¿Cuál es el papel de la biónica?
El ámbito de investigación de la biónica incluye principalmente: biónica mecánica, biónica molecular, biónica energética y biónica de información y control.
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 y las propiedades dinámicas del movimiento de los organismos en el ambiente. Por ejemplo, en arquitectura, los edificios de luces largas y delgadas se reparan imitando conchas y las columnas se construyen imitando estructuras femorales, lo que no sólo elimina las áreas donde se concentra particularmente la tensión, sino que también minimiza la carga que los materiales de construcción pueden soportar. En el ejército, se imita la estructura de ranura de la piel de delfín y se envuelve 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 biónica molecular es el estudio y simulación de enzimas en organismos vivos Catálisis, selectividad y 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 las plagas forestales, se sintetizó un compuesto orgánico similar que puede atrapar y matar insectos machos en una jaula de campo a una diezmillonésima parte de un microgramo;
Biónica energética, que consiste en estudiar y simular los procesos de conversión de energía en organismos vivos, como la bioluminiscencia de órganos bioeléctricos y la conversión directa de energía química en energía mecánica por parte de los músculos;
Biónica de información y control
La biónica de información y control es Estudiar y simular las actividades inteligentes de los órganos sensoriales, neuronas y redes neuronales, así como los centros avanzados de los organismos durante el procesamiento de la información. Por ejemplo, un "velocímetro de autocorrelación" elaborado a partir de la respuesta visual 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 que pueden mejorar los contornos y el contraste de la imagen, 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.
Algunos ejemplos de "biónica"
Moscas y naves espaciales
Las molestas moscas y las magníficas naves espaciales pueden no parecer lo mismo, pero la biónica está estrechamente relacionada. juntos.
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 biónicos se inspiraron en la estructura y función del órgano olfativo de la mosca 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, las personas pueden utilizar el método de dopar ciertas sustancias químicas para obtener una luz fría similar a la luz biológica 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".
Diversos 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 los peces eléctricos también ha dado a la gente una revelación: si podemos imitar con éxito el órgano generador de energía de los peces eléctricos, entonces los problemas de energía de los 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 celenterado milenario.
Hace 500 millones de años flotaba en el océano. 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 predictor de tormentas de oídos de medusa basándose en la estructura y función de los oídos de las medusas. Simula con bastante precisión el órgano de la medusa que detecta las ondas infrasonidas. Este instrumento se instala en la cubierta delantera del barco cuando recibe las ondas infrasonidas de una 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 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.