketingu są już przykładami niekontrolowanej ewolucji – czyniąc system, który przemawia do konsumenta, ale jest nieefektywny pod względem zużycia energii i surowców . Ich zdaniem biomimikra jest skuteczną strategią przywracania podstawowej sprawności.

Biomimikra jest także drugą zasadą naturalnego kapitalizmu .

Inne zastosowania

Biomimetyka biznesowa to najnowsze osiągnięcie w zastosowaniu biomimetyki. W szczególności stosuje zasady i praktyki od systemów biologicznych do strategii biznesowej, procesów, projektowania organizacji i myślenia strategicznego. Jest z powodzeniem stosowany przez wiele branż w branży FMCG, obronności, administracji centralnej, opakowań i usług biznesowych. W oparciu o pracę Phila Richardsona z University of Bath podejście zostało wprowadzone w Izbie Lordów w maju 2009 roku.

W bardziej szczegółowym znaczeniu jest to technika kreatywności, która próbuje wykorzystać prototypy biologiczne do uzyskania pomysłów na rozwiązania inżynieryjne. Podejście to jest motywowane faktem, że organizmy biologiczne i ich organy zostały dobrze zoptymalizowane przez ewolucję . W chemii synteza biomimetyczna to synteza chemiczna inspirowana procesami biochemicznymi .

Inne, nowsze znaczenie terminu bionika odnosi się do łączenia organizmu i maszyny. Takie podejście skutkuje powstaniem systemu hybrydowego łączącego części biologiczne i inżynierskie, który można również określić jako organizm cybernetyczny ( cyborg ). Praktyczne urzeczywistnienie tego zostało zademonstrowane w eksperymentach z implantami Kevina Warwicka , które wprowadzały ultradźwięki za pośrednictwem jego własnego układu nerwowego.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

  • Biomimikra: Innowacje inspirowane naturą . 1997. Janina Benjusz .
  • Biomimikra dla optymalizacji, sterowania i automatyzacji , Springer-Verlag, Londyn, 2005, Kevin M. Passino
  • „Pomysły skradzione prosto z natury” ( Wired )
  • Bionics and Engineering: The Relevance of Biology to Engineering, przedstawiony na Konwencji Society of Women Engineers Convention , Seattle, WA, 1983, Jill E. Steele
  • Bionika: natura jako model . 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH, Monachium, Umweltstiftung WWF Deutschland
  • Lipov AN „U początków współczesnej bioniki . Formacja biomorfologiczna w sztucznym środowisku” Polignoza . nr 1–2. 2010. Ch. 1-2. s. 126-136.
  • Lipov AN „U początków współczesnej bioniki. Formacja biomorfologiczna w sztucznym środowisku”. Polignoza . Nr 3. 2010. Część 3. pр. 80–91.

Zewnętrzne linki

Instytuty