Capitolo 1 : Bionica

L'applicazione di processi e sistemi biologici che si trovano in natura alla ricerca e alla progettazione di sistemi ingegneristici e tecnologie moderne è ciò che è noto come bionica, che è anche nota come ingegneria biologicamente ispirata.

Nell'agosto del 1958, Jack E. Steele inventò il termine "bionico", che è un portmanteau che combina i concetti di biologia ed elettronica. Il termine è stato reso popolare dalle serie televisive L'uomo da sei milioni di dollari e La donna bionica negli anni '70 negli Stati Uniti. Entrambe queste serie sono basate sul romanzo Cyborg scritto da Martin Caidin. Come risultato dei loro impianti elettromeccanici, i protagonisti di tutte e tre le storie sono dotati di una varietà di abilità sovrumane.

Il trasferimento di tecnologia tra forme di vita e prodotti fabbricati è auspicabile, secondo i sostenitori della tecnologia bionica. Ciò è dovuto al fatto che la pressione evolutiva spesso fa sì che gli organismi viventi, tra cui sia la flora che la fauna, diventino più efficienti e ottimali. Ad esempio, le proprietà idrofobiche della pianta del fiore di loto (note anche come effetto loto) sono servite come ispirazione per lo sviluppo di vernici (rivestimenti) resistenti all'acqua e allo sporco.

La parola "biomimetica" è quella che viene più comunemente usata quando ci si riferisce ai processi chimici. Ciò include reazioni che, in natura, coinvolgono macromolecole biologiche (come enzimi o acidi nucleici) la cui chimica può essere ricreata in vitro utilizzando molecole molto più piccole.

Gli scafi delle barche che imitano la pelle spessa dei delfini sono un esempio di bionica in ingegneria. Altri esempi includono sonar, radar ed ecografia medica che imitano l'ecolocalizzazione degli animali.

Lo studio della bionica ha portato allo sviluppo di neuroni artificiali, reti neurali artificiali e intelligenza collettiva nell'ambito dell'informatica. Anche il calcolo evolutivo è stato influenzato dalla bionica, ma la bionica ha portato il concetto ancora più in là simulando l'evoluzione in silico e sviluppando soluzioni ottimali che non erano mai state viste prima in natura.

Secondo i risultati di un articolo di ricerca pubblicato nel 2006, "fino a questo punto, c'è solo una sovrapposizione del 12% tra biologia e tecnologia in termini di meccanismi utilizzati".

A Otto Schmitt è attribuito il merito di aver inventato il termine "biomimetica" negli anni '50. Più tardi, nell'agosto del 1958, mentre lavorava presso l'Aeronautics Division House presso la Wright-Patterson Air Force Base di Dayton, Ohio, Jack E. Steele fu colui che per primo usò il termine "bionica". Tuttavia, al fine di evitare confusione con il termine medico "bionica", si consiglia di utilizzare terminologia come biomimetica o biomimetica. È interessante notare che Martin Caidin ha usato il termine "bionica" nel suo romanzo Cyborg, che è stato pubblicato nel 1972 e successivamente convertito nel film per la televisione e nella serie The Six Million Dollar Man. Prima che Caidin iniziasse a scrivere romanzi a tempo pieno, ha avuto una lunga carriera come scrittore nel settore dell'aviazione.

Il campo della bionica pone spesso più enfasi sull'implementazione di una funzione che può essere trovata in natura piuttosto che sulla copia delle caratteristiche biologiche. Nel campo dell'informatica, ad esempio, la cibernetica viene utilizzata per modellare i meccanismi di feedback e controllo inerenti al comportamento intelligente. D'altra parte, l'intelligenza artificiale viene utilizzata per modellare la funzione intelligente indipendentemente dalla forma specifica in cui può essere realizzata.

La pratica di replicare consapevolmente esempi e procedure di creature naturali ed ecologie è un esempio di ragionamento applicato basato su casi. Questo processo comporta l'utilizzo della natura stessa come un database di soluzioni che si sono già dimostrate efficaci. I sostenitori di questa teoria sostengono che la pressione selettiva che viene applicata a tutte le forme di vita naturali aiuta a ridurre ed eliminare i fallimenti.

Le origini moderne di quest'area sono tipicamente legate a Buckminster Fuller, e la sua successiva codificazione come casa o campo di studio è attribuita a Janine Benyus. Questo nonostante il fatto che praticamente tutta l'ingegneria possa essere considerata una sorta di biomimetica.

Ci sono spesso tre stadi biologici nella fauna o nella flora, e dopo ciascuno di questi livelli, la tecnologia può essere modellata come segue:

- Modellare i processi produttivi secondo quelli che si trovano in natura

Imitare dispositivi inerenti alla natura, come ad esempio il velcro

- Lo studio dei principi organizzativi derivati dal comportamento sociale delle creature, come il comportamento degli uccelli che si radunano insieme, l'ottimizzazione del foraggiamento delle formiche e del foraggiamento delle api, e il comportamento di un branco di pesci basato sull'intelligenza dello sciame (SI).

- Il campo della robotica si avvale della bionica e della biomimetica per incorporare i modelli di movimento degli animali nella costruzione dei robot. Per creare BionicKangaroo, i movimenti e la fisiologia dei canguri sono serviti da ispirazione.

Tra tutti gli esempi di biomimetica, il Velcro è il più noto. L'ingegnere svizzero George de Mestral stava lavando il suo cane dalle bave che aveva raccolto durante una passeggiata nel 1948. Fu allora che si rese conto del modo in cui gli uncini delle bave si attaccavano al pelo del suo cane.

Le osservazioni di uno scarabeo scavatore del legno sono servite da ispirazione per il design a dente di sega delle lame dei boscaioli, che sono state impiegate all'inizio del 19° secolo per abbattere gli alberi quando il processo era ancora fatto a mano. Queste lame avevano una configurazione a forma di corno. Per questo motivo, le lame hanno portato una rivoluzione nel settore del legname perché erano sostanzialmente più efficienti.

Nel 1935, dopo aver condotto ricerche sul funzionamento meccanico degli occhi di gatto, Percy Shaw ebbe l'idea dei riflettori per occhi di gatto. Era stato scoperto da lui che i gatti possedevano un sistema di cellule riflettenti che veniva chiamato tapetum lucidum. Questo sistema era in grado di riflettere anche la più piccola quantità di luce.

Quando si tratta di ingegneria, le macchine volanti e le navi create da Leonardo da Vinci sono i primi esempi di ispirazione dalla natura.

La resilina è un materiale che è stato sviluppato con successo come alternativa alla gomma dalla ricerca del materiale che è presente anche negli artropodi.

Quando Julian Vincent ha sviluppato l'abbigliamento "intelligente" nel 2004, lo ha creato traendo ispirazione dallo studio delle pigne. Questo abbigliamento è in grado di adattarsi a diverse temperature. "Volevo un sistema non vivente che rispondesse ai cambiamenti di umidità cambiando forma", ha spiegato ai giornalisti. "Ci sono diversi sistemi di questo tipo negli impianti, ma la maggior parte di essi sono molto piccoli. La pigna è la più grande e, di conseguenza, la più facile da lavorare". Le pigne aprono le loro squame in risposta a una maggiore umidità per diffondere i loro semi. Il tessuto "intelligente" svolge la stessa funzione, permettendo a chi lo indossa di respirare più facilmente quando ha caldo e suda e di chiudersi ermeticamente quando ha freddo.

I ricercatori della Penn State University, specializzati in biomimetica, hanno ideato il concetto di "morphing delle ali degli aerei" nel 2004. Queste ali cambiano forma a seconda della velocità dell'aereo e della durata dell'esperienza di volo. Diverse specie di uccelli, che hanno ali di forma diversa a seconda della velocità con cui volano, sono servite da ispirazione per le ali che si trasformano attraverso forme diverse. I ricercatori avevano bisogno di rendere la pelle superiore delle ali dell'aereo in grado di cambiare anche per cambiare la forma e la struttura sottostante delle ali. Il loro design lo fa coprendo le ali con squame che si ispirano ai pesci e le permettono di scivolare l'una sull'altra. In un certo senso, questo è un miglioramento rispetto al design ad ala oscillante che è stato utilizzato in precedenza.

- Il meccanismo che permette al loto Nelumbo di pulirsi da solo è stato replicato per rendere alcune vernici e tegole in grado di pulirsi da sole.

I cristalli liquidi colesterici, spesso noti come CLC, sono un tipo di materiale a film sottile che viene spesso utilizzato nella produzione di termometri per acquari o anelli dell'umore che alterano il loro colore in risposta alle variazioni di temperatura. Poiché le loro molecole sono strutturate in uno schema elicoidale o chirale, subiscono un cambiamento di colore. Ciò si verifica perché il passo della struttura elicoidale cambia a causa della temperatura, che fa sì che la struttura rifletta la luce di diverse lunghezze d'onda. Al fine di produrre dispositivi ottici comparabili, Chiral Photonics, Inc. ha astratto la struttura auto-assemblata dei CLC organici. Questi dispositivi sono prodotti impiegando lunghezze estremamente corte di fibra di vetro inorganica che è stata attorcigliata.

Greg Parker, professore di elettronica e informatica presso l'Università di Southampton, e Luca Plattner, uno studente di ricerca, hanno lavorato insieme nel campo della fotonica, che è una branca dell'elettronica che utilizza i fotoni come vettore di informazioni piuttosto che gli elettroni. Sono stati in grado di riprodurre in silico le nanostrutture e i meccanismi fisici che producono il colore brillante delle ali delle farfalle.

È stata analizzata la struttura delle ali della farfalla morfo blu e il modo in cui riflette la luce è...