¿Cuáles son algunos pequeños inventos sobre biónica?
La biónica humana tiene una larga historia
Desde la antigüedad, la naturaleza ha sido la fuente de diversos ideas técnicas, principios de ingeniería e inventos importantes Una amplia variedad de mundos biológicos han pasado por un largo proceso de evolución, lo que les ha permitido adaptarse a los cambios en el medio ambiente, para que puedan sobrevivir y desarrollarse. Puede funcionar, y la práctica de producción a largo plazo de lenguajes que pueden comunicar emociones y pensamientos ha promovido el alto desarrollo del sistema nervioso, especialmente el cerebro. Por lo tanto, las habilidades y la sabiduría incomparables de los seres humanos superan con creces a todos los grupos del mundo biológico. A través del trabajo, los humanos usan su propia sabiduría y destreza para crear herramientas. Como resultado, obtenemos una mayor libertad en la naturaleza no solo se limita a observar y comprender el mundo biológico, sino que también utiliza el pensamiento y las habilidades de diseño únicas del ser humano. Los peces tienen la capacidad de entrar y salir libremente en el agua, por lo que la gente imitaba la forma de los peces para construir barcos y usaba remos de madera para imitar las aletas. En la época de Dayu, los trabajadores de la antigua mi patria observaron que las colas de los peces se balanceaban cuando nadaban y giraban en el agua, por lo que instalaron un remo de madera en la popa del barco mediante repetidas observaciones, imitación y práctica. , gradualmente pasaron a usar remos y timones para aumentar la potencia del barco y dominaron el método de dirigir el barco incluso en el río ondulado, la gente también puede hacer que sus barcos naveguen libremente.
Los pájaros pueden volar. libremente en el cielo extendiendo sus alas. Según "Han Feizi", Lu Ban hizo un pájaro de bambú y madera, "voló durante tres días". Sin embargo, la gente quiere imitar las alas de los pájaros para poder volar. Puede volar en el aire Hace ya cuatrocientos años, el italiano Leonardo da Vinci y sus ayudantes diseccionaron cuidadosamente aves, estudiaron sus estructuras corporales y observaron cuidadosamente su vuelo. Diseñaron y construyeron un avión de alas batientes, el primero del mundo. aviones artificiales.
Se puede decir que los inventos e intentos mencionados anteriormente de imitar estructuras y funciones biológicas son los pioneros de la biónica y los organismos biológicos. Han vivido durante mucho tiempo en la naturaleza rodeados de sonido. Utilizan el sonido para encontrar comida, evitar enemigos, cortejar a sus compañeros y reproducirse. Por lo tanto, el sonido es una forma importante para que los seres vivos sobrevivan. El italiano Sbaranzani descubrió muy pronto que los murciélagos pueden volar libremente. en un ambiente completamente oscuro, evitan obstáculos y cazan insectos en vuelo, pero después de taparse los oídos, pueden volar libremente en la oscuridad. Ante estos hechos, Paranzani llegó a una conclusión inaceptable: los murciélagos pueden "ver" con los oídos. Después del final de la Primera Guerra Mundial, en 1920, Hartay creía que los murciélagos emiten señales de sonido con una frecuencia más allá del rango auditivo del oído humano. Se sugiere que el método para localizar objetivos por parte de los murciélagos es el mismo que el método de uso. La ecolocalización ultrasónica fue inventada por Langevin en la Primera Guerra Mundial. Desafortunadamente, la sugerencia de Hardy no llamó la atención y a los ingenieros les resultó difícil creer que los murciélagos tuvieran tecnología de "ecolocalización". en 1983 se confirmó plenamente que los murciélagos emiten ondas ultrasónicas para localizarse. Sin embargo, con la invención de los primeros radares y sonares, esto ya no resultó útil.
Otro ejemplo es el tardío estudio del comportamiento de los insectos. Cuatrocientos años después de que Leonardo da Vinci creara el primer avión estudiando el vuelo de las aves, después de un largo período de práctica repetida, la gente finalmente inventó el avión en 1903, haciendo realidad el sueño de la humanidad de volar hacia el cielo. Después de una mejora continua, 30 años después, los aviones humanos superaron a los pájaros en velocidad, altitud y distancia de vuelo, demostrando la sabiduría y el talento humanos. Sin embargo, en el proceso de desarrollo constante de aviones que pueden volar más rápido y más alto, los diseñadores han encontrado otro problema: el fenómeno del aleteo en la aerodinámica.
Cuando un avión vuela, las alas producen vibraciones dañinas. Cuanto más rápida es la velocidad de vuelo, más violento es el aleteo e incluso las alas se rompen, lo que provoca que el avión se estrelle y muchos pilotos de pruebas mueran. Para eliminar los fenómenos de vibración nocivos, los diseñadores de aviones dedicaron mucha energía a la investigación y les llevó mucho tiempo encontrar una solución a este problema. Se colocó un contrapeso en el otro extremo del borde de ataque del ala, eliminando vibraciones dañinas. Sin embargo, los insectos ya volaban en el aire hace 300 millones de años y no son una excepción al daño de las vibraciones. Después de un largo período de evolución, los insectos han adquirido con éxito métodos para prevenir las vibraciones. Cuando los biólogos estudiaron las alas de las libélulas, descubrieron que había un área de queratina oscura y espesa sobre el borde anterior de cada ala: un ojo de ala o un nevo de ala. Si se quitaran los ojos de las alas, el vuelo se volvería oscilante. Los experimentos han demostrado que es el tejido de queratina del ojo del ala el que elimina el peligro de que las alas de la libélula batieran durante el vuelo, lo cual es muy similar a un brillante invento de los diseñadores. Si los diseñadores primero comprenden la función de los ojos de las alas de los insectos y obtienen conceptos de diseño que conduzcan a resolver el problema del aleteo, parece que los humanos pueden evitar largas exploraciones y sacrificios. Frente a los ojos de las alas de la libélula, los diseñadores de aviones tienen la sensación de que el hierro no puede convertirse en acero.
Estos tres ejemplos invitan a la reflexión e inspiran. En la Tierra, antes de que aparecieran los humanos, varias criaturas habían vivido en la naturaleza durante cientos de millones de años. En su larga evolución de lucha por la supervivencia, adquirieron la capacidad de adaptarse a la naturaleza. La investigación biológica puede demostrar que los mecanismos extremadamente sofisticados y completos formados por los organismos durante su evolución les permiten adaptarse a los cambios en el entorno interno y externo. La biología tiene muchos instintos productivos. Por ejemplo, la biosíntesis en el cuerpo, la conversión de energía, la recepción y transmisión de información, el reconocimiento del mundo exterior, la navegación, el cálculo y síntesis direccional, etc., muestran ventajas que muchas máquinas no pueden igualar. La pequeñez, la sensibilidad, la velocidad, la eficiencia, la confiabilidad y la antiinterferencia de los seres vivos son realmente asombrosas.
El puente entre biología y tecnología
Desde que James Watt (1736-1819) inventó la máquina de vapor en 1782, la gente ha adquirido un tremendo poder en la lucha por la producción. Después de que la tecnología industrial resolvió básicamente los problemas de conversión, control y utilización de la energía, desencadenó la primera revolución industrial. Surgieron varias máquinas. El desarrollo de la tecnología industrial amplió y mejoró enormemente la aptitud física de las personas, liberándolas de las pesadas cargas de trabajo. . Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la gente experimentó la era eléctrica después de la máquina de vapor y avanzó hacia la era de la automatización.
La llegada de las computadoras electrónicas en la década de 1940 agregó una riqueza valiosa al tesoro tecnológico de la humanidad. Pueden procesar información diversa en manos de decenas de miles de personas con capacidades confiables y eficientes. de números e información. El uso de computadoras y la automatización puede hacer que las personas se sientan cómodas frente a procesos de producción complicados, ahorrando mano de obra y controlando con precisión el proceso de producción, liberando a las personas del trabajo físico pesado. Ajustan y controlan con precisión los procedimientos de producción para garantizar especificaciones precisas del producto. Sin embargo, los equipos de control automático funcionan según procedimientos fijos, por lo que sus capacidades de control son muy limitadas. Los dispositivos automáticos carecen de la capacidad de analizar y responder de manera flexible al mundo exterior. Una vez que ocurre una situación inesperada, el dispositivo automático tendrá que dejar de funcionar o incluso causar un accidente. Esta es una deficiencia grave del propio dispositivo automático. Para superar esta deficiencia, la única manera es "comunicarse" entre los componentes de la máquina y entre la máquina y el entorno. En otras palabras, el dispositivo de control automático tiene la capacidad de adaptarse a los cambios en el entorno interno y externo. Para resolver este problema, debemos resolver el problema de la aceptación y conversión en tecnología de ingeniería. Utilización y control de la información. Por tanto, la utilización y control de la información se han convertido en las principales contradicciones en el desarrollo de la tecnología industrial. ¿Cómo resolver esta contradicción? El mundo biológico ha proporcionado una útil iluminación a la humanidad.
Si los humanos quieren obtener la iluminación de los sistemas biológicos, primero deben estudiar si hay escoria en los equipos biológicos y técnicos. La teoría de la regulación, que surgió en 1940, comparaba los seres vivos con las máquinas en un sentido general. En 1944, algunos científicos tenían claro que las máquinas y los seres vivos estaban alineados en una variedad de cuestiones que incluían la comunicación, el control automático y la mecánica estadística. Sobre la base de esta comprensión, en 1947 nació una nueva disciplina: la cibernética.
Cibernética proviene de la palabra griega que significa “timonel”. Norbef Wiener (1894-1964), uno de los fundadores de la cibernética, creía que la definición de cibernética es "la ciencia del control y la comunicación de animales y máquinas".
Aunque esta definición es demasiado simplista y es simplemente un subtítulo del trabajo clásico de Wiener sobre cibernética, vincula directamente la comprensión de los seres vivos y las máquinas.
La visión básica de la cibernética es que existe algún tipo de interacción entre los animales (especialmente los humanos) y las máquinas (incluidos diversos dispositivos automatizados de comunicación, control y cálculo), es decir, hay algunos absolutamente idénticos. leyes dentro de los sistemas de control que poseemos. La investigación en cibernética muestra que el proceso de control de varios sistemas de control incluye la transmisión, conversión y procesamiento de información. El funcionamiento normal del sistema de control depende del funcionamiento normal del proceso de información. El llamado sistema de control se refiere a la combinación orgánica del objeto controlado y varios elementos de control, componentes y circuitos en un todo con determinadas funciones de control. Desde una perspectiva de la información, un sistema de control es una red o sistema de canales de información. Las máquinas y los sistemas de control tienen muchas similitudes en los organismos vivos, por lo que la gente tiene un gran interés en los sistemas biológicos automáticos y utiliza modelos físicos, matemáticos e incluso técnicos para realizar investigaciones en profundidad sobre los sistemas biológicos. Así, la cibernética se convirtió en la base teórica que vincula la biología y la tecnología de la ingeniería. Se convierte en un puente entre los sistemas biológicos y tecnológicos.
Existen claras similitudes entre los organismos vivos y las máquinas, y estas similitudes pueden manifestarse en diferentes niveles de estudio de los organismos vivos. Hay varios procesos fisiológicos que están regulados y automatizados, desde simples células individuales hasta sistemas de órganos complejos como el sistema nervioso. Podemos pensar en los organismos vivos como máquinas con habilidades especiales que, a diferencia de otras máquinas, incluyen la capacidad de adaptarse al entorno externo y reproducirse. Un organismo también puede compararse con una fábrica automatizada cuyas funciones siguen las leyes de la mecánica; cuyas estructuras funcionan de forma coordinada, que responden cuantitativamente a determinadas señales y estímulos y son capaces de hacerlo de forma autocontrolada con la ayuda de una retroalimentación especializada; enlaces Autorregulables, como control automático. Por ejemplo, la temperatura corporal constante, la presión arterial normal y la concentración normal de azúcar en sangre en nuestro cuerpo son el resultado de la regulación por parte del complejo sistema de control automático de los músculos. El surgimiento y desarrollo de la cibernética ha cerrado la brecha entre los sistemas biológicos y los sistemas técnicos, lo que ha provocado que muchos ingenieros busquen conscientemente nuevas ideas y principios de diseño a partir de los sistemas biológicos. Por lo tanto, los ingenieros tienden a tomar la iniciativa de aprender conocimientos de ciencias biológicas para lograr resultados en el campo de la tecnología de ingeniería en colaboración con los biólogos.
El nacimiento de la biónica
Con las necesidades de producción y el desarrollo de la ciencia y la tecnología, desde la década de 1950, la gente se ha dado cuenta de que los sistemas biológicos son una de las principales formas de desarrollar nuevos tecnologías , consideran conscientemente el mundo biológico como la fuente de diversas ideas técnicas, principios de diseño e invenciones creativas. La gente ha utilizado modelos químicos, físicos, matemáticos y técnicos para realizar investigaciones en profundidad sobre los sistemas biológicos, lo que ha promovido el gran desarrollo de la biología y el rápido progreso en el estudio de los mecanismos funcionales biológicos. En este punto, el modelado biológico ya no es una fantasía encantadora sino una realidad de la vida. Los biólogos e ingenieros colaboraron activamente y comenzaron a utilizar los conocimientos adquiridos en biología para mejorar dispositivos de ingeniería antiguos o crear nuevos. La biología comenzó a entrar en las filas de la innovación y la revolución tecnológica en todos los ámbitos de la vida, y primero logró el éxito en campos militares como la automatización, la aviación y la navegación. Como resultado, las disciplinas de la biología y la tecnología de la ingeniería se infiltraron entre sí para formar una nueva ciencia: la biónica.
Como disciplina independiente, la biónica nació oficialmente en septiembre de 1960. La primera Conferencia de Biónica fue celebrada por la Administración de Aviación de la Fuerza Aérea de EE. UU. en la Base de la Fuerza Aérea de Dayton, Ohio. El tema central de la conferencia fue: "¿Se pueden aplicar conceptos derivados del análisis de sistemas biológicos al diseño de sistemas de procesamiento de información fabricados artificialmente? Steele llamó a esta ciencia emergente "biónica", "biónica" es el nombre griego. En 1963, China tradujo "Biónica" como "biónica", que significa la ciencia que estudia las funciones de los sistemas biológicos. En 1963, Steele definió la biónica como "la tecnología de construcción que imita los principios biológicos, o la ciencia que hace que los sistemas técnicos artificiales tengan o se parezcan a los biológicos". características". En resumen, la biónica es la ciencia de imitar seres vivos. Para ser precisos, la biónica es el estudio de la estructura, características, funciones, conversión de energía, información, etc. de los sistemas biológicos. Es una ciencia integral que aplica excelentes características como el control de sistemas técnicos para mejorar los equipos de ingeniería técnica existentes y crear nuevos procesos tecnológicos, configuraciones de edificios, dispositivos de automatización y otros sistemas técnicos.
Desde una perspectiva biológica, la biónica es una rama de la "biología aplicada"; desde una perspectiva de ingeniería, la biónica proporciona nuevos principios, nuevos métodos y métodos para el diseño y construcción de nuevos equipos técnicos basados en el estudio de sistemas biológicos. La gloriosa misión de la biónica es proporcionar a los seres humanos los sistemas técnicos más confiables, flexibles, eficientes y económicos cercanos a los sistemas biológicos para beneficiar a la humanidad.
Métodos de investigación y contenido de la biónica
La biónica es una ciencia de vanguardia emergente, producto de la penetración mutua de la biología, las matemáticas y la tecnología de la ingeniería. La primera conferencia sobre biónica identificó un símbolo interesante y vívido para la biónica: un símbolo monolítico gigante que "integra" el bisturí y el soldador. El significado de este símbolo no sólo indica la connotación de la biónica, sino que también resume la dirección de investigación de la biónica.
La misión de la biónica es estudiar y simular los principios de funcionalidad superior de los sistemas biológicos para luego aplicar estos principios al diseño y fabricación de dispositivos de nueva tecnología.
Los principales métodos de investigación de la biónica son proponer modelos y realizar simulaciones. Su plan de investigación se divide a grandes rasgos en las siguientes tres etapas:
La primera es estudiar prototipos biológicos. De acuerdo con la producción real del tema específico, la información biológica obtenida de la investigación se simplifica, absorbe contenido que es beneficioso para los requisitos técnicos, elimina factores irrelevantes para los requisitos técnicos de producción y establece un modelo biológico; analizar matemáticamente la información proporcionada por el modelo biológico, abstraer sus conexiones internas y utilizar lenguaje matemático para "traducir" el modelo biológico. La segunda etapa es analizar matemáticamente la información proporcionada por el modelo biológico, abstraer sus conexiones internas. utilizar lenguaje matemático para "traducir" el modelo biológico en un modelo matemático con cierto significado. Por supuesto, en el proceso de simulación biológica, no se trata simplemente de una simple simulación biológica, sino que, lo que es más importante, hay innovación en la simulación biológica. Sólo a través de la práctica, la comprensión y la práctica repetida, las cosas simuladas pueden alinearse cada vez más con las necesidades de producción. Como resultado de esta 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 las computadoras electrónicas son más rápidas y confiables que las capacidades informáticas humanas en cálculos complejos.
Los métodos básicos de investigación de la biónica le confieren una característica destacada en la investigación biológica, es decir, la integridad. Partiendo de una visión general de la biónica, ésta considera los seres vivos como un sistema complejo que puede conectarse y controlarse con el entorno interno y externo. Su misión es estudiar las interrelaciones entre las partes internas de sistemas complejos 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 contenido de investigación de la biónica electrónica es más extenso. 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 científicas técnicas;
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 puede utilizar para mejorar el dispositivo de entrada de la computadora y la estructura 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. conocida como Se llama "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 simuló el órgano generador de energía de un pez eléctrico y diseñó la batería voltaica más antigua del mundo. Debido a que esta batería está diseñada basándose en el órgano de generación de energía natural del pez eléctrico, se le llama "órgano de generación de energía 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.
Las orejas compasivas de las medusas
"Las golondrinas vuelan bajo, y caerá la lluvia; las cigarras cantan, y el cielo se aclara después de la lluvia." El comportamiento de los seres vivos está estrechamente relacionado con los cambios climáticos. Los pescadores costeros saben que los peces y medusas que viven en la costa nadan hacia el mar en enjambres, 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. 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 está instalado en la cubierta delantera del barco. Cuando recibe las ondas infrasonidas de la tormenta, puede girar la bocina 360° para detener su rotación. La dirección que apunta es la dirección de la tormenta; Puede decir la intensidad 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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