Бионика - Bionics

Для использования в других целях см. Бионический (значения).

Робот поведение (внизу) смоделировано по образцу таракан (вверху) и геккон (середина).

Бионика или же биологически вдохновленная инженерия применение биологических методов и систем, найденных в природа к изучению и дизайну инженерное дело системы и современные технологии.[1]

Слово бионический был придуман Джек Э. Стил в августе 1958 г. чемодан из биографиялогия и электроnics.[2] Он был популяризирован американским телесериалом 1970-х годов. Человек за шесть миллионов долларов и Бионическая женщина, оба основаны на романе Киборг к Мартин Кайден. Во всех из них есть люди, получившие различные сверхчеловеческие способности электромеханический имплантаты.

В передача технологии между формами жизни и искусственными объектами, согласно сторонникам бионической технологии, желательно, потому что эволюционное давление обычно заставляет живые организмы, включая фауну и флору, стать высокооптимизированными и эффективными. Классическим примером является разработка грязе- и водоотталкивающей краски (покрытия), исходя из того, что практически ничего не прилипает к поверхности. цветок лотоса завод ( эффект лотоса ).[нужна цитата ].

Термин «биомиметик» является предпочтительным, когда делается ссылка на химические реакции.[нужна цитата ] В этой области биомиметическая химия относится к реакциям, которые по своей природе включают биологические макромолекулы (например, ферменты или нуклеиновые кислоты), химический состав которых можно воспроизвести in vitro используя гораздо меньшие молекулы.

Примеры бионики в инженерии включают корпуса лодок, имитирующие толстую кожу дельфинов; сонар, радар, и медицинские УЗИ имитация изображений эхолокация животных.

В области Информатика, изучение бионики произвело искусственные нейроны, искусственные нейронные сети,[3] и рой интеллект. Эволюционные вычисления также был мотивирован идеями бионики, но развил идею дальше, моделируя эволюцию in silico и создание хорошо оптимизированных решений, которых никогда не было в природе.

По оценке Джулиан Винсент, профессор биомиметика на Университет Бата Департамента машиностроения, что «в настоящее время перекрытие между биология и технологии с точки зрения используемых механизмов ".[4][требуется разъяснение ]

История

Название биомиметик было придумано Отто Шмитт в 1950-е гг. Термин бионика был придуман Джек Э. Стил в августе 1958 г. во время работы на Дом Дивизиона Аэронавтики в База ВВС Райт-Паттерсон в Дейтон, 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 в своем романе 1972 года. Киборг, который вдохновил сериал Человек за шесть миллионов долларов. Кейдин долгое время писал об авиационной индустрии, прежде чем посвятить себя художественной литературе.

Методы

Липучка был вдохновлен крошечными крючками, найденными на поверхности боры.

Изучение бионики часто подчеркивает реализацию функции, обнаруженной в природе, а не имитацию биологических структур. Например, в информатике кибернетика пытается смоделировать механизмы обратной связи и контроля, присущие разумному поведению, в то время как искусственный интеллект пытается смоделировать интеллектуальную функцию независимо от того, каким конкретным способом она может быть достигнута.

Сознательное копирование примеров и механизмов из природных организмов и экологий - это форма прикладной аргументация по делу, рассматривая саму природу как базу данных уже работающих решений. Сторонники утверждают, что селективное давление размещен на всех естественные формы жизни сводит к минимуму и устраняет сбои.

Хотя почти все инженерное дело можно сказать, что это форма биомимикрия, современные истоки этой области обычно связывают с Бакминстер Фуллер и его более поздняя кодификация как дом или область исследования для Джанин Бенюс.

Как правило, в фауне или флоре есть три биологических уровня, после которых можно смоделировать технологию:

Примеры

  • В робототехника, бионика и биомиметика используются, чтобы применить способ передвижения животных в конструкции роботов. БионическийКенгуру был основан на движениях и физиологии кенгуру.
  • Липучка это самый известный пример биомиметики. В 1948 г. Швейцарский инженер Джордж де Местраль чистил свою собаку от заусенцев, поднятых на прогулке, когда понял, как крючки заусенцы цеплялась за мех.
  • Роговидная зубчатая конструкция для лесоруб лезвия, которые использовались на рубеже 19-го века для рубки деревьев, когда это все еще делалось вручную, были смоделированы после наблюдений за копанием леса жук. Это произвело революцию в отрасли, потому что лезвия работали намного быстрее при валке деревьев.
  • Отражатели кошачий глаз были изобретены Перси Шоу в 1935 г. после изучения механизма кошачьего глаза. Он обнаружил, что у кошек есть система отражающих клеток, известная как Tapetum lucidum, который был способен отражать мельчайший свет.
  • Леонардо да Винчи Летательные аппараты и корабли России - ранние примеры заимствования природы в инженерии.
  • Ресилин является заменой резины, которая была создана путем изучения материала, обнаруженного также у членистоногих.
  • Джулиан Винсент извлек из исследования сосновые шишки когда он разработал в 2004 году «умную» одежду, которая адаптируется к изменению температуры. "Я хотел неживой система которые будут реагировать 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 более высокую влажность тем, что «умная» ткань делает то же самое, раскрываясь, когда владелец теплый и потеет, и плотно закрывается, когда холодно.
  • «Морфирующие крылья самолета», которые меняют форму в зависимости от скорости и продолжительности полета, были разработаны в 2004 году учеными-биомиметиками из Государственный университет Пенсильвании. Морфинг крыльев был вдохновлен различными видами птиц, у которых крылья разной формы в зависимости от скорости, с которой они летают. Чтобы изменить форму и нижележащую структуру крыльев самолета, исследователям нужно было сделать так, чтобы покрывающая оболочка также могла изменяться, что и происходит в их конструкции, покрывая крылья чешуей в виде рыб, которые могли скользить друг по другу. В некотором смысле это доработка качели дизайн.
Поверхность листьев лотоса, оказано: вид под микроскопом
  • Некоторые краски и черепица обладают самоочищающейся способностью копировать механизм из Нелумбо лотос.[6]
  • Холестерические жидкие кристаллы (CLC) - это тонкопленочный материал, часто используемый для изготовления термометров для аквариумов или кольца настроения, которые меняют цвет при изменении температуры. Они меняют цвет, потому что их молекулы расположены в спиральный или же хиральный расположение и с температурой шаг этой спиральной структуры изменяется, отражая различные длины волн света. Компания Chiral Photonics, Inc. абстрагировала самособирающуюся структуру органических ХЖК для производства аналогичных оптических устройств с использованием крошечных отрезков неорганических скрученных стекловолокно.
  • Наноструктуры и физические механизмы, которые производят сияющий цвет бабочка крылья были воспроизведены in silico к Грег Паркер, профессор электроники и информатики Саутгемптонский университет и студент-исследователь Лука Платтнер в области фотоника, который электроника с помощью фотоны как носитель информации вместо электроны.
  • Структура крыла синего цвета морфо бабочка был изучен, и то, как он отражает свет, было имитировано, чтобы создать RFID бирка, которую можно прочитать в воде и на металле.[7]
  • Структура крыльев бабочек также вдохновила на создание новых наносенсоров для обнаружения взрывчатых веществ.[8]
  • Нейроморфный чипсы, кремний сетчатка или же улитки, имеет проводку, смоделированную после реальные нейронные сети. S.a .: возможность подключения.
  • Техноэкосистемы или системы «EcoCyborg» предполагают сочетание естественных экологических процессов с технологическими, которые имитируют экологические функции. Это приводит к созданию саморегулирующейся гибридной системы.[9] Исследования в этой области были инициированы Ховард Т. Одум,[10] кто воспринял структуру и всплывающий динамика экосистем как аналог потока энергии между компонентами электрической цепи.
  • Клеи медицинские включая клей и крошечные нано-волосы разрабатываются на основе физических структур ног гекконов.
  • Компьютерные вирусы также демонстрируют сходство с биологическими вирусами в том, что касается ограничения программно-ориентированной информации, направленной на самовоспроизведение и распространение.
  • Система охлаждения Eastgate Center строительство в Хараре был смоделирован после термитник для достижения очень эффективного пассивного охлаждения.
  • Клей, позволяющий моллюски биоадгезивный гель для приклеивания к камням, пирсам и корпусам лодок кровеносный сосуд.[11]
  • В области бионики могут быть созданы новые конструкции самолетов с гораздо большей маневренностью и другими преимуществами. Это было описано Джефф Спеддинг и Андерс Хеденстрём в статье в Журнал экспериментальной биологии. Аналогичные заявления сделали и Джон Виделер и Eize Stamhuis в их книге Авиан Полет[12] и в статье они представлены в Наука насчет левов.[13] Джон Виделер и Эйз Стамхейс с тех пор разработали реальные улучшения крыльев самолета, используя исследования бионики. Это исследование в области бионики также может быть использовано для создания более эффективных вертолетов или миниатюрных вертолетов. БПЛА. Об этом заявил Брет Тобальске в статье в Наука о Колибри.[14] Таким образом, Брет Тобальске начал работу по созданию этих миниатюрных БЛА, которые могут быть использованы для шпионажа. Калифорнийский университет в Беркли, а также ЕКА, наконец, также работали в аналогичном направлении и создали Робофлай[15] (миниатюрный БПЛА) и Энтомоптер (БПЛА, который может ходить, ползать и летать).[16]
  • Биовдохновленное 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 Достижения науки.[17]

Конкретное использование термина

Индуцированная сенсомоторная пластичность головного мозга контролирует боль у пациентов с фантомными конечностями-ncomms13209-s2

В медицине

Бионика относится к потоку концепций из биология к инженерное дело наоборот. Следовательно, есть две несколько разные точки зрения на значение этого слова.

В медицине бионика означает замену или улучшение органы или другие части тела механическими версиями. Бионические имплантаты отличаются от простых протезы очень точно имитируя исходную функцию или даже превосходя ее.

Немецкий эквивалент Bionics, Бионик, всегда придерживается более широкого значения, поскольку пытается разрабатывать инженерные решения на основе биологических моделей. Этот подход мотивирован тем фактом, что биологические решения обычно оптимизируются за счет эволюционный силы.

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

В 1997 г. Колумбийский Проф. Альваро Риос Поведа, исследователь бионики в Латинская Америка, разработал верхнюю конечность и руку протез с сенсорная обратная связь. Эта технология позволяет пациентам с ампутированными конечностями более естественным образом обращаться с системами протеза руки. [19]

К 2004 г. полностью работоспособен искусственные сердца были разработаны. Значительный прогресс ожидается с появлением нанотехнологии. Хорошо известным примером предлагаемого наноустройства является респироцит, искусственная красная клетка, разработанная (но еще не построенная) Роберт Фрейтас.

Квабена Боахен из Гана был профессором кафедры биоинженерии в Пенсильванский университет. За восемь лет в Пенсильвании он разработал кремний сетчатка которая могла обрабатывать изображения так же, как живая сетчатка. Он подтвердил результаты, сравнив электрические сигналы от его кремниевой сетчатки с электрическими сигналами, производимыми саламандра глаза, в то время как 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 г. BBC медицинский корреспондент Фергус Уолш сообщил: «Хирурги в Манчестере выполнили первый бионический глазной имплантат пациенту с наиболее частой причиной потери зрения в развитом мире. Рэй Флинн, 80 лет, страдает сухой возрастной дегенерацией желтого пятна, которая привела к полной потере зрения. центральное зрение. Он использует имплант сетчатки, который преобразует видеоизображения с миниатюрной видеокамеры на его очках. Теперь он может различать направление белых линий на экране компьютера с помощью имплантата сетчатки ". Имплант, известный как Аргус II и произведен в США компанией Медицинские товары Second Sight, ранее использовался у слепых в результате редкого наследственного дегенеративного заболевания глаз. пигментный ретинит.[21]

17 февраля 2020 года Даррен Фуллер, ветеран армии, стал первым, кто получил[22] бионическая рука. Фуллер потерял нижнюю часть правой руки во время отбывания срока в Афганистан во время инцидента, связанного с минометными боеприпасами в 2008 году.

Политика

Политическая форма биомимикрии биорегиональная демократия, при этом политические границы соответствуют естественным экорегионы а не человеческие культуры или результаты предыдущих конфликтов.

Критики этих подходов часто утверждают, что экологический отбор сам по себе является плохой моделью минимизации сложность изготовления или конфликт, и что свободный рынок полагается не только на эффективность, но и на сознательное сотрудничество, согласие и стандарты - что более похоже на половой отбор. Чарльз Дарвин сам утверждал, что оба были сбалансированы в естественный отбор - 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.

Адвокаты, особенно в антиглобалистское движение, утверждают, что схожие процессы стандартизации, финансирования и маркетинга уже являются примерами безудержная эволюция - создание 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 Естественный капитализм.

Другое использование

Биомиметика для бизнеса 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. Основано на работе Фила Ричардсона в Университет Бата[23] подход был запущен в Палате лордов в мае 2009 года.

В более конкретном смысле это техника творчества который пытается использовать биологический прототипы, чтобы получить идеи инженерных решений. Этот подход мотивирован тем, что биологические организмы и их органы были хорошо оптимизированы с помощью эволюция. В химии биомиметический синтез это химический синтез вдохновлен биохимический процессы.

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 (киборг ). Практическая реализация этого была продемонстрирована в Кевин Уорвик эксперименты с имплантатами, приведшие к УЗИ вход через его собственную нервную систему.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дорожная карта по обеспечению достаточности топлива в XXI веке Автор: доктор Стив Эсомба, опубликовано в 2012 г.
  2. ^ "бионика". Интернет-словарь этимологии.
  3. ^ интересы исследования В архиве 15 октября 2012 г. Wayback Machine. Duke.edu. Проверено 23 апреля 2011 г.
  4. ^ Винсент, Дж. Ф. В .; Богатырева, О. А .; Богатырев Н.Р .; Bowyer, A. & Pahl, A.-K. (2006). «Биомиметика - ее практика и теория». Журнал интерфейса Королевского общества. 3 (9): 471–482. Дои:10.1098 / rsif.2006.0127. ЧВК  1664643. PMID  16849244.
  5. ^ Рот, Р. Р. (1983). «Основы бионики». Перспективы биологии и медицины. 26 (2): 229–242. Дои:10.1353 / п.м.1983.0005. ISSN  1529-8795. PMID  6341959. S2CID  39473215.
  6. ^ Sto Lotusan - краска для биомимикрии. Дерево Hugger. Проверено 23 апреля 2011 г.
  7. ^ RFID через воду и металл с надежностью 99,9% (Эпизод 015), RFID Радио
  8. ^ Наносенсоры, вдохновленные крыльями бабочки (Wired UK) В архиве 17 октября 2010 г. Wayback Machine. Wired.co.uk. Проверено 23 апреля 2011 г.
  9. ^ Кларк, О.Г .; Kok, R .; Лакруа, Р. (1999). «Разум и автономия в инженерных биосистемах» (PDF). Инженерные приложения искусственного интеллекта. 12 (3): 389–399. CiteSeerX  10.1.1.54.635. Дои:10.1016 / S0952-1976 (99) 00010-X. Архивировано из оригинал (PDF) 18 августа 2011 г.
  10. ^ Ховард Т. Одум (15 мая 1994 г.). Экологические и общие системы: введение в системную экологию. Университетское издательство Колорадо. ISBN  978-0-87081-320-7. Получено 23 апреля 2011.
  11. ^ Бечири, Дамир. «Клей из мидий вдохновляет биоадгезивный гель для кровеносных сосудов». RobAid. В архиве с оригинала от 20 августа 2014 г.
  12. ^ Джон Дж. Виделер (октябрь 2006 г.). Авиан Полет. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-929992-8. Получено 23 апреля 2011.
  13. ^ Videler, J. J .; Stamhuis, EJ; Повель, Г.Д. (2004). «Передовые вихревые лифты-стрижи». Наука. 306 (5703): 1960–1962. Дои:10.1126 / science.1104682. PMID  15591209. S2CID  28650231.
  14. ^ Картье, Стефани (осень 2005 г.). «Расшифровка полета колибри». Северо-западная наука и технологии.
  15. ^ Как летают мухи? В архиве 16 декабря 2009 г. Wayback Machine. Journalism.berkeley.edu. Проверено 23 апреля 2011 г.
  16. ^ Дизайн, вдохновленный природой В архиве 21 сентября 2009 г. Wayback Machine, ЕКА
  17. ^ Тан, Синь; Staack, Дэвид (март 2019). «Биоинспирированное механическое устройство генерирует плазму в воде посредством кавитации». Достижения науки. 5 (3): eaau7765. Дои:10.1126 / sciadv.aau7765. ISSN  2375-2548. ЧВК  6420313. PMID  30899783.
  18. ^ «Бионические устройства». Бионика Квинсленд. Получено 27 апреля 2018.
  19. ^ Риос, Альваро (2002). Материалы конференции MEC2002 (PDF). Канада: Университет Нью-Брансуика. п. 120. ISBN  1-55131-029-5.
  20. ^ Биомиметики и NCRM, классификация биомиметиков Nichi-In Биомимикрия тканевая инженерия, стволовые клетки, клеточная терапия. Ncrm.org. Проверено 23 апреля 2011 г.
  21. ^ Уолш, Фергус (22 июля 2015 г.). «Первый в мире бионический глазной имплант». BBC News Online. Получено 21 июля 2015.
  22. ^ Военный ветеран первым напечатал на 3D-принтере `` руку героя '' на сайте NHS
  23. ^ Кафедра машиностроения, Университет Бата В архиве 17 августа 2009 г. Wayback Machine. Bath.ac.uk (21 февраля 2009 г.). Проверено 23 апреля 2011 г.

Источники

  • Биомимикрия: инновации, вдохновленные природой. 1997. Джанин Бенюс.
  • Биомимикрия для оптимизации, контроля и автоматизации, Springer-Verlag, Лондон, 2005, Кевин М. Пассино
  • «Идеи, украденные прямо у природы» (Проводной )
  • 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, München, Umweltstiftung WWF Deutschland
  • Липов А.Н. «У истоков современной бионики. Биоморфологическое образование в искусственной среде» Полигноз. №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.

внешняя ссылка

Институты