La biónica o ingeniería 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]
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 (recubrimiento) que repele la suciedad y el agua se inspiró en las propiedades hidrofóbicas de la flor de loto (el efecto de loto ). [3]
El término " biomimético " se prefiere para referencias a reacciones químicas, 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. [4]
Un artículo de investigación de 2006 estimó que "en la actualidad sólo existe un 12% de superposición entre biología y tecnología en términos de los mecanismos utilizados". [6] [ se necesita aclaración ]
Historia
El nombre "biomimética" fue acuñado por Otto Schmitt en los años cincuenta. El término "biónica" fue introducido más tarde por Jack E. Steele en agosto de 1958 mientras trabajaba en la Casa de la División de Aeronáutica en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio . [7] Sin embargo, se prefieren términos como biomimética o biomimética para evitar confusión con el término médico "biónica". Casualmente, Martin Caidin usó la palabra para su novela Cyborg de 1972 , que fue adaptada a la película para televisión y a la serie posterior The Six Million Dollar Man . Caidin fue un escritor sobre la industria de la aviación durante mucho tiempo antes de dedicarse a la ficción a tiempo completo.
Métodos
El velcro se inspiró en los pequeños ganchos que se encuentran en la superficie de las fresas .
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 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 y ecologías naturales es una forma de razonamiento aplicado basado en casos , que trata a la naturaleza misma como una base de datos de soluciones que ya funcionan. Los defensores argumentan que la presión selectiva ejercida sobre todas las formas de vida naturales minimiza y elimina los fracasos.
Aunque casi toda la ingeniería podría decirse que es una forma de biomímesis , 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 métodos naturales de fabricación.
Imitación de mecanismos que se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, velcro )
En robótica , la biónica y la biomimética se utilizan para aplicar la forma en que se mueven los animales 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 que había recogido en un paseo cuando se dio cuenta de cómo los ganchos de las rebabas se adherían al pelaje.
El diseño en forma de cuerno y dientes de sierra de las hojas de leñador utilizadas a principios del siglo XIX para talar árboles cuando todavía se hacía a mano se modeló a partir de las observaciones de un escarabajo excavador de madera . Las hojas eran mucho más eficientes y revolucionaron así la industria maderera.
Los reflectores de ojo 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 partícula de luz.
Resilin es un sustituto del caucho que se ha creado estudiando el material que también se encuentra en los artrópodos.
Julian Vincent se inspiró en el estudio de las piñas cuando desarrolló en 2004 una ropa "inteligente" que se adapta a los cambios de temperatura. "Quería un sistema no vivo que respondiera a los cambios de humedad cambiando de forma", dijo. "Existen varios sistemas de este tipo en las plantas, pero la mayoría son muy pequeños: la piña es la más grande y, por tanto, la más fácil de trabajar". Las piñas responden a una mayor humedad abriendo sus escamas (para dispersar sus semillas). La tela "inteligente" hace lo mismo: se abre cuando el usuario tiene calor y suda y se cierra herméticamente cuando hace frío.
Las "alas de avión morphing" que cambian de forma según la velocidad y la duración del vuelo fueron diseñadas en 2004 por científicos biomiméticos de la Universidad de Penn State . Las alas transformadoras se inspiraron en diferentes especies de aves que tienen alas de diferentes formas según la velocidad a la que vuelan. Para cambiar la forma y la estructura subyacente de las alas de los aviones, los investigadores necesitaban hacer que la piel superpuesta también pudiera cambiar, lo que su diseño logra cubriendo las alas con escamas inspiradas en peces que podrían deslizarse unas sobre otras. En algunos aspectos, esto es un refinamiento del diseño de ala oscilante .
Superficie de la hoja de loto, renderizada : vista microscópica
Algunas pinturas y tejas han sido diseñadas para ser autolimpiantes copiando el mecanismo del loto Nelumbo . [8]
Los cristales líquidos colestéricos (CLC) son el material de película delgada que se utiliza a menudo para fabricar termómetros para peceras o anillos de humor que cambian de color con los cambios de temperatura. Cambian de color porque sus moléculas están dispuestas en forma 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 abstraído la estructura autoensamblada de los CLC orgánicos para producir dispositivos ópticos análogos utilizando pequeñas longitudes de fibra de vidrio retorcida inorgánica . [9]
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 autorregulado. [13] La investigación en este campo fue iniciada por Howard T. Odum , [14] quien percibió la estructura y la dinámica energética de los ecosistemas como análogas al flujo de energía entre los componentes de un circuito eléctrico.
Se están desarrollando adhesivos médicos que incluyen pegamento y pequeños nanopelos basados en las estructuras físicas que se encuentran en las patas de los geckos.
Los virus informáticos también muestran similitudes con los virus biológicos, atacando información orientada a programas con miras a su autorreproducción y difusión.
Adhesivo que permite que los mejillones se adhieran a rocas, muelles y cascos de barcos inspirado en gel bioadhesivo para vasos sanguíneos . [15]
El campo de la biónica ha inspirado nuevos diseños de aviones que ofrecen mayor agilidad y otras ventajas. Así lo han descrito Geoff Spedding, Måns Rosén y Anders Hedenström en un artículo en Journal of Experimental Biology . [16] John Videler y Eize Stamhuis también hicieron declaraciones similares en su libro Avian Flight, [17] y en el artículo que presentan en Science sobre LEV. [18] Esta investigación en biónica también podría utilizarse para crear helicópteros o vehículos aéreos no tripulados en miniatura más eficientes , como afirma Bret Tobalske en un artículo en Science about Hummingbirds . [19] La Universidad de California en Berkeley y la ESA han estado trabajando en una dirección similar y crearon el Robofly [20] (un UAV en miniatura) y el Entomopter (un UAV que puede caminar, gatear y volar). [21]
Un dispositivo mecánico bioinspirado puede generar plasma en agua mediante cavitación utilizando la garra de camarón que se rompe con precisión morfológica. Esto fue descrito en detalle por Xin Tang y David Staack en un artículo publicado en Science Advances . [22]
Usos específicos del término
La plasticidad cerebral sensoriomotora inducida controla el dolor en el miembro fantasma.
En medicina
La biónica se refiere al flujo de conceptos de la biología a la ingeniería y viceversa. Por tanto, existen dos puntos de vista ligeramente diferentes respecto al significado de la palabra.
En medicina, biónica significa la sustitución o mejora de órganos u otras partes del cuerpo por versiones mecánicas. Los implantes biónicos se diferencian de las simples prótesis en que imitan muy fielmente la función original o incluso la superan.
El equivalente alemán de la biónica, Bionik , siempre adopta un significado más amplio, es decir, intenta desarrollar soluciones de ingeniería a partir de modelos biológicos. Este enfoque está motivado por el hecho de que las soluciones biológicas normalmente serán optimizadas por fuerzas evolutivas .
En 2004 se desarrollaron corazones artificiales completamente funcionales . Se esperan avances significativos con la llegada de la nanotecnología . Un ejemplo bien conocido de nanodispositivo propuesto es un respirocito , un glóbulo rojo artificial diseñado (aunque aún no construido) por Robert Freitas .
Durante sus ocho años en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania , Kwabena Boahen desarrolló una retina de silicio que era capaz de procesar imágenes de la misma manera que una retina viva. Confirmó los resultados comparando las señales eléctricas de su retina de silicio con las señales eléctricas producidas por el ojo de una salamandra mientras las dos retinas miraban la misma imagen.
El 21 de julio de 2015, el corresponsal médico de la BBC , Fergus Walsh , informó que "los cirujanos de Manchester realizaron el primer implante ocular biónico en un paciente con la causa más común de pérdida de visión en el mundo desarrollado. Ray Flynn, de 80 años, tiene sequedad". Degeneración macular relacionada con la edad que le ha provocado la pérdida total de su visión central. Está utilizando un implante de retina que convierte imágenes de vídeo de una cámara de vídeo en miniatura que lleva en sus gafas. Ahora puede distinguir la dirección de las líneas blancas en una computadora. pantalla usando el implante de retina." El implante, conocido como Argus II y fabricado en Estados Unidos por la empresa Second Sight Medical Products , se había utilizado anteriormente en pacientes ciegos como resultado de la rara enfermedad ocular degenerativa hereditaria, retinitis pigmentosa . [25]
En 2016, Tilly Lockey (nacida el 7 de octubre de 2005) recibió un par de "Hero Arms" biónicos fabricados por OpenBionics , una empresa de biónica del Reino Unido. Hero Arm es una prótesis mioeléctrica liviana para adultos y niños con amputación por debajo del codo de ocho años o más. Tilly Lockey, a quien a los 15 meses le amputaron ambos brazos después de que le diagnosticaran sepsis meningocócica cepa B, describe los Hero Arms como "realmente realistas, hasta el punto de que era bastante espeluznante lo realistas que eran". [26]
El 17 de febrero de 2020, Darren Fuller, un veterano militar, se convirtió en la primera persona en recibir un brazo biónico en un sistema de salud público. [27] Fuller perdió la sección inferior de su brazo derecho mientras cumplía condena en Afganistán durante un incidente que involucró municiones de mortero en 2008.
Otros usos
La biomimética empresarial es el último avance en la aplicación de la biomimética. Específicamente, aplica principios y prácticas desde sistemas biológicos hasta estrategias comerciales, procesos, diseño organizacional y pensamiento estratégico. Ha sido utilizado con éxito por una variedad de industrias en FMCG , defensa, gobierno central, embalaje y servicios empresariales. Basado en el trabajo de Phil Richardson de la Universidad de Bath [28], el enfoque se lanzó en la Cámara de los Lores en mayo de 2009.
Generalmente, la biometría se utiliza como una técnica de creatividad que estudia prototipos biológicos para obtener ideas para soluciones de ingeniería.
Otro significado más reciente del término biónica se refiere a la fusión de organismo y máquina. Este enfoque da como resultado un sistema híbrido que combina partes biológicas y de ingeniería, que también puede denominarse organismo cibernético ( cyborg ). La realización práctica de esto quedó demostrada en los experimentos de implantes de Kevin Warwick que provocaron la entrada de ultrasonidos a través de su propio sistema nervioso.
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Fuentes
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Biomimética para la optimización, el control y la automatización , Springer-Verlag, Londres, 2005, Kevin M. Passino
"Ideas robadas directamente de la naturaleza" ( Wired )
Biónica e ingeniería: la relevancia de la biología para la ingeniería, presentado en la Convención de la Sociedad de Mujeres Ingenieras , Seattle, WA, 1983, Jill E. Steele
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Lipov AN "En los orígenes de la biónica moderna. Formación biomorfológica en un entorno artificial" Polignosis . Núm. 1–2. 2010. Cap. 1–2. págs. 126-136.
Lipov AN "En los orígenes de la biónica moderna. Formación biomorfológica en un entorno artificial". Polignosis . No. 3. 2010. Parte 3. pр. 80–91.
enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la biónica .
Biónica Queensland
Centro de Ingeniería Inspirada en la Naturaleza de la UCL (University College London)
Robótica biológica en la Universidad de Tulsa Archivado el 20 de diciembre de 2018 en Wayback Machine.
Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica
El Instituto de Biomímesis
Centro de diseño de inspiración biológica
Grupo de diseño de inspiración biológica en el Laboratorio de Diseño e Inteligencia, Georgia Tech
Centro de materiales y sistemas de materiales de inspiración biológica
Desarrollo de productos de inspiración biológica en la Universidad de Maryland
El Instituto de Materiales de Inspiración Biológica
Centro de Investigación en Robótica de Inspiración Biológica de la Universidad Case Western Reserve
Instituto de materiales de inspiración biológica
Ingeniería bioinspirada en la Universidad Aplicada de Kufstein, Austria Archivado el 20 de diciembre de 2018 en Wayback Machine.
Laboratorio de ingeniería inspirada en la naturaleza en la Universidad Estatal de Pensilvania
