Biónica es una palabra formada añadiendo la palabra griega bion, que tiene el significado de vida, y la palabra ics, que tiene el significado de ingeniería. Sólo se ha utilizado desde aproximadamente 1960. Las funciones de los seres vivos son muy superiores a las de cualquier maquinaria artificial, y la biónica es una disciplina que realiza y aplica eficazmente funciones biológicas en ingeniería. Por ejemplo, sobre recepción de información (función sensorial), transmisión de información (función nerviosa), sistema de control automático, etc. , la estructura y función de este organismo han dado una gran inspiración al diseño mecánico. Se pueden dar ejemplos de biónica, como la aplicación de la forma del cuerpo o la estructura de la piel de los delfines (que pueden evitar turbulencias en la superficie del cuerpo al nadar) en los principios de diseño de los submarinos. La biomímesis también se considera una disciplina estrechamente relacionada con la cibernética. La cibernética compara principalmente los fenómenos de la vida con principios mecánicos, los estudia y explica.
Las moscas son propagadoras de bacterias y todo el mundo las odia. Las alas de las moscas (también llamadas barras de equilibrio) son "navegadores naturales" y la gente las imita para hacer "giroscopios vibratorios". Este tipo de instrumento se ha utilizado en cohetes y aviones de alta velocidad para realizar la conducción automática. El ojo de una mosca es un "ojo compuesto" que consta de más de 3000 ojos pequeños. La gente lo imitó e hizo "lentes de ojos de mosca". Una "lente de ojo compuesto" se compone de cientos o miles de lentes pequeñas dispuestas en secuencia, que pueden usarse como lente para crear una "cámara de ojo compuesto" que puede tomar miles de fotografías idénticas a la vez. Este tipo de cámara se ha utilizado para fabricar planchas de impresión y copiar una gran cantidad de pequeños circuitos en computadoras electrónicas, lo que ha mejorado enormemente la eficiencia y la calidad del trabajo. El "Fly Eye Lens" es un nuevo tipo de elemento óptico que tiene una variedad de usos.
¿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 evolutivo, una amplia variedad de comunidades biológicas pueden adaptarse a los cambios ambientales 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. A través del trabajo, el ser humano utiliza su propia inteligencia y destreza para fabricar herramientas, ganando así una mayor libertad en la naturaleza. 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 moverse 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. Según la leyenda, 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 remo, aumentó la potencia del bote 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.
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.
Ámbito de investigación de la biónica
El ámbito de investigación de la biónica incluye principalmente: biónica mecánica, biónica molecular, biónica energética, biónica de información y control, etc.
La biónica mecánica es el estudio e imitación de las propiedades estáticas de la estructura general y estructura fina de los organismos, así como el movimiento relativo de varios componentes en los organismos y las propiedades dinámicas de los organismos que se mueven en el medio ambiente. Por ejemplo, los edificios de luces largas y de cáscara delgada que imitan cáscaras y columnas que imitan estructuras femorales no sólo pueden eliminar áreas donde la tensión está particularmente concentrada, sino que también pueden soportar la carga máxima con la menor cantidad de materiales de construcción.
En el ejército, se imita la estructura de surcos de la piel de delfín y se aplican bolsas artificiales de piel de delfín al casco para reducir el tráfico de navegación y aumentar la velocidad;
La biónica molecular es el estudio y simulación de la acción catalítica de enzimas y biopelículas en organismos. Selectividad y permeabilidad, análisis y síntesis de macromoléculas biológicas o sus análogos. Por ejemplo, después de comprender la estructura química de la feromona sexual de la polilla gitana, plaga del bosque, se sintetizó un compuesto orgánico similar que puede atrapar y matar insectos macho en trampas para insectos de campo en dosis de una millonésima de microgramo;
La biónica energética es el estudio e imitación del proceso de conversión de energía en organismos vivos como la bioluminiscencia de órganos bioeléctricos y la conversión directa de energía química en energía mecánica por los músculos;
◇La biónica de información y control es Estudiar y simular los procesos de procesamiento de información en organismos vivos como órganos sensoriales, neuronas y redes neuronales, así como las actividades inteligentes de centros de alto nivel. Por ejemplo, un "velocímetro de autocorrelación" basado en la respuesta optocinética del gorgojo puede medir la velocidad de aterrizaje de un avión. Basado en el principio de funcionamiento de la red de supresión lateral del ojo compuesta del cangrejo herradura, se han desarrollado con éxito algunos dispositivos que pueden realzar los contornos de la imagen y mejorar el contraste, ayudando así a detectar objetos borrosos. Se establecieron más de 100 modelos de neuronas y se construyeron nuevas computadoras basadas en ellos.
Imitar el proceso de aprendizaje humano y crear una máquina llamada "perceptrón" que aprende entrenando y cambiando los pesos de las conexiones entre componentes, logrando así el reconocimiento de patrones. Además, estudia y simula mecanismos de control en sistemas biológicos, como la homeostasis, el control de movimiento, el posicionamiento y navegación de animales y la biónica de sistemas hombre-máquina.
En alguna literatura, las partes de la biónica molecular y la biónica energética se denominan biónica química, mientras que las partes de la biónica de información y control se denominan neurobiología.
El ámbito de la biónica es muy amplio, siendo la biónica de información y control un campo importante. Por un lado, esto se debe a que la automatización se ha convertido en un control inteligente y, por otro lado, a que la ciencia biológica se ha desarrollado hasta tal punto que el estudio del cerebro se ha convertido en el mayor desafío de la neurociencia. Los aspectos biónicos de la inteligencia artificial y la investigación de robots inteligentes: investigación sobre el reconocimiento de patrones biológicos, investigación y simulación del aprendizaje cerebral, procesos de memoria y pensamiento, confiabilidad y coordinación del control dentro de los organismos vivos, etc. -Es el aspecto 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. Pero el objetivo de la primera es principalmente construir sistemas prácticos de hardware artificial; por otra parte, la cibernética biológica busca explicar el comportamiento biológico a partir de los principios generales de la cibernética y las teorías científicas técnicas.
El uso más extendido de métodos de analogía, simulación y modelos es una característica destacada de los métodos de investigación biónica. El propósito no es replicar directamente cada detalle, sino comprender los principios de funcionamiento de los sistemas biológicos y lograr funciones específicas como propósito central. Generalmente se cree que la investigación en biónica tiene tres aspectos relacionados: prototipos biológicos, modelos matemáticos y modelos de hardware. El primero es el fundamento, el segundo es el propósito y el modelo matemático es el puente indispensable entre ambos.
Debido a la complejidad de los sistemas biológicos, se necesita un largo ciclo de investigación para descubrir el mecanismo de un sistema biológico, y se necesita mucho tiempo para trabajar en estrecha colaboración con múltiples disciplinas para resolver problemas prácticos, lo que limita La razón principal es la velocidad de desarrollo de la biónica.
El fenómeno de la biónica
Moscas y naves espaciales
Las molestas moscas parecen no tener nada que ver con la gran industria aeroespacial, pero la biónica las une estrechamente.
Las moscas son conocidas como "cosas malolientes". Se pueden encontrar en todas partes y tienen mal olor. Las moscas tienen un sentido del olfato especialmente sensible y pueden percibir olores a miles de metros de distancia. Pero las moscas no tienen "nariz". ¿De qué depende para actuar como sentido del olfato? Resulta que los receptores olfativos de la "nariz" de la mosca están distribuidos 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 ingresa a las fosas nasales, estos nervios convierten inmediatamente el estímulo del olor en impulsos eléctricos nerviosos que se envían al cerebro. El cerebro puede diferenciar entre diferentes sustancias olfativas en función de los diferentes impulsos eléctricos neuronales que producen. Por tanto, las antenas de la mosca actúan como un sensible analizador de gases.
Inspirándose en esto, la biónica imitó 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 de metal sino de una mosca viva. Se inserta un microelectrodo muy fino en el nervio olfatorio de la mosca y la señal eléctrica del nervio guiado se amplifica mediante un circuito electrónico y se envía al analizador que puede hacer sonar una alarma tan pronto como detecta una señal de sustancias olorosas. Este instrumento ha sido instalado en la cabina de la nave espacial para detectar la composición del gas en la cabina.
Este pequeño analizador de gases también puede medir gases nocivos en submarinos y minas. Este principio también se puede utilizar para mejorar el dispositivo de entrada de la computadora y el principio estructural del analizador cromatógrafo de gases.
De las luciérnagas a la luz artificial
Desde que el hombre inventó la luz eléctrica, la vida se ha vuelto más cómoda y rica. Pero las luces 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. Los rayos de calor de las luces eléctricas son perjudiciales para los ojos humanos. Entonces, ¿existe una fuente de luz que solo emita luz pero no genere calor? El ser humano ha vuelto a centrar su atención en la naturaleza.
En la naturaleza, muchos organismos pueden emitir luz, como bacterias, hongos, gusanos, moluscos, crustáceos, insectos y peces, etc., y la luz que emiten estos animales no genera calor, por lo que es También llamada "luz fría".
Entre los muchos animales luminosos, las luciérnagas son uno de ellos. Hay aproximadamente entre 65.438 y 500 especies de luciérnagas. Los colores de su luz fría varían del amarillo verdoso al naranja, y el brillo de su luz también es diferente. Las luciérnagas emiten luz fría, que no sólo tiene una alta eficiencia luminosa, sino que también es generalmente más suave, adecuada para el ojo humano y tiene una intensidad luminosa relativamente alta. Por tanto, la bioluminiscencia es una fuente de luz ideal para los humanos.
Los científicos descubrieron que el dispositivo emisor de luz de las luciérnagas se encuentra en el 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 la oxidación 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, que cambiaron en gran medida la fuente de iluminación humana. En los últimos años, los científicos primero aislaron luciferina pura de luciérnagas, luego aislaron luciferasa y luego sintetizaron luciferina artificialmente mediante métodos químicos. Una fuente de luz biológica compuesta de luciferina, luciferasa, ATP (trifosfato de adenosina) y agua puede utilizarse como linterna en minas llenas de gases explosivos. Dado que este tipo de lámpara no tiene fuente de energía y no genera un campo magnético, puede usarse para limpiar minas terrestres magnéticas bajo la iluminación de fuentes de luz biológicas.
Ahora, las personas pueden obtener luz fría similar a la bioluminiscencia para iluminación de seguridad mezclando algunos productos químicos.
Peces eléctricos y baterías de voltios
Muchas criaturas en la naturaleza pueden generar electricidad, y solo hay más de 500 especies de peces. La gente llama a estos peces que pueden descargar electricidad "peces eléctricos".
Los distintos peces eléctricos tienen diferentes técnicas de descarga. Las rayas eléctricas, los bagres y las anguilas tienen la mayor capacidad de descarga. Los torpedos de tamaño mediano pueden producir alrededor de 70 voltios, mientras que los torpedos africanos pueden producir hasta 220 voltios; el bagre eléctrico africano puede producir 350 voltios y las anguilas eléctricas pueden producir 500 voltios; Existe una anguila eléctrica sudamericana que puede generar voltajes de hasta 880 voltios y es conocida como la campeona de las descargas eléctricas. Se dice que mata animales grandes como los caballos.
¿Cuál es el secreto de la descarga eléctrica del pez? Después de una investigación anatómica sobre peces eléctricos, finalmente se descubrió que hay un extraño órgano generador de energía en el pez eléctrico. Estos generadores están formados por muchas células translúcidas en forma de disco llamadas electroplacas o electrodiscos. Debido a los diferentes tipos de peces eléctricos, la forma, posición y número de las placas eléctricas del generador también 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 torpedo tiene forma de riñón plano, está dispuesto a ambos lados de la línea media del cuerpo y tiene 2 millones de placas eléctricas. El generador eléctrico del bagre se origina en una especie de glándula situada entre la piel y los músculos y tiene alrededor de 5 millones de placas eléctricas. El voltaje generado por una sola placa es muy débil, pero debido a que hay muchas placas, el voltaje generado es muy grande.
Las extraordinarias habilidades de los peces eléctricos han despertado un gran interés.
A principios del siglo XIX, el físico italiano Volta diseñó la batería voltaica más antigua del mundo basada en el órgano generador de energía del pez eléctrico. Debido a que este tipo de batería está diseñada basándose en el generador natural del pez eléctrico, la investigación sobre el pez eléctrico, llamado "órgano eléctrico artificial", también ha dado a la gente esta iluminación: si el órgano generador de energía del pez eléctrico se puede imitar con éxito Entonces se puede resolver fácilmente y eficazmente los problemas de energía de barcos y submarinos.
¡Demandarte! ! ! ! ! ! !