Бионика: Применение природных систем в технологиях

Введение

Применение природных систем в технологии.

Бионика, или биологически вдохновленная инженерия, – это применение биологических методов и систем, обнаруженных в природе, для изучения и проектирования инженерных систем и современных технологий. Слово «бионика», придуманное Джеком Э. Стилом в августе 1958 года, является комбинацией слов «биология» и «электроника» и получило широкую известность благодаря американским телесериалам 1970-х годов «Человек за шесть миллионов долларов» и «Бионическая женщина», оба основанные на романе «Киборг» Мартина Кайдина. Все три произведения повествуют о людях, получивших различные сверхчеловеческие способности благодаря электромеханическим имплантатам. Сторонники бионических технологий считают, что передача технологий между живыми организмами и созданными человеком объектами желательна, поскольку эволюционное давление обычно заставляет живые организмы – фауну и флору – становиться оптимизированными и эффективными. Например, грязе- и водоотталкивающая краска (покрытие) была вдохновлена гидрофобными свойствами цветка лотоса (эффект лотоса). Термин «биомиметический» предпочтительнее использовать применительно к химическим реакциям, таким как реакции, в которых в природе участвуют биологические макромолекулы (например, ферменты или нуклеиновые кислоты), химию которых можно воспроизвести in vitro, используя гораздо более мелкие молекулы. Примеры бионики в инженерии включают корпуса лодок, имитирующие толстую кожу дельфинов, а также сонар, радар и медицинскую ультразвуковую визуализацию, имитирующие эхолокацию животных. В области компьютерных наук изучение бионики привело к созданию искусственных нейронов, искусственных нейронных сетей и роевого интеллекта. Бионика также оказала влияние на эволюционные вычисления, но пошла дальше этой идеи, имитируя эволюцию in silico и создавая оптимизированные решения, которые никогда не возникали в природе. В исследовательской статье 2006 года было подсчитано, что «в настоящее время существует лишь 12%-ное совпадение между биологией и технологией с точки зрения используемых механизмов».

История

Название "биомиметика" было придумано Отто Шмиттом в 1950-х годах. Термин "бионика" позже ввёл Джек Э. Стил в августе 1958 года, работая в авиационном отделе на авиабазе Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо. Однако, чтобы избежать путаницы с медицинским термином "бионика", предпочтительнее использовать термины "биомимикрия" или "биомиметика". К слову, Мартин Кейдин использовал это слово для своего романа 1972 года "Киборг", который был экранизирован в виде телевизионного фильма и последующего сериала "Человек на шесть миллионов долларов". До того, как полностью посвятить себя художественной литературе, Кейдин долгое время писал об авиационной промышленности.

Примеры

В робототехнике бионика и биомиметика используются для применения способа движения животных к конструкции роботов. BionicKangaroo был основан на движениях и физиологии кенгуру. Велькро – самый известный пример биомиметики. В 1948 году швейцарский инженер Джордж де Местраль, очищая собаку от репейников, прилипших во время прогулки, заметил, как крючки репейников цепляются за шерсть. Конструкция зубчатого лезвия для лесорубов, использовавшаяся на рубеже XIX века для ручной валки деревьев, была смоделирована на основе наблюдений за древоточцем. Лезвия оказались значительно эффективнее и совершили революцию в деревообрабатывающей промышленности. Рефлекторы «кошачий глаз» были изобретены Перси Шоу в 1935 году после изучения механизма кошачьего зрения. Он обнаружил, что у кошек есть система отражающих клеток, известная как тапетум люцидум, способная отражать даже самый слабый свет. Летательные аппараты и корабли Леонардо да Винчи – ранние примеры использования принципов природы в инженерии. Резилин – это замена резине, созданная путем изучения материала, также встречающегося у членистоногих. В 2004 году Джулиан Винсент, изучая сосновые шишки, разработал «умную» одежду, адаптирующуюся к изменению температуры. «Я хотел создать неживую систему, которая реагировала бы на изменения влажности, изменяя форму», – сказал он. «В растениях есть несколько подобных систем, но большинство из них очень малы – сосновая шишка самая большая и, следовательно, наиболее удобная для работы». Сосновые шишки реагируют на повышенную влажность, раскрывая свои чешуйки (для распространения семян). «Умная» ткань делает то же самое: раскрывается, когда владельцу жарко и он потеет, и плотно закрывается, когда холодно. В 2004 году ученые из Университета штата Пенсильвания разработали «морфирующие крылья самолета», которые меняют форму в зависимости от скорости и продолжительности полета. Эти крылья были вдохновлены различными видами птиц, у которых форма крыльев меняется в зависимости от скорости полета. Чтобы изменить форму и структуру крыльев самолета, исследователям необходимо было сделать так, чтобы и поверхность крыльев могла изменяться, что и было реализовано в их конструкции путем покрытия крыльев чешуйками, напоминающими рыбью, которые могут скользить друг относительно друга. В некотором смысле это усовершенствование конструкции крыла изменяемой стреловидности. Некоторые краски и кровельные материалы спроектированы так, чтобы быть самоочищающимися, копируя механизм лотоса Нелумбо. Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) – это тонкопленочный материал, часто используемый для изготовления аквариумных термометров или колец настроения, меняющих цвет при изменении температуры. Они меняют цвет, потому что их молекулы расположены в спиральную или хиральную структуру, и с изменением температуры изменяется шаг этой спирали, отражая различные длины волн света. Chiral Photonics, Inc. абстрагировала самоорганизующуюся структуру органических ХЖК для создания аналогичных оптических устройств, используя крошечные отрезки неорганического, скрученного стеклянного волокна. Наноструктуры и физические механизмы, создающие блестящий цвет крыльев бабочек, были воспроизведены в silico Грегом Паркером, профессором электроники и компьютерных наук в Университете Саутгемптона, и аспирантом Лукой Платтнером в области фотоники – электроники, использующей фотоны в качестве носителей информации вместо электронов. Была изучена структура крыльев бабочки морфо голубой и ее способность отражать свет, чтобы создать RFID-метку, которую можно считывать через воду и на металле. Структура крыльев бабочек также вдохновила создание новых наносенсоров для обнаружения взрывчатых веществ. Нейроморфные чипы и кремниевые сетчатки имеют проводку, смоделированную по образцу реальных нейронных сетей. Техноэкосистемы или системы «Эко-Киборг» включают в себя объединение естественных экологических процессов с технологическими, имитирующими экологические функции. В результате создается саморегулирующаяся гибридная система. Исследования в этой области были инициированы Говардом Т. Одумом, который рассматривал структуру и энергетическую динамику экосистем как аналогичную потоку энергии между компонентами электрической цепи. В настоящее время разрабатываются медицинские клеи, использующие клей и крошечные нановолоски, основанные на физических структурах, обнаруженных на лапах гекконов. Компьютерные вирусы также проявляют сходство с биологическими вирусами, атакуя программно-ориентированную информацию для самовоспроизведения и распространения. Система охлаждения здания Eastgate Centre в Хараре была смоделирована по образцу термитника для достижения очень эффективного пассивного охлаждения. Адгезив, позволяющий мидиям прикрепляться к скалам, пирсам и корпусам лодок, вдохновил создание биоадгезивного геля для кровеносных сосудов. Область бионики вдохновила новые конструкции самолетов, предлагающие большую маневренность и другие преимущества. Это было описано Джеффом Спеддингом, Монсом Розеном и Андерсом Хеденстрёмом в статье в Journal of Experimental Biology. Подобные утверждения были сделаны Джоном Виделером и Эйзе Стамхуйсом в их книге Avian Flight, а также в статье, представленной ими в Science о LEV. Эти исследования в области бионики также могут быть использованы для создания более эффективных вертолетов или миниатюрных БПЛА, как заявил Брет Тобальске в статье в Science о колибри. UC Berkeley и ESA работают в аналогичном направлении и создали Robofly (миниатюрный БПЛА) и Entomopter (БПЛА, который может ходить, ползать и летать). Биоинспирированное механическое устройство может генерировать плазму в воде посредством кавитации, используя морфологически точную клешню щелкающего креветки. Это было подробно описано Синь Таном и Дэвидом Стааком в статье, опубликованной в Science Advances.

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.

В медицине

Бионика охватывает поток концепций от биологии к инженерии и обратно. Следовательно, существуют два несколько различных взгляда на значение этого слова. В медицине бионика означает замену или улучшение органов или других частей тела механическими аналогами. Бионические имплантаты отличаются от обычных протезов тем, что очень точно воспроизводят или даже превосходят исходную функцию. Немецкий эквивалент бионики, Bionik, всегда придерживается более широкого значения, поскольку стремится разрабатывать инженерные решения, вдохновленные биологическими моделями. Такой подход обусловлен тем, что биологические решения обычно оптимизируются эволюционными процессами. Хотя технологии, делающие возможными бионические имплантаты, развиваются постепенно, существует несколько успешных бионических устройств, одним из которых является многоканальный кохлеарный имплантат (бионическое ухо), изобретенный в Австралии, предназначенный для людей с нарушениями слуха. После создания бионического уха появилось множество других бионических устройств, и ведутся работы над бионическими решениями для других сенсорных расстройств (например, зрения и равновесия). Недавно бионика предоставила методы лечения таких медицинских проблем, как неврологические и психиатрические заболевания, например, болезнь Паркинсона и эпилепсия. В 1997 году колумбийский исследователь Альваро Риос Поведа разработал протез верхней конечности и кисти с сенсорной обратной связью. Эта технология позволяет пациентам с ампутированными конечностями более естественно управлять протезами рук. К 2004 году были созданы полностью функциональные искусственные сердца. Ожидается значительный прогресс с развитием нанотехнологий. Хорошо известным примером предлагаемого наноустройства является респироцит – искусственная красная кровяная клетка, разработанная (но пока не созданная) Робертом Фрейтасом. Во время восьми лет работы в Департаменте биоинженерии Университета Пенсильвании Квабена Боахен разработал кремниевую сетчатку, способную обрабатывать изображения так же, как живая сетчатка. Он подтвердил свои результаты, сравнив электрические сигналы от своей кремниевой сетчатки с электрическими сигналами, генерируемыми глазом саламандры, когда обе сетчатки смотрели на одно и то же изображение. 21 июля 2015 года медицинский корреспондент BBC Фергус Уолш сообщил: «Хирурги в Манчестере провели первую имплантацию бионического глаза пациенту с наиболее распространенной причиной потери зрения в развитых странах. 80-летнему Рэю Флинну диагностирована сухая возрастная макулярная дегенерация, приведшая к полной потере центрального зрения. Он использует имплантат сетчатки, который преобразует видеоизображения с миниатюрной видеокамеры, установленной на его очках. Теперь он может различать направление белых линий на экране компьютера с помощью имплантата сетчатки». Имплантат, известный как Argus II и производимый в США компанией Second Sight Medical Products, ранее использовался у пациентов, ослепших в результате редкого наследственного дегенеративного заболевания глаз – пигментного ретинита. В 2016 году Тилли Локи (родилась 7 октября 2005 года) была оснащена парой бионических рук "Hero Arms", изготовленных компанией OpenBionics, британским предприятием, специализирующимся на бионике. Hero Arm – это легкий миоэлектрический протез для взрослых и детей старше восьми лет с ампутацией ниже локтя. Тилли Локи, у которой обе руки были ампутированы в 15 месяцев после постановки диагноза – менингококковый сепсис штамма B, описывает "Руки героя" как «действительно реалистичные, настолько, что их реалистичность даже немного пугала». 17 февраля 2020 года Даррен Фуллер, ветеран военной службы, стал первым человеком, которому была установлена бионическая рука в рамках государственной системы здравоохранения. Фуллер потерял нижнюю часть правой руки во время службы в Афганистане в 2008 году в результате инцидента с минометными боеприпасами.

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.

Другие применения

Бизнес-биомиметика – это новейшее направление в применении биомиметики. В частности, она применяет принципы и практики, заимствованные из биологических систем, к бизнес-стратегии, процессам, организационному дизайну и стратегическому мышлению. Она успешно используется в различных отраслях, включая товары повседневного спроса, оборонную промышленность, государственное управление, упаковку и бизнес-услуги. Этот подход, основанный на работе Фила Ричардсона из Университета Бата, был представлен в Палате лордов в мае 2009 года. В общем случае, биомиметика используется как техника креативности, изучающая биологические прототипы для получения идей для инженерных решений. В химии биомиметический синтез – это химический синтез, вдохновленный биохимическими процессами. Другое, более современное значение термина "бионика" относится к слиянию организма и машины. Этот подход приводит к созданию гибридной системы, объединяющей биологические и инженерные компоненты, которую также можно назвать кибернетическим организмом (киборгом). Практическая реализация этого была продемонстрирована в экспериментах Кевина Уорвика с имплантатами, обеспечивающими ультразвуковую стимуляцию через его нервную систему.