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Bionica

termine

La bionica (conosciuta anche come biomimetica, mimetica biologica) è l'applicazione 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 dell'ingegneria biomedica che applica la cibernetica alla riproduzione di funzioni degli organismi viventi descritte dalla fisiologia, soprattutto dalla neurofisiologia e dell'elettrofisiologia, per esempio per la creazione di organi artificiali facenti parte del sistema nervoso o da esso controllati.

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

Descrizione modifica

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.

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.

Galleria d'immagini modifica

Un robot (ultimo video) imita una Periplaneta americana (primo video) e un Hemidactylus platyurus (secondo video).

Storia modifica

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 L'uomo da sei milioni di dollari. Caidin fu giornalista di aviazione industriale, prima di diventare sceneggiatore.

Metodi modifica

 
Il velcro fu ispirato dai piccoli ganci presenti sulla superficie di semi bur

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.

Esempi modifica

  • 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.[senza fonte]
  • 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'ingegneria.
  • La resilina è un materiale gommoso creato studiando gli artropodi.
  • Julian Vincent disegnò nel 2004, dallo studio delle pigne, abiti adattantisi ai cambiamenti di temperatura.
  • Morphing aircraft wings, che cambiano forma in funzione della velocità, furono ideati nel 2004 da studiosi della Pennsylvania State University.
 
Render di una foglia di loto al microscopio

Usi specifici del termine modifica

Medicina modifica

Bionica è un termine che si riferisce a concetti dalla biologia all'ingegneria 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 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 dell'Università 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 l'azienda scozzese Touch Bionics lanciò la prima mano bionica, "i-Limb Hand". A maggio 2010, 1.200 pazienti hanno ricevuto questa protesi[11].

Politica modifica

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 sé un modello povero di mimetismo e manufacturing complexity o conflitto, 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.

Altri usi modifica

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. È stato utilizzato con successo in industrie in FMCG, difesa, enti governativi, packaging e servizi. Basato sul lavoro di Phil Richardson dell'Università di Bath[12] l'approccio 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 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 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.

Studi universitari modifica

L'Università di Pisa propone nella sua offerta formativa il corso di laurea in Ingegneria bionica, in collaborazione con la Scuola Universitaria Superiore Sant'Anna.

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...

Note modifica

  1. ^ (EN) Sto Lotusan — Biomimicry Paint. TreeHugger. Retrieved on 2011-04-23.
  2. ^ (EN) RFID Through Water and on Metal with 99.9% Reliability (Episode 015) Archiviato il 25 febbraio 2015 in Internet Archive., RFID Radio
  3. ^ (EN) Nanosensors inspired by butterfly wings (Wired UK) Archiviato il 17 ottobre 2010 in Internet Archive.. Wired.co.uk. Retrieved on 2011-04-23.
  4. ^ (EN) Clark, O. G., Kok, R., & Lacroix, R., Mind and autonomy in engineered biosystems (PDF), in Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 12, n. 3, 1999, pp. 389–399, DOI:10.1016/S0952-1976(99)00010-X (archiviato dall'url originale il 18 agosto 2011).
  5. ^ (EN) Howard T. Odum, Ecological and general systems: an introduction to systems ecology, University Press of Colorado, 15 maggio 1994, ISBN 978-0-87081-320-7. URL consultato il 23 aprile 2011.
  6. ^ (EN) John J. Videler, Avian Flight, Oxford University Press, ottobre 2006, ISBN 978-0-19-929992-8. URL consultato il 23 aprile 2011.
  7. ^ (EN) J. J. Videler, EJ Stamhuis e GD Povel, Leading-Edge Vortex Lifts Swifts, in Science, vol. 306, n. 5703, 2004, pp. 1960–1962, DOI:10.1126/science.1104682, PMID 15591209.
  8. ^ (EN) Bret Tobalske's Hummingbird-research
  9. ^ (EN) How Do Flies Turn? Archiviato il 16 dicembre 2009 in Internet Archive.. Journalism.berkeley.edu. Retrieved on 2011-04-23.
  10. ^ (EN) Design inspired by nature Archiviato il 21 settembre 2009 in Internet Archive., ESA
  11. ^ (EN) Bionic hand that uses wireless technology unveiled, Mail Online, 6 May 2010
  12. ^ (EN) Department of Mechanical Engineering, University of Bath Archiviato il 17 agosto 2009 in Internet Archive.. Bath.ac.uk (2009-02-21). Retrieved on 2011-04-23.

Bibliografia modifica

Voci correlate modifica

Altri progetti modifica

Collegamenti esterni modifica

Controllo di autoritàThesaurus BNCF 17169 · LCCN (EN) sh85014250 · BNF (FR) cb119665169 (data) · J9U (EN, HE) 987007282395305171 · NDL (EN, JA) 00560470
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