Бионика

Воспроизвести медиа

Воспроизвести медиа

Поведение робота (внизу) смоделировано по образцу таракана (вверху) и геккона (посередине).

Бионика или биологическая инженерия - это применение биологических методов и систем, встречающихся в природе, для изучения и проектирования инженерных систем и современных технологий . ^[1]

Слово бионический , придуманный Джек Э. Стил в августе 1958 года, является контаминация из био гией и электро троники ^[2] , который популяризировал в 1970 - е годы в США телевизионных серий Шесть Million Dollar Man и Bionic Woman , оба основаны на романе Киборг по Мартину Кейдина . Во всех трех историях рассказывается о людях, получивших различные сверхчеловеческие способности с помощью своих электромеханических имплантатов.

По мнению сторонников бионической технологии, передача технологии между формами жизни и производимыми объектами желательна, потому что эволюционное давление обычно вынуждает живые организмы - фауну и флору - стать оптимизированными и эффективными. Например, грязе- и водоотталкивающая краска (покрытие) была разработана на основе наблюдения, что практически ничего не прилипает к поверхности цветка лотоса ( эффект лотоса ). ^{[ необходима цитата ]} .

Термин « биомиметик » предпочтителен для ссылок на химические реакции ^{[ необходима цитата ],} такие как реакции, которые в природе включают биологические макромолекулы (например, ферменты или нуклеиновые кислоты), химический состав которых может быть воспроизведен in vitro с использованием гораздо меньших молекул.

Примеры бионики в технике включают корпуса лодок, имитирующие толстую кожу дельфинов; сонар , радар и медицинское ультразвуковое изображение, имитирующее эхолокацию животных .

В области информатики , изучение бионики производит искусственные нейроны , искусственные нейронные сети , ^[3] и роя интеллекта . Эволюционные вычисления также были мотивированы идеями бионики, но они развили идею дальше, моделируя эволюцию in silico и создавая хорошо оптимизированные решения, которых никогда не было в природе.

По оценкам Джулиана Винсент , профессор биомиметиков В настоящее время Университета Бат кафедры машиноведения «s, что„в настоящее время имеется лишь 12% перекрытие между биологией и технологией с точкой зрения механизмов , используемых“. ^{[4] [ требуется пояснение ]}

История [ править ]

Название «биомиметики» придумал Отто Шмитт в 1950-х годах. Термин «бионика» был придуман Джеком Стилом в августе 1958 года, когда он работал в Доме аэронавтики на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо . ^[5] Однако такие термины, как биомимикрия или биомиметика, более предпочтительны в мире технологий, чтобы избежать путаницы между медицинским термином «бионика». По совпадению, Мартин Кейдин использовал это слово для своего романа 1972 года « Киборг» , который вдохновил сериал « Человек за шесть миллионов долларов» . Кайдин был давним писателем об авиационной индустрии, прежде чем полностью посвятить себя художественной литературе.

Методы [ править ]

Изучение бионики часто подчеркивает реализацию функции, обнаруженной в природе, а не имитацию биологических структур. Например, в информатике кибернетика пытается смоделировать механизмы обратной связи и управления, присущие интеллектуальному поведению, в то время как искусственный интеллект пытается смоделировать интеллектуальную функцию независимо от конкретного способа ее достижения.

Сознательное копирование примеров и механизмов из природных организмов и экологий - это форма прикладного рассуждения на основе конкретных случаев , когда сама природа рассматривается как база данных уже работающих решений. Сторонники утверждают, что избирательное давление, оказываемое на все естественные формы жизни, сводит к минимуму и устраняет неудачи.

Хотя можно сказать, что почти вся инженерия является формой биомимикрии , современные истоки этой области обычно приписываются Бакминстеру Фуллеру, а ее более поздняя кодификация в качестве дома или области исследований - Джанин Бениус .

Обычно существует три биологических уровня фауны или флоры, после которых можно смоделировать технологию:

• Имитация естественных методов производства
• Имитация природных механизмов ( липучка )
• Изучение организационных принципов на основе социального поведения организмов , таких как стайное поведение птиц, оптимизация кормления муравьев и пчел , а также поведение стаи рыб на основе интеллекта роя (SI) .

Примеры [ править ]

• В робототехнике бионика и биомиметика используются, чтобы применить способ передвижения животных к конструкции роботов. BionicKangaroo был основан на движениях и физиологии кенгуру.
• Липучка - самый известный пример биомиметики. В 1948 году швейцарский инженер Джордж де Местраль чистил свою собаку от заусенцев, поднятых на прогулке, когда он понял, как крючки заусенцев цепляются за мех.
• Рогообразная пилообразная конструкция лезвий лесорубов, использовавшихся на рубеже XIX века для вырубки деревьев, когда это все еще делалось вручную, была смоделирована после наблюдений за жуком -роющим лесом . Это произвело революцию в отрасли, потому что лезвия работали намного быстрее при валке деревьев.
• Отражатели кошачьего глаза были изобретены Перси Шоу в 1935 году после изучения механизма кошачьих глаз. Он обнаружил, что у кошек есть система отражающих клеток, известная как tapetum lucidum , которая способна отражать мельчайшие частицы света.
• Летательные аппараты и корабли Леонардо да Винчи являются ранними примерами использования природы в технике.
• Резилин - это замена каучука, который был создан путем изучения материала, который также содержится у членистоногих.
• Джулиан Винсент опирался на изучение сосновых шишек, когда в 2004 году разработал «умную» одежду, которая адаптируется к изменению температуры. «Я хотел неживую систему, которая реагировала бы на изменения влажности изменением формы», - сказал он. «У растений есть несколько таких систем, но большинство из них очень маленькие - шишка самая большая, и поэтому с ней легче всего работать». Сосновые шишки реагируют на повышенную влажность, открывая чешую (чтобы рассыпать семена). «Умная» ткань делает то же самое: раскрывается, когда владелец теплый и потеет, и плотно закрывается, когда ему холодно.
• «Морфирующие крылья самолета», которые меняют форму в зависимости от скорости и продолжительности полета, были разработаны в 2004 году учеными-биомиметиками из Университета штата Пенсильвания . Морфинг крыльев был вдохновлен разными видами птиц, у которых крылья разной формы в зависимости от скорости, с которой они летают. Чтобы изменить форму и основную структуру крыльев самолета, исследователям нужно было сделать так, чтобы покрывающая оболочка также могла изменяться, что и делает их конструкция, покрывая крылья чешуей в виде рыб, которые могли скользить друг по другу. В некотором смысле это доработка конструкции распашного крыла .

• Некоторые краски и черепица обладают способностью самоочищаться, копируя механизм лотоса Нелумбо . ^[6]
• Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) - это тонкопленочный материал, который часто используется для изготовления термометров для аквариумов или колец настроения , которые меняют цвет при изменении температуры. Они меняют цвет, потому что их молекулы расположены в спиральном или хиральном порядке, и с температурой изменяется шаг этой спиральной структуры, отражая разные длины волн света. Компания Chiral Photonics, Inc. абстрагировала самособирающуюся структуру органических ХЖК для производства аналогичных оптических устройств с использованием крошечных отрезков неорганического скрученного стекловолокна .
• Наноструктуры и физические механизмы , которые производят сверкающий цвет бабочки крылья были воспроизведены в силикомарганца по Грег Паркер , профессор электроники и компьютерных наук в Университете Саутгемптона и аспирантские Лука Платтнера в области фотоники , что электроника с использованием фотонов в качестве информации носитель вместо электронов .
• Была изучена структура крыльев голубой морфо-бабочки, и то, как она отражает свет, было воспроизведено для создания RFID- метки, которую можно читать через воду и на металле. ^[7]
• Структура крыльев бабочек также вдохновила на создание новых наносенсоров для обнаружения взрывчатых веществ. ^[8]
• Нейроморфные чипы , кремниевая сетчатка или улитка , имеют проводку, которая смоделирована по образцу реальных нейронных сетей . Sa: подключение.
• Техноэкосистемы или системы «EcoCyborg» включают сочетание естественных экологических процессов с технологическими, которые имитируют экологические функции. Это приводит к созданию саморегулирующейся гибридной системы. ^[9] Исследования в этой области была инициирована Говард Т. Одум , ^[10] , которые воспринимались структуру и emergy динамику экосистем как аналог потока энергии между компонентами электрической цепи.
• Медицинские клеи с использованием клея и крошечных нановолокон разрабатываются на основе физических структур, обнаруженных в лапах гекконов.
• Компьютерные вирусы также обнаруживают сходство с биологическими вирусами в том, что касается ограничения программно-ориентированной информации, направленной на самовоспроизведение и распространение.
• Система охлаждения здания Eastgate Center в Хараре была смоделирована по образцу термитника для достижения очень эффективного пассивного охлаждения.
• Клей, который позволяет мидиям прилипать к камням, пирсам и корпусам лодок, вдохновлен биоадгезивным гелем для кровеносных сосудов . ^[11]
• В области бионики могут быть созданы новые конструкции самолетов с гораздо большей маневренностью и другими преимуществами. Это было описано Джеффом Спеддингом и Андерсом Хеденстремом в статье в Journal of Experimental Biology . Аналогичные заявления были также сделаны Джоном Виделером и Эйзом Стамхейсом в их книге « Полет птиц» ^[12] и в статье, представленной в Science о LEV. ^[13] Джон Виделер и Эйз Стамхейс с тех пор разработали реальные улучшения крыльев самолета, используя бионические исследования. Это исследование в области бионики также может быть использовано для создания более эффективных вертолетов или миниатюрных БЛА.. Об этом заявил Брет Тобальске в статье в Science about Hummingbirds . ^[14] Брет Тобальске, таким образом, начал работу по созданию этих миниатюрных БПЛА, которые могут быть использованы для шпионажа. Калифорнийский университет в Беркли, а также ЕКА, наконец, также работают в аналогичном направлении и создали Robofly ^[15] (миниатюрный БПЛА) и Entomopter (БПЛА, который может ходить, ползать и летать). ^[16]
• Биологически вдохновленное механическое устройство может генерировать плазму в воде посредством кавитации, используя точный морфологический щелчок креветочного когтя. Об этом подробно рассказали Синь Тан и Дэвид Стак в статье, опубликованной в Science Advances . ^[17]

Конкретное использование термина [ править ]

В медицине [ править ]

Бионика относится к потоку концепций от биологии к инженерии и наоборот. Следовательно, есть две несколько разные точки зрения на значение этого слова.

В медицине бионика означает замену или улучшение органов или других частей тела механическими версиями. Бионические имплантаты отличаются от простых протезов тем, что очень точно имитируют первоначальную функцию или даже превосходят ее.

Немецкий эквивалент Bionics , Bionik , всегда придерживается более широкого значения, поскольку он пытается разрабатывать инженерные решения на основе биологических моделей. Этот подход мотивирован тем фактом, что биологические решения обычно оптимизируются эволюционными силами.

В то время как технологии, делающие возможными бионические имплантаты, постепенно развиваются, существует несколько успешных бионических устройств, хорошо известным из которых является изобретенный в Австралии многоканальный кохлеарный имплант (бионическое ухо), устройство для глухих . Со времен бионического уха появилось много бионических устройств, и продолжается работа над бионическими решениями для других сенсорных расстройств (например, зрения и баланса). Бионические исследования недавно предоставили методы лечения медицинских проблем, таких как неврологические и психические заболевания, например, болезнь Паркинсона и эпилепсия. ^[18]

В 1997 году колумбиец профессор Альваро Риос Поведа , исследователь бионики в Латинской Америке , разработал протез верхней конечности и руки с сенсорной обратной связью . Эта технология позволяет пациентам с ампутированными конечностями более естественным образом обращаться с системами протеза руки ^[19].

К 2004 году были разработаны полностью функциональные искусственные сердца . Ожидается значительный прогресс с появлением нанотехнологий . Хорошо известным примером предлагаемого наноустройства является респироцит , искусственная красная клетка, разработанная (хотя еще не построенная) Робертом Фрейтасом .

Квабена Боахен из Ганы был профессором кафедры биоинженерии Пенсильванского университета . За восемь лет работы в Пенсильвании он разработал кремниевую сетчатку, которая могла обрабатывать изображения так же, как живая сетчатка. Он подтвердил результаты, сравнив электрические сигналы от его кремниевой сетчатки с электрическими сигналами, производимыми глазом саламандры, когда две сетчатки смотрели на одно и то же изображение.

Группа Nichi-In работает над биомимитирующими каркасами в тканевой инженерии, стволовые клетки и регенеративная медицина дали подробную классификацию биомиметиков в медицине. ^[20]

21 июля 2015 года медицинский корреспондент BBC Фергус Уолш сообщил: «Хирурги в Манчестере установили первый бионический глазной имплантат пациенту с самой распространенной причиной потери зрения в развитом мире. Рэй Флинн, 80 лет, имеет сухой возраст. связанная с дегенерацией желтого пятна, которая привела к полной потере его центрального зрения. Он использует имплант сетчатки, который преобразует видеоизображения с миниатюрной видеокамеры, носимой на его очках. Теперь он может различать направление белых линий на экране компьютера. с использованием имплантата сетчатки ". Имплант, известный как Argus II, производится в США компанией Second Sight Medical Products., ранее использовался у слепых пациентов в результате редкого наследственного дегенеративного заболевания глаз пигментный ретинит . ^[21]

17 февраля 2020 года военный ветеран Даррен Фуллер стал первым человеком, получившим ^[22] бионическую руку. Фуллер потерял нижнюю часть правой руки во время отбывания срока в Афганистане во время инцидента, связанного с минометными боеприпасами в 2008 году.

Политика [ править ]

Политической формой биомимикрии является биорегиональная демократия , в которой политические границы соответствуют естественным экорегионам, а не человеческим культурам или результатам предыдущих конфликтов.

Критики этих подходов часто утверждают, что экологический отбор сам по себе является плохой моделью минимизации сложности производства или конфликтов, и что свободный рынок полагается на сознательное сотрудничество, согласие и стандарты в такой же мере, как и на эффективность - что более аналогично половому отбору . Сам Чарльз Дарвин утверждал, что оба эти фактора уравновешены естественным отбором, хотя его современники часто избегали откровенных разговоров о сексе или любых предположений о том, что успех на свободном рынке основан на убеждении, а не на ценности.

Защитники, особенно в антиглобалистском движении , утверждают, что подобные спариванию процессы стандартизации, финансирования и маркетинга уже являются примерами безудержной эволюции - создания системы, которая нравится потребителю, но неэффективна при использовании энергии и сырья. . Они утверждают, что биомимикрия - эффективная стратегия восстановления базовой эффективности.

Биомимикрия также является вторым принципом естественного капитализма .

Другое использование [ править ]

Бизнес-биомиметика - это последняя разработка в области применения биомиметики. В частности, он применяет принципы и практику от биологических систем к бизнес-стратегии, процессам, организационному дизайну и стратегическому мышлению. Он успешно используется в различных отраслях промышленности, таких как FMCG, оборона, центральное правительство, упаковка и бизнес-услуги. Основанный на работе Фила Ричардсона из Университета Бата ^[23], этот подход был запущен в Палате лордов в мае 2009 года.

В более конкретном смысле это метод творчества, который пытается использовать биологические прототипы для получения идей для инженерных решений. Этот подход мотивирован тем фактом, что биологические организмы и их органы были хорошо оптимизированы эволюцией . В химии биомиметический синтез - это химический синтез, вдохновленный биохимическими процессами.

Другое, более недавнее значение термина бионика относится к слиянию организма и машины. Такой подход приводит к созданию гибридной системы, объединяющей биологические и инженерные части, которую также можно назвать кибернетическим организмом ( киборгом ). Практическая реализация этого была продемонстрирована в экспериментах Кевина Уорвика с имплантатами, в результате которых ультразвуковые сигналы вводились через его собственную нервную систему.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

• Биомимикрия: инновации, вдохновленные природой . 1997. Джанин Бенюс .
• Биомимикрия для оптимизации, управления и автоматизации , Springer-Verlag, Лондон, 2005, Кевин М. Пассино
• «Идеи, украденные прямо у природы» ( Wired )
• Бионика и инженерия: значение биологии для инженерии, представленная на съезде Общества женщин-инженеров , Сиэтл, Вашингтон, 1983, Джилл Э. Стил
• Бионика: природа как модель . 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH, Мюнхен, Umweltstiftung WWF Deutschland
• Липов А.Н. «У истоков современной бионики. Биоморфологическое образование в искусственной среде» Полигнозис . №1–2. 2010. Ch. 1–2. С. 126–136.
• Липов А.Н. «У истоков современной бионики. Биоморфологическое образование в искусственной среде». Полигноз . № 3. 2010. Часть 3. Стр. 80–91.

Внешние ссылки [ править ]

Институты [ править ]

• Бионика Квинсленд
• Центр инженерии, вдохновленной природой при UCL (Университетский колледж Лондона)
• Биологическая робототехника в Университете Талсы
• Институт Висс по биологической инженерии
• Институт биомимикрии
• Центр биологически вдохновленного дизайна
• Группа биологически вдохновленного дизайна в Лаборатории дизайна и интеллекта Технологического института Джорджии
• Центр биологических материалов и систем материалов
• Биологически вдохновленная разработка продуктов в Университете Мэриленда
• Институт биологических материалов
• Центр биологических исследований робототехники при Университете Кейс Вестерн Резерв
• Институт биологических материалов
• Биоинженерия в Прикладном университете Куфштайна, Австрия
• Лаборатория инженерной мысли, вдохновленной природой, в Университете штата Пенсильвания

• СМИ, связанные с бионикой, на Викискладе?