Бионика или биологическая инженерия — это применение биологических методов и систем, встречающихся в природе, для изучения и проектирования инженерных систем и современных технологий . [1]
По мнению сторонников бионической технологии, передача технологий между формами жизни и изготовленными объектами желательна, поскольку эволюционное давление обычно заставляет живые организмы — фауну и флору — становиться оптимизированными и эффективными. Например, грязе- и водоотталкивающая краска (покрытие) была вдохновлена гидрофобными свойствами цветка лотоса ( эффект лотоса ). [3]
Термин « биомиметический » предпочтительнее использовать для обозначения химических реакций, таких как реакции, в природе в которых участвуют биологические макромолекулы (например, ферменты или нуклеиновые кислоты), химию которых можно воспроизвести in vitro с использованием гораздо меньших молекул. [4]
Примерами бионики в технике являются корпуса лодок, имитирующие толстую кожу дельфинов, или сонар , радар и медицинская ультразвуковая визуализация, имитирующая эхолокацию животных .
В исследовательской статье 2006 года подсчитано, что «в настоящее время существует лишь 12% совпадения между биологией и технологией с точки зрения используемых механизмов». [6] [ необходимо разъяснение ]
История
Название «биомиметика» было придумано Отто Шмиттом в 1950-х годах. Термин «бионика» был позже введен Джеком Э. Стилом в августе 1958 года во время работы в Доме аэронавтики на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо . [7] Однако термины вроде биомимикрии или биомиметики предпочтительны, чтобы избежать путаницы с медицинским термином «бионика». По совпадению, Мартин Кейдин использовал это слово для своего романа 1972 года «Киборг » , который был адаптирован в телевизионный фильм и последующий сериал « Человек за шесть миллионов долларов» . Кейдин долгое время был писателем в авиационной отрасли, прежде чем полностью посвятить себя художественной литературе.
Изучение бионики часто делает акцент на реализации функции, найденной в природе, а не на имитации биологических структур. Например, в компьютерной науке кибернетика моделирует механизмы обратной связи и управления, присущие интеллектуальному поведению, в то время как искусственный интеллект моделирует интеллектуальную функцию независимо от конкретного способа ее достижения.
Сознательное копирование примеров и механизмов из природных организмов и экологий является формой прикладного рассуждения на основе прецедентов , рассматривающего саму природу как базу данных решений, которые уже работают. Сторонники утверждают, что селективное давление, оказываемое на все естественные формы жизни , минимизирует и устраняет неудачи.
Хотя почти всю инженерию можно отнести к форме биомимикрии , современное происхождение этой области обычно приписывают Бакминстеру Фуллеру , а ее последующую классификацию в качестве отдельного направления или области изучения — Джанин Бениус .
Обычно в фауне или флоре существуют три биологических уровня, по которым можно моделировать технологию:
Имитация естественных методов производства
Имитация механизмов, встречающихся в природе (например, липучки )
В робототехнике бионика и биомиметика используются для применения способа передвижения животных к проектированию роботов. BionicKangaroo был основан на движениях и физиологии кенгуру.
Липучка — самый известный пример биомиметики. В 1948 году швейцарский инженер Жорж де Местраль чистил свою собаку от репейников, подобранных на прогулке, когда он заметил, как крючки репейников цепляются за шерсть.
Роговидная, пилообразная конструкция лезвий лесорубов , использовавшихся на рубеже XIX века для рубки деревьев, когда это все еще делалось вручную, была смоделирована после наблюдений за жуком-древоточцем . Лезвия были значительно более эффективными и, таким образом, произвели революцию в лесной промышленности.
Рефлекторы 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.
Резилин — это заменитель резины, созданный путем изучения материала, также встречающегося в организме членистоногих.
Джулиан Винсент опирался на исследования сосновых шишек , когда в 2004 году разработал «умную» одежду, которая адаптируется к изменению температуры. «Я хотел создать неживую систему , которая реагировала бы на изменения влажности, изменяя форму», — сказал он. «В растениях есть несколько таких систем, но большинство из них очень маленькие — шишка самая большая, и поэтому с ней легче всего работать». Шишки реагируют на повышенную влажность, открывая свои чешуйки (чтобы рассеять семена). «Умная» ткань делает то же самое, раскрываясь, когда владельцу тепло и он потеет, и плотно закрываясь, когда холодно.
«Морфинговые крылья самолета», которые меняют форму в зависимости от скорости и продолжительности полета, были разработаны в 2004 году учеными-биомиметиками из Университета штата Пенсильвания . Морфинговые крылья были вдохновлены различными видами птиц, которые имеют крылья разной формы в зависимости от скорости полета. Чтобы изменить форму и основную структуру крыльев самолета, исследователям нужно было сделать так, чтобы верхняя обшивка также могла меняться, что и делает их конструкция, покрывая крылья чешуей, вдохновленной рыбьими, которые могут скользить друг по другу. В некотором смысле это усовершенствование конструкции качающегося крыла .
Поверхность листа лотоса, визуализировано : микроскопический вид
Некоторые краски и черепица были разработаны с целью самоочищения, копируя механизм, используемый в лотосе Nelumbo . [8]
Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) — это тонкопленочный материал, часто используемый для изготовления термометров для аквариумов или колец настроения , которые меняют цвет при изменении температуры. Они меняют цвет, потому что их молекулы расположены в спиральной или хиральной структуре, и с температурой шаг этой спиральной структуры изменяется, отражая различные длины волн света. Chiral Photonics, Inc. абстрагировала самоорганизующуюся структуру органических ХЖК для производства аналогичных оптических устройств с использованием крошечных отрезков неорганического скрученного стекловолокна . [9]
Была изучена структура крыла голубой морфобабочки и сымитирован способ, которым она отражает свет, для создания RFID- метки, которую можно считывать через воду и на металле. [11]
Строение крыльев бабочек также вдохновило на создание новых наносенсоров для обнаружения взрывчатых веществ. [12]
Техноэкосистемы или системы «Эко-киборг» включают в себя соединение природных экологических процессов с технологическими, которые имитируют экологические функции. Это приводит к созданию саморегулирующейся гибридной системы. [13] Исследования в этой области были инициированы Говардом Т. Одумом , [14] который считал, что структура и энергетическая динамика экосистем аналогичны потоку энергии между компонентами электрической цепи.
Медицинские клеи, в состав которых входят клей и крошечные нановолоски, разрабатываются на основе физических структур, обнаруженных в лапках гекконов.
Компьютерные вирусы также демонстрируют сходство с биологическими вирусами, атакуя программно-ориентированную информацию с целью самовоспроизводства и распространения.
Система охлаждения здания Eastgate Centre в Хараре была создана по образцу термитника для достижения очень эффективного пассивного охлаждения.
Клей, позволяющий мидиям прикрепляться к камням, пирсам и корпусам лодок, послужил прототипом биоклеящего геля для кровеносных сосудов . [15]
Область бионики вдохновила на создание новых конструкций самолетов, которые предлагают большую маневренность наряду с другими преимуществами. Это было описано Джеффом Спеддингом, Монсом Розеном и Андерсом Хеденстрёмом в статье в Journal of Experimental Biology . [16] Аналогичные заявления были сделаны Джоном Виделером и Эйзом Стамхейсом в их книге Avian Flight, [17] и в статье, которую они представили в Science about LEVs. [18] Это исследование в области бионики также может быть использовано для создания более эффективных вертолетов или миниатюрных БПЛА , как заявил Брет Тобальске в статье в Science about Hummingbirds . [19] Калифорнийский университет в Беркли, а также ЕКА работали в аналогичном направлении и создали Robofly [20] (миниатюрный БПЛА) и Entomopter (БПЛА, который может ходить, ползать и летать). [21]
Био-инспирированное механическое устройство может генерировать плазму в воде посредством кавитации, используя морфологически точную клешню щелкающей креветки. Это было подробно описано Синь Таном и Дэвидом Стааком в статье, опубликованной в Science Advances . [22]
Конкретные применения термина
Индуцированная сенсомоторная пластичность мозга контролирует боль в фантомной конечности.
В медицине
Бионика относится к потоку концепций от биологии к инженерии и наоборот. Следовательно, существуют две немного отличающиеся точки зрения относительно значения 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 исходную функцию или даже превосходят ее.
Немецкий эквивалент бионики, Bionik , всегда придерживается более широкого значения, в том смысле, что он пытается разрабатывать инженерные решения из биологических моделей. Этот подход мотивирован тем фактом, что биологические решения обычно оптимизируются эволюционными силами.
В то время как технологии, которые делают бионические имплантаты возможными, развиваются постепенно, несколько успешных бионических устройств уже существуют, хорошо известным из которых является изобретенный в Австралии многоканальный кохлеарный имплантат (бионическое ухо), устройство для глухих людей. После бионического уха появилось много бионических устройств, и работа продвигается над бионическими решениями для других сенсорных расстройств (например, зрения и равновесия). Бионические исследования недавно предоставили лечение для таких медицинских проблем, как неврологические и психиатрические состояния, например, болезнь Паркинсона и эпилепсия . [23]
К 2004 году были разработаны полностью функциональные искусственные сердца . Значительный прогресс ожидается с появлением нанотехнологий . Известным примером предлагаемого наноустройства является респироцит , искусственный эритроцит, разработанный (хотя пока не созданный) Робертом Фрейтасом .
За восемь лет работы на кафедре биоинженерии в Университете Пенсильвании Квабена Боаэн разработал кремниевую сетчатку , способную обрабатывать изображения так же, как и живая сетчатка. Он подтвердил результаты, сравнив электрические сигналы от своей кремниевой сетчатки с электрическими сигналами, производимыми глазом саламандры, когда обе сетчатки смотрели на одно и то же изображение.
21 июля 2015 года медицинский корреспондент BBC Фергус Уолш сообщил: «Хирурги в Манчестере провели первую бионическую имплантацию глаза пациенту с наиболее распространенной причиной потери зрения в развитых странах. У 80-летнего Рэя Флинна сухая возрастная макулярная дегенерация , которая привела к полной потере центрального зрения. Он использует ретинальный имплант, который преобразует видеоизображения с миниатюрной видеокамеры, надетой на его очки. Теперь он может различать направление белых линий на экране компьютера с помощью ретинального импланта». Имплантат, известный как Argus II и произведенный в США компанией Second Sight Medical Products , ранее использовался у пациентов, которые были слепы в результате редкого наследственного дегенеративного заболевания глаз пигментного ретинита . [25]
В 2016 году Тилли Локи (родилась 7 октября 2005 года) была оснащена парой бионических «Hero Arms», произведенных OpenBionics , британским предприятием по бионике. Hero Arm — это легкий миоэлектрический протез для взрослых с ампутацией ниже локтя и детей в возрасте от восьми лет и старше. Тилли Локи, которой в возрасте 15 месяцев ампутировали обе руки после того, как ей поставили диагноз менингококкового сепсиса штамма B, описывает Hero Arms как «действительно реалистичные, до такой степени, что было довольно жутко, насколько они реалистичны». [26]
17 февраля 2020 года ветеран войны Даррен Фуллер стал первым человеком, которому была пересажена бионическая рука в рамках государственной системы здравоохранения. [27] Фуллер потерял нижнюю часть правой руки во время службы в Афганистане во время инцидента, связанного с минометными боеприпасами в 2008 году.
Другие применения
Бизнес-биомиметика — это новейшая разработка в области применения биомиметики. В частности, она применяет принципы и практику биологических систем к бизнес-стратегии, процессу, организационному дизайну и стратегическому мышлению. Она успешно используется в ряде отраслей в FMCG , обороне, центральном правительстве, упаковке и бизнес-услугах. Основанный на работе Фила Ричардсона из Университета Бата [28], подход был представлен в Палате лордов в мае 2009 года.
Обычно биометрия используется как творческий метод , который изучает биологические прототипы для получения идей для инженерных решений.
Другое, более позднее значение термина бионика относится к слиянию организма и машины. Этот подход приводит к гибридной системе, объединяющей биологические и инженерные части, которую также можно назвать кибернетическим организмом ( киборгом ). Практическая реализация этого была продемонстрирована в экспериментах Кевина Уорвика с имплантатами, которые обеспечивали ультразвуковой вход через его собственную нервную систему.
^ Дарманен, Тьерри; Гиттар, Фредерик (2015). «Супергидрофобные и суперолеофобные свойства в природе». Materials Today . 18 (5): 273–285. doi : 10.1016/j.mattod.2015.01.001 .
^ Непал, Дхрити; Кан, Сэвон; Адстедт, Катарина М.; Канхайя, Кришан; Боксталлер, Майкл Р.; Бринсон, Л. Кэтрин; Бюлер, Маркус Дж.; Ковени, Питер В.; Даял, Кошик; Эль-Авади, Джаафар А.; Хендерсон, Люк К.; Каплан, Дэвид Л .; Кетен, Синан; Котов, Николай А.; Шац, Джордж К. (28 ноября 2022 г.). «Иерархически структурированные биоинспирированные нанокомпозиты». Природные материалы . 22 (1): 18–35. дои : 10.1038/s41563-022-01384-1. ISSN 1476-1122. PMID 36446962. S2CID 254094123.
^ Исследовательские интересы Архивировано 15 октября 2012 г. на Wayback Machine . Duke.edu. Получено 23 апреля 2011 г.
^ Винсент, Дж. Ф. В.; Богатырева, О. А.; Богатырев, Н. Р.; Бойер, А. и Пал, А.-К. (2006). «Биомиметика — ее практика и теория». Журнал интерфейса Королевского общества . 3 (9): 471–482. doi :10.1098/rsif.2006.0127. PMC 1664643. PMID 16849244 .
^ Рот, Р. Р. (1983). «Основы бионики». Перспективы в биологии и медицине . 26 (2): 229–242. doi :10.1353/pbm.1983.0005. ISSN 1529-8795. PMID 6341959. S2CID 39473215.
^ Sto Lotusan – Biomimicry Paint. TreeHugger. Получено 23 апреля 2011 г.
^ "Chiral Photonics" . Получено 3 февраля 2023 г. .
^ «Крылья бабочек ослепляют наукой | Университет Саутгемптона». www.southampton.ac.uk . Получено 3 февраля 2023 г. .
^ RFID через воду и на металле с надежностью 99,9% (Эпизод 015), Радио RFID
^ Наносенсоры, вдохновленные крыльями бабочки (Wired UK) Архивировано 17 октября 2010 года на Wayback Machine . Wired.co.uk. Получено 23 апреля 2011 года.
^ Кларк, О. Г.; Кок, Р.; Лакруа, Р. (1999). «Разум и автономия в инженерных биосистемах» (PDF) . Инженерные приложения искусственного интеллекта . 12 (3): 389–399. CiteSeerX 10.1.1.54.635 . doi :10.1016/S0952-1976(99)00010-X. Архивировано из оригинала (PDF) 18 августа 2011 г.
↑ Howard T. Odum (15 мая 1994 г.). Экологические и общие системы: введение в системную экологию. University Press of Colorado. ISBN978-0-87081-320-7. Получено 23 апреля 2011 г.
^ Beciri, Damir (14 декабря 2012 г.). «Мидийный клей вдохновляет на создание биоадгезивного геля для кровеносных сосудов». RobAid . Архивировано из оригинала 20 августа 2014 г.
^ Spedding, GR; Rosén, M.; Hedenström, A. (2003). «Семейство вихревых следов, создаваемых соловьем-дроздом в свободном полете в аэродинамической трубе во всем его естественном диапазоне скоростей полета». Journal of Experimental Biology . 206 (14): 2313–2344. doi : 10.1242/jeb.00423 . PMID 12796450.
^ Джон Дж. Виделер (октябрь 2006 г.). Avian Flight. Oxford University Press. ISBN978-0-19-929992-8. Получено 23 апреля 2011 г.
^ Виделер, Дж. Дж.; Стамхейс, Э. Дж.; Повел, Г. Д. (2004). «Вихрь на переднем крае поднимает стрижей». Science . 306 (5703): 1960–1962. Bibcode :2004Sci...306.1960V. doi :10.1126/science.1104682. PMID 15591209. S2CID 28650231.
^ Как мухи поворачиваются? Архивировано 16 декабря 2009 г. на Wayback Machine . Journalism.berkeley.edu. Получено 23 апреля 2011 г.
^ Дизайн, вдохновленный природой Архивировано 21 сентября 2009 г. в Wayback Machine , ESA
^ Тан, Синь; Стаак, Дэвид (март 2019 г.). «Биоинспирированное механическое устройство генерирует плазму в воде с помощью кавитации». Science Advances . 5 (3): eaau7765. Bibcode :2019SciA....5.7765T. doi :10.1126/sciadv.aau7765. ISSN 2375-2548. PMC 6420313 . PMID 30899783.
^ "Бионические устройства". Bionics Queensland . Получено 27 апреля 2018 г.
^ Риос, Альваро (2002). Труды конференции MEC2002 (PDF) . Канада: Университет Нью-Брансуика. стр. 120. ISBN1-55131-029-5.
^ Уолш, Фергус (22 июля 2015 г.). "Первый в мире имплантат бионического глаза". BBC News Online . Получено 21 июля 2015 г.
^ "Тилли Локки, девушка с бионической рукой: "Моя особенность — моя суперсила"". URevolution . Получено 17 июня 2022 г. .
↑ Reporters, Telegraph (17 февраля 2020 г.). «Ветеран вооруженных сил — первый человек, получивший напечатанную на 3D-принтере «руку героя» в NHS». The Telegraph . ISSN 0307-1235 . Получено 3 февраля 2023 г.
↑ Department of Mechanical Engineering, University of Bath Архивировано 17 августа 2009 г. на Wayback Machine . Bath.ac.uk (21 февраля 2009 г.). Получено 23 апреля 2011 г.
