Табиғаттан шабыттанған технологиялар

Кіріспе

Табиғи жүйелерді технологияға қолдану

Бионика немесе биологиялық шабыттанған инженерия – табиғатта кездесетін биологиялық әдістер мен жүйелерді инженерлік жүйелерді зерттеуге және жобалауға, сондай-ақ қазіргі заманғы технологияларды дамытуға қолдану болып табылады. «Бионика» терминін 1958 жылдың тамызында Джек Э. Стил енгізді. Бұл сөз «биология» және «электроника» сөздерінің қосылуынан пайда болған, және 1970-ші жылдардағы АҚШ телесериалдары «Алты миллион долларлық адам» және «Бионикалық әйел» арқылы танымал болды. Екі сериал да Мартин Кейдиннің «Киборг» романы негізінде түсірілген, онда электромеханикалық имплантаттар арқасында адамдарға берілген түрлі жоғары қабілеттер көрсетілген. Бионикалық технологияны жақтаушылардың пікірінше, тірі ағзалар мен жасалған заттар арасындағы технологияны ауыстыру қажет, себебі эволюциялық қысым тірі организмдерді – фауна мен флораны – оңтайландырып, тиімді болуға итермелейді. Мысалы, тозаң мен суды тебілетін бояу (жабын) лотос гүлінің гидрофобтық қасиеттерінен (лотос эффектісі) шабыттандырылды. Химиялық реакцияларға, мысалы, табиғатта биологиялық макромолекулаларды (ферменттер немесе нуклеин қышқылдары сияқты) қамтитын реакцияларға қатысты сілтемелер үшін «биомиметика» термині қолданылады, олардың химиясы ин витрода одан да кішкентай молекулаларды пайдалана отырып қайта жаңартылуы мүмкін. Инженерлік саласындағы биониканың мысалдары: дельфиннің қалың терісін еліктейтін қайық корпустары, сондай-ақ жануарлардың эхолокациясын еліктейтін сонар, радар және медициналық ультрадыбыстық бейнелеу. Компьютерлік ғылым саласында биониканы зерттеу нәтижесінде жасанды нейрондар, жасанды нейрондық желілер және ұсақталған интеллект пайда болды. Бионика эволюциялық есептеулерге де әсер етті, бірақ одан әрі дамытып, эволюцияны силикода модельдеу және табиғатта бұрыннан болмаған оңтайландырылған шешімдерді жасау арқылы идеяны жетілдірді. 2006 жылғы зерттеу мақаласында «қазіргі уақытта биология мен технология қолданатын механизмдер арасында 12% ғана сәйкестік бар» деп есептелді.

Тарих

"Биомиметика" атауын 1950 жылдары Отто Шмитт ойлап тапты. "Бионика" терминін кейін Джек Э. Стил 1958 жылдың тамызында Огайо штатының Дейтон қаласындағы Райт-Паттерсон әуе базасындағы Аэронавтика бөлімінде жұмыс істеген кезде енгізді. Дегенмен, "бионика" медициналық терминімен шатасуды болдырмау үшін "биомимикрия" немесе "биомиметика" терминдері қолдануға көбірек ұсынылады. Кездейсоқ жағдайға байланысты, Мартин Кейдин 1972 жылы жарық көрген "Киборг" романында осы сөзді пайдаланды, ол кейін телефильмге және "Алты миллион долларлық адам" атты телесерияға бейімделді. Кейдин толық уақыт көркем әдебиетке берілуге дейін ұзақ жылдар бойы авиация саласы бойынша жазушы болып жұмыс істеді.

Мысалдар

Робототехникада бионика мен биомиметика жануарлардың қозғалу әдісін роботтарды жобалауға қолдану үшін пайдаланылады. BionicKangaroo кенгурулердің физиологиясы мен қозғалысына негізделген. Velcro биомиметиканың ең танымал мысалы болып табылады. 1948 жылы швейцариялық инженер Джордж де Местрал итін серуендеген кезде жинаған қабықшалардан тазалап жатқанда, қабықшалардың ілгектері оның терісіне қалай жабысқанын байқады. 19 ғасырдың басында ағашты кесу үшін қолмен жасалған мүйіз тәрізді, тісті дизайн ағаш қазушы қоңыздарды байқағаннан кейін үлгіленді. Бұл құралдар тиімділігі жағынан едәуір жақсарып, ағаш өңдеу өнеркәсібінде революция жасады. Мысық көзінің рефлекторларын Перси Шоу 1935 жылы мысық көзінің механизмін зерттегеннен кейін ойлап тапты. Ол мысықтардың кескінін көрсететін жасушалар жүйесі бар екенін анықтады. Бұл жасушалар тіпті жарықтың ең кішкентай бөлігін де қайтара алады. Леонардо да Винчидің ұшатын машиналарын мен кемелері – инженерлік салада табиғаттан шабыт алудың алғашқы мысалдары. Резилин – резеңкеге алмастырушы, ол буынтық аяқтарда кездесетін материалды зерттеу арқылы жасалды. 2004 жылы Джулиан Винсент температураның өзгеруіне бейімделетін "ақылды" киім жасап шығарғанда, қарағайдың қабықтарын зерттеген. "Мен ылғалдың өзгеруіне пішінін өзгертіп жауап беретін тірі емес жүйе жасағым келді", – дейді ол. "Өсімдіктерде мұндай жүйелер бар, бірақ олардың көпшілігі өте кішкентай – қарағай шоғыры ең үлкені, сондықтан оны өңдеу ең оңай". Қарағай қабықтары ылғалдылықтың жоғары болуына жапырақтарын ашу арқылы (тұқымдарын тарату үшін) жауап береді. "Ақылды" мата да дәл осылай жұмыс істейді, оны киген адам жылы болғанда ашылады, терлегенде жабылады, ал суық болғанда тығыз жабылады. Ұшу жылдамдығы мен ұзақтығына қарай пішінін өзгертетін "ұшақ қанаттарын" 2004 жылы Пенсильвания мемлекеттік университетінің биомиметика ғалымдары жасаған. Қанаттар әртүрлі құстардың түрлеріне тән, олардың қанат пішіні ұшқан жылдамдығына байланысты әртүрлі. Ұшақ қанатының пішіні мен құрылымын өзгерту үшін зерттеушілер оның үстіндегі терісін де өзгертуге мүмкіндік беруі керек еді. Бұл үшін олар қанатты балықтан жасалған бір-біріне жабысатын қабыршақтармен жауып, оны жобалады. Бұл кейбір жағынан иілгіш қанаттың дизайнының жетілдірілуі. Кейбір бояулар мен шатырлардың плиткалары Nelumbo лотосының механизмін көшіріп, өзін-өзі тазартатын етіп жасалған. Холестерикалық сұйық кристалдар (CLC) – бұл температураның өзгеруімен түстерін өзгертетін балық аквариум термометрлерін немесе көңіл-күй сақиналарын жасау үшін жиі қолданылатын жұқа қабатты материал. Олар түстерін өзгертеді, өйткені олардың молекулалары спиральді немесе хиральді түрде орналасады және температурамен бірге спиральді құрылымның биіктігі өзгереді, бұл жарықтың әртүрлі толқын ұзындығын көрсетеді. Хирал Фотоника, Инк. органикалық КЛК-тің өздігінен құрастырылған құрылымын аналогты оптикалық құрылғыларды өндіру үшін органикалық емес, бұрмаланған шыны талшықтың ұзындығын пайдаланады. Наноқұрылыстар мен физикалық механизмдер, олар жарқыраған түсті бауырсақ қанаттарын шығарады, Грег Паркер, электроника және компьютерлік ғылымдар профессоры Саутгемптон университеті, және зерттеу студенті Лука Платтнер фотоника саласында, электрондардың орнына фотондарды пайдалану арқылы электрондар ретінде ақпарат тасымалдаушы ретінде қайта жасайды. Зәулім көк бауырсақтың қанатының құрылымы зерттеліп, оның жарықты шағылыстыратын түрі су мен металлдан оқуға болатын RFID белгісін жасау үшін қолданған. Көппіршіктердің қанатының құрылымы жарылғыш заттарды анықтауға арналған наносенсорларды жасауға да ықпал етті. Нейроморфтық чиптер мен кремнийлі торлы қабаттардың желілері шынайы нейрондық желілер үлгісі бойынша жасалған. Техноэкожүйелер немесе "Эко-киборг" жүйелері табиғи экологиялық процестерді экологиялық функцияларды еліктейтін технологиялық процестермен байланыстыруды қамтиды. Нәтижесінде өзін-өзі реттейтін гибридтік жүйе пайда болады. Бұл саладағы зерттеулерді Говард Т. Одум бастады, ол экожүйенің құрылымы мен энергия динамикасын электрлік схеманың компоненттері арасындағы энергия ағынына ұқсас деп қабылдады. Геконның аяғынан алынған физикалық құрылымға сүйене отырып, жабысқақ және ұсақ нано түкшелерді қамтитын медициналық желімдер әзірленуде. Компьютерлік вирустар биологиялық вирустармен де ұқсастықтарды көрсетеді, олар өздігінен көбейіп, таралуға тырысады. Хараре қаласындағы Eastgate орталығының салқындату жүйесі өте тиімді пассивті салқындатуға қол жеткізу үшін термиттің үйінен үлгі алынған. Мүсілдердің тастарға, пирстерге және қайық корпусына жабысуына мүмкіндік беретін жабысқыш, қан тамырлары үшін биожабысқыш гельге шабыттандырды. Бионика саласы жаңа ұшақтардың дизайнын шабыттандырды, олар басқа артықшылықтармен қатар үлкен икемділікті ұсынады. Бұл туралы Журнал оф Экспериментал Биологиядағы мақаласында Джифф Спеддинг, Монс Розен және Андерс Хеденстрём айтқан. Ұқсас мәлімдемелер Джон Виделер және Эйзе Стамхуйс өздерінің Avian Flight кітабында, сондай-ақ Science журналындағы мақалаларында да жасады. Бұл бионикадағы зерттеулер тиімдірек тікұшақтарды немесе кішкентай беспілоттық ұшу аппараттарын (UAV) жасау үшін де пайдаланылуы мүмкін, деді Брет Тобалске Science журналындағы мақаласында. UC Berkeley және ESA да сондай-ақ Robofly (кішкентай беспілоттық ұшу аппараты) және Entomopter (жүре алатын, қозғалмалы және ұша алатын беспілоттық ұшу аппараты) құрады. Биошабытты механикалық құрылғы судың ішінде кавитация арқылы плазманы жасауға мүмкіндік береді, бұл морфологиялық дәлдікпен жасалған шағын креветканың қысқышын пайдаланады. Бұл туралы Science Advances журналында жарияланған мақаласында Син Тан және Дэвид Стаак егжей-тегжейлі сипаттады.

In robotics, bionics and biomimetics are used to apply the way animals move to the design of robots. BionicKangaroo was based on the movements and physiology of kangaroos. Velcro is the most famous example of biomimetics. In 1948, the Swiss engineer George de Mestral was cleaning his dog of burrs picked up on a walk when he realized how the hooks of the burrs clung to the fur. The horn shaped, saw tooth design for lumberjack blades used at the turn of the 19th century to cut down trees when it was still done by hand was modeled after observations of a wood burrowing beetle. The blades were significantly more efficient and thus revolutionized the timber industry. Cat's eye reflectors were invented by Percy Shaw in 1935 after studying the mechanism of cat eyes. He had found that cats had a system of reflecting cells, known as tapetum lucidum, which was capable of reflecting the tiniest bit of light. Leonardo da Vinci's flying machines and ships are early examples of drawing from nature in engineering. Resilin is a replacement for rubber that has been created by studying the material also found in arthropods. Julian Vincent drew from the study of pinecones when he developed in 2004 "smart" clothing that adapts to changing temperatures. "I wanted a nonliving system which would respond to changes in moisture by changing shape," he said. "There are several such systems in plants, but most are very small—the pinecone is the largest and therefore the easiest to work on." Pinecones respond to higher humidity by opening their scales (to disperse their seeds). The "smart" fabric does the same thing, opening up when the wearer is warm and sweating and shutting tight when cold. "Morphing aircraft wings" that change shape according to the speed and duration of flight were designed in 2004 by biomimetic scientists from Penn State University. The morphing wings were inspired by different bird species that have differently shaped wings according to the speed at which they fly. In order to change the shape and underlying structure of the aircraft wings, the researchers needed to make the overlying skin also be able to change, which their design does by covering the wings with fish inspired scales that could slide over each other. In some respects this is a refinement of the swing wing design. Some paints and roof tiles have been engineered to be self cleaning by copying the mechanism from the Nelumbo lotus. Cholesteric liquid crystals (CLCs) are the thin film material often used to fabricate fish tank thermometers or mood rings that change color with temperature changes. They change color because their molecules are arranged in a helical or chiral arrangement and with temperature the pitch of that helical structure changes, reflecting different wavelengths of light. Chiral Photonics, Inc. has abstracted the self assembled structure of the organic CLCs to produce analogous optical devices using tiny lengths of inorganic, twisted glass fiber. Nanostructures and physical mechanisms that produce the shining color of butterfly wings were reproduced in silico by Greg Parker, professor of Electronics and Computer Science at the University of Southampton, and research student Luca Plattner in the field of photonics, which is electronics using photons as the information carrier instead of electrons. The wing structure of the blue morpho butterfly was studied and the way it reflects light was mimicked to create an RFID tag that can be read through water and on metal. The wing structure of butterflies has also inspired the creation of new nanosensors to detect explosives. Neuromorphic chips and silicon retinae have wiring that is modeled after real neural networks. Techno Ecosystems or 'Eco Cyborg' systems involve the coupling of natural ecological processes to technological ones which mimic ecological functions. This results in the creation of a self regulating hybrid system. Research into this field was initiated by Howard T. Odum, who perceived the structure and energy dynamics of ecosystems as being analogous to energy flow between components of an electrical circuit. Medical adhesives involving glue and tiny nano hairs are being developed based on the physical structures found in the feet of geckos. Computer viruses also show similarities with biological viruses, attacking program oriented information towards self reproduction and dissemination. The cooling system of the Eastgate Centre building in Harare was modeled after a termite mound to achieve very efficient passive cooling. Adhesive which allows mussels to stick to rocks, piers, and boat hulls inspired bioadhesive gel for blood vessels. The field of bionics has inspired new aircraft designs which offer greater agility along with other advantages. This has been described by Geoff Spedding, Måns Rosén, and Anders Hedenström in an article in Journal of Experimental Biology. Similar statements were also made by John Videler and Eize Stamhuis in their book Avian Flight, and in the article they present in Science about LEVs. This research in bionics may also be used to create more efficient helicopters or miniature UAVs, as stated by Bret Tobalske in an article in Science about Hummingbirds. UC Berkeley as well as ESA have been working in a similar direction and created the Robofly (a miniature UAV) and the Entomopter (a UAV which can walk, crawl and fly). A bio inspired mechanical device can generate plasma in water via cavitation using the morphological accurate snapping shrimp claw. This was described in detail by Xin Tang and David Staack in an article published in Science Advances.

Медицинада

Бионика – биологиядан инженерияға және кері бағыттағы ұғымдардың ағыны. Сондықтан, сөздің мағынасына қатысты екі түрлі көзқарас бар. Медицинада бионика – ағзалар мен дене мүшелерін механикалық нұсқалармен алмастыру немесе жақсартуды білдіреді. Бионикалық имплантаттар, бастапқы функцияны өте жақын немесе тіпті одан да жақсырақ орындау арқылы, қарапайым протездерден ерекшеленеді. Биониканың неміс тіліндегі баламасы – Bionik, ол әрқашан кең мағынаны сақтайды, себебі ол биологиялық үлгілерден инженерлік шешімдерді жасауға тырысады. Бұл тәсіл биологиялық шешімдердің эволюциялық күштермен әдетте оңтайландырылатынымен негізделген. Бионикалық имплантаттарды мүмкін ететін технологиялар біртіндеп дамып келе жатқандықтан, бірнеше табысты бионикалық құрылғылар бар, соның бірі – Австралияда ойлап табылган көп арналы кохлеарлық имплант (бионикалық құлақ), саңырау адамдарға арналған құрылғы. Бионикалық құлақ пайда болғаннан бері көптеген бионикалық құрылғылар пайда болды және басқа да сезімталдық бұзылуларына (мысалы, көру және тепе-теңдік) бионикалық шешімдерді іздеу жұмыстары жүргізілуде. Бионикалық зерттеулер жақында неврологиялық және психиатриялық аурулар, мысалы Паркинсон ауруы мен эпилепсия сияқты медициналық проблемаларды емдеуге мүмкіндік берді. 1997 жылы колумбиялық зерттеуші Альваро Риос Поведа сенсорлық кері байланысы бар жоғарғы қол және алақан протезін жасады. Бұл технология ампутациядан өткен науқастарға протездік қолды табиғирақ пайдалануға мүмкіндік береді. 2004 жылға қарай толыққанды жұмыс істейтін жасанды жүректер жасалды. Нанотехнологияның дамуымен маңызды жетістіктер күтілуде. Ұсынылған наноқұрылғының белгілі бір мысалы – Роберт Фрейтас жасаған (бірақ әлі құрылмаған) жасанды қызыл қан клеткасы – респироцит. Пенсильвания университетінің биоинженерия факультетінде 8 жыл жұмыс істеген Квабена Боэн, тірі торлы қабықша сияқты бейнелерді өңдей алатын кремнийлі торлы қабықша жасады. Ол бұл нәтижені кремнийлі торлы қабықшасынан шыққан электр сигналдарын саламандраның көзінен шыққан электр сигналдарымен салыстыра отырып растады, екеуі де бірдей бейнеге қарады. 2015 жылдың 21 шілдесінде BBC-дің медициналық тілшісі Фергус Уолш хабарлады: «Манчестердегі хирургтар дамыған елдерде көру қабілетінің жоғалуының ең көп таралған себебі бар науқасқа алғашқы бионикалық көз имплантатын жасады. 80 жастағы Рей Флинн жасқа байланысты макулярлық дегенерациядан зардап шегіп, орталық көру қабілетін толығымен жоғалтқан. Ол көзілдірігіне орнатылған шағын бейнекамерадан алынған бейнелерді қайталайтын торлы қабықша имплантатын пайдаланады. Ол қазір торлы қабықша имплантасын пайдаланып компьютер экранындағы ақ сызықтардың бағытын көре алады». Argus II деп аталатын және АҚШ-та Second Sight Medical Products компаниясы өндірген имплант бұрын сирек кездесетін тұқым қуалайтын көз ауруы – ретинит пигментоза салдарынан соқыр болған науқастарда қолданылған. 2016 жылы Тилли Локи (7 қазан 2005 ж.т.) OpenBionics компаниясы өндірген «Батыр қолдар» бионикалық қолымен жабдықталды. Hero Arm – шынтақтан төменгі бөлігі ампутацияланған ересектер мен сегіз жастан асқан балаларға арналған жеңіл миоэлектрлік протез. 15 айлық кезінде менингококк сепсисі В штаммымен ауырғаннан кейін екі қолы да ампутацияланған Тилли Локи «Батыр қолдар» «өте шынайы, тіпті олардың шынайылығы қорқынышты» деп сипаттады. 2020 жылдың 17 ақпанында әскери қызметкер Даррен Фуллер мемлекеттік денсаулық сақтау жүйесінде бионикалық қол алған алғашқы адам болды. Фуллер 2008 жылы Ауғанстанда миномет оқ-дәрісіне байланысты оқиға кезінде оң қолының төменгі бөлігін жоғалтты.

Bionics refers to the flow of concepts from biology to engineering and vice versa. Hence, there are two slightly different points of view regarding the meaning of the word. In medicine, bionics means the replacement or enhancement of organs or other body parts by mechanical versions. Bionic implants differ from mere prostheses by mimicking the original function very closely, or even surpassing it. The German equivalent of bionics, Bionik, always adheres to the broader meaning, in that it tries to develop engineering solutions from biological models. This approach is motivated by the fact that biological solutions will usually be optimized by evolutionary forces. While the technologies that make bionic implants possible are developing gradually, a few successful bionic devices exist, a well known one being the Australian invented multi channel cochlear implant (bionic ear), a device for deaf people. Since the bionic ear, many bionic devices have emerged and work is progressing on bionics solutions for other sensory disorders (e. g. vision and balance). Bionic research has recently provided treatments for medical problems such as neurological and psychiatric conditions, for example Parkinson's disease and epilepsy. In 1997, Colombian researcher Alvaro Rios Poveda developed an upper limb and hand prosthesis with sensory feedback. This technology allows amputee patients to handle prosthetic hand systems in a more natural way. By 2004 fully functional artificial hearts were developed. Significant progress is expected with the advent of nanotechnology. A well known example of a proposed nanodevice is a respirocyte, an artificial red cell designed (though not yet built) by Robert Freitas. During his eight years in the Department of Bioengineering at the University of Pennsylvania, Kwabena Boahen developed a silicon retina that was able to process images in the same manner as a living retina. He confirmed the results by comparing the electrical signals from his silicon retina to the electrical signals produced by a salamander eye while the two retinas were looking at the same image. On July 21, 2015, the BBC's medical correspondent Fergus Walsh reported, "surgeons in Manchester have performed the first bionic eye implant in a patient with the most common cause of sight loss in the developed world. Ray Flynn, 80, has dry age related macular degeneration which has led to the total loss of his central vision. He is using a retinal implant that converts video images from a miniature video camera worn on his glasses. He can now make out the direction of white lines on a computer screen using the retinal implant." The implant, known as the Argus II and manufactured in the US by the company Second Sight Medical Products, had been used previously in patients who were blind as the result of the rare inherited degenerative eye disease retinitis pigmentosa. In 2016,Tilly Lockey (born October 7, 2005) was fitted with a pair of bionic "Hero Arms" manufactured by OpenBionics, a UK bionics enterprise. The Hero Arm is a lightweight myoelectric prosthesis for below elbow amputee adults and children aged eight and above. Tilly Lockey, who at 15 months had both her arms amputated after being diagnosed with meningococcal sepsis strain B, describes the Hero Arms as “really realistic, to the point where it was quite creepy how realistic they were.”

On February 17, 2020, Darren Fuller, a military veteran, became the first person to receive a bionic arm under a public healthcare system. Fuller lost the lower section of his right arm while serving term in Afghanistan during an incident that involved mortar ammunition in 2008.

Басқа қолданыстар

Бизнес биомиметикасы – биомиметиканың ең соңғы дамуы. Бұл, ең алдымен, биологиялық жүйелерден алынған қағидалар мен тәжірибені бизнес стратегиясына, процестерге, ұйымдық құрылымға және стратегиялық ойлауға қолдануды қамтиды. Ол FMCG, қорғаныс, мемлекеттік басқару, қаптама және бизнес-қызметтер салаларында сәтті қолданылған. Бат университетіндегі Фил Ричардсонның зерттеулеріне негізделген бұл тәсіл 2009 жылдың мамыр айында Лордтар палатасында таныстырылды. Әдетте, биомиметика – инженерлік шешімдерді табу үшін биологиялық үлгілерді зерттейтін шығармашылық әдіс ретінде қолданылады. Химияда биомиметтік синтез – биохимиялық процестерден шабыттанған химиялық синтез болып табылады. Ал, «бионика» терминінің жақындағы мағынасы организм мен машинаны біріктіруді білдіреді. Бұл тәсіл биологиялық және инженерлік компоненттерді біріктіретін гибридтік жүйе құруға мүмкіндік береді, мұндай жүйе кибернетикалық организм (киборг) деп те аталады. Бұл тәжірибе Кевин Уорвик жүргізген имплантациялық тәжірибелерде оның өз жүйке жүйесі арқылы ультрадыбыстық сигналдарды қабылдау мүмкіндігімен көрсетілді.