¿Qué es la biónica?
La palabra biónica fue formada por Steele en Estados Unidos en 1960 a partir de la palabra latina "bios" (que significa estilo de vida) y el sufijo "nlc" (que significa "que tiene las propiedades de")).
Biónica es una palabra formada al añadir la palabra ics, que significa ingeniería, a la palabra griega bion, que significa vida. 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 la mosca es un "ojo compuesto" compuesto por más de 3.000 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.
[Editar este párrafo] La biónica del cuerpo humano 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. 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 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.
[Editar este párrafo] Una comparación que invita a la reflexión
Aunque el comportamiento biónico humano ha tomado forma, antes de la década de 1940, la gente no utilizaba conscientemente organismos como diseños Una fuente de ideas e invenciones . 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.
Durante la Primera Guerra Mundial, los submarinos se construyeron para necesidades militares y permitir a los barcos viajar bajo el agua. Cuando los ingenieros y técnicos diseñaron los submarinos originales, primero colocaron piedras o bloques de plomo sobre el submarino para hundirlo. Si era necesario elevarlo a la superficie, arrojaban piedras o pesas de plomo que habían traído consigo para devolver el casco a la superficie. Posteriormente se realizaron mejoras para variar el peso del submarino llenando y vaciando alternativamente los pontones. Posteriormente se cambió por un tanque de lastre, con válvula de escape en la parte superior y válvula de inyección de agua en la parte inferior. A medida que el tanque se llena de agua de mar, el peso del casco aumenta para poder sumergirse. También hay una cámara de buceo rápido si necesita bucear en caso de emergencia. Después de sumergir el casco en el agua, se descarga el agua de mar de la cámara de buceo rápido. Un submarino puede quedar semisumergido si una parte del tanque de lastre está llena de agua y otra parte está vacía. Cuando el submarino quiere flotar, se introduce aire comprimido en el tanque de agua para descargar el agua de mar. Una vez reducido el peso del agua de mar en el barco, el submarino puede flotar. Un dispositivo mecánico tan superior permite que el submarino se hunda y flote libremente. Pero más tarde se descubrió que el sistema ondulante del pez es mucho más simple de lo que la gente inventó. El sistema ondulante del pez es simplemente una vejiga natatoria inflada. La vejiga natatoria no está controlada por los músculos, sino que secreta oxígeno en la vejiga natatoria o reabsorbe parte del oxígeno en la vejiga natatoria para regular el contenido de gas en la vejiga natatoria y promover el libre hundimiento y flotación de los peces. Sin embargo, ya era demasiado tarde para inspirar y ayudar a los diseñadores de submarinos con un sistema de flotación y hundimiento de peces tan ingenioso.
El sonido es un elemento indispensable en la vida de las personas. A través del lenguaje, las personas comunican pensamientos y sentimientos, la música hermosa permite disfrutar del arte, y los ingenieros y técnicos también aplican sistemas acústicos a la producción industrial y la tecnología militar, convirtiéndose en uno de los mensajes más importantes. Desde la llegada de los submarinos, lo que sigue es cómo los barcos de superficie pueden encontrar la ubicación del submarino para evitar ataques furtivos después de que el submarino se hunde en el agua, y también es necesario determinar con precisión la posición y la distancia del barco enemigo para facilitar el ataque; . Así, durante la Primera Guerra Mundial, se utilizaron diversos medios en la lucha entre bandos opuestos en el mar, en el agua y en el agua. Los ingenieros navales también utilizan sistemas acústicos como medio importante de reconocimiento. En primer lugar, los hidrófonos, también conocidos como radiogoniómetros, detectan los barcos enemigos monitorizando el ruido que hacen cuando navegan. Mientras haya barcos enemigos navegando en las aguas circundantes, las máquinas y hélices harán ruido, que se podrá escuchar a través de hidrófonos, lo que permitirá detectar al enemigo a tiempo. Sin embargo, los hidrófonos en aquella época aún no eran perfectos y, por lo general, sólo podían captar el ruido de sus propios barcos. Para vigilar los barcos enemigos, el barco debe reducir la velocidad o incluso detenerse por completo para distinguir el ruido del submarino, que no es propicio para las operaciones de combate. Pronto, el científico francés Langevin (1872 ~ 1946) utilizó las propiedades de la reflexión ultrasónica para explorar con éxito barcos submarinos. Utilice un generador ultrasónico para emitir ondas ultrasónicas al agua. Si encuentra un objetivo, será reflejado y recibido por el receptor. En función del intervalo de tiempo y la dirección de los ecos recibidos se puede medir la dirección y la distancia del objetivo. En este caso se utiliza el llamado sistema de sonar. La gente se maravilló ante la invención de los sistemas de sonar artificiales y su excelencia en la detección de submarinos enemigos.
¿No sabías que los murciélagos y los delfines utilizaban libremente los sistemas de sonar de ecolocalización mucho antes de que aparecieran los humanos en la Tierra?
Durante mucho tiempo, los seres vivos viven en la naturaleza rodeados de sonido. Utilizan el sonido para encontrar comida, esconderse de los enemigos, aparearse y reproducirse. Por tanto, el sonido es una información importante para los seres vivos. El científico italiano Spallanger descubrió hace mucho tiempo que los murciélagos pueden volar a voluntad en completa oscuridad, no sólo para evitar obstáculos sino también para cazar insectos voladores. Pero después de taparle los oídos y sellarle la boca, no puede moverse en la oscuridad. Ante estos hechos, Sparanger llegó a una conclusión desagradable: los murciélagos pueden "ver" con los oídos y la boca. Pueden emitir ondas ultrasónicas con la boca y utilizar sus oídos para recibirlas cuando se reflejan en los obstáculos. Después de la Primera Guerra Mundial, en 1920, Hatay creía que los murciélagos emitían señales acústicas en frecuencias más allá del rango auditivo del oído humano. También se señaló que el método del murciélago para localizar objetivos era el mismo que el método de eco ultrasónico inventado por Ron Vanzhi durante la Primera Guerra Mundial. Desafortunadamente, el consejo de Hatay no atrajo la atención de la gente y los ingenieros no podían creer que los murciélagos tuvieran tecnología de "ecolocalización". No fue hasta la introducción de los instrumentos de medición electrónicos en 1983 que se confirmó plenamente que los murciélagos se localizan emitiendo ondas ultrasónicas. Pero esto ya no ayudó a los primeros inventos del radar y el sonar.
Por poner otro ejemplo, ya era demasiado tarde para estudiar el comportamiento de los insectos. 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 de los ojos de las alas 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.
[Editar este párrafo] El puente entre biología y tecnología
Desde que James Watt (1736 ~ 1819) inventó la máquina de vapor en 1782, la gente ha logrado enormes avances en la lucha por la producción. . motivación. 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.
[Editar este párrafo] El nacimiento de la biónica
Con las necesidades de producción y el desarrollo de la ciencia y la tecnología, desde la década de 1950, la gente se ha dado cuenta de que los sistemas biológicos son el principal medio Una de las formas es utilizar conscientemente el mundo biológico como fuente de diversas ideas técnicas, principios de diseño e invenciones. La gente utiliza modelos químicos, físicos, matemáticos y técnicos para realizar investigaciones en profundidad sobre sistemas biológicos, lo que promueve el gran desarrollo de la biología y avanza rápidamente en el estudio de los mecanismos funcionales de los organismos. En este punto, las criaturas simuladas ya no son una fantasía fascinante, sino un hecho que se puede lograr. Los biólogos e ingenieros colaboraron activamente y comenzaron a utilizar los conocimientos adquiridos en biología para mejorar dispositivos de ingeniería antiguos o crear nuevos. La biología ha comenzado a entrar en las filas de la innovación tecnológica y la revolución en todos los ámbitos de la vida, logrando primero el éxito en sectores militares como el control automático, la aviación y la navegación. Por lo tanto, las disciplinas de la biología y la tecnología de la ingeniería se combinan y se penetran entre sí, dando lugar a una nueva ciencia: la biónica.
Como disciplina independiente, la biónica nació oficialmente en septiembre de 1960. La primera Conferencia de Biónica fue celebrada por la Administración de Aviación de la Fuerza Aérea de EE. UU. en la Base de la Fuerza Aérea de Dayton, Ohio. El tema central discutido en la reunión fue "¿Se pueden aplicar los conceptos obtenidos del análisis de sistemas biológicos al diseño de sistemas artificiales de procesamiento de información?". Steele denominó a esta ciencia emergente "biónica", que significa el estudio de las funciones de los sistemas vivos en los seres vivos. ciencia griega. En 1963, China tradujo "biónica" como "biónica". Steele define la biomímesis como “la ciencia de construir sistemas técnicos que imiten principios biológicos, o de hacer que sistemas técnicos artificiales tengan o se parezcan a características biológicas”. En definitiva, la biónica es la ciencia de imitar seres vivos. Para ser precisos, la biónica es una ciencia integral que estudia diversas características excelentes de los sistemas biológicos, como estructura, características, funciones, conversión de energía, control de información, etc. y aplicarlo a sistemas técnicos, mejorar los equipos de ingeniería técnica existentes y crear nuevos sistemas técnicos, como flujos de procesos, configuraciones de edificios y equipos de automatización. Desde una perspectiva biológica, la biónica es una rama de la "biología aplicada"; la biónica parte de la perspectiva de la tecnología de ingeniería y se basa en el estudio de sistemas biológicos, proporcionando nuevos principios para el diseño y construcción de nuevos métodos y nuevos equipos. aproches. La gloriosa misión de la biónica es proporcionar a la humanidad el sistema tecnológico más confiable, flexible, eficiente y económico cercano a los sistemas biológicos para beneficiar a la humanidad.
[Editar este párrafo] Métodos de investigación y contenido de la biónica
La biónica es una ciencia de vanguardia emergente que combina biología, matemáticas y tecnología de ingeniería. La primera Conferencia sobre Biónica creó un símbolo interesante y vívido para la biónica: un enorme símbolo global que "integra" el bisturí y el soldador. El significado de este símbolo no sólo indica la composición de la biónica, sino que también describe el enfoque de la investigación en biónica.
La tarea de la biónica es estudiar las excelentes capacidades y principios de los sistemas biológicos, modelarlos y luego aplicar estos principios para diseñar y fabricar nuevos equipos técnicos.
El principal método de investigación de la biónica es proponer modelos y realizar simulaciones. El proceso de investigación se divide a grandes rasgos en las siguientes tres etapas:
La primera es la investigación de prototipos biológicos. De acuerdo con los temas específicos planteados por la práctica de producción, se simplifican los datos biológicos obtenidos de la investigación, se absorbe el contenido que es beneficioso para los requisitos técnicos y se eliminan los factores ajenos a los requisitos técnicos de producción para obtener el segundo modelo biológico; La etapa es analizar los datos proporcionados por el modelo biológico. Realizar análisis matemáticos, abstraer sus conexiones internas y utilizar lenguaje matemático para "traducir" el modelo biológico en un modelo matemático con un cierto significado. Finalmente, el modelo matemático crea un modelo físico; Se puede probar en tecnología de ingeniería. Por supuesto, en el proceso de simulación biológica, no se trata sólo de simple biónica, sino más importante aún, de innovación en biónica. Después de repetidas prácticas, comprensión y prácticas, las cosas simuladas pueden satisfacer cada vez más las necesidades de producción. El resultado de esta simulación es que el dispositivo mecánico final diferirá del prototipo biológico y en algunos aspectos superará las capacidades del prototipo biológico. Por ejemplo, los aviones actuales superan la capacidad de vuelo de las aves en muchos aspectos, y las computadoras electrónicas son más rápidas y confiables que los cálculos humanos en cálculos complejos.
Los métodos básicos de investigación de la biónica le confieren una característica destacada en la investigación biológica, es decir, la integridad.
Desde la perspectiva general de la biónica, considera la biología como un sistema complejo que puede conectar y controlar el entorno interno y externo. Su misión es estudiar las interrelaciones entre partes de sistemas complejos y el comportamiento y estado de todo el sistema. Las características básicas de los seres vivos son la autorrenovación y la autorreplicación, que son inseparables del mundo exterior. Sólo cuando los organismos obtienen materia y energía del medio ambiente pueden crecer y reproducirse; sólo cuando los organismos reciben información del medio ambiente y la ajustan y sintetizan continuamente pueden adaptarse y evolucionar. La evolución a largo plazo ha permitido a los organismos alcanzar la unidad de estructura y función, y la coordinación y unidad de partes y totalidades. La biomímesis debe estudiar la relación cuantitativa entre los objetos y los estímulos externos (información de entrada), es decir, centrándose en la unificación de relaciones cuantitativas para poder realizar simulaciones. Para lograr este objetivo, ningún método parcial puede lograr resultados satisfactorios. Por tanto, el método de investigación de la biónica debe centrarse en el conjunto.
El contenido de investigación de la biónica es extremadamente rico y colorido, porque el mundo biológico en sí contiene miles de especies, con varias estructuras y funciones excelentes para la investigación en diversas industrias. En los veinte años transcurridos desde la llegada de la biónica, la investigación en biónica se ha desarrollado rápidamente y ha logrado resultados fructíferos. Su ámbito de investigación puede incluir biónica electrónica, biónica mecánica, biónica arquitectónica, biónica química, etc. Con el desarrollo de la tecnología de ingeniería moderna, han surgido muchas ramas de disciplinas y también se han llevado a cabo las correspondientes investigaciones técnicas en biónica. Por ejemplo, el departamento de navegación estudia la hidrodinámica del movimiento de los animales acuáticos; el departamento de aviación simula el vuelo de pájaros e insectos, posicionando y navegando animales; la simulación biomecánica de edificios de ingeniería; el departamento de tecnología de radio simula células nerviosas humanas, palacios sensoriales y redes neuronales; computadoras Simulación tecnológica del cerebro e investigación de inteligencia artificial. Los temas típicos planteados en la primera Conferencia de Biomímesis incluyen: cuáles son las características de las neuronas artificiales, problemas en el diseño de computadoras biológicas, uso de máquinas para reconocer imágenes y máquinas de aprendizaje. Se puede observar que la investigación sobre biónica electrónica es extensa. La mayoría de los temas de investigación en biónica se centran en los tres prototipos biológicos siguientes: las funciones generales de los órganos sensoriales, las neuronas y el sistema nervioso de los animales. En el futuro también se llevarán a cabo investigaciones sobre biónica mecánica y biónica química. En los últimos años han surgido nuevas ramas, como la biónica humana, la biónica molecular y la biónica espacial.
En resumen, el contenido de investigación de la biónica incluye una gama más amplia de contenidos, desde la biónica molecular hasta la biónica cósmica macroscópica. La ciencia y la tecnología actuales se encuentran en una nueva era en la que diversas ciencias naturales están altamente integradas, intersectadas y penetradas. La biomímesis combina la investigación y la práctica de la vida a través de la simulación, al tiempo que promueve en gran medida el desarrollo de la biología. Bajo la penetración e influencia de otras disciplinas, los métodos de investigación de las ciencias biológicas han sufrido cambios fundamentales y el contenido también se ha profundizado desde el nivel de descripción y análisis hasta la dirección de precisión y cuantificación. El desarrollo de las ciencias biológicas utiliza la biónica como canal para entregar información valiosa y nutrientes ricos a diversas ciencias naturales y técnicas, acelerando el desarrollo de la ciencia. De esta manera, la investigación en biónica muestra una vitalidad ilimitada, y su desarrollo y resultados harán grandes contribuciones a promover el desarrollo científico y tecnológico del mundo entero.