Bionika

Bionika (od gr. bios – życie oraz mimesis – naśladować; inne nazwy: biomimetyka, biomimikra, inżynieria bioniczna) – interdyscyplinarna nauka badająca budowę oraz zasady działania organizmów oraz ich adaptowanie w technice (zwłaszcza w automatyce) oraz budowie urządzeń technicznych na wzór organizmu. Stara się poznawać oraz wykorzystać procesy sterujące działaniem organizmów w wielorakich działach techniki, z reguły w automatyce, elektronice oraz mechanice. Patenty przygotowane przez naukowców wykorzystują rozwiązania występujące w naturze. Opracowania nowych rozwiązań dzięki biomimetyce pozwoli na zmniejszenie przypadkowości w badaniach naukowych oraz umożliwi łatwiejsze generowanie nowych rozwiązań.

Dokładne badanie oraz kopiowanie szczegółów budowy z żywych form jest bardzo obiecujące, albowiem okazuje się, że te formy są bardzo rozwinięte, a takich rozwiązań jak w przyrodzie jeszcze nie ma w żadnych urządzeniach.

Przykłady biomimetyki w inżynierii zawierają kadłuby łodzi imitujących grubą skórę delfinów, sonar, radar, w medycynie ultradźwięki imitujące głos nietoperzy. W dziedzinie informatyki badania biomimetyki znalazły zastosowanie w cybernetyce, sztucznych neuronach, sztucznych sieciach oraz w miniaturyzacji krzemowych podzespołów na wzór naturalnych neuronów.

Specjalista biomimetyki, Julian Vincent wykładający na Uniwersytecie Bath w Wielkiej Brytanii, uważa, że aktualnie zaledwie 10% może mniej tych rozwiązań umiemy naśladować, w celu doskonalenia urządzeń.

W medycynie bionika oznacza zastępowanie albo wspomaganie wielorakich organów oraz części ciała urządzeniami, które bardzo dobrze naśladują naturalne funkcjonowanie, w przeciwieństwie do protez. Najbardziej znany jest tu implant ślimakowy dla głuchych.

Historia

Termin "biomimetyka" stał się wprowadzony około 1950 roku przez Otto Schmitta, natomiast określenie "bionika" ukazało się w 1960 na konferencji w Dayton.

Metody

Badania biomimetyki nie ograniczają się tylko do obserwacji biologicznej struktury, ale raczej wdrożenie jej rozwiązań dla potrzeb człowieka. Najpierw naukowców intryguje, jak zwierzę może wykonać taką czy inną funkcję. Jak to się dzieje? Później jak wykorzystać to w praktyce. Natura traktowana jest jak źródło osiągniętych już rozwiązań zoptymalizowanych w czasie ewolucji. Przypadek, czasem długie obserwacje nasuwają wnioski.

Przyroda dostarczyła tylu dobrych pomysłów, że powstała już baza danych, w której gromadzi się informacje na temat tysięcy wielorakich ,,trików" stosowanych przez rośliny oraz zwierzęta. Zawartość bazy określana jest mianem ,,patenty biologiczne". Każdy projektant, czy uczony, może uzyskać patent. Prawo do niego ma firma, która ten patent odkryła oraz go zgłosiła.

Nowoczesne rozwiązania z tego pola są zwykle dziełem Instytutu Buckminster Fullera.

Można wyróżnić trzy sposoby badań biologicznych prowadzących do nowej technologii:

• naśladowanie naturalnych metod wytwarzania związków chemicznych, by utworzyć nowe,
• imitowanie mechanizmów znalezionych w naturze (rzepy z ich haczykami oraz pętelkami zaprojektowano na wzór koszyczków kwiatowych łopianu),
• studiowanie zasad organizacyjnych społecznego zachowania organizmów, takich jak stadne zachowanie ptaków, pszczół albo mrówek.

Przykłady biomimetyki

Leonardo da Vinci oraz jego projekty samolotów oraz okrętów to wczesne przykłady wzorowania inżynierii na naturze.

Owady

Chrząszcze. Dla uczonych niedościgłym wzorem są narządy zmysłów zwierząt. Ciemniki czarne (Melanophila acuminata) to chrząszcze potrafiące dostrzec pożar nawet z odległości 50 km. Ich narządy, wykrywające promieniowanie podczerwone, są o wiele czulsze niż najlepsze wojskowe noktowizory oraz kamery. Nawet prosty układ nerwowy doskonale radzi sobie z zadaniami, które przerastają możliwości współczesnych komputerów, takimi jak rozpoznawanie partnerów czy wyszukiwanie pożywienia. Prowadzone badania posiadają doprowadzić do skonstruowania m.in. jeszcze lepszych czujników.

Termity. W Harare, w południowej Afryce, stworzono kompleks budynków, w którym system darmowej wentylacji oraz chłodzenia wzorowano na pionowych kanałach w kopcach termitów.

Ptaki

Pelikany. Naukowcy stwierdzili, że kiedy pelikany lecą kluczem, ptaki będące z tyłu korzystają z ciągu powietrza wytworzonego przez te, które są na przedzie. Posiadają wtedy tętno o 15 procent wolniejsze, niż gdyby leciały pojedynczo. Żeby ustalić, czy te prawa aerodynamiki da się wykorzystać, inżynierowie wyposażyli samolot doświadczalny w skomplikowane urządzenia elektroniczne, dzięki którym pilot lecący z tyłu mógł utrzymywać swą maszynę mniej więcej w stałej pozycji względem odrzutowca lecącego z przodu. Odległość pomiędzy samolotami wynosiła około 90 metrów. Rezultatem było to, że odrzutowiec lecący z tyłu napotykał o 20 procent mniejszy opór powietrza oraz zużył o 18 procent mniej paliwa. Zdaniem badaczy wyniki te da się będzie wykorzystać w lotnictwie wojskowym oraz cywilnym.

Rośliny

Komputerowa grafika kropel wody na powierzchni liścia lotosu

Lotos zainspirował wynalezienie hydrofobowych powierzchni – zaobserwowano, że z liści lotosu nawet duże krople wody spływają nie zostawiając śladu zwilżenia, za to zbierając zanieczyszczenia z powierzchni liścia. Okazało się, że powierzchnia ta nie jest gładka. Powstały pojemniki, które po opróżnieniu (np.: z farby) nie są brudne. Samooczyszczające się powierzchnie: farby oraz dachówki na dachu, które czyszczą powierzchnię dokładnie tak jak lotos to robi.

Rzepy syntetyczne (zob. velcro) są najsławniejszym przykładem biomimetyki. W 1941, Szwajcar, inżynier George de Mestral czyścił po spacerze swojego psa z rzepów. Wtedy zastanowił się jak haki łopianu trzymają się futra. Dziesięć lat później opatentował swój wynalazek.

Szyszki. Julian Vincent zajmował się na studiach szyszkami. Wtedy rozwinął projekt ,,inteligentnej odzieży przystosowującej się do wahań temperatury poprzez zmianę kształtu. Gdy jest ciepło szyszka otwiera się oraz wysypuje nasiona, analogicznie inteligentna tkanina ma maleńkie otwierające się klapki.

Ssaki

Humbak. Konstruktor samolotu może się nauczyć całkiem dużo od humbaka. Naukowców zaintrygowało, jak zwierzę o nader sztywnym ciele może zataczać ciasne kręgi w wodzie. Odkryli, że przednia krawędź płetw nie jest gładka, jak w przypadku samolotów, lecz pokryta guzkami. Dzięki nim woda opływa płetwę oraz nabierająca prędkości porusza się w sposób uporządkowany. Specjalista Jon Lang jest zdania, że „niedługo każdy odrzutowiec będzie miał skrzydła z guzkami podobnymi do tych u humbaków”.

W biznesie

Ostatnie badania prowadzone przez Phila Richardsona, w centrum Biomimetyki Uniwersytetu w Bath, przedstawiają, że modele biomimetyki potrafią zostać użyte jako analogie w biznesie. Przykłady zawierają aplikację naturalnych systemów użytych do rozwiązywania problemów danych złożonych.

Sprawdź też

• Biocybernetyka