La naturaleza es la maestra de la humanidad
¿Cuáles son las extrañas habilidades de las criaturas en la naturaleza? ¿Qué inspiraciones han dado a los humanos? ¿Qué tipo de máquinas podemos? crear para imitar ¿Qué pasa con ellos? A continuación se presentará una ciencia emergente: la biónica.
Los pájaros pueden extender sus alas y volar libremente en el aire. Según "Han Feizi", Lu Ban hizo un pájaro. bambú y madera "Volar durante tres días." Sin embargo, la gente quería imitar las alas de los pájaros para poder volar en el aire, ya hace cuatrocientos años el italiano Leonardo da Vinci y sus ayudantes las diseccionaron y estudiaron cuidadosamente. pájaros diseñaron y construyeron un avión de alas batientes, la primera máquina voladora artificial del mundo.
Estos inventos e intentos de imitar estructuras y funciones biológicas, se puede decir que son los pioneros de la biónica humana. El brote de la biónica.
Comparación que invita a la reflexión
Aunque el comportamiento de la biónica humana tomó forma muy temprano, en la década de 1940, la gente no consideraba conscientemente la biología como una. fuente de ideas de diseño e invenciones. La investigación de los científicos en biología se limitaba a describir la estructura precisa y las funciones perfectas de los organismos vivos, mientras que los ingenieros y técnicos dependían más de sí mismos. Rara vez aprenden conscientemente del mundo biológico a través del ingenio y el trabajo duro. Sin embargo, los siguientes hechos pueden ilustrarlo: algunos de los problemas técnicos que las personas enfrentan en el campo de la ciencia y la tecnología existieron en el mundo biológico hace millones de años y aparecieron y se resolvieron en el proceso de evolución, pero los humanos no recibieron su merecido. inspiración del mundo biológico.
Primero, la investigación sobre prototipos biológicos se ha basado en la producción real de temas específicos, simplificar la información biológica, absorber contenido que sea beneficioso para los requisitos técnicos, cancelar los factores de producción que tienen. nada que ver con requisitos técnicos, y obtener un modelo biológico, la segunda etapa es analizar matemáticamente la información proporcionada por el modelo biológico y abstraer sus conexiones internas, utilizando el lenguaje matemático "traduce" el modelo biológico. la información proporcionada por el modelo biológico y abstraer sus conexiones internas, y utilizar lenguaje matemático para "traducir" el modelo biológico en un modelo matemático con cierto significado. En el proceso de simulación biológica, no se trata simplemente de una simple simulación biológica, sino más importante aún. , innovación en simulación biológica Sólo a través de la práctica, la comprensión y la práctica muchas veces las cosas simuladas pueden estar cada vez más en línea con las necesidades de producción. Como resultado de la simulación, el dispositivo mecánico final será diferente del prototipo biológico. y en algunos aspectos incluso superará las capacidades del prototipo biológico. Por ejemplo, los aviones actuales superan las capacidades de vuelo de las aves en muchos aspectos, y también son más rápidos y fiables que los cálculos humanos en cálculos complejos. >
El método de investigación básica de la biónica le confiere una característica destacada en la investigación biológica, es decir, desde la perspectiva de la biónica, desde una perspectiva holística, considera la biología como un sistema complejo que puede conectarse y controlarse con lo interno y. entorno externo Su tarea es estudiar las interrelaciones entre las partes internas de un sistema complejo y el comportamiento y estado de todo el sistema. Las características más básicas de los seres vivos son la autorrenovación y la autorreplicación, que están indisolublemente ligadas al mundo exterior. Los organismos obtienen materia y energía del medio ambiente para lograr el crecimiento y la reproducción; los organismos reciben información del medio ambiente y se ajustan y sintetizan continuamente para lograr la adaptación y la evolución. El proceso evolutivo a largo plazo ha permitido a los organismos alcanzar la unidad de estructura y función, y la coordinación y unidad de la parte y el todo. La biomímesis consiste en estudiar la relación cuantitativa entre un organismo y estímulos externos (información de entrada), es decir, centrarse en la unificación de relaciones cuantitativas para realizar simulaciones. Para lograr este propósito, no se pueden obtener resultados satisfactorios utilizando ningún método local. Por tanto, el método de investigación de la biónica debe centrarse en el conjunto.
El contenido de la investigación de la biónica es extremadamente rico y colorido, porque el mundo biológico en sí contiene miles de especies, que tienen diversas estructuras y funciones excelentes y pueden ser estudiadas por todos los ámbitos de la vida. Desde la llegada de la biónica hace más de 20 años, la investigación en biónica se ha desarrollado rápidamente y ha logrado resultados fructíferos. El ámbito de la investigación incluye biónica electrónica, biónica mecánica, biónica arquitectónica, biónica química, etc. Con el desarrollo de la tecnología de ingeniería moderna, han surgido muchas subdisciplinas y se han llevado a cabo las correspondientes investigaciones técnicas en biónica. Por ejemplo: la investigación del departamento marino sobre la mecánica de fluidos del movimiento de animales acuáticos; la simulación del vuelo de aves e insectos, el posicionamiento y la navegación de los animales; la simulación de biomecánica del departamento de ingeniería y construcción; la simulación sensorial de células nerviosas humanas del departamento de radiotecnología; órganos y simulación de redes neuronales, investigación de simulación de tecnología informática sobre inteligencia artificial similar al cerebro, etc. Los temas típicos que se plantearon en la primera conferencia sobre biónica incluyen: "¿Cuáles son las características de las neuronas artificiales?", "Problemas en el diseño de computadoras biológicas", "Reconocimiento de imágenes con máquinas", "Máquinas para aprender", "Máquinas para aprender", "Máquinas de aprendizaje". ", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", "Máquina de aprendizaje", etc. "Máquinas de aprendizaje", etc. Se puede observar que el alcance de la investigación de la biónica electrónica es más amplio. La mayoría de los temas de investigación en biónica se centran en el estudio de los siguientes tres prototipos biológicos, es decir, la función general de los órganos sensoriales, las neuronas y el sistema nervioso del animal. Posteriormente se llevaron 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 cubre una gama más amplia de contenidos, desde la biónica molecular que simula el mundo microscópico hasta la biónica que simula el universo macroscópico. La ciencia y la tecnología actuales se encuentran en una nueva era en la que varias ciencias naturales están altamente integradas, entrelazadas e infiltradas. La biomímesis combina la investigación y la práctica mediante la simulación de la vida y también juega un gran papel en la promoción del desarrollo de la biología. Bajo la penetración e influencia de otras disciplinas, la investigación en ciencias biológicas ha experimentado cambios fundamentales en los métodos en términos de contenido, y también se ha profundizado desde el nivel de descripción y análisis hasta la dirección de la precisión y la cuantificación. El desarrollo de las ciencias biológicas y la biónica ha aportado información valiosa y nutrientes ricos a diversas ciencias naturales y técnicas, acelerando el desarrollo de la ciencia. De esta manera, la investigación científica en biónica muestra una vitalidad ilimitada, y su desarrollo y logros contribuirán enormemente al desarrollo de la ciencia y la tecnología en todo el mundo.
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 macroestructura y estructura fina de los organismos, así como el movimiento relativo de cada componente del organismo en el cuerpo y las características dinámicas del movimiento. del organismo en el ambiente. Por ejemplo, los edificios de luces largas y delgadas imitan estructuras de cáscara y las columnas imitan estructuras femorales, lo que no sólo elimina las áreas de concentración de tensiones, sino que también puede soportar la carga máxima con la menor cantidad de materiales de construcción. La estructura de ranura de piel de delfín de imitación de uso militar envuelve la piel de delfín artificial en el casco del barco, lo que puede reducir la especulación durante la navegación y aumentar la velocidad de navegación;
◇La biosimulación molecular es un método para estudiar y simular enzimas en seres vivos. organismos Catálisis, selectividad, permeabilidad de membranas biológicas, análisis y síntesis de macromoléculas biológicas o sus análogos, etc. Por ejemplo, después de aclarar la estructura química de la hormona inductora del sexo de la plaga forestal Drosophila melanogaster, se sintetizó un compuesto orgánico similar en jaulas de insectos en la naturaleza, este compuesto puede atrapar y matar a los machos en una dosis de una diezmillonésima parte. de un microgramo Insectos;
◇La biónica energética se refiere al estudio y simulación de procesos de conversión de energía en organismos vivos, como la bioluminiscencia de órganos bioeléctricos, la conversión directa de energía química en energía mecánica por parte de los músculos, etc.;
◇ La biónica de información y control se refiere al estudio y simulación de procesos de procesamiento de información en órganos sensoriales, neuronas y redes neuronales en organismos vivos, así como las actividades inteligentes de centros avanzados. Por ejemplo, un "velocímetro de autocorrelación" basado en la respuesta al movimiento de la luz de un paramecio puede determinar la velocidad de aterrizaje de una aeronave. Basados en el principio de funcionamiento de la red de supresión lateral de la retina del ojo compuesto del cangrejo herradura, se han desarrollado con éxito algunos dispositivos para realzar los contornos de la imagen y mejorar el contraste, ayudando así a detectar objetivos borrosos. Se han establecido más de 100 modelos de neuronas y a partir de ellos se ha construido un nuevo tipo de ordenador.
Imitando el proceso de aprendizaje humano, nació una máquina llamada "perceptrón", que puede aprender y entrenar cambiando los pesos de las conexiones entre componentes, logrando así el reconocimiento de patrones. También puede estudiar y modelar la homeostasis, los mecanismos de control de los sistemas biológicos (como el control del movimiento, la orientación y la navegación en animales) y aspectos biónicos de los sistemas hombre-máquina.
En alguna literatura, partes de la biónica molecular y de la energía se denominan biónica química, mientras que partes de la biónica de información y control se denominan neurobiónica.
El alcance de la biónica es muy amplio, y la biónica de información y control es uno de los campos importantes. Por un lado, debido a la necesidad de automatización para el control inteligente, y por otro, debido a que la ciencia biológica se ha desarrollado hasta tal punto, el estudio del cerebro se ha convertido en el mayor desafío al que se enfrenta 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 del control biológico y cuestiones de coordinación, etc. - Estas son las principales áreas de la investigación biónica.
La biónica de control e información está estrechamente relacionada con la cibernética biológica. Ambos estudian procesos de control e información en sistemas biológicos y ambos utilizan modelos de sistemas biológicos. Sin embargo, el objetivo principal de la primera es construir sistemas prácticos de hardware artificial, mientras que la cibernética biológica busca explicar el comportamiento biológico a partir de los principios generales de la cibernética y las teorías de la ciencia técnica.
El uso más amplio de analogías, simulaciones y métodos de modelado es una característica distintiva de los métodos de investigación de biomímesis. El objetivo no es reproducir directamente cada detalle, sino comprender cómo funcionan los sistemas biológicos, centrados en lograr funciones específicas. -En general, la investigación en biónica tiene tres aspectos relacionados: prototipos biológicos, modelos matemáticos y modelos de hardware. El primero es la base, el segundo es el propósito, y el modelo matemático es un puente importante que conecta los dos.
Debido a la complejidad de los sistemas biológicos, aclarar el mecanismo de un determinado sistema biológico requiere un largo ciclo de investigación, y resolver problemas prácticos requiere una estrecha colaboración multidisciplinaria a largo plazo. Esta es la principal restricción. Velocidad de desarrollo de la razón biónica.
El fenómeno biónico
Moscas y naves espaciales
Las molestas moscas parecen no tener nada que ver con el ambicioso programa espacial, pero la biónica las une estrechamente.
Las moscas son famosas por su naturaleza "apestosa". Dondequiera que haya hedor y suciedad, hay rastros de ellas. Las moscas tienen un sentido del olfato especialmente sensible y pueden detectar olores a miles de metros de distancia. Pero las moscas no tienen "nariz", entonces, ¿de qué depende para actuar como sentido del olfato? Resulta que los receptores olfativos de la "nariz" de la mosca están ubicados en la cabeza de un par de antenas.
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 olores en función de los diferentes impulsos nerviosos que producen. Por tanto, las antenas de la mosca actúan como un sensible analizador de gases.
Los científicos de la biónica se inspiraron en la estructura y función del órgano olfativo de las moscas y crearon con éxito un pequeño analizador de gases muy peculiar. La "sonda" del instrumento no es metal, sino una mosca viva. Inserta un microelectrodo muy delgado en el nervio olfatorio de la mosca. La señal eléctrica extraída del nervio se amplifica mediante un circuito electrónico y se envía al analizador. Una vez que el analizador detecta la señal de sustancias olorosas, puede hacer sonar una alarma. Este instrumento está instalado en la cabina de la nave espacial y se utiliza para detectar la composición del gas en la cabina.
Este pequeño analizador de gases también puede medir gases nocivos en submarinos y minas. Utilizando este principio, también se pueden mejorar el dispositivo de entrada de la computadora y el principio estructural del analizador cromatógrafo de gases.
Desde las luciérnagas hasta las fuentes artificiales de luz fría
Desde que los humanos inventamos la luz eléctrica, la vida se ha vuelto más cómoda y rica. Pero las luces eléctricas sólo pueden convertir una parte muy pequeña de la energía eléctrica en luz visible, y la mayor parte del resto se desperdicia en forma de energía térmica, y 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 existen muchos organismos que pueden emitir luz, como bacterias, hongos, gusanos, moluscos, crustáceos, insectos y peces. La luz que emiten estos animales no produce calor, por lo que tampoco lo hacen. Llamado "luz fría".
Entre los muchos animales luminosos, las luciérnagas son uno de ellos.
Hay alrededor de 1.500 especies de luciérnagas y la luz fría que emiten varía del amarillo verdoso al naranja en diferentes brillos. La luz fría emitida por las luciérnagas no solo tiene una alta eficiencia luminosa, sino que además la luz fría emitida es generalmente muy suave, muy adecuada para el ojo humano y la intensidad de la luz es relativamente alta. Por tanto, la luz biológica es una fuente de luz ideal para los humanos.
Los científicos descubrieron que los emisores de luz de las luciérnagas se encuentran en su abdomen. Este emisor de luz consta de tres partes: una capa luminiscente, una capa transparente y una capa reflectante. Hay miles de células luminiscentes en la capa luminiscente, todas las cuales contienen dos sustancias, luciferina y luciferasa. Bajo la acción de la luciferasa, la luciferina se oxida con la participación de agua intracelular y emite fluorescencia. 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, lo que provocó grandes cambios en las fuentes de iluminación humana. En los últimos años, los científicos primero aislaron luciferina pura de los luminóforos de luciérnagas, luego aislaron la luciferasa y luego sintetizaron químicamente la luciferina. Una fuente de luz biológica mezclada con luciferina, luciferasa, ATP (trifosfato de adenosina) y agua puede destellar en minas llenas de gases explosivos. Dado que este tipo de luz no tiene fuente de energía y no genera un campo magnético, puede completar tareas como limpiar minas terrestres magnéticas bajo la iluminación de fuentes de luz biológicas.
Ahora se ha podido obtener luz fría similar a la luz biológica dopando determinadas sustancias químicas como iluminación de seguridad.
Peces eléctricos y baterías de voltios
Hay muchos organismos en la naturaleza que pueden generar electricidad, y sólo de peces existen más de 500 especies. La gente puede descargar electricidad de estos peces, conocidos colectivamente como "peces eléctricos".
Los distintos peces eléctricos tienen diferentes capacidades de descarga. Los más poderosos son las rayas eléctricas, los bagres eléctricos y las anguilas eléctricas. Las rayas eléctricas de tamaño mediano pueden producir alrededor de 70 voltios, mientras que las rayas eléctricas africanas pueden producir hasta 220 voltios; el bagre eléctrico africano puede producir 350 voltios; las anguilas eléctricas pueden producir 500 voltios, y también hay una anguila eléctrica sudamericana que puede producir con Con un voltaje de hasta 880 voltios, se le conoce como el campeón de las descargas eléctricas y se dice que puede matar animales del tamaño de caballos.
¿Dónde está el misterio de la descarga eléctrica de los peces? Después de una investigación anatómica sobre peces eléctricos, finalmente se descubrió que hay un extraño órgano generador de energía en el cuerpo de los peces eléctricos. Estos órganos generadores de energía están compuestos por muchas células translúcidas en forma de disco llamadas electroplacas o electrodiscos. Debido a los diferentes tipos de peces eléctricos, la forma, ubicación y número de placas eléctricas del generador también son diferentes. El dispositivo de generación de energía de la anguila eléctrica es prismático y está ubicado en los músculos a ambos lados de las vértebras de la cola; el dispositivo de generación de energía del rayo eléctrico tiene forma de riñón plano, dispuesto a ambos lados de la línea media del cuerpo, con un total de 2 millones. placas eléctricas; dispositivo de generación de energía del bagre eléctrico El dispositivo se origina en un tipo de glándula ubicada entre la piel y los músculos y contiene aproximadamente 5 millones de placas eléctricas. El voltaje generado por una sola placa eléctrica es muy débil, pero como hay muchas placas eléctricas, el voltaje generado es muy grande.
Esta extraordinaria capacidad del pez eléctrico ha despertado un gran interés. A principios del siglo XIX, el físico italiano Volta utilizó el órgano generador de energía de un pez eléctrico como modelo para diseñar la batería voltaica más antigua del mundo. Debido a que esta batería está diseñada basándose en el órgano generador de energía natural del pez eléctrico, se le llama "órgano eléctrico artificial". La investigación sobre peces eléctricos también ha dado a la gente esta revelación: si podemos imitar con éxito el órgano generador de energía de los peces eléctricos, entonces los problemas de energía de barcos y submarinos podrán resolverse bien.
Los compasivos oídos de las medusas
"Lloverá cuando las golondrinas vuelen bajo, y el cielo estará despejado cuando las cigarras canten bajo la lluvia." El comportamiento de los seres vivos está relacionado con los cambios climáticos. Los pescadores costeros saben que los peces y medusas que viven en la costa nadarán mar adentro en grandes grupos, lo que es una señal de que se acerca 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. Cuando llega una tormenta, nada hacia el mar en busca de refugio.
Al principio, 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 eran siempre el preludio de las tormentas. El oído humano no puede oír esta onda infrasonida, pero las pequeñas medusas son muy sensibles. Los científicos biónicos han descubierto que en la cavidad de vibración del oído de la medusa hay un mango delgado. En el mango hay una pequeña piedra para escuchar cuando la onda de infrasonido golpea la piedra para escuchar. La oreja de la medusa. Cuando se presiona la piedra, la piedra que escucha estimula los receptores nerviosos en las paredes de la bola y la medusa escucha el estruendo de una tormenta que se aproxima.
Los científicos biónicos diseñaron el pronosticador de tormentas de orejas de medusa basándose en la estructura y función de las orejas de medusa, que simula con precisión el órgano de la medusa que detecta ondas infrasonidas. Este instrumento se instala en la cubierta delantera del barco. Cuando recibe las ondas infrasonidas de la tormenta, puede girar la bocina 360° y luego dejar de girar por sí sola. La dirección que apunta es la dirección de la tormenta; en el indicador puede indicar la dirección de la tormenta. Este pronosticador puede predecir tormentas con hasta 15 horas de antelación, lo cual es importante para la seguridad de la navegación y la pesca.
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