Composición biónica animal
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. 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 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.
Estos inventos e intentos de imitar estructuras y funciones biológicas pueden considerarse los pioneros de la biónica humana y el germen de la biónica.
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 italiano Spanzanni descubrió hace mucho tiempo que los murciélagos pueden volar libremente en completa oscuridad, no sólo evitando obstáculos sino también atrapando insectos voladores. Sin embargo, con los oídos tapados, los murciélagos no pueden moverse en la oscuridad. Ante estos hechos, Palantzani llegó a una conclusión inaceptable: los murciélagos pueden "ver" con sus oídos. 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 del ojo del ala 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.
El puente entre biología y tecnología
Desde que James Watt (1736 ~ 1819) inventó la máquina de vapor en 1782, la gente ha adquirido un tremendo poder en la lucha por la producción. 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 físico pesado. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la gente experimentó la era eléctrica después de la máquina de vapor y avanzó hacia la era de la automatización.
La aparición de las computadoras electrónicas en la década de 1940 añadió una valiosa riqueza al tesoro de la ciencia y la tecnología humanas. Procesa decenas de miles de tipos de información en manos de las personas con tecnología confiable y eficiente, liberándolas del vasto océano de números e información. El uso de computadoras y equipos automatizados puede hacer que a las personas les resulte más fácil y menos laborioso enfrentarse a procedimientos de producción complejos. Ajustan y controlan con precisión los procedimientos de producción para que las especificaciones del producto sean precisas. Sin embargo, el dispositivo de control automático funciona según procedimientos fijos establecidos por personas, lo que hace que su capacidad de control sea muy limitada. 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.
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 una de las principales formas de desarrollar nuevos tecnologías, y 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 origen 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 biónica 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 la 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.
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: la función general 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.
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 velocidad de desarrollo de la biónica es la razón principal.
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 produce calor, por lo que es También llamada "luz fría".
Entre los muchos animales luminosos, las luciérnagas son uno de ellos. Hay aproximadamente 65.438+0.500 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 alimentación 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? A través de investigaciones anatómicas sobre peces eléctricos, finalmente se descubrió que hay un órgano peculiar de generación de energía en el pez eléctrico. Estos generadores están formados por muchas células translúcidas en forma de disco llamadas electroplacas o electroplacas. 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 sobre la base del 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 puede funcionar con éxito imitado, entonces puede resolverse fácilmente y eficazmente los problemas de energía de barcos y submarinos.
Las orejas de las medusas orientadas al viento
"Las golondrinas vuelan bajo antes de la lluvia, las cigarras cantan y el cielo se aclara bajo la lluvia". clima. Todos los pescadores de la costa saben que los peces y medusas que viven a lo largo de la costa nadan hacia el mar en grupos, lo que indica que se avecina una tormenta.
La medusa, también conocida como medusa, es un antiguo celenterado que flotaba en el océano hace ya 500 millones de años. Este animal inferior tiene el instinto de predecir tormentas y nadará hasta el mar para refugiarse ante cada aviso de tormenta.
Resulta que en el océano azul, las ondas infrasonidas (con una frecuencia de 8 a 13 veces por segundo) generadas por la fricción entre el aire y las olas son siempre el preludio de los avisos de tormenta. Este tipo de onda infrasónica es inaudible para el oído humano, pero las medusas pequeñas son muy sensibles. Bionics ha descubierto que hay un mango delgado en la cavidad auditiva de las medusas, una pequeña bola en el mango y una pequeña piedra auditiva dentro de la bola. Cuando el infrasonido previo a una tormenta golpea las piedras auditivas en los oídos de la medusa, las piedras estimulan los receptores nerviosos en las paredes de las bolas, por lo que la medusa escucha el estruendo de la tormenta que se aproxima.
Bionics imita la estructura y función de las orejas de las medusas y diseña predictores de tormentas para las orejas de las medusas, que simulan con precisión los órganos de las medusas que detectan el infrasonido. Este instrumento está instalado en la cubierta delantera del barco. Cuando recibe las ondas infrasonidas de la tormenta, puede detener automáticamente la rotación de la bocina que gira 360°. La dirección que apunta es la dirección de la tormenta. La lectura del indicador muestra la intensidad de la tormenta. Este tipo de pronosticador puede predecir tormentas con 15 horas de antelación, lo que tiene gran importancia para la seguridad de la navegación y la pesca.
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