Los materiales de inspiración natural deben tener 100 palabras

Las moscas son propagadoras de bacterias y todo el mundo las odia. Sin embargo, las alas de la mosca (también llamadas barras de equilibrio) son "navegantes naturales" y la gente las imitaba para hacer "giroscopios vibratorios". Este tipo de instrumento se ha utilizado en cohetes y aviones de alta velocidad para realizar la conducción automática. El ojo de la mosca es una especie de "ojo compuesto", que consta de más de 3000 ojos pequeños. La gente lo imita para hacer "lentes de ojo de mosca". Una "lente de ojo de mosca" se compone de cientos o miles de lentes pequeñas dispuestas cuidadosamente juntas. Utilizándola como lente se puede utilizar para crear una "cámara de ojo de mosca", que puede tomar miles de fotografías iguales a la vez. Este tipo de cámara se ha utilizado en la fabricación de planchas de impresión y en la reproducción a gran escala de pequeños circuitos en computadoras electrónicas, mejorando enormemente la eficiencia y la calidad del trabajo. La "lente ojo de mosca" es un nuevo tipo de componente óptico que tiene muchos usos.

¿Qué tipo de habilidades extrañas tienen todo tipo de criaturas en la naturaleza? ¿Qué inspiraciones han dado sus diversas habilidades a los humanos? Imitando estas habilidades, ¿qué tipo de máquinas pueden crear los humanos? Una ciencia emergente que se introducirá aquí es la biónica.

Los pájaros pueden volar libremente en el aire con las alas extendidas. Según "Han Feizi", Luban hizo un pájaro con bambú y madera, y "voló y permaneció allí durante tres días". Sin embargo, la gente espera imitar las alas de los pájaros para que puedan volar por el aire. Hace más de cuatrocientos 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, la primera máquina voladora construida por el hombre.

Los inventos e intentos anteriores 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 sido un prototipo durante mucho tiempo, 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 extraordinaria sabiduría y su arduo trabajo para realizar inventos artificiales. Rara vez aprenden conscientemente del mundo biológico. Sin embargo, los siguientes hechos pueden ilustrarlo: algunos de los problemas técnicos que enfrentan las personas aparecieron en el mundo biológico hace millones de años y se resolvieron en el proceso de evolución. Sin embargo, los humanos no han aprendido del mundo biológico. te lo mereces.

El primero es el estudio de prototipos biológicos. De acuerdo con los temas específicos planteados en la producción real, 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 irrelevantes para los requisitos técnicos de producción para obtener un modelo biológico; la segunda etapa es realizar el análisis matemático de los datos proporcionados, abstraer sus conexiones internas y utilizar el lenguaje matemático para "traducir" el modelo biológico en un modelo matemático con un cierto significado, finalmente, el modelo matemático crea un modelo físico; que se puede utilizar para experimentos en tecnología de ingeniería. Por supuesto, en el proceso de simulación biológica, no se trata solo de biónica simple, sino que, lo que es más importante, hay innovación en biónica. Después de muchas repeticiones de práctica (comprensión) y práctica nuevamente, las cosas simuladas pueden alinearse cada vez más con las necesidades de producción. Los resultados de dichas simulaciones harán que el equipo final de la máquina sea diferente del prototipo biológico y, en algunos aspectos, incluso superarán 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: la integridad. Desde la perspectiva general de la biónica, considera la biología como un sistema complejo que puede comunicarse con el entorno interno y externo y controlarlo. Su misión es estudiar las interrelaciones entre las distintas partes de un sistema complejo y el comportamiento y estado de todo el sistema. Las características más básicas de los seres vivos son su autorrenovación y autorreplicación, y su conexión con el mundo exterior es inseparable. 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 se ajustan y sintetizan constantemente pueden adaptarse y evolucionar; El proceso evolutivo a largo plazo permite a los organismos alcanzar la unidad de estructura y función, y la coordinación y unidad de las partes y del todo. La biomímesis debe estudiar la relación cuantitativa entre los organismos y los estímulos externos (información de entrada), es decir, centrándose en la unidad de las relaciones cuantitativas, para poder realizar simulaciones. Para lograr este objetivo, cualquier método parcial no 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, que tienen varias estructuras y funciones excelentes para la investigación en diversas industrias. En los últimos veinte años desde la llegada de la biónica, la investigación en biónica se ha desarrollado rápidamente y ha logrado grandes resultados. Su ámbito de investigación puede incluir biónica electrónica, biónica mecánica, biónica arquitectónica, biónica química, etc. Con el desarrollo de la tecnología de ingeniería moderna, surgen muchas ramas de disciplinas y en biónica se llevan a cabo las correspondientes investigaciones técnicas en biónica. Por ejemplo: el departamento de navegación estudia la mecánica de fluidos del movimiento de los animales acuáticos; el departamento de aviación simula el vuelo de pájaros e insectos, y el posicionamiento y navegación de los animales; el departamento de ingeniería simula la biomecánica; el departamento de radiotecnología estudia las células nerviosas y sensoriales humanas; simulación de órganos y redes neuronales; simulación del cerebro mediante tecnología informática e investigación sobre inteligencia artificial, etc. Los temas típicos presentados en la primera conferencia sobre biónica incluyen: "¿Cuáles son las características de las neuronas artificiales?", "Problemas en el diseño de computadoras biológicas", "Uso de máquinas para reconocer imágenes", "Máquinas de aprendizaje", etc. Se puede observar que la investigación sobre biónica electrónica es relativamente extensa. Los temas de investigación en biónica se centran principalmente en el estudio de los tres prototipos biológicos siguientes: la función general de los órganos sensoriales, las neuronas y el sistema nervioso de los animales. Posteriormente también se llevaron a cabo investigaciones en biónica mecánica y biónica química. En los últimos años han surgido nuevas ramas, como la biónica del cuerpo humano, 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 cósmica macroscópica. 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 de la vida a través de métodos de simulación y, al mismo tiempo, ha desempeñado un papel importante en el desarrollo de la biología. gran efecto de promoción. 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 ricos nutrientes a diversas ciencias naturales y ciencias técnicas, acelerando el desarrollo de la ciencia. En este momento, la investigación científica de la biónica muestra una vitalidad infinita, y su desarrollo y logros harán una enorme contribución al desarrollo de la ciencia y la tecnología en general en el mundo.

El 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 estudia e imita las propiedades estáticas de la estructura gruesa y fina de los organismos vivos, así como las propiedades dinámicas del movimiento relativo de cada componente del cuerpo vivo en el cuerpo y el movimiento. del cuerpo vivo en el medio ambiente. Por ejemplo, los edificios de luces largas y delgadas que imitan conchas marinas y columnas que imitan estructuras de fémur no sólo eliminan las áreas donde se concentra particularmente la tensión, sino que también utilizan la menor cantidad de materiales de construcción para soportar la carga máxima. En el ejército, se imita la estructura de surcos de la piel de delfín y se aplica piel de delfín artificial al casco del barco para reducir las corrientes de navegación y aumentar la velocidad;

◇La biónica molecular es el estudio y simulación de enzimas. en organismos Catálisis, selectividad y permeabilidad de membranas biológicas, análisis y síntesis de macromoléculas biológicas o sus análogos, etc. Por ejemplo, después de descubrir la estructura química de la hormona atrayente sexual de la polilla gitana, plaga del bosque, se sintetizó un compuesto orgánico similar, que puede atrapar y matar insectos machos en una trampa para insectos de campo con solo una diezmillonésima parte de un microgramo;

◇La biónica energética es el estudio e imitación de 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;

◇Información y La biónica de control es el estudio y simulación de sensaciones. El proceso de procesamiento de información en organismos vivos en términos de órganos, neuronas y redes neuronales, así como las actividades inteligentes de los centros de alto nivel. Por ejemplo, un "velocímetro de autocorrelación" basado en la respuesta optocinética de un gorgojo puede medir la velocidad de aterrizaje de un avión. Basado 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 de la imagen, mejorar el contraste y así contribuir a la detección de objetivos borrosos. Se han establecido más de 100 tipos de modelos neuronales y se han construido nuevos ordenadores sobre esta base.

Imita el proceso de aprendizaje humano y crea una máquina llamada "perceptrón", que puede aprender cambiando el peso de las conexiones entre componentes mediante entrenamiento, logrando así el reconocimiento de patrones. Además, también estudia y simula mecanismos de control en sistemas biológicos como la homeostasis, el control de movimiento, la orientación y navegación de los animales, así como los 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 ámbito de la biónica es muy amplio, siendo la biónica de información y control un campo importante. Por un lado, se debe a la necesidad de que la automatización avance hacia el control inteligente y, por otro, a que la ciencia biológica se ha desarrollado hasta tal punto que el estudio del cerebro se ha convertido en el mayor desafío para la neurociencia. El aspecto biónico de la inteligencia artificial y la investigación de robots inteligentes (investigación sobre el reconocimiento de patrones biológicos, investigación y simulación de procesos de aprendizaje, memoria y pensamiento del cerebro, problemas de control, confiabilidad y coordinación en organismos vivos, etc.) es el enfoque 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. Sin embargo, el objetivo de la primera es principalmente construir sistemas de hardware artificiales prácticos, mientras que la cibernética biológica busca explicaciones del comportamiento biológico basadas en los principios generales de la cibernética y las teorías de la ciencia técnica.

El uso más amplio de métodos de analogía, simulación y modelos es la característica más destacada de los métodos de investigación biónica. El objetivo no es replicar directamente cada detalle, sino comprender cómo funcionan los sistemas biológicos, con el propósito central de lograr funciones específicas. En general, se cree que existen los siguientes tres aspectos relacionados en la investigación biónica: prototipos biológicos, modelos matemáticos y modelos de hardware. El primero es la base, el segundo es el propósito y el modelo matemático es el puente indispensable entre ambos.

Debido a la complejidad de los sistemas biológicos, descubrir el mecanismo de un determinado sistema biológico requiere un largo ciclo de investigación, y resolver problemas prácticos requiere una estrecha colaboración entre múltiples disciplinas durante un largo período de tiempo, lo que limita la Razón principal de la velocidad de desarrollo de la biónica.

El fenómeno de la biónica

Moscas y naves espaciales

Las molestas moscas parecen no tener nada que ver con la gran industria aeroespacial, pero el aprendizaje de la biónica las ha vinculado estrechamente .

Las moscas son conocidas como "cazadoras malolientes" y se pueden encontrar en cualquier lugar sucio y maloliente. Las moscas tienen un sentido del olfato especialmente sensible y pueden detectar olores a miles de metros de distancia. Pero una mosca no tiene "nariz", entonces, ¿cómo se basa en su sentido del olfato? Resulta que la "nariz" de la mosca, los receptores olfativos, se distribuyen 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 entra en las "fosas nasales", estos nervios convierten inmediatamente la estimulación del olor en impulsos eléctricos nerviosos y los envían al cerebro. El cerebro puede distinguir diferentes sustancias odoríferas basándose en la diferencia en los impulsos eléctricos nerviosos generados por diferentes sustancias odoríferas. Por tanto, las antenas de la mosca actúan como un sensible analizador de gases.

Los científicos biónicos se inspiraron en esto y copiaron 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 un metal sino una mosca viva. Consiste en insertar microelectrodos muy delgados en los nervios olfativos de las moscas y amplificar las señales nerviosas eléctricas guiadas por circuitos electrónicos y enviarlas al analizador una vez que el analizador detecta la señal de sustancias olorosas, puede hacer sonar una alarma. Este instrumento ha sido instalado en la cabina de la nave espacial para detectar la composición del gas en el interior de 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 los principios estructurales del analizador de cromatografía de gases.

De las luciérnagas a la luz fría artificial

Desde que el hombre inventó la luz eléctrica, la vida se ha vuelto mucho más cómoda y rica. Sin embargo, las lámparas 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, y los rayos de calor de las lámparas eléctricas son perjudiciales para los ojos humanos. Entonces, ¿existe una fuente de luz que sólo emite luz pero no genera 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, etc., y la luz que emiten estos animales no produce calor, por eso se la conoce como "luz fría".

Entre los muchos animales luminosos, las luciérnagas son uno de ellos. Hay alrededor de 1.500 especies de luciérnagas. Los colores de la luz fría que emiten varían del amarillo verdoso al naranja, y el brillo de la luz también varía. 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 bioluz es una luz ideal para los humanos.

Los científicos han descubierto 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. La capa luminiscente contiene miles de células luminiscentes, que contienen dos sustancias, luciferina y luciferasa. Bajo la acción de la luciferasa, la luciferina se combina con el oxígeno 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, lo que provocó grandes cambios en las fuentes de iluminación humana. En los últimos años, los científicos primero aislaron luciferina pura de los emisores de luz de las luciérnagas, luego aislaron la luciferasa y luego utilizaron métodos químicos para sintetizar artificialmente la luciferina. Una fuente de luz biológica mezclada con luciferina, luciferasa, ATP (trifosfato de adenosina) y agua se puede utilizar como linterna en minas llenas de gas explosivo. Dado que este tipo de luz no tiene fuente de energía y no genera un campo magnético, puede usarse para limpiar minas magnéticas bajo la iluminación de fuentes de luz biológicas.

Ahora, las personas pueden obtener luz fría similar a la luz biológica mezclando ciertas sustancias químicas, que pueden usarse como iluminación de seguridad.

Peces eléctricos y baterías de voltios

Hay muchas criaturas en la naturaleza que pueden producir electricidad, y sólo de peces hay más de 500 especies. La gente se refiere a estos peces que pueden descargar electricidad como "peces eléctricos".

Los distintos peces eléctricos tienen diferentes capacidades de descarga. Los que tienen la mayor capacidad de descarga son las rayas eléctricas, los bagres eléctricos y las anguilas eléctricas. Una raya eléctrica de tamaño mediano puede producir alrededor de 70 voltios, mientras que la raya eléctrica africana puede producir hasta 220 voltios; el bagre eléctrico africano puede producir 350 voltios, la anguila eléctrica puede producir 500 voltios y hay una anguila eléctrica sudamericana. Puede producir voltajes de hasta 880 voltios, lo que lo convierte en el campeón de las descargas eléctricas. Se dice que puede matar animales grandes como los caballos.

¿Cuál es el secreto de la descarga eléctrica de los peces? Después de una investigación anatómica sobre peces eléctricos, finalmente se descubrió que existe un extraño órgano generador de energía en el cuerpo de los peces eléctricos. Estos generadores están hechos de muchas células translúcidas en forma de disco llamadas electroplacas o electrodiscos. Debido a que existen diferentes tipos de peces eléctricos, la forma, ubicación y cantidad de paneles eléctricos del generador 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 rayo eléctrico tiene forma de riñón plano, dispuesto a ambos lados de la línea media del cuerpo, con un total de 2 millones de placas eléctricas; Generador eléctrico del bagre Originarios de una especie de glándula, situada entre la piel y los músculos, existen alrededor de 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.

La extraordinaria capacidad del pez eléctrico ha despertado un gran interés entre la gente. A principios del siglo XIX, el físico italiano Volta diseñó la batería voltaica más antigua del mundo utilizando como modelo el órgano generador de energía del pez eléctrico. Debido a que esta batería está diseñada sobre la base del generador natural de peces eléctricos, se le llama "órgano eléctrico artificial". La investigación sobre peces eléctricos también ha dado a la gente esta revelación: si el órgano generador de energía del pez eléctrico se puede imitar con éxito, entonces los problemas de energía de barcos y submarinos se pueden resolver bien.

Las orejas de las medusas que protegen el viento

"Las golondrinas vuelan bajo para limpiar la lluvia, y las cigarras chirrían en medio de la lluvia y el cielo se aclara". el comportamiento de los seres vivos y los cambios en el clima. Todos los pescadores costeros saben que cuando los peces y medusas que viven en la costa nadan hacia el mar en grupos, indica que se avecina una tormenta.

La medusa, también llamada 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. Cada vez que se acerca una tormenta, nada hacia el mar en busca de refugio.

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 la tormenta que se avecina. Este tipo de infrasonido no puede ser percibido por el oído humano, pero las medusas pequeñas son muy sensibles. Los biónicos descubrieron que en la cavidad vibratoria de la oreja de la medusa hay un mango delgado. En el interior de la bola se encuentra una pequeña piedra auditiva. Cuando la onda infrasonida antes de la tormenta golpea la piedra auditiva de la medusa. oído, En este momento, la piedra que escucha estimula los receptores nerviosos en la pared de la bola, por lo que la medusa escucha el estruendo de la tormenta que se aproxima.

Los científicos biónicos modelaron la estructura y función de las orejas de las medusas para diseñar un predictor de tormentas en las orejas de las medusas, que simula con 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 hacer que la bocina que gira 360° deje de girar por sí sola. La dirección que apunta es la dirección de la tormenta; La lectura en el indicador puede indicarle la intensidad de la tormenta.

Este tipo de predictor puede predecir tormentas con 15 horas de antelación, lo que es de gran importancia para la seguridad de la navegación y la pesca.

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