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Articulo de referencia

Biónica

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El comportamiento del robot (abajo) se inspira en el de una cucaracha (arriba) y un gecko (en el medio).

La biónica o ingeniería bioinspirada 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 ]

La palabra biónico , acuñada por Jack E. Steele en agosto de 1958, es un acrónimo de biología y electrónica [ 2 ] que se popularizó gracias a las series de televisión estadounidenses de la década de 1970 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 quienes se les otorgan diversos poderes sobrehumanos mediante implantes electromecánicos .

Según los defensores de la tecnología biónica, la transferencia de tecnología entre seres vivos y objetos manufacturados es deseable porque la presión evolutiva suele obligar a los organismos vivos —fauna y flora— a optimizarse y volverse eficientes. Por ejemplo, la pintura (recubrimiento) repelente al agua y a la suciedad se inspiró en las propiedades hidrofóbicas de la flor de loto (el efecto loto ). [ 3 ]

El término " biomimético " se prefiere para referirse a reacciones químicas, como aquellas que, en la naturaleza, involucran macromoléculas biológicas (por ejemplo, enzimas o ácidos nucleicos) cuya química puede replicarse in vitro utilizando moléculas mucho más pequeñas. [ 4 ]

Algunos ejemplos de biónica en ingeniería incluyen los cascos de los 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 dado lugar a neuronas artificiales , redes neuronales artificiales [ 5 ] e inteligencia colectiva . 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 "actualmente solo existe un 12% de coincidencia entre la biología y la tecnología en términos de los mecanismos utilizados". [ 6 ]

Historia

El término «biomimética» fue acuñado por Otto Schmitt en la década de 1950. El término «biónica» fue introducido posteriormente por Jack E. Steele en agosto de 1958 mientras trabajaba en la División de Aeronáutica de la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio . [ 7 ] Sin embargo, se prefieren términos como biomímesis o biomimética para evitar confusiones con el término médico «biónica». Martin Caidin utilizó la palabra para su novela de 1972 , Cyborg , que fue adaptada a la película para televisión y a la posterior serie El hombre de los seis millones de dólares . Caidin fue escritor durante mucho tiempo en la industria de la aviación antes de dedicarse por completo a la ficción.

Métodos

El velcro se inspiró en los pequeños ganchos que se encuentran en la superficie de las semillas de abrojo .

El estudio de la biónica suele centrarse en implementar funciones presentes en la naturaleza, en lugar de imitar estructuras biológicas. Por ejemplo, en informática, la cibernética modela los mecanismos de retroalimentación y control inherentes al comportamiento inteligente, mientras que la inteligencia artificial modela la función inteligente independientemente de la forma en que se pueda lograr.

La imitación consciente de ejemplos y mecanismos de organismos y ecosistemas naturales es una forma de razonamiento basado en casos aplicados , que trata a la naturaleza misma como una base de datos de soluciones que ya funcionan. Quienes defienden esta postura argumentan que la presión selectiva ejercida sobre todas las formas de vida naturales minimiza y elimina los fallos.

Aunque casi toda la ingeniería podría considerarse una forma de biomímesis , los orígenes modernos de este campo se atribuyen generalmente a Buckminster Fuller y su posterior codificación como escuela o campo de estudio a Janine Benyus .

Generalmente existen tres niveles biológicos en la fauna o la flora a partir de los cuales se puede modelar la tecnología:

Ejemplos

  • 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 durante un paseo cuando se dio cuenta de cómo los ganchos de las rebabas se adherían al pelaje.
  • El diseño en forma de cuerno y dentado de las hojas de sierra que se usaban a principios del siglo XIX para talar árboles, cuando aún se hacía a mano, se inspiró en las observaciones de un escarabajo perforador de madera . Estas hojas eran mucho más eficientes y, por lo tanto, revolucionaron la industria maderera.
  • Los reflectores de ojo de gato fueron inventados por Percy Shaw en 1935 tras estudiar el mecanismo de los ojos de los gatos. Descubrió que los gatos poseían un sistema de células reflectantes, conocido como tapetum lucidum , capaz de reflejar la más mínima cantidad de luz.
  • Las máquinas voladoras y los barcos de Leonardo da Vinci son ejemplos tempranos de cómo la ingeniería se inspiraba en la naturaleza.
  • La resilina es un sustituto del caucho que se ha creado a partir del estudio de un material que también se encuentra en los artrópodos.
  • Julian Vincent se inspiró en el estudio de las piñas cuando desarrolló en 2004 ropa "inteligente" que se adapta a los cambios de temperatura. "Quería un sistema inanimado que respondiera a los cambios de humedad modificando su forma", explicó. "Existen varios sistemas similares en las plantas, pero la mayoría son muy pequeños; la piña es la más grande y, por lo tanto, la más fácil de manipular". Las piñas responden a la mayor humedad abriendo sus escamas (para dispersar sus semillas). El tejido "inteligente" hace lo mismo: se abre cuando quien lo lleva puesto tiene calor y suda, y se cierra herméticamente cuando hace frío.
  • En 2004, científicos biomiméticos de la Universidad Estatal de Pensilvania diseñaron unas alas de avión transformables que cambian de forma según la velocidad y la duración del vuelo . Estas alas se inspiraron en diferentes especies de aves cuyas alas varían en forma según la velocidad de vuelo. Para modificar la forma y la estructura subyacente de las alas, los investigadores necesitaban que la capa exterior también pudiera cambiar, lo cual lograron cubriendo las alas con escamas inspiradas en los peces que se deslizan unas sobre otras. En cierto modo, esto representa un perfeccionamiento del diseño de alas oscilantes .
Superficie de la hoja de loto, representada : vista microscópica
  • Algunas pinturas y tejas se han diseñado para ser autolimpiables copiando el mecanismo del loto Nelumbo . [ 8 ]
  • Los cristales líquidos colestéricos (CLC) son el material de película delgada que se usa frecuentemente para fabricar termómetros para acuarios o anillos que cambian de color con la temperatura. Cambian de color porque sus moléculas están dispuestas en una estructura helicoidal o quiral , y con la temperatura, el paso 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 pequeños segmentos de fibra de vidrio inorgánica retorcida . [ 9 ]
  • Las nanoestructuras y los mecanismos físicos que producen el color brillante de las alas de las mariposas fueron reproducidos in silico por Greg Parker , profesor de Electrónica e Informática en la Universidad de Southampton , y el estudiante de investigación Luca Plattner en el campo de la fotónica , que es la electrónica que utiliza fotones como portadores de información en lugar de electrones . [ 10 ]
  • Se estudió la estructura de las alas de la mariposa morfo azul y se imitó su forma de reflejar la luz para crear una etiqueta RFID que se puede leer a través del agua y sobre metal. [ 11 ]
  • La estructura de las alas de las mariposas también ha inspirado la creación de nuevos nanosensores para detectar explosivos. [ 12 ]
  • Los chips neuromórficos y las retinas de silicio tienen un cableado que se inspira en redes neuronales reales .
  • Los tecnoecosistemas o sistemas "ecociborg" 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 combinan pegamento y diminutos nanofilamentos, basados ​​en las estructuras físicas que se encuentran en las patas de los geckos.
  • Los virus informáticos también presentan similitudes con los virus biológicos, ya que atacan la información orientada a programas con el objetivo de autorreproducirse y propagarse.
  • El sistema de refrigeración del edificio Eastgate Centre en Harare se diseñó inspirándose en un termitero para lograr una refrigeración pasiva muy eficiente.
  • El adhesivo que permite a los mejillones adherirse a rocas, muelles y cascos de barcos inspiró un gel bioadhesivo para vasos sanguíneos . [ 15 ]
  • El campo de la biónica ha inspirado nuevos diseños de aeronaves 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 . [ 16 ] Declaraciones similares fueron también hechas por John Videler y Eize Stamhuis en su libro Avian Flight, [ 17 ] y en el artículo que presentan en Science sobre LEV. [ 18 ] Esta investigación en biónica también puede usarse para crear helicópteros más eficientes o UAV en miniatura , como afirma Bret Tobalske en un artículo en Science sobre Hummingbirds . [ 19 ] UC Berkeley así como 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, arrastrarse y volar). [ 21 ]
  • Un dispositivo mecánico bioinspirado puede generar plasma en agua mediante cavitación utilizando la pinza del camarón chasqueador, cuya morfología es precisa. 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 sensoriomotora cerebral inducida controla el dolor en el miembro fantasma.

En medicina

La biónica se refiere al flujo de conceptos desde la biología a la ingeniería y viceversa. Por lo tanto, existen dos puntos de vista ligeramente diferentes respecto al significado de la palabra.

En medicina, la biónica se refiere a la sustitución o mejora de órganos u otras partes del cuerpo mediante componentes mecánicos. Los implantes biónicos se diferencian de las prótesis convencionales en que imitan la función original con gran precisión, o incluso la superan.

El término alemán equivalente a la biónica, Bionik , siempre se adhiere al significado más amplio, ya que busca desarrollar soluciones de ingeniería a partir de modelos biológicos. Este enfoque se basa en el hecho de que las soluciones biológicas suelen estar optimizadas por fuerzas evolutivas .

Si bien las tecnologías que hacen posibles los implantes biónicos se desarrollan gradualmente, ya existen algunos dispositivos biónicos exitosos, como el implante coclear multicanal (oído biónico), inventado en Australia y destinado a personas sordas . Desde la aparición del oído biónico, han surgido muchos otros dispositivos biónicos y se está trabajando en soluciones biónicas para otros trastornos sensoriales (por ejemplo, la visión y el equilibrio). Recientemente, la investigación biónica ha proporcionado tratamientos para problemas médicos como afecciones neurológicas y psiquiátricas, como la enfermedad de Parkinson y la epilepsia . [ 23 ]

En 1997, el investigador colombiano Álvaro Ríos Poveda desarrolló una prótesis de miembro superior y mano con retroalimentación sensorial . Esta tecnología permite a los pacientes amputados manejar sistemas protésicos de mano de una manera más natural. [ 24 ]

Para 2004 ya se habían desarrollado corazones artificiales completamente funcionales . Se espera un progreso significativo con la llegada de la nanotecnología . Un ejemplo conocido de un nanodispositivo propuesto es el respirocitos , un glóbulo rojo artificial diseñado (aunque aún no construido) por Robert Freitas .

En 2007, la empresa escocesa Touch Bionics lanzó la primera mano biónica disponible comercialmente, llamada "i-Limb Hand". Según la empresa, en mayo de 2010 ya se había implantado en más de 1200 pacientes en todo el mundo. [ 25 ]

Durante sus ocho años en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania , Kwabena Boahen desarrolló una retina de silicio capaz de procesar imágenes del mismo modo que una retina viva. Confirmó los resultados comparando las señales eléctricas de su retina de silicio con las producidas por el ojo de una salamandra mientras ambas retinas observaban la misma imagen.

El 21 de julio de 2015, el corresponsal médico de la BBC , Fergus Walsh, informó: «Cirujanos de Manchester han realizado el primer implante de ojo 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. Utiliza 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 la pantalla de un ordenador gracias al implante de retina». El implante, conocido como Argus II y fabricado en EE. UU. por la empresa Second Sight Medical Products , se había utilizado anteriormente en pacientes ciegos a causa de la retinosis pigmentaria, una enfermedad ocular degenerativa hereditaria poco frecuente . [ 26 ]

En 2016, Tilly Lockey (nacida el 7 de octubre de 2005) recibió un par de brazos biónicos "Hero Arms" fabricados por OpenBionics , una empresa británica de biónica. El Hero Arm es una prótesis mioeléctrica ligera para adultos y niños mayores de ocho años con amputación por debajo del codo. Tilly Lockey, a quien le amputaron ambos brazos a los 15 meses tras ser diagnosticada con sepsis meningocócica de la cepa B, describe los Hero Arms como "realmente realistas, hasta el punto de que resultaba bastante inquietante lo realistas que eran". [ 27 ]

El 17 de febrero de 2020, Darren Fuller, un veterano militar, se convirtió en la primera persona en recibir un brazo biónico a través de un sistema público de salud. [ 28 ] Fuller perdió la parte inferior de su brazo derecho mientras prestaba servicio en Afganistán durante un incidente que involucró munición de mortero en 2008.

Tras la invasión rusa de Ucrania en febrero de 2022 y la proliferación de la guerra con drones, con drones FPV que provocaron un elevado número de amputaciones, especialmente de miembros superiores, la demanda de prótesis de mano biónicas aumentó drásticamente. [ 29 ] Según Aether Biomedical , un fabricante polaco líder de prótesis de mano biónicas presente en Ucrania, se estima que hasta el 50 % de las amputaciones en el país son de miembros superiores por este motivo, con una proporción global del 10-20 %. Las estimaciones no oficiales sitúan el número de amputaciones de miembros superiores entre 2022 y 2025 en torno a las 150 000. [ 30 ] Esta situación condujo a un aumento de la financiación y la investigación, con el lanzamiento de numerosos fabricantes, empresas emergentes y centros de prótesis, centrados en el mercado ucraniano. [ 31 ] [ 32 ] Bajo programas gubernamentales, más del 97% de las prótesis en Ucrania se proporcionan actualmente de forma gratuita, siendo las principales marcas de prótesis biónicas Esper Bionics , SYLA , Allbionics , Aether Biomedical y Ottobock . [ 33 ] Las prótesis de mano biónicas también se ofrecen a los veteranos de forma gratuita con fondos privados, principalmente en las clínicas Superhumans Center y UNBROKEN Center en Lviv y a través de la Open Dialogue Foundation . [ 34 ]

Otros usos

La biomimética empresarial representa el desarrollo más reciente en la aplicación de la biomimética. Concretamente, aplica principios y prácticas de los sistemas biológicos a la estrategia empresarial, los procesos, el diseño organizativo y el pensamiento estratégico. Ha sido utilizada con éxito en diversos sectores, como el de bienes de consumo de alta rotación , la defensa, la administración pública, el embalaje y los servicios empresariales. Basado en el trabajo de Phil Richardson en la Universidad de Bath [ 35 ] , este enfoque se presentó en la Cámara de los Lores en mayo de 2009.

En general, 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, también conocido como organismo cibernético ( cíborg ). La aplicación práctica de esto se demostró en los experimentos de implantes de Kevin Warwick, que permitieron la entrada de ultrasonidos a través de su propio sistema nervioso.

Véase también

Referencias

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Fuentes

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  • 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" Polygnosis . N.° 1–2. 2010. Cap. 1–2. págs.  126–136.
  • Lipov AN "En los orígenes de la biónica moderna. Formación biomorfológica en un entorno artificial." Polygnosis . N.° 3. 2010. Parte 3. págs. 80–91.
  • Biónica de 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. Archivado el 3 de septiembre de 2011 en Wayback Machine.
  • 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 de la Universidad Estatal de Pensilvania