Biónica

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.

La palabra biónico, acuñada por Jack E. Steele en agosto de 1958, es un acrónimo de biología y electrónica que se popularizó con la serie de televisión estadounidense de los años 70 El hombre de los seis millones de dólares y La mujer biónica, ambas basadas en la novela Cyborg de Martin Caidin. Las tres historias presentan a humanos a los que se les otorgan varios poderes sobrehumanos gracias a sus implantes electromecánicos.

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).

El término "biomimético" Se prefiere para referencias a reacciones químicas, 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.

Ejemplos de biónica en ingeniería incluyen los cascos de barcos que imitan la piel gruesa de los delfines o el sonar, el radar y las imágenes de ultrasonido médico que imitan la ecolocalización animal.

En el campo de la informática, el estudio de la biónica ha producido neuronas artificiales, redes neuronales artificiales e inteligencia de enjambre. La biónica también influyó en la computación evolutiva, pero llevó la idea más allá al simular la evolución in silico y producir soluciones optimizadas que nunca habían aparecido en la naturaleza.

Un artículo de investigación de 2006 estimó que "en la actualidad sólo hay un 12% de superposición entre biología y tecnología en términos de los mecanismos utilizados".

Historia

El nombre "biomiméticos" Fue acuñado por Otto Schmitt en los años 1950. El término "biónica" Fue presentado más tarde por Jack E. Steele en agosto de 1958 mientras trabajaba en la Casa de la División Aeronáutica en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio. Sin embargo, se prefieren términos como biomímesis o biomimética para evitar confusiones con el término médico "biónica". Casualmente, Martin Caidin usó la palabra para su novela de 1972 Cyborg, que fue adaptada a la película para televisión y a la serie posterior El hombre de los seis millones de dólares. Caidin fue un escritor sobre la industria de la aviación durante mucho tiempo antes de dedicarse a la ficción a tiempo completo.

Métodos

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 se suelen atribuir 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:

• Mimicking natural métodos de fabricación
• Imitando mecanismos encontrado en la naturaleza (por ejemplo, velcro)
• Estudio principios organizativos del comportamiento social de los organismos, como el comportamiento de las aves, la optimización de la forrajería de hormigas y la forraje de abejas, y el comportamiento de inteligencia enjambre (SI) de una escuela de peces.

Ejemplos

• En robótica, bionica y biomimética se utilizan para aplicar la forma en que los animales se mueven al diseño de robots. BionicKangaroo se basó en los movimientos y la fisiología de los canguros.
• Velcro es el ejemplo más famoso de la biomimética. En 1948, el ingeniero suizo George de Mestral estaba limpiando su perro de burrs recogido en un paseo cuando se dio cuenta de cómo los ganchos de los burrs se aferraban a la piel.
• El diseño en forma de cuerno, en forma de sierra para cuchillas de leña utilizadas a finales del siglo XIX para cortar árboles cuando todavía se hacía a mano fue modelado después de las observaciones de un escarabajo de leña. Las cuchillas fueron significativamente más eficientes y así revolucionaron la industria maderera.
• Los reflectores de ojos de gato fueron inventados por Percy Shaw en 1935 después de estudiar el mecanismo de los ojos de gato. Había encontrado que los gatos tenían un sistema de células reflectantes, conocidas como el lúcido de la cinta, que era capaz de reflejar el más mínimo pedazo de luz.
• Las máquinas y naves voladoras de Leonardo da Vinci son primeros ejemplos de dibujo de la naturaleza en ingeniería.
• Resilin es un reemplazo de caucho que se ha creado estudiando el material también encontrado en artrópodos.
• Julian Vincent sacó del estudio de los pinos cuando desarrolló en 2004 ropa "mart" que se adapta a las temperaturas cambiantes. "Quería un sistema no vivo que respondiera a los cambios en la humedad cambiando la forma", dijo. "Hay varios sistemas de este tipo en plantas, pero la mayoría son muy pequeñas, el pino es el más grande y por lo tanto el más fácil de trabajar". Pinecones responden a una mayor humedad abriendo sus escalas (para dispersar sus semillas). El tejido "mart" hace lo mismo, abriendo cuando el usuario está caliente y sudando y cerrando apretado cuando está frío.
• "Alas de aviones de Morphing" que cambian de forma según la velocidad y duración del vuelo fueron diseñados en 2004 por científicos biomiméticos de la Universidad Estatal de Penn. Las alas morfadoras se inspiraron en diferentes especies de aves que tienen alas de forma diferente según la velocidad a la que vuelan. Con el fin de cambiar la forma y la estructura subyacente de las alas de los aviones, los investigadores necesitaban hacer que la piel de sobrecarga también fuera capaz de cambiar, lo que su diseño hace cubriendo las alas con escalas inspiradas en peces que podían deslizarse entre sí. En algunos aspectos esto es un refinamiento del diseño de swing-wing.

• Algunas pinturas y tejas han sido diseñadas para ser autolimpiadas copiando el mecanismo del loto Nelumbo.
• Los cristales líquidos colestericos (CLCs) son el material delgado a menudo utilizado para fabricar termómetros de tanque de pescado o anillos de humor que cambian de color con cambios de temperatura. Ellos cambian de color porque sus moléculas están dispuestas en un arreglo helicoidal o chiral y con 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 CLCs orgánicos para producir dispositivos ópticos análogos usando pequeñas longitudes de fibra de vidrio inorgánica y retorcida.
• Las nanoestructuras y los mecanismos físicos que producen el color brillante de las alas de mariposa fueron reproducidos en silicio por Greg Parker, profesor de Electrónica y Ciencias de la Computación de la Universidad de Southampton, y el estudiante de investigación Luca Plattner en el campo de fotonicos, que es electrónica utilizando fotones como portador de información en lugar de electrones.
• Se estudió la estructura del ala de la mariposa morfo azul y la forma en que refleja la luz fue imitada para crear una etiqueta RFID que se puede leer a través del agua y en el metal.
• La estructura del ala de las mariposas también ha inspirado la creación de nuevos nanosensores para detectar explosivos.
• Los chips neuromorficos y la retina de silicio tienen cableado que se modela después de las redes neuronales reales.
• Los sistemas Technoecosystems o 'EcoCyborg' implican el acoplamiento de procesos ecológicos naturales a los tecnológicos que imitan las funciones ecológicas. Esto resulta en la creación de un sistema híbrido autoregulado. La investigación en este campo fue iniciada por Howard T. Odum, quien percibió la estructura y dinámica energética de los ecosistemas como analogía con el flujo energético entre componentes de un circuito eléctrico.
• Se están desarrollando adhesivos médicos que implican pegamento y pequeños nano-hairs basados en las estructuras físicas encontradas en los pies de los geckos.
• Los virus informáticos también muestran similitudes con virus biológicos, atacando información orientada al programa hacia la auto-reproducción y difusión.
• El sistema de refrigeración del edificio Eastgate Centre en Harare fue modelado después de un montículo termito para lograr un enfriamiento pasivo muy eficiente.
• Adhesivo que permite que los mejillones se adhieran a rocas, piers y cascos de barco inspirado gel bioadhesivo para vasos sanguíneos.
• El campo de la bionica ha inspirado nuevos diseños de aviones que ofrecen mayor agilidad junto con otras ventajas. Esto ha sido descrito por Geoff Spedding, Måns Rosén, y Anders Hedenström en un artículo en Journal of Experimental Biology. También formularon declaraciones similares John Videler y Eize Stamhuis en su libro Avian Flight, y en el artículo que presentan Ciencia sobre LEVs. Esta investigación en bionics también se puede utilizar para crear helicópteros o vehículos UA en miniatura más eficientes, como lo señala Bret Tobalske en un artículo en Ciencia sobre los colibríes. UC Berkeley y ESA han estado trabajando en una dirección similar y crearon el Robofly (un UAV miniatura) y el Entomopter (un UAV que puede caminar, arrastrar y volar).
• Un dispositivo mecánico bio-inspirado puede generar plasma en agua a través de la cavitación utilizando la garra de camarón morfológica precisa. Esto fue descrito en detalle por Xin Tang y David Staack en un artículo publicado en Avances científicos.

Usos específicos del término

En medicina

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 mediante 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 biónica, Bionik, siempre se atiene a un significado más amplio, ya que 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.

Si bien las tecnologías que hacen posibles los implantes biónicos se están desarrollando gradualmente, existen algunos dispositivos biónicos exitosos, uno de los cuales es muy conocido, el implante coclear multicanal (oído biónico), inventado en Australia, un dispositivo para personas sordas. Desde el oído biónico, han surgido muchos dispositivos biónicos y se está trabajando en soluciones biónicas para otros trastornos sensoriales (por ejemplo, la visión y el equilibrio). La investigación biónica ha proporcionado recientemente tratamientos para problemas médicos como enfermedades neurológicas y psiquiátricas, por ejemplo la enfermedad de Parkinson y la epilepsia.

En 1997, el investigador colombiano Álvaro Ríos Poveda desarrolló una prótesis de mano y miembro superior con retroalimentación sensorial. Esta tecnología permite a los pacientes amputados manejar sistemas protésicos de mano de una forma más natural.

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, padece degeneración macular seca relacionada con la edad que le ha provocado la pérdida total de la visión central. Está utilizando un implante de retina que convierte imágenes de vídeo de una cámara de vídeo en miniatura que lleva puesta en sus gafas. Ahora puede distinguir la dirección de las líneas blancas en la pantalla de una computadora 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.

En 2016, Tilly Lockey (nacida el 7 de octubre de 2005) recibió un par de brazos biónicos "Hero Arms" fabricado 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".

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. 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, 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.

En química, una síntesis biomimética es una síntesis química inspirada en procesos bioquímicos.

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 generaron una entrada de ultrasonido a través de su propio sistema nervioso.