Biónica 12
¿Qué habilidades únicas tienen varias criaturas en la naturaleza? ¿Qué inspiración dieron sus habilidades a los humanos? ¿Qué tipo de máquinas pueden crear los humanos imitando estas habilidades? Aquí nos gustaría presentarles una nueva ciencia: la biónica.
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.
Comparación que invita a la reflexión
Aunque el comportamiento biónico humano ha tomado forma, antes de la década de 1940, la gente no consideraba conscientemente la biología como la fuente de ideas e invenciones de diseño. La investigación de los científicos en biología sólo se limita a describir la exquisita estructura y las funciones perfectas de los organismos vivos. El personal técnico y de ingeniería confía más en su propia excelente sabiduría, trabajo duro e invención artificial. Rara vez aprenden biología de forma consciente. Pero los siguientes hechos pueden ilustrar que algunos de los problemas técnicos que enfrenta la gente aparecieron en el mundo biológico hace millones de años y se resolvieron en el proceso de evolución. Sin embargo, los humanos no han recibido la iluminación que merecen del mundo biológico.
El primero es el estudio 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 siguientes tres prototipos biológicos, a saber, las funciones generales 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, una 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; p>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 alcance de la biónica es muy amplio, y la biónica de información y control es 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 con 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 parece un riñón plano, dispuesto a ambos lados de la línea media del cuerpo, con un total de 2 millones de placas eléctricas; El generador se originó a partir de una glándula de algún tipo, ubicada entre la piel y los músculos, con 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". El comportamiento de los seres vivos está relacionado con los cambios en el tiempo. 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 de resonancia del oído de la medusa, una pequeña bola en el mango y una pequeña piedra auditiva en 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 de 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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