¿Cuál es el origen de la biónica?
El término biónica fue acuñado por el estadounidense John Steele en 1960 basándose en el latín "bios" (que significa modo de vida) y el sufijo "nlc" (que significa "que tiene las propiedades de..."). Él cree que "la biomimética es la ciencia del estudio de sistemas que imitan sistemas biológicos, tienen características de sistemas biológicos o funcionan de manera similar a los sistemas biológicos". Aunque los seres humanos siguen recibiendo nuevas inspiraciones del mundo biológico durante la evolución de la civilización, el nacimiento de la biónica suele estar marcado por la convocatoria del primer Simposio Americano de Biónica en 1960.
El ámbito de investigación de la biónica incluye principalmente: biónica mecánica, biónica molecular, biónica energética, biónica de información y control, etc.
La biónica mecánica estudia e imita las propiedades estáticas de la estructura gruesa y fina de los organismos, así como las propiedades dinámicas del movimiento relativo de cada componente del organismo en el cuerpo y el movimiento del organismo. en el medio ambiente. Por ejemplo, los edificios de luces largas y delgadas que imitan conchas marinas y columnas que imitan estructuras de fémur no sólo eliminan las áreas donde se concentra particularmente la tensión, sino que también utilizan la menor cantidad de materiales de construcción para soportar la carga máxima. En el ejército, se imita la estructura de surcos de la piel de delfín y se aplica piel de delfín artificial al casco del barco para reducir las corrientes de navegación y aumentar la velocidad;
La biónica molecular es el estudio y simulación de la catálisis enzimática. en los organismos vivos función, selectividad y permeabilidad de las membranas biológicas, análisis y síntesis de macromoléculas biológicas o sus análogos, etc. Por ejemplo, después de descubrir la estructura química de la hormona atrayente sexual de la polilla gitana, plaga del bosque, se sintetizó un compuesto orgánico similar, que puede atrapar y matar insectos machos en una trampa para insectos de campo con solo una diezmillonésima parte de un microgramo;
La biónica energética es el estudio y simulación de procesos de conversión de energía en organismos como la bioluminiscencia de órganos bioeléctricos y la conversión directa de energía química en energía mecánica por parte de los músculos;
La biónica de información y control es el estudio y simulación de los órganos sensoriales, el proceso de procesamiento de la información en los organismos vivos en términos de neuronas y redes neuronales, así como las actividades inteligentes de los centros de alto nivel. Por ejemplo, un "velocímetro de autocorrelación" basado en la respuesta optocinética de un gorgojo puede medir la velocidad de aterrizaje de un avión. Basado en el principio de funcionamiento de la red de supresión lateral de la retina del ojo compuesto del cangrejo herradura, se han desarrollado con éxito algunos dispositivos que pueden mejorar los contornos de la imagen, mejorar el contraste y así contribuir a la detección de objetivos borrosos. Se han establecido más de 100 tipos de modelos neuronales y se han construido nuevos ordenadores sobre esta base.
Imita el proceso de aprendizaje humano y crea una máquina llamada "perceptrón", que puede aprender cambiando el peso de las conexiones entre componentes mediante entrenamiento, logrando así el reconocimiento de patrones. Además, también estudia y simula mecanismos de control en sistemas biológicos como la homeostasis, el control de movimiento, la orientación y navegación de los animales, así como los aspectos biónicos de los sistemas hombre-máquina.
En alguna literatura, partes de la biónica molecular y de la energía se denominan biónica química, mientras que partes de la biónica de información y control se denominan neurobiónica.
El alcance de la biónica es muy amplio, y la biónica de información y control es un campo importante. Por un lado, se debe a la necesidad de que la automatización avance hacia el control inteligente y, por otro, a que la ciencia biológica se ha desarrollado hasta tal punto que el estudio del cerebro se ha convertido en el mayor desafío para la neurociencia. El aspecto biónico de la inteligencia artificial y la investigación de robots inteligentes (investigación sobre el reconocimiento de patrones biológicos, investigación y simulación de procesos de aprendizaje, memoria y pensamiento del cerebro, problemas de control, confiabilidad y coordinación en organismos vivos, etc.) es el enfoque principal de la investigación en biónica.
El control está estrechamente relacionado con la biónica de la información y la cibernética biológica. Ambos estudian procesos de control e información en sistemas biológicos y ambos utilizan modelos de sistemas biológicos. Sin embargo, el objetivo de la primera es principalmente construir sistemas de hardware artificiales prácticos, mientras que la cibernética biológica busca explicaciones del comportamiento biológico basadas en los principios generales de la cibernética y las teorías de la ciencia técnica.
El uso más amplio de métodos de analogía, simulación y modelos es la característica más destacada de los métodos de investigación biónica. El objetivo no es replicar directamente cada detalle, sino comprender cómo funcionan los sistemas biológicos, con el propósito central de lograr funciones específicas. En general, se cree que existen los siguientes tres aspectos relacionados en la investigación biónica: prototipos biológicos, modelos matemáticos y modelos de hardware. El primero es la base, el segundo es el propósito y el modelo matemático es el puente indispensable entre ambos.
Debido a la complejidad de los sistemas biológicos, descubrir el mecanismo de un determinado sistema biológico requiere un largo ciclo de investigación, y resolver problemas prácticos requiere una estrecha colaboración entre múltiples disciplinas durante un largo período de tiempo, lo que limita la Razón principal de la velocidad de desarrollo de la biónica.
Otras ramas de la biología
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Adjunto: Algunos ejemplos de la "biónica"
Moscas y naves espaciales
Las molestas moscas parecen no tener nada que ver con la magnífica industria aeroespacial, pero la biónica las ha vinculado estrechamente.
Las moscas son conocidas como "cazadoras malolientes" y se pueden encontrar en cualquier lugar sucio y maloliente. Las moscas tienen un sentido del olfato especialmente sensible y pueden detectar olores a miles de metros de distancia. Pero una mosca no tiene "nariz", entonces, ¿cómo se basa en su sentido del olfato? Resulta que la "nariz" de la mosca, los receptores olfativos, se distribuyen en un par de antenas en la cabeza.
Cada "nariz" tiene sólo una "fosa nasal" conectada con el mundo exterior, que contiene cientos de células nerviosas olfativas. Si un olor entra en las "fosas nasales", estos nervios convierten inmediatamente la estimulación del olor en impulsos eléctricos nerviosos y los envían al cerebro. El cerebro puede distinguir diferentes sustancias odoríferas basándose en las diferencias en los impulsos eléctricos nerviosos generados por diferentes sustancias odoríferas. Por tanto, las antenas de la mosca actúan como un sensible analizador de gases.
Los científicos biónicos se inspiraron en esto y copiaron con éxito un pequeño analizador de gases muy peculiar basado en la estructura y función del órgano olfativo de la mosca. La "sonda" de este instrumento no es un metal sino una mosca viva. Consiste en insertar microelectrodos muy delgados en los nervios olfativos de las moscas y amplificar las señales nerviosas eléctricas guiadas por circuitos electrónicos y enviarlas al analizador una vez que el analizador detecta la señal de sustancias olorosas, puede hacer sonar una alarma. Este instrumento ha sido instalado en la cabina de la nave espacial para detectar la composición del gas en el interior de la cabina.
Este pequeño analizador de gases también puede medir gases nocivos en submarinos y minas. Utilizando este principio, también se puede utilizar para mejorar el dispositivo de entrada de la computadora y los principios estructurales del analizador de cromatografía de gases.
De las luciérnagas a la luz fría artificial
Desde que el hombre inventó la luz eléctrica, la vida se ha vuelto mucho más cómoda y rica. Sin embargo, las lámparas eléctricas sólo pueden convertir una pequeña parte de la energía eléctrica en luz visible, y la mayor parte del resto se desperdicia en forma de energía térmica, y los rayos de calor de las lámparas eléctricas son perjudiciales para los ojos humanos. Entonces, ¿existe una fuente de luz que sólo emita luz pero no genere calor? El ser humano ha vuelto a centrar su atención en la naturaleza.
En la naturaleza existen muchos organismos que pueden emitir luz, como bacterias, hongos, gusanos, moluscos, crustáceos, insectos y peces, etc., y la luz que emiten estos animales no produce calor, por eso se la conoce como "luz fría".
Entre los muchos animales luminosos, las luciérnagas son uno de ellos. Hay alrededor de 1.500 especies de luciérnagas. Los colores de la luz fría que emiten varían del amarillo verdoso al naranja, y el brillo de la luz también varía. La luz fría emitida por las luciérnagas no solo tiene una alta eficiencia luminosa, sino que también la luz fría emitida es generalmente muy suave, lo cual es muy adecuada para el ojo humano, y la intensidad de la luz es relativamente alta. Por tanto, la bioluz es una luz ideal para los humanos.
Los científicos han descubierto que los emisores de luz de las luciérnagas se encuentran en su abdomen. Este emisor de luz consta de tres partes: una capa luminiscente, una capa transparente y una capa reflectante. La capa luminiscente contiene miles de células luminiscentes, todas las cuales contienen luciferina y luciferasa. Bajo la acción de la luciferasa, la luciferina se combina con el oxígeno para emitir fluorescencia con la participación de agua intracelular. El brillo de las luciérnagas es esencialmente el proceso de convertir la energía química en energía luminosa.
Ya en la década de 1940, la gente creó lámparas fluorescentes basadas en investigaciones con luciérnagas, lo que provocó grandes cambios en las fuentes de iluminación humana. En los últimos años, los científicos primero aislaron luciferina pura de los emisores de luz de las luciérnagas, luego aislaron la luciferasa y luego utilizaron métodos químicos para sintetizar artificialmente la luciferina. Una fuente de luz biológica mezclada con luciferina, luciferasa, ATP (trifosfato de adenosina) y agua se puede utilizar como linterna en minas llenas de gas explosivo. Dado que este tipo de luz no tiene fuente de energía y no genera un campo magnético, puede usarse para limpiar minas magnéticas bajo la iluminación de fuentes de luz biológicas.
Ahora, las personas pueden obtener luz fría similar a la luz biológica mezclando ciertas sustancias químicas, que pueden usarse como iluminación de seguridad.
Peces eléctricos y baterías de voltios
Hay muchas criaturas en la naturaleza que pueden producir electricidad, y sólo de peces hay más de 500 especies. La gente se refiere a estos peces que pueden descargar electricidad como "peces eléctricos".
Los distintos peces eléctricos tienen diferentes capacidades de descarga. Los que tienen la mayor capacidad de descarga son las rayas eléctricas, los bagres eléctricos y las anguilas eléctricas. Una raya eléctrica de tamaño mediano puede producir alrededor de 70 voltios, mientras que la raya eléctrica africana puede producir hasta 220 voltios; el bagre eléctrico africano puede producir 350 voltios, la anguila eléctrica puede producir 500 voltios y hay una anguila eléctrica sudamericana. Puede producir voltajes de hasta 880 voltios, lo que lo convierte en el campeón de las descargas eléctricas. Se dice que puede matar animales grandes como los caballos.
¿Cuál es el secreto de la descarga eléctrica de los peces? Después de una investigación anatómica sobre peces eléctricos, finalmente se descubrió que existe un extraño órgano generador de energía en el cuerpo de los peces eléctricos. Estos generadores están hechos de muchas células translúcidas en forma de disco llamadas electroplacas o electrodiscos. Debido a que existen diferentes tipos de peces eléctricos, la forma, ubicación y cantidad de paneles eléctricos del generador son diferentes. El generador de la anguila eléctrica es prismático y está ubicado en los músculos a ambos lados de la columna de la cola; el generador del rayo eléctrico tiene forma de riñón plano, dispuesto a ambos lados de la línea media del cuerpo, con un total de 2 millones de placas eléctricas; Generador eléctrico del bagre Originarios de una especie de glándula, situada entre la piel y los músculos, existen alrededor de 5 millones de placas eléctricas. El voltaje generado por una sola placa eléctrica es muy débil, pero como hay muchas placas eléctricas, el voltaje generado es muy grande.
La extraordinaria capacidad del pez eléctrico ha despertado un gran interés entre la gente. A principios del siglo XIX, el físico italiano Volta diseñó la batería voltaica más antigua del mundo utilizando como modelo el órgano generador de energía del pez eléctrico. Debido a que esta batería está diseñada sobre la base del generador natural de peces eléctricos, se le llama "órgano eléctrico artificial". La investigación sobre peces eléctricos también ha dado a la gente esta revelación: si el órgano generador de energía del pez eléctrico se puede imitar con éxito, entonces los problemas de energía de barcos y submarinos se pueden resolver bien.
Las orejas de las medusas que protegen el viento
"Las golondrinas vuelan bajo para limpiar la lluvia, y las cigarras chirrían en medio de la lluvia y el cielo se aclara". el comportamiento de los seres vivos y los cambios en el clima. Todos los pescadores costeros saben que cuando los peces y medusas que viven en la costa nadan hacia el mar en grupos, indica que se avecina una tormenta.
La medusa, también llamada medusa, es un antiguo celenterado que flotaba en el océano hace ya 500 millones de años. Este animal inferior tiene el instinto de predecir tormentas. Cuando se acerca una tormenta, nada hacia el mar en busca de refugio.
Resulta que en el océano azul, las ondas infrasonidas (con una frecuencia de 8 a 13 veces por segundo) generadas por la fricción entre el aire y las olas son siempre el preludio de la tormenta que se avecina. Este tipo de infrasonido no puede ser percibido por el oído humano, pero las medusas pequeñas son muy sensibles. Los biónicos descubrieron que en la cavidad vibratoria de la oreja de la medusa hay un mango delgado. En el interior de la bola se encuentra una pequeña piedra auditiva. Cuando la onda infrasonida antes de la tormenta golpea la piedra auditiva de la medusa. oído, En este momento, la piedra que escucha estimula los receptores nerviosos en la pared de la bola, por lo que la medusa escucha el estruendo de la tormenta que se aproxima.
Los científicos biónicos modelaron la estructura y función de las orejas de las medusas para diseñar un predictor de tormentas en las orejas de las medusas, que simula con precisión el órgano de la medusa que detecta las ondas infrasonidas. Este instrumento está instalado en la cubierta delantera del barco cuando recibe las ondas infrasonidas de la tormenta, puede hacer que la bocina que gira 360° deje de girar por sí sola. La dirección que apunta es la dirección de la tormenta; La lectura en el indicador puede indicarle la intensidad de la tormenta. Este tipo de predictor puede predecir tormentas con 15 horas de antelación, lo que es de gran importancia para la seguridad de la navegación y la pesca.