Bionica- Scienza all’intersezione tra biologia, ingegneria ed elettronica

Il 4 novembre Zac Vawter ha salito a piedi le scale che conducono alla sommità dei 103 piani della Willis Tower di Chicago. Se l'impresa si salire a piedi il più alto grattacielo dell'emisfero occidentale non fosse sufficiente a colpire l'immaginazione, si aggiunga il dettaglio che Vawter ha perso una gamba in un incidente motociclistico e che ha compiuto la sua impresa usando la prima gamba bionica controllata col pensiero.

Il 4 novembre 2012 Zac Vawter ha salito a piedi le scale che conducono alla sommità dei 103 piani della Willis Tower di Chicago,  il più alto grattacielo dell’emisfero occidentale . Vawter ha perso una gamba in un incidente motociclistico e che ha compiuto la sua impresa usando la prima gamba bionica controllata col pensiero.

La bionica [Der. dell’ingl. bionics, comp. di bio- (logy) “biologia” e (electro)nics “elettronica”] è una scienza di recente formazione, affine alla cibernetica, che studia le analogie strutturali e funzionali intercorrenti fra organismi viventi, in particolare cellule, e dispositivi elettronici, soprattutto allo scopo di ottenere informazioni per realizzare dispositivi che attuino, nel campo tecnico e industriale, funzioni proprie di organismi viventi.

Questa scienza studia le funzioni sensorie e motorie degli organismi viventi, allo scopo di riprodurle o potenziarle con dispositivi di vario tipo. In essa convergono numerose discipline: oltre alla biologia e all’elettronica, la chimica, la matematica, la fisica e l’ingegneria. La bionica studia in particolare le caratteristiche con le quali l’evoluzione biologica ha superato problemi di natura tecnica e funzionale e le problematiche della percezione artificiale e della coordinazione senso-motoria. Si propone quindi come modellistica della realtà e simulazione delle abilità naturali con sensori ed effettori meccanici, elettrici, elettronici e chimici, capaci di ricevere gli stimoli e le sollecitazioni e di rispondere adeguatamente. Il procedimento tipico per lo studio bionico di un processo biologico consiste nella descrizione (analisi) del processo, nella traduzione della descrizione biologica in uno schema fisico-matematico, nella realizzazione concreta (sintesi) di tale schema con un dispositivo elettronico, costituente il modello analogico del processo in esame.

 I principali campi di ricerca della b. vertono attualmente sugli organi di senso, sulle protesi, sui neuroni artificiali. Gli organi di senso bionici sono trasduttori di vario tipo (meccanoelettrici, termoelettrici, fotoelettrici, ecc.) atti a simulare gli organi che nei viventi servono a rilevare stimoli esterni, convertendo in energia elettrochimica l’energia meccanica, acustica, luminosa, ecc. degli stimoli in questione (per es., impianti cocleari che ripristinano la funzione uditiva compromessa). I progressi maggiori sono stati attuati nel campo delle protesi: grazie a processori che raccolgono gli impulsi nervosi provenienti dal cervello, sono stati realizzati arti artificiali, come per es. una mano bionica, in grado di muoversi con grande precisione grazie agli impulsi captati nei muscoli dell’avambraccio. I neuroni artificiali sono dispositivi che attuano le funzioni fondamentali delle cellule nervose, relative al riconoscimento e alla trasmissione degli impulsi provenienti dagli organi di senso, e consentono di elaborare reti neurali artificiali, che trovano applicazione, per es., nella formulazione di modelli nelle neuroscienze.

La bionica (conosciuta anche come biomimetica, mimetica biologica, biognosi, e vicina all’ ingegneria creativistica bionica) è l’applicazione di metodi e sistemi biologici trovati in natura nello studio e nel design di sistemi ingegneristici e della moderna tecnologia. Nella bionica sono inclusi altresì alcuni sviluppi della neurofisiologia e dell’elettrofisiologia.

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

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 “biologia” e “elettronica“.

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 dall’accumulo e riutilizzo dei dati, dalla correlazione di numerosi dati provenienti da numerosi sensori e dai processi di trasferimento utilizzati.
Queste due fondamenta forniscono l’ispirazione 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 l’ingegneria sintetizzano quanto sopra sì da costruire un modello riproducente la funzione d’interesse.

Si definisce “copia omologica” quel sistema bionico in cui viene riprodotto artificialmente l’esatto 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.

Altre 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 dell’informazione (in quanto, come già detto in B viene sviluppato lo studio del trasferimento dei dati) nonché, più in generale, l’informatica la quale da una parte potrebbe prendere a prestito concetti sviluppati in bionica e dall’altra l’aiuta, mediante l’uso di simulatori, permettendo l’affinamento dei modelli prima della produzione dei prototipi.

Il nome biomimetica fu coniato daOtto 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 inspirò la serie L’uomo da sei milioni di dollari. Caidin fu giornalista di aviazione industriale, prima di diventare sceneggiatore.

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 nell’intelligenza, mentre l’intelligenza artificiale tenta di modellare le funzioni d’intelligenza 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 l’ingegneria 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:

  • Mimetismo naturale come metodo di costruzione
  • Imitazione dei meccanismi trovati in natura (velcro)
  • 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.
  • Il velcro è l’esempio più noto di biomimetica. Nel 1948, l’ingegnere svizzero Georges de Mestral pulendo il suo cane dai semi volanti, capì il modo in cui gli stessi si attaccavano al pelo.
  • La lama a dente di sega, a forma di corno, usata dai boscaioli dal XIX secolo per tagliare alberi, fu ideata dopo l’osservazione di maggiolini mangiatori di legno. Rivoluzionò l’industria del settore, data la sua velocità di taglio.
  • Il riflettore a occhio di gatto (Cat’s 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.
  • Leonardo da Vinci con le sue macchine, imitò la natura con l’ingegenria.
  • La Resilina è un materiale gommoso creato studiando gli artropodi.
  • Julian Vincent disegnò, dallo studio delle pigne, nel 2004 abiti adattanti ai cambiamenti di temperatura.
  • Morphing aircraft wings che cambiano forma in funzione della velocità furono ideati nel 2004 da studiosi della Penn State University.

Render di una foglia di loto al microscopio

  • Alcune vernici e tegole sono state disegnate per essere autopulenti imitando il Nelumbo.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Le ali di farfalla hanno anche ispirato l’ideazione di nanosensori per rilevare esplosivi.
  • Neuromorfici chips come retina o coclea, sono ideati studiando la rete neurale naturale. S.a.: connettività.
  • Tecnoecosistemi o EcoCyborg imitano le funzioni naturali ecologiche implementandole nell’ingegneria. Sistemi ibridi autoregolamentanti vengono creati. Ricerche in questo ambito furono fatte da Howard T. Odum, che capì la struttura e l’emergia dinamica di ecosistemi, facendo analogie con lo scambio di energia tra componenti di un circuito elettrico.
  • Adesivi medicali sono ispirati dalle zampe di gecko.
  • Computer virus sono assimilabili a quelli naturali nel modo di diffondersi e autoriprodursi.
  • Il sistema di raffreddamento dell’ Eastgate Centre building a Harare è stato ideato sulla base dei cunicoli delle termiti.
  • 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. John Videler e Eize Stamhuis 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).

Bionica è un termine che si riferisce a concetti dalla biologia all’ingegneria e vice versa. 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 meccaniche. 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 dall’evoluzione. Un esempio reale è l’impianto 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 della University of Pennsylvania. Durante gli otto anni al Penn, svilupò una retina in silicone che processava le immagini come quella naturale. Confermò i risultati comparando i segnali elettrici su occhi di salamandra. Nel 2007 l’azienda scozzese Touch Bionics lanciò la prima mano bionica, “i-Limb Hand”. A maggio 2010, 1.200 pazienti hanno ricevuto questa protesi. La “Nichi-In” sta lavorando alla rigenerazione tissutale, cellule staminali e medicina rigenerativa.

Una forma in politologia della biomimetica è il bioregionalismo, ove i confini politici si conformano a quelli naturali (ecoregioni) piuttosto che culturali dell’uomo o di conflitti. Critiche di questo approccio spesso argomentano che la selezione ecologica è di per se stessa un modello povero di mimetismo e manufacturing complexity o confltto, e che il libero mercato agisce per cooperazione consapevole, accordi, e standard più dell’efficienza – 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 nell’uso di energie e materie prime. Biomimetica, argomentano, è una strategia per ristabilire l’efficienza naturale. Biomimetismo è il secondo principio del Capitalismo naturale.

Business biomimetics è l’ultimo sviluppo nelle applicazioni di biomimetica. Applica i principi e pratiche derivanti da sistemi biologici alle strategie aziendali, processi, organizzazioni e strategic thinking. E’ stato utilizzato con successo in industrie in FMCG, difesa, enti governativi, packaging e servizi. Basato sul lavoro di Phil Richardson della University of Bath l’approcio fu lanciato alla House of Lords 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 dall’evoluzione. In chimica, una sintesi biomimetica è una sintesi chimica ispirata da processi biochimici. Un altro più recente significato si riferisce all’unione di organismi con macchine. Sistemi ibridi combinazione 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.

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Categorie:H02- Biotecnologie - Biotechnology

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