Бионика или биологически вдохновленная 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 искусственными 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 растения -цветка лотоса ( эффект лотоса ). [3]
Термин « биомиметический » предпочтителен для обозначения химических реакций, таких как реакции, в которых в природе участвуют биологические макромолекулы (например, ферменты или нуклеиновые кислоты), химический состав которых можно воспроизвести in vitro с использованием гораздо меньших молекул. [4]
Название «биомиметика» было придумано Отто Шмиттом в 1950-х годах. Термин «бионика» был позже введен Джеком Э. Стилом в августе 1958 года, когда он работал в Отделении аэронавтики на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо . [7] Однако такие термины, как биомимикрия или биомиметика, являются предпочтительными, чтобы избежать путаницы с медицинским термином «бионика». По совпадению, Мартин Кейдин использовал это слово в своем романе 1972 года «Киборг» , который был адаптирован в телефильме и последующем сериале «Человек на шесть миллионов долларов» . Кейдин долгое время писал статьи об авиационной отрасли, прежде чем полностью посвятить себя художественной литературе.
Методы
Застежка-липучка была вдохновлена крошечными крючками, найденными на поверхности боров .
При изучении бионики часто делается упор на реализацию функций, обнаруженных в природе, а не на имитацию биологических структур. Например, в информатике кибернетика моделирует механизмы обратной связи и управления, присущие разумному поведению, тогда как искусственный интеллект моделирует интеллектуальную функцию независимо от того, каким конкретным способом она может быть достигнута.
Сознательное копирование примеров и механизмов из природных организмов и экологии — это форма прикладного рассуждения, основанного на прецедентах , рассматривающего саму природу как базу данных решений, которые уже работают. Сторонники утверждают, что избирательное давление , оказываемое на все естественные формы жизни, сводит к минимуму и устраняет неудачи.
В робототехнике бионика и биомиметика используются для применения способа движения животных при проектировании 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 подобранных на прогулке репейников, когда понял, как крючки репейников цепляются за шерсть.
Рогообразная пилообразная конструкция лезвий лесорубов , использовавшихся на рубеже XIX века для вырубки деревьев, когда это еще делалось вручную, была смоделирована после наблюдений за жуком- древоточцем . Лезвия были значительно более эффективными и произвели революцию в лесной промышленности.
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 малейшую часть света.
Резилин — это заменитель каучука, созданный путем изучения материала, также обнаруженного у членистоногих.
Джулиан Винсент опирался на изучение сосновых шишек , когда в 2004 году разработал «умную» одежду, которая адаптируется к изменяющимся температурам. «Мне нужна была неживая система , которая бы реагировала на изменения влажности, изменяя форму», — сказал он. «У растений есть несколько таких систем, но большинство из них очень маленькие: сосновая шишка самая большая, и поэтому с ней легче всего работать». Сосновые шишки реагируют на повышенную влажность, открывая чешуйки (чтобы рассеять семена). «Умная» ткань делает то же самое: раскрывается, когда пользователю жарко и потеет, и плотно закрывается, когда холодно.
«Морфирующиеся крылья самолета», меняющие форму в зависимости от скорости и продолжительности полета, были разработаны в 2004 году учеными-биомиметиками из Университета штата Пенсильвания . Морфинг крыльев был вдохновлен различными видами птиц, у которых крылья разной формы в зависимости от скорости, с которой они летают. Чтобы изменить форму и основную структуру крыльев самолета, исследователям необходимо было сделать так, чтобы покрывающая их кожа также могла изменяться, что их конструкция и обеспечивает, покрывая крылья чешуей, напоминающей рыбью, которая могла бы скользить друг по другу. В некотором смысле это усовершенствованная конструкция поворотного крыла .
Некоторые краски и черепица были разработаны с возможностью самоочистки путем копирования механизма лотоса Нелумбо . [8]
Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) представляют собой 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 спирально или хирально , а с температурой шаг этой спиральной структуры меняется, отражая разные длины волн света. Компания Chiral Photonics, Inc. абстрагировала самоорганизующуюся структуру органических ХЖК для производства аналогичных оптических устройств с использованием крошечных отрезков неорганического скрученного стекловолокна . [9]
Было изучено строение крыльев синей морфо-бабочки и имитировано то, как она отражает свет, чтобы создать RFID- метку, 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-киборгов» подразумевают сочетание естественных экологических процессов с технологическими, имитирующими экологические функции. В результате создается саморегулирующаяся гибридная система. [13] Исследования в этой области были инициированы Говардом Т. Одумом , [14] который воспринимал структуру и энергетическую динамику экосистем как аналог потока энергии между компонентами электрической цепи.
Медицинские клеи, включающие клей и крошечные нановолоски, разрабатываются на основе физических структур, обнаруженных в ногах гекконов.
Компьютерные вирусы также имеют сходство с биологическими вирусами, атакуя программно-ориентированную информацию с целью самовоспроизведения и распространения.
Система охлаждения здания Истгейт-центра в Хараре была смоделирована по образцу термитника для достижения очень эффективного пассивного охлаждения.
Клей, который позволяет мидиям прилипать к камням, пирсам и корпусам лодок, вдохновил биоадгезивный гель для кровеносных сосудов . [15]
Область бионики вдохновила на создание новых конструкций самолетов, которые предлагают большую маневренность и другие преимущества. Это описано Джеффом Спеддингом, Монсом Розеном и Андерсом Хеденстремом в статье в Журнале экспериментальной биологии . [16] Подобные заявления были также сделаны Джоном Виделером и Эйзом Стамхейсом в их книге «Птичий полет» [17] и в статье, которую они представили в журнале Science о LEV. [18] Эти исследования в области бионики также могут быть использованы для создания более эффективных вертолетов или миниатюрных БПЛА , как заявил Брет Тобальски в статье в журнале Science о колибри . [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]
Биологическое механическое устройство может генерировать плазму в воде посредством кавитации, используя морфологически точную клешню креветки. Подробно это описали Синь Тан и Дэвид Стаак в статье, опубликованной в журнале Science Advances . [22]
Конкретное использование термина
Индуцированная сенсомоторная пластичность мозга контролирует боль в фантомной конечности.
В медицине
Бионика означает поток концепций из биологии в инженерию и наоборот. Таким образом, существуют 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 бионики, Bionik , всегда придерживается более широкого значения, пытаясь разрабатывать инженерные решения на основе биологических моделей. Этот подход мотивирован тем фактом, что биологические решения обычно оптимизируются эволюционными силами.
Хотя технологии, которые делают возможными бионические имплантаты, постепенно развиваются, существует несколько успешных бионических устройств, широко известным из которых является изобретенный в Австралии многоканальный кохлеарный имплант (бионическое ухо), устройство для глухих людей. Со времени создания бионического уха появилось множество бионических устройств, и продолжается работа над бионическими решениями для других сенсорных расстройств (например, зрения и равновесия). Бионические исследования недавно обеспечили лечение таких медицинских проблем, как неврологические и психиатрические заболевания, например, болезнь Паркинсона и эпилепсия . [23]
К 2004 году были разработаны полнофункциональные искусственные сердца . Значительный прогресс ожидается с появлением нанотехнологий . Хорошо известным примером предлагаемого наноустройства является респироцит , искусственная красная клетка, разработанная (но еще не построенная) Робертом Фрейтасом .
За восемь лет работы на факультете биоинженерии Пенсильванского университета Квабена Боахен разработал кремниевую сетчатку , способную обрабатывать изображения так же, как живая сетчатка. Он подтвердил результаты, сравнив электрические сигналы, поступающие от его кремниевой сетчатки, с электрическими сигналами, создаваемыми глазом саламандры , когда обе сетчатки смотрели на одно и то же изображение.
21 июля 2015 года медицинский корреспондент Би-би-си Фергюс Уолш сообщил: «Хирурги в Манчестере выполнили первую бионическую глазную имплантацию пациенту с наиболее распространенной причиной потери зрения в развитом мире. 80-летний Рэй Флинн высох. возрастная дегенерация желтого пятна , которая привела к полной потере центрального зрения. Он использует имплантат сетчатки, который преобразует видеоизображения с миниатюрной видеокамеры, надетой на его очки. Теперь он может различать направление белых линий на компьютере. экран с использованием имплантата сетчатки». Имплантат, известный как Argus II и производимый в США компанией Second Sight Medical Products , ранее использовался у пациентов, ослепших в результате редкого наследственного дегенеративного заболевания глаз — пигментного ретинита . [25]
В 2016 году Тилли Локки (родилась 7 октября 2005 г.) была оснащена парой бионических «Hero Arms», произведенных OpenBionics , британским бионическим предприятием. Hero Arm — это легкий миоэлектрический протез для взрослых и детей с ампутированной конечностью ниже локтя в возрасте восьми лет и старше. Тилли Локки, которой в 15 месяцев ампутировали обе руки после того, как у нее диагностировали штамм B менингококкового сепсиса , описывает Hero Arms как «действительно реалистичные, до такой степени, что было довольно жутко, насколько они реалистичны». [26]
17 февраля 2020 года Даррен Фуллер, ветеран вооруженных сил, стал первым человеком, получившим бионическую руку в рамках системы общественного здравоохранения. [27] Фуллер потерял нижнюю часть правой руки во время отбывания срока в Афганистане во время инцидента с минометными боеприпасами в 2008 году.
Другое использование
Бизнес-биомиметика – это новейшая 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 ряде отраслей промышленности, включая FMCG , оборону, центральное правительство, упаковку и бизнес-услуги. Этот подход, основанный на работе Фила Ричардсона из Университета Бата [28], был представлен Палате лордов в мае 2009 года.
Как правило, биометрия используется как метод творчества , изучающий биологические прототипы для получения идей для инженерных решений.
Другое, более современное значение термина «бионика» относится к слиянию организма и машины. Результатом такого подхода является гибридная система, объединяющая биологическую и инженерную части, которую также можно назвать кибернетическим организмом ( киборгом ). Практическая реализация этого была продемонстрирована в экспериментах Кевина Уорвика с имплантатами, обеспечивающими воздействие ультразвука через его собственную нервную систему.
^ Дарманен, Тьерри; Гиттар, Фредерик (2015). «Супергидрофобные и суперолеофобные свойства в природе». Материалы сегодня . 18 (5): 273–285. дои : 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 года в Wayback Machine . Duke.edu. Проверено 23 апреля 2011 г.
^ Винсент, JFV; 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. дои : 10.1098/rsif.2006.0127. ПМЦ 1664643 . ПМИД 16849244.
^ Сто Лотусан - Краска для биомимикрии. Дерево Hugger. Проверено 23 апреля 2011 г.
^ «Хиральная фотоника» . Проверено 3 февраля 2023 г.
^ «Крылья бабочек ослепляют науку | Университет Саутгемптона» . www.southampton.ac.uk . Проверено 3 февраля 2023 г.
^ RFID в воде и на металле с надежностью 99,9% (эпизод 015), RFID Radio
^ Наносенсоры, вдохновленные крыльями бабочки (Wired UK). Архивировано 17 октября 2010 года в Wayback Machine . Wired.co.uk. Проверено 23 апреля 2011 г.
^ Кларк, О.Г.; Кок, Р.; Лакруа, Р. (1999). «Разум и автономия в инженерных биосистемах» (PDF) . Инженерные применения искусственного интеллекта . 12 (3): 389–399. CiteSeerX 10.1.1.54.635 . дои : 10.1016/S0952-1976(99)00010-X. Архивировано из оригинала (PDF) 18 августа 2011 года.
^ Говард Т. Одум (15 мая 1994 г.). Экологические и общие системы: введение в системную экологию. Университетское издательство Колорадо. ISBN978-0-87081-320-7. Проверено 23 апреля 2011 г.
↑ Бечири, Дамир (14 декабря 2012 г.). «Клей мидий вдохновляет на создание биоадгезивного геля для кровеносных сосудов». РобЭйд . Архивировано из оригинала 20 августа 2014 года.
^ Спеддинг, Греция; Розен, М.; Хеденстрем, А. (2003). «Семейство вихревых следов, создаваемых соловьем-дроздом в свободном полете в аэродинамической трубе во всем естественном диапазоне скоростей полета». Журнал экспериментальной биологии . 206 (14): 2313–2344. дои : 10.1242/jeb.00423 . ПМИД 12796450.
^ Джон Дж. Виделер (октябрь 2006 г.). Птичий полет. Издательство Оксфордского университета. ISBN978-0-19-929992-8. Проверено 23 апреля 2011 г.
^ Картье, Стефани (осень 2005 г.). «Расшифрованный полет колибри». Северо-Западная наука и технологии .
^ Как поворачиваются мухи? Архивировано 16 декабря 2009 года в Wayback Machine . Журналистика.berkeley.edu. Проверено 23 апреля 2011 г.
↑ Дизайн, вдохновленный природой. Архивировано 21 сентября 2009 г. в Wayback Machine , ESA.
^ Тан, Синь; Стаак, Дэвид (март 2019 г.). «Биологическое механическое устройство генерирует плазму в воде посредством кавитации». Достижения науки . 5 (3): eaau7765. Бибкод : 2019SciA....5.7765T. doi : 10.1126/sciadv.aau7765. ISSN 2375-2548. ПМК 6420313 . ПМИД 30899783.
^ «Бионические устройства». Бионика Квинсленд . Проверено 27 апреля 2018 г.
^ Риос, Альваро (2002). Материалы конференции MEC2002 (PDF) . Канада: Университет Нью-Брансуика. п. 120. ИСБН1-55131-029-5.
↑ Уолш, Фергюс (22 июля 2015 г.). «Первый в мире бионический глазной имплантат». Новости BBC онлайн . Проверено 21 июля 2015 г.
^ «Тилли Локки, девушка с бионическими руками: «Мое отличие - моя суперсила»» . УРеволюция . Проверено 17 июня 2022 г.
^ Репортеры, Телеграф (17 февраля 2020 г.). «Военный ветеран — первый человек, получивший напечатанную на 3D-принтере «геройскую руку» в Национальной службе здравоохранения» . Телеграф . ISSN 0307-1235 . Проверено 3 февраля 2023 г.
↑ Факультет машиностроения Университета Бата. Архивировано 17 августа 2009 года в Wayback Machine . Bath.ac.uk (21 февраля 2009 г.). Проверено 23 апреля 2011 г.
