Indietro

ⓘ Bionica




Bionica
                                     

ⓘ Bionica

La bionica è lapplicazione di metodi e sistemi biologici trovati in natura nello studio e nel design di sistemi ingegneristici e della moderna tecnologia. In senso più stretto il termine in genere si riferisce alla branca dellingegneria biomedica che applica la cibernetica alla riproduzione di funzioni degli organismi viventi descritte dalla fisiologia, soprattutto dalla neurofisiologia e dallelettrofisiologia, per esempio per la creazione di organi artificiali facenti parte del sistema nervoso o da esso controllati.

Alcune applicazioni sono nellacquisizione di informazione mediante organi di senso artificiale e della circolazione dei segnali nelle reti nervose.

                                     

1. Descrizione

La parola "bionico" fu coniata da Jack E. Steele nel 1958, probabilmente originandola dal lemma greco "βίον" pronunciato "bion", che significa "unità di vita", e il suffisso -ic, che significa "come", "simile a" o "nella maniera di", da cui quindi "come la vita". Diversi dizionari, comunque, spiegano anche che la parola è formata dai termini bio logia" e "elettro nica ".

Si tratta di una scienza interdisciplinare che applica teorie e tecniche biologiche, fisiche e matematiche basandosi su due fondamentali considerazioni operative: A) che una macchina artificiale possa svolgere compiti in maniera similare ad un sistema biologico; B) che i vantaggi di un sistema biologico dipendano dallaccumulo e riutilizzo dei dati, dalla correlazione di numerosi dati provenienti da numerosi sensori e dai processi di trasferimento utilizzati. Queste due fondamenta forniscono lispirazione per il tracciamento delle linee guida tipiche delle ricerche di bionica che possono essere riassunte come segue. 1) La biologia svolge la prima fase con il suo lavoro di osservazione, studio ed analisi degli esseri viventi con la conseguente redazione di uno schema di funzionamento. 2) La matematica formalizza un modello a partire dallo schema funzionale. 3) La fisica o lingegneria sintetizzano quanto sopra sì da costruire un modello riproducente la funzione dinteresse.

Si definisce "copia omologica" quel sistema bionico in cui viene riprodotto artificialmente lesatto schema funzionale biologico, mentre si definisce "modello simulato" il sistema bionico in cui vengono sintetizzati i parametri funzionali del modello biologico in modo da riprodurre la medesima funzionalità di questo senza però riprodurre esattamente il suo schema. Nei sistemi complessi potrebbe essere possibile osservare un insieme delle due tecniche.

Branche scientifiche strettamente legate alla bionica sono la cibernetica dato che i sistemi biologici sono fortemente retroattivi e lo studio della retroattività è particolarmente importante in cibernetica, la teoria dellinformazione in quanto, come già detto in B viene sviluppato lo studio del trasferimento dei dati nonché, più in generale, linformatica la quale da una parte potrebbe prendere a prestito concetti sviluppati in bionica e dallaltra laiuta, mediante luso di simulatori, permettendo laffinamento dei modelli prima della produzione dei prototipi.

                                     

2. Storia

Il nome biomimetica fu coniato da Otto Schmitt negli anni 50. Il termine bionica fu coniato da Jack E. Steele nel 1958 mentre lavorava all Aeronautics Division House presso la Wright-Patterson Air Force Base a Dayton. Comunque, termini come biomimicry o biomimetica sono preferiti in tecnologia per evitare confusione con il termine medico omonimo. Nel 1972 Martin Caidin utilizzò il termine Cyborg, che ispirò la serie Luomo da sei milioni di dollari. Caidin fu giornalista di aviazione industriale, prima di diventare sceneggiatore.

                                     

3. Metodi

Spesso lo studio della bionica enfatizza implementando una funzione trovata in natura piuttosto che la sola imitazione di strutture biologiche. Per esempio, in informatica, la cibernetica tenta di modellare i feedback e i meccanismi di controllo che sono inerenti nellintelligenza, mentre lintelligenza artificiale tenta di modellare le funzioni dintelligenza a prescindere dal modo per raggiungere tale scopo. Il copiare consapevolmente esempi e meccanismi dalla natura, organismi e ecologia, è una forma di case-based reasoning, considerando la natura come un database di soluzioni che già lavorano. La selective pressure posta su tutti gli esseri viventi minimizza e rimuove i difetti. Si può dire che tutta lingegneria sia una forma di biomimetica, le moderne origini di questo campo sono attribuite a Richard Buckminster Fuller e lo studio di Janine Benyus. Si possono distinguere tre livelli biologici nella fauna e nella flora, ove la tecnologia prende esempio:

  • Imitazione dei meccanismi trovati in natura velcro
  • Mimetismo naturale come metodo di costruzione
  • Studio dei principi organizzativi dato dal comportamento sociale degli organismi, come il volo di uccelli in stormo, ottimizzazione di colonie di formiche, di api, di pesci.


                                     

4. Esempi

  • La resilina è un materiale gommoso creato studiando gli artropodi.
  • Morphing aircraft wings, che cambiano forma in funzione della velocità, furono ideati nel 2004 da studiosi della Pennsylvania State University.
  • Leonardo da Vinci, con le sue macchine, imitò la natura con lingegneria.
  • Il velcro è lesempio più noto di biomimetica. Nel 1948, lingegnere svizzero Georges de Mestral pulendo il suo cane dai semi volanti, capì il modo in cui gli stessi si attaccavano al pelo.
  • Il riflettore a occhio di gatto Cats eye fu inventato da Percy Shaw nel 1935 studiando gli occhi di gatto. I gatti hanno un sistema detto tapetum lucidum, in grado di riflettere la luce.
  • La lama a dente di sega, a forma di corno, usata dai boscaioli dal XIX secolo per tagliare alberi, fu ideata dopo losservazione di maggiolini mangiatori di legno. Rivoluzionò lindustria del settore, data la sua velocità di taglio.
  • Julian Vincent disegnò nel 2004, dallo studio delle pigne, abiti adattantisi ai cambiamenti di temperatura.
  • Le ali di farfalla hanno anche ispirato lideazione di nanosensori per rilevare esplosivi.
  • Nanostrutture e meccanismi fisici che producono i colori di una farfalla sono state prodotte in silico da Greg Parker, professore di Electronics and Computer Science alla University of Southampton e da Luca Plattner nel campo della fotonica.
  • Tecnoecosistemi o EcoCyborg imitano le funzioni naturali ecologiche implementandole nellingegneria. Sistemi ibridi autoregolamentanti vengono creati. Ricerche in questo ambito furono fatte da Howard Odum, che capì la struttura e lemergia dinamica di ecosistemi, facendo analogie con lo scambio di energia tra componenti di un circuito elettrico.
  • La struttura delle ali della farfalla Morpho è stata studiata nel modo di riflettere la luce per creare dei RFID che possono essere letti in acqua e su metalli.
  • Adesivi medicali sono ispirati dalle zampe di Gekkonidae.
  • Il sistema di raffreddamento dellEastgate Centre building a Harare è stato ideato sulla base dei cunicoli delle termiti.
  • Computer virus sono assimilabili a quelli naturali nel modo di diffondersi e autoriprodursi.
  • Cholesteric liquid crystal CLC sono materiali a film sottile usati per fabbricare termometri. Cambiano colore al variare della temperatura, data la loro struttura elicoidale o chirale.
  • Alcune vernici e tegole sono state disegnate per essere autopulenti imitando il Nelumbo.
  • Nuovi velivoli possono essere creati, come descritto da Geoff Spedding e Anders Hedenström sul Journal of Experimental Biology. Anche John Videler e Eize Stamhuis, nel loro libro Avian Flight e nel loro articolo su Science circa i LEV, hanno lavorato nello studio di nuove forme di ali, utilizzando la bionica, per elicotteri e velivoli in miniatura UAV. Anche Bret Tobalske, in un articolo su Science, circa lo Hummingbird uno UAV in miniatura e Entomopter uno UAV che può camminare, strisciare e volare.
  • Chip neuromorfici come retina o coclea sono stati ideati studiando la rete neurale naturale. S.a.: connettività.
                                     

5.1. Usi specifici del termine Medicina

Bionica è un termine che si riferisce a concetti dalla biologia allingegneria e viceversa. Ma ci sono due differenti punti di vista riguardo al significato. In medicina, bionica significa impianto o miglioramento di organi o parti del corpo grazie a versioni elettroniche. Impianti bionici differiscono dalle protesi imitando le funzioni originali molto fedelmente, o addirittura migliorandole. "Bionik" in lingua tedesca, significa tentare di sviluppare soluzioni ingegneristiche dal modelli biologici, plasmati dallevoluzione. Un esempio reale è limpianto cocleare per la sordità. Dal 2004 un cuore artificiale esiste per gli impianti. Significativi sviluppi ci si aspetta dalla nanotecnologia. Un dispositivo nano è il respirocyte, una cellula rossa artificiale sviluppata da Robert Freitas. Kwabena Boahen dal Ghana fu professore nel dipartimento di bioingegneria dellUniversità della Pennsylvania. Durante gli otto anni al Penn, sviluppò una retina in silicone che processava le immagini come quella naturale. Confermò i risultati comparando i segnali elettrici su occhi di salamandra. Nel 2007 lazienda scozzese Touch Bionics lanciò la prima mano bionica, "i-Limb Hand". A maggio 2010, 1.200 pazienti hanno ricevuto questa protesi.

                                     

5.2. Usi specifici del termine Politica

Una forma in politologia della biomimetica è il bioregionalismo, ove i confini politici si conformano a quelli naturali ecoregioni piuttosto che culturali delluomo o di conflitti. Critiche di questo approccio spesso argomentano che la selezione ecologica è di per sé un modello povero di mimetismo e manufacturing complexity o conflitto, e che il libero mercato agisce per cooperazione consapevole, accordi, e standard più dellefficienza – più analoga alla selezione sessuale. Charles Darwin stesso sosteneva il bilanciamento nella selezione naturale – i suoi contemporanei evitavano di discutere apertamente di sessualità, o qualunque argomentazione riguardo al libero mercato basato sulla persuasione e non sul valore. Avvocati dell anti-globalization movement, argomentano che il processo di mondializzazione di standard, finanza e marketing, sono già esempi di runaway evolution come argomentato da Ronald Fisher – rendendo il sistema appetibile al consumatore ma non efficiente nelluso di energie e materie prime. Biomimetica, argomentano, è una strategia per ristabilire lefficienza naturale. Biomimetismo è il secondo principio del Capitalismo naturale.



                                     

5.3. Usi specifici del termine Altri usi

Business biomimetics è lultimo sviluppo nelle applicazioni di biomimetica. Applica i principi e pratiche derivanti da sistemi biologici alle strategie aziendali, processi, organizzazioni e strategic thinking. È stato utilizzato con successo in industrie in FMCG, difesa, enti governativi, packaging e servizi. Basato sul lavoro di Phil Richardson dellUniversità di Bath lapproccio fu lanciato alla Camera dei lord nel maggio 2009. Più specificatamente, è una creativity techniques che prova a usare la natura per avere idee in soluzioni ingegneristiche. Questo approccio è motivato dal fatto che i sistemi biologici sono stati ottimizzati nel tempo dallevoluzione. In chimica, una sintesi biomimetica è una sintesi chimica ispirata da processi biochimici. Un altro più recente significato si riferisce allunione di organismi con macchine, sistemi ibridi combinazioni di biologia e ingegneria, che possono essere definiti come organismi cibernetici cyborg. Il lavoro di Kevin Warwick, sperimentazione di un impianto che trasmette ultrasuoni via sistema nervoso, ne è una dimostrazione.

                                     

6. Studi universitari

LUniversità di Pisa propone nella sua offerta formativa il corso di laurea in Ingegneria bionica, in collaborazione con la Scuola Universitaria Superiore SantAnna.

Il corso é a numero chiuso e prevede un numero limitato di partecipanti 30. Le materie principalmente studiate sono: biomeccanica, materiali soft ed intelligenti, sensoristica per sistemi bionici, robotica per il vivere assistito, ecc.