La ingeniería biónica o de inspiración biológica es la aplicación de métodos y sistemas biológicos que se encuentran en la naturaleza al estudio y diseño de sistemas de ingeniería y tecnología moderna . [1]
La palabra biónica , acuñado por Jack E. Steele en agosto de 1958, es un baúl de viaje de bio logía y electro NIC [2] que fue popularizado por la década de 1970 la serie de televisión de Estados Unidos el seis millones de dólares El hombre y la mujer biónica , ambos basados en la novela Cyborg de Martin Caidin . Las tres historias presentan a humanos a los que se les han otorgado varios poderes sobrehumanos mediante sus implantes electromecánicos .
Según los defensores de la tecnología biónica, la transferencia de tecnología entre formas de vida y objetos manufacturados es deseable porque la presión evolutiva normalmente obliga a los organismos vivos (fauna y flora) a optimizarse y ser eficientes. Por ejemplo, la pintura (revestimiento) que repele la suciedad y el agua se desarrolló a partir de la observación de que prácticamente nada se adhiere a la superficie de la planta de flor de loto (el efecto de loto ). [ cita requerida ] .
Se prefiere el término " biomimético " para referencias a reacciones químicas, [ cita requerida ] tales como reacciones que, en la naturaleza, involucran macromoléculas biológicas (por ejemplo, enzimas o ácidos nucleicos) cuya química se puede replicar in vitro usando moléculas mucho más pequeñas.
Ejemplos de biónica en ingeniería incluyen los cascos de los barcos que imitan la piel gruesa de los delfines; imágenes de sonar , radar y ultrasonido médico que imitan la ecolocalización de animales .
En el campo de la informática , el estudio de la biónica ha producido neuronas artificiales , redes neuronales artificiales , [3] y la inteligencia de enjambre . La computación evolutiva también estuvo motivada por ideas biónicas, pero llevó la idea más allá al simular la evolución in silico y producir soluciones bien optimizadas que nunca habían aparecido en la naturaleza.
Julian Vincent , profesor de biomimética del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Bath , estima que "en la actualidad sólo existe un solapamiento del 12% entre biología y tecnología en cuanto a los mecanismos utilizados". [4] [ aclaración necesaria ]
Historia
El nombre "biomiméticos" fue acuñado por Otto Schmitt en la década de 1950. El término "biónica" fue acuñado por Jack E. Steele en agosto de 1958 mientras trabajaba en la Casa de la División Aeronáutica en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio . [5] Sin embargo, términos como biomimetismo o biomimética son más preferidos en el mundo de la tecnología en un esfuerzo por evitar la confusión entre el término médico "biónica". Casualmente, Martin Caidin usó la palabra para su novela Cyborg de 1972 , que inspiró la serie The Six Million Dollar Man . Caidin fue un escritor de la industria de la aviación durante mucho tiempo antes de dedicarse a la ficción a tiempo completo.
Métodos
El estudio de la biónica a menudo enfatiza la implementación de una función que se encuentra en la naturaleza en lugar de imitar estructuras biológicas. Por ejemplo, en informática, la cibernética intenta modelar los mecanismos de retroalimentación y control que son inherentes al comportamiento inteligente, mientras que la inteligencia artificial intenta modelar la función inteligente independientemente de la forma particular en que se pueda lograr.
La copia consciente de ejemplos y mecanismos de organismos naturales y ecologías es una forma de razonamiento basado en casos aplicado , que trata a la naturaleza misma como una base de datos de soluciones que ya funcionan. Los defensores argumentan que la presión selectiva que se ejerce sobre todas las formas de vida naturales minimiza y elimina las fallas.
Aunque podría decirse que casi toda la ingeniería es una forma de biomimetismo , los orígenes modernos de este campo suelen atribuirse a Buckminster Fuller y su posterior codificación como casa o campo de estudio a Janine Benyus .
Generalmente hay tres niveles biológicos en la fauna o la flora, a partir de los cuales se puede modelar la tecnología:
- Imitando los métodos naturales de fabricación
- Imitación de los mecanismos que se encuentran en la naturaleza ( velcro )
- Estudiar los principios organizativos del comportamiento social de los organismos , como el comportamiento de las aves en bandadas, la optimización del forrajeo de las hormigas y de las abejas , y el comportamiento basado en la inteligencia de enjambre (IS) de un banco de peces .
Ejemplos de
- En robótica , la biónica y la biomimética se utilizan para aplicar la forma en que los animales se mueven al diseño de robots. BionicKangaroo se basó en los movimientos y la fisiología de los canguros.
- El velcro es el ejemplo más famoso de biomimética. En 1948, el ingeniero suizo George de Mestral estaba limpiando a su perro de las rebabas recogidas en un paseo cuando se dio cuenta de cómo los ganchos de las rebabas se pegaban al pelaje.
- El diseño en forma de cuerno y dientes de sierra para las hojas de leñador que se usaba a fines del siglo XIX para talar árboles cuando todavía se hacía a mano se modeló a partir de las observaciones de un escarabajo excavador de la madera . Revolucionó la industria porque las cuchillas trabajaban mucho más rápido en la tala de árboles.
- Los reflectores de ojos de gato fueron inventados por Percy Shaw en 1935 después de estudiar el mecanismo de los ojos de gato. Había descubierto que los gatos tenían un sistema de células reflectantes, conocido como tapetum lucidum , que era capaz de reflejar la más mínima luz.
- Las máquinas voladoras y los barcos de Leonardo da Vinci son ejemplos tempranos del dibujo de la naturaleza en la ingeniería.
- La resina es un sustituto del caucho que se ha creado mediante el estudio del material que también se encuentra en los artrópodos.
- Julian Vincent se basó en el estudio de las piñas cuando desarrolló en 2004 ropa "inteligente" que se adapta a los cambios de temperatura. "Quería un sistema sin vida que respondiera a los cambios de humedad cambiando de forma", dijo. "Hay varios sistemas de este tipo en las plantas, pero la mayoría son muy pequeños: la piña es la más grande y, por lo tanto, la más fácil de trabajar". Las piñas responden a la humedad más alta abriendo sus escamas (para dispersar sus semillas). La tela "inteligente" hace lo mismo, se abre cuando el usuario está caliente y suda y se cierra herméticamente cuando hace frío.
- En 2004, científicos biomiméticos de la Universidad Estatal de Penn diseñaron "alas de avión en transformación" que cambian de forma según la velocidad y la duración del vuelo . Las alas cambiantes se inspiraron en diferentes especies de aves que tienen alas de formas diferentes según la velocidad a la que vuelan. Para cambiar la forma y la estructura subyacente de las alas del avión, los investigadores necesitaban hacer que la piel suprayacente también pudiera cambiar, lo que su diseño hace al cubrir las alas con escamas inspiradas en peces que podrían deslizarse unas sobre otras. En algunos aspectos, esto es un refinamiento del diseño del ala oscilante .
- Algunas pinturas y tejas se han diseñado para autolimpiarse copiando el mecanismo del loto Nelumbo . [6]
- Los cristales líquidos colestéricos (CLC) son el material de película delgada que se usa a menudo para fabricar termómetros de pecera o anillos de humor , que cambian de color con los cambios de temperatura. Cambian de color porque sus moléculas están dispuestas en una disposición helicoidal o quiral y con la temperatura el tono de esa estructura helicoidal cambia, reflejando diferentes longitudes de onda de luz. Chiral Photonics, Inc. ha extraído la estructura autoensamblada de los CLC orgánicos para producir dispositivos ópticos análogos utilizando pequeñas longitudes de fibra de vidrio trenzada inorgánica .
- Las nanoestructuras y los mecanismos físicos que producen el color brillante de las alas de las mariposas fueron reproducidos in silico por Greg Parker , profesor de Electrónica y Ciencias de la Computación en la Universidad de Southampton y estudiante de investigación Luca Plattner en el campo de la fotónica , que es la electrónica que utiliza fotones como información. portador en lugar de electrones .
- Se estudió la estructura del ala de la mariposa morfo azul y se imitó la forma en que refleja la luz para crear una etiqueta RFID que se puede leer a través del agua y en metal. [7]
- La estructura de las alas de las mariposas también ha inspirado la creación de nuevos nanosensores para detectar explosivos. [8]
- Los chips neuromórficos , retinas de silicio o cócleas , tienen un cableado que se modela a partir de redes neuronales reales . Sa: conectividad.
- Los tecnoecosistemas o sistemas 'EcoCyborg' implican el acoplamiento de procesos ecológicos naturales con procesos tecnológicos que imitan funciones ecológicas. Esto da como resultado la creación de un sistema híbrido autorregulador. [9] La investigación en este campo fue iniciada por Howard T. Odum , [10] quien percibió la estructura y la dinámica de la emergía de los ecosistemas como algo análogo al flujo de energía entre los componentes de un circuito eléctrico.
- Se están desarrollando adhesivos médicos que involucran pegamento y diminutos nanopelos basados en las estructuras físicas que se encuentran en los pies de los geckos.
- Los virus informáticos también muestran similitudes con los virus biológicos en su manera de frenar la información orientada a programas hacia la autorreproducción y diseminación.
- El sistema de enfriamiento del edificio Eastgate Center en Harare se modeló a partir de un montículo de termitas para lograr un enfriamiento pasivo muy eficiente.
- Adhesivo que permite que los mejillones se adhieran a rocas, muelles y cascos de embarcaciones inspirado en gel bioadhesivo para vasos sanguíneos . [11]
- A través del campo de la biónica, se pueden crear nuevos diseños de aviones con mucha mayor agilidad y otras ventajas. Esto ha sido descrito por Geoff Spedding y Anders Hedenström en un artículo en Journal of Experimental Biology . John Videler y Eize Stamhuis también hicieron declaraciones similares en su libro Avian Flight [12] y en el artículo que presentan en Science sobre los LEV. [13] Desde entonces, John Videler y Eize Stamhuis han elaborado mejoras reales en las alas de los aviones, utilizando la investigación biónica. Esta investigación en biónica también se puede utilizar para crear helicópteros o UAV en miniatura más eficientes . Esto último fue afirmado por Bret Tobalske en un artículo en Science sobre Colibríes . [14] Bret Tobalske ha comenzado a trabajar en la creación de estos vehículos aéreos no tripulados en miniatura que pueden utilizarse para el espionaje. UC Berkeley y la ESA finalmente también han estado trabajando en una dirección similar y han creado el Robofly [15] (un UAV en miniatura) y el Entomopter (un UAV que puede caminar, gatear y volar). [dieciséis]
- Un dispositivo mecánico bioinspirado puede generar plasma en agua a través de la cavitación utilizando la morfología precisa pinza de camarón. Esto fue descrito en detalle por Xin Tang y David Staack en un artículo publicado en Science Advances . [17]