CapÃtulo 1 : Biónica

A aplicação de processos e sistemas biológicos que se encontram na natureza à pesquisa e projeto de sistemas de engenharia e tecnologia moderna é o que é conhecido como biônica, que também é conhecida como engenharia de inspiração biológica.

Em agosto de 1958, Jack E. Steele criou o termo "biônico", que é uma junção que combina os conceitos de biologia e eletrônica. O termo foi popularizado pelos programas de televisão The Six Million Dollar Man e The Bionic Woman durante a década de 1970 nos Estados Unidos. Ambas as séries foram baseadas no romance Cyborg escrito por Martin Caidin. Como resultado de seus implantes eletromecânicos, os protagonistas das três histórias são dotados de uma variedade de habilidades sobre-humanas.

A transferência de tecnologia entre formas de vida e produtos manufaturados é desejada, de acordo com os defensores da tecnologia biônica. Isso se deve ao fato de que a pressão evolutiva muitas vezes faz com que os organismos vivos, incluindo a flora e a fauna, se tornem mais eficientes e ideais. Por exemplo, as propriedades hidrofóbicas da planta da flor de lótus (também conhecida como efeito lótus) serviram de inspiração para o desenvolvimento de tinta (revestimento) resistente à água e à sujeira.

A palavra "biomimético" é a mais usada quando se refere a processos químicos. Isto inclui reações que, na natureza, envolvem macromoléculas biológicas (tais como enzimas ou ácidos nucleicos) cuja química pode ser recriada in vitro utilizando moléculas muito mais pequenas.

Os cascos de barcos que imitam a pele espessa dos golfinhos são um exemplo de biónica na engenharia. Outros exemplos incluem sonar, radar e imagens de ultrassom médico que imitam a ecolocalização animal.

O estudo da biônica resultou no desenvolvimento de neurônios artificiais, redes neurais artificiais e inteligência de enxame no âmbito da ciência da computação. A computação evolutiva também foi influenciada pela biônica, mas a biônica levou o conceito ainda mais longe, simulando a evolução in silico e desenvolvendo soluções ótimas que nunca haviam sido vistas na natureza antes.

De acordo com os resultados de um artigo de investigação publicado em 2006, "até este ponto, há apenas uma sobreposição de 12% entre biologia e tecnologia em termos dos mecanismos que são usados".

Otto Schmitt é creditado por ter criado o termo "biomimética" ao longo da década de 1950. Mais tarde, em agosto de 1958, enquanto trabalhava na Aeronautics Division House na Base da Força Aérea Wright-Patterson em Dayton, Ohio, Jack E. Steele foi quem primeiro usou o termo "biônica". No entanto, a fim de evitar confusão com o termo médico "biônica", recomenda-se o uso de terminologia como biomimética ou biomimética. É interessante notar que Martin Caidin usou o termo "biônica" em seu romance Cyborg, que foi publicado em 1972 e mais tarde convertido no telefilme e série The Six Million Dollar Man. Antes de começar a escrever romances a tempo inteiro, Caidin teve uma longa carreira como escritor no setor da aviação.

O campo da biônica frequentemente coloca mais ênfase na implementação de uma função que pode ser encontrada na natureza, em vez de copiar características biológicas. No campo da ciência da computação, por exemplo, a cibernética é usada para modelar os mecanismos de feedback e controle inerentes ao comportamento inteligente. Por outro lado, a inteligência artificial é usada para modelar a função inteligente independentemente da forma específica em que ela pode ser realizada.

A prática de replicar conscientemente exemplos e procedimentos de criaturas naturais e ecologias é um exemplo de raciocínio baseado em casos aplicado. Este processo envolve a utilização da própria natureza como uma base de dados de soluções que já provaram ser eficazes. Os defensores desta teoria afirmam que a pressão de seleção que é aplicada a todas as formas de vida naturais ajuda a reduzir e eliminar falhas.

As origens modernas desta área estão tipicamente ligadas a Buckminster Fuller, e sua codificação posterior como uma casa ou campo de estudo é atribuída a Janine Benyus. Isto apesar de praticamente toda a engenharia poder ser considerada uma espécie de biomimética.

Existem frequentemente três estágios biológicos na fauna ou flora, e após cada um desses níveis, a tecnologia pode ser modelada da seguinte forma:

- Modelação de processos produtivos a partir daqueles encontrados na natureza

Imitar dispositivos inerentes à natureza, como o velcro, por exemplo

- O estudo de princípios de organização derivados do comportamento social das criaturas, tais como o comportamento das aves que se agrupam, a otimização da procura de formigas e abelhas, e o comportamento de um cardume de peixes com base na inteligência de enxame (SI).

- O campo da robótica faz uso da biônica e biomimética para incorporar os padrões de movimento dos animais na construção de robôs. Para criar o BionicKangaroo, os movimentos e a fisiologia dos cangurus serviram de inspiração.

Entre todos os exemplos de biomimética, o velcro é o mais conhecido. O engenheiro suíço George de Mestral lavava o seu cão de rebarbas que tinha apanhado enquanto passeava em 1948. Foi então que se apercebeu da forma como os ganchos das rebarbas grudavam na pele do seu cão.

As observações de um besouro escavador de madeira serviram de inspiração para o design de lâminas de lenhador, que foram empregadas no início do século 19 para cortar árvores quando o processo ainda era feito à mão. Estas lâminas tinham uma configuração em forma de chifre. Por esta razão, as lâminas provocaram uma revolução no setor madeireiro porque eram substancialmente mais eficientes.

Em 1935, depois de realizar pesquisas sobre o funcionamento mecânico dos olhos de gato, Percy Shaw teve a ideia dos refletores de olho de gato. Foi descoberto por ele que os gatos possuíam um sistema de células refletoras que era referido como tapetum lucidum. Este sistema era capaz de refletir até mesmo a menor quantidade de luz.

Quando se trata de engenharia, as máquinas voadoras e os navios que Leonardo da Vinci criou são os primeiros exemplos de como se inspiram na natureza.

Resilin é um material que foi desenvolvido com sucesso como uma alternativa à borracha a partir da pesquisa do material que também está presente em artrópodes.

Quando Julian Vincent desenvolveu roupas "inteligentes" em 2004, ele as criou inspirando-se no estudo das pinhas. Esta roupa é capaz de se ajustar a diferentes temperaturas. "Eu queria um sistema não-vivo que respondesse às mudanças na umidade mudando de forma", explicou ele a repórteres. "Existem vários sistemas desse tipo nas plantas, mas a maioria deles é muito pequena. A pinha é a maior e, consequentemente, a mais fácil de trabalhar." As pinhas abrem suas escamas em resposta à maior umidade, a fim de disseminar suas sementes. O tecido "inteligente" desempenha a mesma função, permitindo que o usuário respire mais facilmente quando está quente e suando e fechando firmemente quando está frio.

Pesquisadores da Penn State University especializados em biomimética criaram o conceito de "transformar asas de aeronaves" em 2004. Estas asas mudam de forma dependendo da velocidade da aeronave e da duração da experiência de voo. Diversas espécies de aves, que têm asas que têm formas diferentes dependendo do ritmo em que voam, serviram de inspiração para as asas que se transformam através de diversas formas. Os pesquisadores precisavam fazer com que a pele superior das asas da aeronave também pudesse mudar, a fim de mudar a forma e a estrutura subjacente das asas. O seu design faz isso cobrindo as asas com escamas que são inspiradas nos peixes e permitem que deslizem umas sobre as outras. De certa forma, isso é uma melhoria no design da asa oscilante que era usado anteriormente.

- O mecanismo que permite que o lótus Nelumbo se limpe foi replicado para tornar certas tintas e telhas capazes de se limpar.

Os cristais líquidos colesteric, muitas vezes conhecidos como CLCs, são um tipo de material de película fina que é frequentemente utilizado na produção de termômetros de tanques de peixes ou anéis de humor que alteram sua cor em resposta a variações de temperatura. Como suas moléculas são estruturadas em um padrão helicoidal ou quiral, elas sofrem mudança de cor. Isso ocorre porque o passo da estrutura helicoidal muda como resultado da temperatura, o que faz com que a estrutura reflita a luz de diferentes comprimentos de onda. A fim de fabricar dispositivos óticos comparáveis, Chiral Photonics, Inc., abstraiu a estrutura auto-montada de CLCs orgânicos. Estes dispositivos são produzidos empregando comprimentos extremamente curtos de fibra de vidro inorgânica que foi torcida.

Greg Parker, professor de Eletrônica e Ciência da Computação na Universidade de Southampton, e Luca Plattner, um estudante de pesquisa, trabalharam juntos no campo da fotônica, que é um ramo da eletrônica que usa fótons como o portador de informações em vez de elétrons. Eles foram capazes de reproduzir in silico as nanoestruturas e mecanismos físicos que produzem a cor brilhante das asas de borboleta.

A estrutura das asas da borboleta morfo azul foi analisada, e a forma como reflete a luz foi imitada, a fim de desenvolver uma etiqueta RFID que é capaz de ser lida através da água e no metal.

A estrutura das asas das borboletas também serviu de fonte de inspiração para o desenvolvimento de novos nanossensores capazes de detetar explosivos.

- A fiação de chips neuromórficos e...