Ejemplos de inventos y creaciones naturales que aprendimos.
¿Qué habilidades únicas tienen varias criaturas en la naturaleza? ¿Qué inspiración dieron sus habilidades a los humanos? ¿Qué tipo de máquinas pueden crear los humanos imitando estas habilidades? Aquí nos gustaría presentarles una nueva ciencia: la biónica.
La biomimética se refiere a la ciencia de construir dispositivos tecnológicos imitando seres vivos. Es una ciencia de vanguardia que surgió a mediados de este siglo. La biónica estudia la estructura, función y principios de funcionamiento de los objetos y trasplanta estos principios a la tecnología de ingeniería para inventar instrumentos, dispositivos y máquinas con un rendimiento superior y crear nuevas tecnologías. A pocas décadas del nacimiento y desarrollo de la biónica, los resultados de su investigación han sido muy impresionantes. La llegada de la biónica ha abierto un camino único para el desarrollo tecnológico, es decir, la búsqueda de un modelo del mundo biológico, que ha ampliado enormemente los horizontes de las personas y demostrado una fuerte vitalidad.
La biónica humana tiene una larga historia.
Desde la antigüedad, la naturaleza ha sido la fuente de diversas ideas tecnológicas humanas, principios de ingeniería e inventos importantes. Después de un largo proceso de evolución, una amplia variedad de comunidades biológicas pueden adaptarse a los cambios del entorno para sobrevivir y desarrollarse. El trabajo crea seres humanos. En la práctica productiva a largo plazo, el ser humano ha promovido el desarrollo del sistema nervioso, especialmente del cerebro, con su cuerpo erguido, manos que pueden trabajar y lenguaje para comunicar emociones y pensamientos. Por lo tanto, las incomparables habilidades y sabiduría de los seres humanos superan con creces a todos los grupos del mundo biológico. Los seres humanos obtienen una mayor libertad en la naturaleza a través del trabajo y el uso de sus manos inteligentes y diestras para fabricar herramientas. La sabiduría humana no sólo se detiene en la observación y comprensión del mundo biológico, sino que también utiliza las habilidades únicas de pensamiento y diseño del ser humano para imitar seres vivos y aumentar las habilidades a través del trabajo creativo. Los peces tienen la capacidad de entrar y salir libremente en el agua, por lo que la gente imitaba la forma de los peces para construir botes y usaba remos de madera para imitar las aletas de los peces. Se dice que ya en la época de Yu el Grande, los trabajadores de la antigua China observaban peces nadando y girando con la cola balanceándose en el agua, por lo que colocaban remos de madera en la popa de sus barcos. A través de repetidas observaciones, imitaciones y prácticas, gradualmente cambió al timón de paletas, aumentó la potencia del barco y dominó los medios para volcarlo. De esta manera, la gente puede permitir que los barcos naveguen libremente incluso en ríos ondulados.
Los pájaros pueden extender sus alas y volar libremente en el aire. Según "Han Feizi", Lu Ban utilizó el bambú como pájaro y "le tomó más de tres días volar con éxito". Sin embargo, la gente prefiere imitar las alas de los pájaros y dejarse volar por el aire. Hace más de 400 años, el italiano Leonardo da Vinci y sus ayudantes diseccionaron cuidadosamente aves, estudiaron sus estructuras corporales y observaron atentamente su vuelo. Diseñó y construyó un ornitóptero, el primer avión construido por el hombre.
Estos inventos e intentos de imitar estructuras y funciones biológicas pueden considerarse los pioneros de la biónica humana y el germen de la biónica.
Comparación que invita a la reflexión
Aunque el comportamiento biónico humano ha tomado forma, antes de la década de 1940, la gente no consideraba conscientemente la biología como la fuente de ideas e invenciones de diseño. La investigación de los científicos en biología sólo se limita a describir la exquisita estructura y las funciones perfectas de los organismos vivos. El personal técnico y de ingeniería confía más en su propia excelente sabiduría, trabajo duro e invención artificial. Rara vez aprenden biología de forma consciente. Pero los siguientes hechos pueden ilustrar que algunos de los problemas técnicos que enfrenta la gente aparecieron en el mundo biológico hace millones de años y se resolvieron en el proceso de evolución. Sin embargo, los humanos no han recibido la iluminación que merecen del mundo biológico.
400 años después de que Leonardo da Vinci estudiara el vuelo de las aves y construyera el primer avión, después de un largo período de práctica repetida, la gente finalmente inventó el avión en 1903, haciendo realidad el sueño de volar hacia el cielo. Gracias a la mejora continua, 30 años después, los aviones humanos superaron a las aves en velocidad, altitud y distancia de vuelo, demostrando la sabiduría y el talento humanos. Sin embargo, a medida que continuaban desarrollando aviones más rápidos y que volaban más alto, los diseñadores encontraron otro problema: el aleteo en la aerodinámica. Cuando un avión vuela, las vibraciones de las alas son perjudiciales. Cuanto más rápida era la velocidad de vuelo, más fuerte era el aleteo de las alas, e incluso las alas se rompieron, lo que provocó que el avión se estrellara y muchos pilotos de pruebas perdieran la vida. Los diseñadores de aviones se esforzaron mucho en eliminar los fenómenos dañinos de aleteo y les llevó mucho tiempo encontrar una solución al problema. El dispositivo de lastre está situado lejos del borde de ataque del ala, eliminando así las vibraciones nocivas. Sin embargo, los insectos han estado volando en el aire hace 300 millones de años y todos se ven afectados por el aleteo. Durante un largo período de evolución, los insectos han adquirido con éxito formas de evitar el parloteo. Cuando los biólogos estudiaron las alas de las libélulas, descubrieron que había un área oscura y espesa de queratina sobre el borde anterior de cada ala: un ojo de ala o un nevo de ala. Si se quitaran los ojos de las alas, el vuelo se volvería tambaleante. Los experimentos han demostrado que es el tejido córneo del ojo del ala el que elimina el peligro de batir las alas de la libélula, similar al magnífico invento del diseñador. Si los diseñadores aprenden primero la función de los ojos de las alas de los insectos y obtienen ideas de diseño que conduzcan a resolver el aleteo, podrán evitar exploraciones a largo plazo y sacrificios de personal. ¡Frente a la mirada de las alas de la libélula, el diseñador del avión sintió como si hubiera conocido a la libélula demasiado tarde!
Estos tres ejemplos invitan a la reflexión e inspiran. Mucho antes de que aparecieran los humanos en la Tierra, varios organismos habían vivido en la naturaleza durante cientos de millones de años y habían adquirido la capacidad de adaptarse a la naturaleza durante la lucha a largo plazo por la supervivencia y la evolución. La investigación biológica puede demostrar que los mecanismos extremadamente precisos y completos que se forman durante el proceso de evolución les dan la capacidad de adaptarse a los cambios en el entorno interno y externo. Hay muchas habilidades fructíferas en biología. Como biosíntesis en el cuerpo, conversión de energía, recepción y transmisión de información, reconocimiento del mundo exterior, navegación, cálculo y síntesis direccional, etc. , mostrando ventajas que muchas máquinas no pueden igualar. Los seres vivos pequeños, sensibles, rápidos, eficientes, confiables y antiinterferentes son realmente sorprendentes.
El puente entre biología y tecnología
Desde que James Watt (1736 ~ 1819) inventó la máquina de vapor en 1782, la gente ha adquirido un tremendo poder en la lucha por la producción. En términos de tecnología industrial, básicamente resolvió los problemas de conversión, control y utilización de energía, lo que desencadenó la primera revolución industrial, y varias máquinas surgieron como hongos después de la lluvia. El desarrollo de la tecnología industrial ha ampliado y mejorado enormemente la aptitud física de las personas, liberándolas del trabajo manual pesado. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la gente experimentó la era eléctrica después de la máquina de vapor y avanzó hacia la era de la automatización.
La aparición de las computadoras electrónicas en la década de 1940 añadió una valiosa riqueza al tesoro de la ciencia y la tecnología humanas. Procesa decenas de miles de tipos de información en manos de las personas con tecnología confiable y eficiente, liberándolas del vasto océano de números e información. El uso de computadoras y equipos automatizados puede hacer que los procedimientos de producción complejos sean más fáciles y menos laboriosos. Ajustan y controlan con precisión los procedimientos de producción para que las especificaciones del producto sean precisas. Sin embargo, el dispositivo de control automático funciona según procedimientos fijos establecidos por personas, lo que hace que su capacidad de control sea muy limitada. Los dispositivos automáticos carecen de la capacidad de analizar y responder con flexibilidad al mundo exterior. Si ocurre alguna situación inesperada, el dispositivo automático dejará de funcionar o incluso provocará un accidente, lo cual es un defecto grave del propio dispositivo automático. Para superar esta deficiencia, no es más que "comunicación" entre varias partes de la máquina y entre la máquina y el entorno, es decir, el dispositivo de control automático tiene la capacidad de adaptarse a los cambios en el entorno interno y externo. Para resolver este problema, es necesario aceptar y transformar la tecnología de la ingeniería. Cuestiones de uso y control de la información. Por tanto, el uso y control de la información se han convertido en las principales contradicciones en el desarrollo de la tecnología industrial. ¿Cómo resolver esta contradicción? El mundo biológico ha proporcionado una útil iluminación a la humanidad.
Para inspirarse en los sistemas biológicos, los humanos primero deben estudiar si existen * * * características idénticas entre los dispositivos biológicos y tecnológicos.
La teoría de la regulación, que surgió en la década de 1940, compara los seres vivos y las máquinas en un sentido general. En 1944, algunos científicos habían dejado claro que una serie de cuestiones como la comunicación, el control automático y la mecánica estadística entre máquinas y organismos eran consistentes. Sobre la base de esta comprensión, en 1947 surgió una nueva disciplina: la cibernética.
Cibernética proviene del griego, y su significado original es “girar”. Según la definición de Norbert Wiener (1894 ~ 1964), uno de los fundadores de la cibernética, la cibernética es "la ciencia del control y la comunicación en animales y máquinas". Aunque esta definición es demasiado simple y es sólo un subtítulo del trabajo clásico de Wiener sobre cibernética, conecta directamente la comprensión que las personas tienen de los seres vivos y las máquinas.
La visión básica de la cibernética es que existe una cierta * * * entidad entre los animales (especialmente los humanos) y las máquinas (incluidos varios dispositivos de automatización para comunicación, control y cálculo), es decir, sus sistemas de control. Hay ciertas * * * mismas reglas en ellos. Según el estudio de la cibernética, el proceso de control de varios sistemas de control incluye la transmisión, conversión y procesamiento de información. El funcionamiento normal del sistema de control depende del proceso normal de transmisión de información. El llamado sistema de control se refiere a la combinación orgánica de objetos controlados y varios componentes, componentes y circuitos de control en un todo con ciertas funciones de control. Desde una perspectiva de la información, un sistema de control es una red o sistema de canales de información. Existen muchas similitudes entre las máquinas y los sistemas de control en los organismos vivos, por lo que la gente ha generado un gran interés en los sistemas de automatización biológica, utilizando modelos físicos, matemáticos e incluso técnicos para realizar más investigaciones sobre los sistemas biológicos. Por lo tanto, la teoría del control se convierte en la base teórica que conecta la biología y la tecnología de la ingeniería. Convertirse en un puente entre los sistemas biológicos y tecnológicos.
Existen similitudes obvias entre los seres vivos y las máquinas, que pueden reflejarse en el estudio de los seres vivos en diferentes niveles. Desde células individuales simples hasta sistemas de órganos complejos (como el sistema nervioso), existen diversos procesos fisiológicos regulados y controlados automáticamente. Podemos pensar en un organismo como una máquina con habilidades especiales. Lo que lo diferencia de otras máquinas es que también tiene la capacidad de adaptarse al entorno externo y reproducirse. También se puede comparar un organismo con una fábrica automatizada. Todas sus funciones siguen las leyes de la mecánica; sus diversas estructuras funcionan en armonía, pueden responder cuantitativamente a ciertas señales y estímulos, y pueden controlarlos a través de una retroalimentación especial que vincula a la organización consigo misma; -regular de forma autocontrolada. Por ejemplo, la temperatura corporal constante, la presión arterial normal y la concentración normal de azúcar en sangre en nuestro cuerpo son el resultado de la regulación del complejo sistema de control automático del cuerpo. El surgimiento y desarrollo de la cibernética ha tendido un puente entre los sistemas biológicos y los sistemas técnicos, lo que ha provocado que muchos ingenieros busquen conscientemente nuevas ideas y principios de diseño a partir de los sistemas biológicos. Por lo tanto, existe una tendencia entre los ingenieros a tomar la iniciativa de aprender conocimientos de ciencias biológicas para lograr resultados con los biólogos en el campo de la tecnología de ingeniería.