Biónica

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La biónica o ingeniería de inspiración biológica es la aplicación de métodos y sistemas biológicos encontrados 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 en la década de 1970 con las series de televisión estadounidenses The Six Million Dollar Man y The Bionic Woman , ambas basadas en la novela Cyborg de Martin Caidin . Las tres historias presentan humanos a los que se les otorgan varios poderes sobrehumanos mediante 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 generalmente obliga a los organismos vivos (fauna y flora) a optimizarse y volverse eficientes. Por ejemplo, la pintura (recubrimiento) que repele la suciedad y el agua se inspiró en las propiedades hidrofóbicas de la planta de la flor de loto (el efecto loto ). ^[3]

El término " biomimético " se prefiere para referencias a reacciones químicas, tales como reacciones 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 producido neuronas artificiales , redes neuronales artificiales [ ^5] 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 la biología y la tecnología en términos de los mecanismos utilizados". ^{[6] [ aclaración necesaria ]}

El nombre "biomimética" fue acuñado por Otto Schmitt en la década de 1950. El término "biónica" fue introducido más tarde por Jack E. Steele en agosto de 1958 mientras trabajaba en la Aeronautics Division House en la Base Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio . ^[7] Sin embargo, se prefieren términos como biomimetismo 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 en la película de televisión y la serie posterior The Six Million Dollar Man . Caidin fue un escritor de la industria de la aviación durante mucho tiempo antes de dedicarse a la ficción a tiempo completo.

El estudio de la biónica suele poner el énfasis en la implementación de una función presente 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 particular en que pueda lograrse.

La copia consciente de ejemplos y mecanismos de organismos y ecologías 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. Los defensores argumentan que la presión selectiva que se ejerce sobre todas las formas de vida naturales minimiza y elimina los fallos.

Aunque podría decirse que casi toda la ingeniería es una forma de biomimetismo , los orígenes modernos de este campo suelen atribuirse a Buckminster Fuller y su posterior codificación como casa o campo de estudio a Janine Benyus .

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

• Imitando métodos naturales de fabricación.
• Imitando mecanismos que se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, el velcro )
• Estudiar los principios organizativos del comportamiento social de los organismos , como el comportamiento de bandada de aves, la optimización de la búsqueda de alimento de las hormigas y las abejas , y el comportamiento basado en la inteligencia de enjambre (SI) de un banco de peces .

• En robótica , se utilizan la biónica y la biomimética para aplicar la forma de moverse de 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 aferraban al pelaje.
• El diseño en forma de cuerno y dientes de sierra de las cuchillas de los leñadores que se usaban a principios del siglo XIX para talar árboles, cuando todavía se hacía a mano, se inspiró en las observaciones de un escarabajo que cavaba madera . Las cuchillas eran significativamente más eficientes y, por lo tanto, 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 los gatos. Había descubierto que los gatos tenían un sistema de células reflectoras, conocido como tapetum lucidum , que era capaz de reflejar la más mínima cantidad de luz.
• Las máquinas voladoras y los barcos de Leonardo da Vinci son ejemplos tempranos de la utilización de la naturaleza en la ingeniería.
• La resilina es un sustituto del caucho que se ha creado estudiando el material que también se encuentra en los artrópodos.
• Julian Vincent se inspiró en el estudio de las piñas de pino cuando en 2004 desarrolló una ropa "inteligente" que se adapta a los cambios de temperatura. "Quería un sistema inerte que respondiera a los cambios de humedad cambiando de forma", dijo. "Hay varios sistemas de este tipo en las plantas, pero la mayoría son muy pequeños; la piña de pino es la más grande y, por lo tanto, la más fácil de trabajar". Las piñas de pino responden a una mayor humedad abriendo sus escamas (para dispersar sus semillas). El tejido "inteligente" hace lo mismo, abriéndose cuando el usuario tiene calor y transpira y cerrándose herméticamente cuando hace frío.
• En 2004, científicos biomiméticos de la Universidad Estatal de Pensilvania diseñaron unas "alas de avión que cambian de forma" según la velocidad y la duración del vuelo . Las alas que cambian de forma se inspiraron en diferentes especies de aves que tienen alas de forma diferente según la velocidad a la que vuelan. Para cambiar la forma y la estructura subyacente de las alas del avión, los investigadores necesitaban que la piel que las recubre también pudiera cambiar, lo que hicieron cubriendo las alas con escamas inspiradas en los peces que podían deslizarse unas sobre otras. En algunos aspectos, esto es un refinamiento del diseño de alas oscilantes .

• Algunas pinturas y tejas han sido diseñadas para que se autolimpien copiando el mecanismo del loto Nelumbo . ^[8]
• Los cristales líquidos colestéricos (CLC) son el material de película delgada que se utiliza a menudo para fabricar termómetros para peceras o anillos de humor que cambian de color con los cambios de temperatura. Cambian de color porque sus moléculas están dispuestas en una disposición 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 diminutas longitudes 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 y Ciencias de la Computación 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 del ala de la mariposa morfo azul y se imitó la forma en que refleja la luz para crear una etiqueta RFID que se puede leer a través del agua y en 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 modelado a partir de redes neuronales reales .
• Los ecosistemas tecnológicos o sistemas "eco-cíborg" 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 utilizan pegamento y diminutos nanopelos basándose en las estructuras físicas encontradas en las patas de los geckos.
• Los virus informáticos también muestran similitudes con los virus biológicos, atacando la información orientada al programa con el objetivo de auto-reproducirse y difundirse.
• El sistema de refrigeración del edificio del Centro Eastgate en Harare se diseñó siguiendo el modelo de un termitero para lograr una refrigeración pasiva muy eficiente.
• Adhesivo que permite que los mejillones se adhieran a rocas, muelles y cascos de barcos inspirado en el gel bioadhesivo para los vasos sanguíneos . ^[15]
• El campo de la biónica ha inspirado nuevos diseños de aeronaves que ofrecen una 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] John Videler y Eize Stamhuis también hicieron declaraciones similares en su libro Avian Flight, ^[17] y en el artículo que presentan en Science sobre los LEV. ^[18] Esta investigación en biónica también se puede utilizar para crear helicópteros más eficientes o vehículos aéreos no tripulados en miniatura , como afirma Bret Tobalske en un artículo en Science sobre los colibríes . ^[19] La UC Berkeley y la ESA han estado trabajando en una dirección similar y han creado el Robofly ^[20] (un vehículo aéreo no tripulado en miniatura) y el Entomopter (un vehículo aéreo no tripulado que puede caminar, arrastrarse y volar). ^[21]
• Un dispositivo mecánico de inspiración biológica puede generar plasma en el agua mediante cavitación utilizando la pinza de un camarón con una morfología precisa. Esto fue descrito en detalle por Xin Tang y David Staack en un artículo publicado en Science Advances . ^[22]

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

En medicina, la biónica significa la sustitución o mejora de órganos u otras partes del cuerpo por versiones mecánicas. Los implantes biónicos se diferencian de las simples prótesis porque imitan muy de cerca la función original o incluso la superan.

El equivalente alemán de la biónica, Bionik , siempre se adhiere al sentido más amplio, en el sentido de que intenta desarrollar soluciones de ingeniería a partir de modelos biológicos. Este enfoque está motivado por el hecho de que las soluciones biológicas generalmente serán optimizadas por fuerzas evolutivas .

Aunque las tecnologías que hacen posibles los implantes biónicos se están desarrollando gradualmente, ya existen algunos dispositivos biónicos que han dado buenos resultados, siendo uno de ellos muy conocido el implante coclear multicanal (oído biónico) de invención australiana, un dispositivo para personas sordas . Desde el oído biónico, han surgido muchos dispositivos biónicos y se está avanzando en el trabajo sobre soluciones biónicas para otros trastornos sensoriales (por ejemplo, la visión y el equilibrio). La investigación biónica ha proporcionado recientemente tratamientos para problemas médicos como afecciones neurológicas y psiquiátricas, por ejemplo, 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 manipular sistemas protésicos de mano de una manera más natural. ^[24]

En 2004 se desarrollaron corazones artificiales completamente funcionales. Se espera un progreso significativo con la llegada de la nanotecnología . Un ejemplo bien conocido de un 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 podía 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: "Los cirujanos de Manchester han realizado 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, tiene degeneración macular seca relacionada con la edad que ha llevado a la pérdida total de su visión central. Está usando 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 una pantalla de ordenador utilizando el 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 como resultado de la rara enfermedad ocular degenerativa hereditaria retinitis pigmentosa . ^[25]

En 2016, Tilly Lockey (nacida el 7 de octubre de 2005) recibió un par de "brazos de héroe" biónicos fabricados por OpenBionics , una empresa de biónica del Reino Unido. El brazo de héroe es una prótesis mioeléctrica ligera para adultos y niños de ocho años o más con amputación por debajo del codo. Tilly Lockey, a quien a los 15 meses le amputaron ambos brazos después de que le diagnosticaran sepsis meningocócica cepa B, describe los brazos de héroe como "realmente realistas, hasta el punto en que era bastante espeluznante lo realistas que eran". ^[26]

El 17 de febrero de 2020, Darren Fuller, un veterano militar, se convirtió en la primera persona en recibir un brazo biónico en el marco de un sistema de salud público. ^[27] Fuller perdió la parte inferior de su brazo derecho mientras cumplía condena en Afganistán durante un incidente que involucró municiones de mortero en 2008.

La biomimética empresarial es el último desarrollo en la aplicación de la biomimética. En concreto, aplica principios y prácticas de sistemas biológicos a la estrategia empresarial, los procesos, el diseño organizacional y el pensamiento estratégico. Se ha utilizado con éxito en una amplia gama de industrias, como los bienes de consumo masivo , la defensa, el gobierno central, el embalaje y los servicios empresariales. Basado en el trabajo de Phil Richardson en la Universidad de Bath ^[28], el enfoque se presentó 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 un organismo y una máquina. Este enfoque da como resultado un sistema híbrido que combina partes biológicas y de ingeniería, al que también se puede denominar organismo cibernético ( cyborg ). La realización práctica de esto se demostró en los experimentos de implantes de Kevin Warwick que generaron una entrada de ultrasonidos a través de su propio sistema nervioso.

• Biomimetismo: Innovación inspirada en la naturaleza . 1997. Janine Benyus .
• Biomimetismo para optimización, control y automatización , Springer-Verlag, Londres, 2005, Kevin M. Passino
• "Ideas robadas directamente de la naturaleza" ( Wired )
• 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
• Biónica: la naturaleza como modelo . 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH, Múnich, Umweltstiftung WWF Deutschland
• Lipov AN "En los orígenes de la biónica moderna. Formación biomorfológica en un entorno artificial" Polygnosis . No. 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 . No. 3. 2010. Parte 3. págs. 80–91.

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Biónica .

• Biónica 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 Biomimetismo
• Centro de Diseño de Inspiración Biológica
• Grupo de Diseño de Inspiración Biológica en el Laboratorio de Diseño e Inteligencia del Instituto Tecnológico de Georgia
• Centro de materiales y sistemas de materiales de inspiración biológica
• Desarrollo de productos de inspiración biológica en la Universidad de Maryland
• Instituto de Materiales de Inspiración Biológica
• Centro de investigación en robótica de inspiración biológica de la Universidad Case Western Reserve
• Instituto de materiales de inspiración biológica
• Ingeniería inspirada en la biología en la Universidad Aplicada de Kufstein, Austria Archivado el 20 de diciembre de 2018 en Wayback Machine.
• Laboratorio de ingeniería inspirada en la naturaleza en la Universidad Estatal de Pensilvania