به گزارش رصدخانه ملی علم و فناوری انسان برای ابداعات و اختراعات خود همواره از محیط پیرامونش الهام گرفته است. در این مبحث به معرفی علم بیونیک می پردازیم که بر اساس الهام و اقتباس از سیستم های زنده بنا گردیده است. اگر مسیر فناوری های موجود را به دقت بررسی کنیم، پی می‌بریم که ریشه غالب این فناوری ها، یک الگوی کاملا طبیعی است که از سیستم های زنده و طبیعی الهام گرفته است. در علم بیونیک به منظور طراحی سیستم هاى جدید، مدل هایی کاملا زنده و طبیعی بررسى مى گردند. بنابراین مى توان گفت بیونیک هنر به کارگیری دانش خدادادی در سیستم های زنده و طبیعی به منظور یافتن راه های جدید در ابداعات و حل مشکلات علمی و فنی است. به عبارتی موضوع اصلی این علم، اقتباس و الگوبرداری از ارتباطات گوناگون و دانش به کاررفته در عالم جانداران و سیستم های زنده و طبیعی است. در علم بیونیک، با تحقیق و مطالعه در سیستم‌های زیستی و طبیعی موجود در طبیعت، برای طراحی سیستم‌های مصنوعی بهره برداری و اقتباس می گردد. به خاطر مشکلات روزافزون ناشی از تکنولوژی های پرخطر (که در مبحث پیشین به پاره ای از آنها اشاره گردید)، و به علت ویژگی های ممتاز علم بیونیک در فناوری های جدید، این علم بیش از پیش در حال توسعه است.

هر چند واژه بیونیک در سال 1959توسط جک ای. استیل به کار برده شد، اما پیشینه استفاده از این ایده به قدمت تاریخ بشری برمی گردد، چراکه از ایان قدیم تقليد از طبيعت یکی از آرزوهای بشر بوده است. در طول قرن‌ها ماشين‌هايي از روي موجودات زنده مدل‌سازي شده اند. برای مثال انسان رویای پرواز را با مشاهده و الهام از ساختار پرندگان عملی کرد.

تكامل تدريجی در طبيعت، اساس و پایه مفهوم علم بيونيك است. سیستم های طبیعی محصول میلیون ها سال تکامل هستند. بنابراین در این فاصله زمانى، هرآن چه با اهداف طبیعت سازگارى نداشته از بین رفته و سیستم های طبیعی، به گونه ای بهينه‌سازی شده اند که در هماهنگی کامل با يكديگر هستند. بنابراین، در طراحی یک ایده جدید، همیشه اقتباس از الگوهای طبیعی با هزینه های کمتری همراه بوده است.

عاری بودن طبیعت از خطاهایی که غالبا در دانش بشری یافت می شود، بشر را بیش از پیش به اقتباس و الگوبرداری از الگوهای طبیعی و سیستم های سازگار با آن سوق می دهد.

واژه بیونیک "Bionic" ریشه در کلمه یونانی "βίον" دارد که به معنای واحد زندگی است. پسوند "ic" به معنی همانند است. بنابراین بيونيك در لغت به معنای شبیه زندگی است که البته در متون علمی از آن به زیستار‌‌‌‌شناسی تعبیر گردیده است. بيونيك با نام‌های دیگری نیز شناخته شده است. نام‌هایی چون:

Biomimetics, Biomimicry, Biognosis, Bionical Creativity Engineering

ازآن میان، بیومیمیکس را می توان نام برد که به معنای تقلید از طبیعت است و درآن بیشتر به استفاده از مکانیزم های رایج در طبیعت در ساختار محصولات تاکید شده است. اما واژه بیونیک بیشتر گویای ارتباط بین طبیعت و طراحی محصول است.

تا پیش از این در علم بیونیک، ماشین‌هایی که براساس مدل های زنده طراحی گردیده بودند بررسی می گردید. اما امروزه با توسعه در مفهوم بیونیک، هرگونه اقتباس از سیستم‌های زنده و به کارگیری دانش به کار رفته در این سیستم ها در حل مسائل فنی، در حوزه علم بیونیک تلقی می گردد.

به عنوان مثال، می توان از ساخت نسل جدیدی رایانه ها با اقتباس از مغز و فکر انسان و ساخت هواپیماهاى مدرن و سریع با اقتباس از بال پرستو نام برد که نمونه هاى بارزى از کاربرد علم بیونیک در فناورى هاى جدید می باشد. زمینه های جدید مطالعاتی در سلول‌ها و شبکه‌های عصبی مصنوعی، هوش محاسباتی و جمعی، همگی در حوزه مطالعات بیونیک در علوم کامپیوتر قرار دارند. مثال هایی از کاربرد علم بیونیک در فناورى هاى جدید بسیار زیاد است که در ادامه به نمونه هایی از آن در حوزه های مختلف علمی اشاره خواهد گردید.

مثال‌هایی از بيونيك در علوم مختلف

● طراحي هواپيما و كشتي با الهام از ساختارهاي زيستي پرندگان و ماهي‌ها

از دیرباز پرواز پرندگان الهام بخش طرح های بی شماری از ماشین پرنده بوده است. لئوناردو داوینچی در سال 1505 بر اساس ساختمان خفاش طرحی از یک ماشین پرنده ترسیم کرد. ۳۰۰ سال بعد از این طرح، ماشین پرنده با الهام از بال خفاش ساخته شد و در سال ۱۸۹۰ تا ارتفاع ۱۵ مترى پروازکرد.

در سال 2004 نیز دانشمندان دانشگاه پن استیت موفق به ساخت بال هایی در هواپیما شدند که می‌توانند بر طبق سرعت و زمان پرواز تغییر شکل دهند. در طراحی این بال‌ها که بر اساس سرعت پرواز شکل‌های مختلفی به‌خود می‌گیرند، از گونه‌های مختلفی از پرندگان الهام گرفته شده است. طرح پوشش بال‌های هواپیما از پولک‌های ماهی اقتباس گردیده بود که می‌توانستند کنار هم بلغزند.

● طراحي زیردریایی ها با الهام از بدن دلفین

از آنجا که دلفین با نیروى عضلانى کم مى تواند به سرعت درآب حرکت کند، در ساخت زیردریایی ها از ساختار پوست دو لایه ى بدن آنها کمک گرفته شده است. پوست بیرونى قابل ارتجاع بوده و پوست درونى مانند یک ماده اسفنجى است. فشار جریان پرتلاطم بیرونی از طریق پوست قابل ارتجاع بیرونى به لایه اسفنجى و تراکم پذیر درونى منتقل مى گردد. در نتیجه اثر جریان متراکم کم رنگ می گردد. با الهام از این مکانیسم در پوست دولایه دلفین ها، زیردریایى هایی طراحى گردیدند که با یک موتور حرکت سریعی دارند. هم چنین لباسی برای غواصان طراحی گردیده است که اصطکاک بدن غواص و آب را به حداقل می رساند.

● طراحي خودروي بيونيک با الهام از شکل ماهي جعبه ای

با الهام از شکل ماهي جعبه ای (نوعي ماهي کوچک در اقيانوس هاي گرمسيري)، شرکت مرسدس بنز نیز اقدام به طراحي خودرويي نموده است. اين ماهي ناگزير است با مصرف کم ترين مقدار انرژي حرکت کند که مستلزم داشتن عضلات قوی و ظاهري خطي است. ظاهر خطي طراحي در این ماهی، کمترين ميزان مقاومت در برابر جريان هوا يا مايع سيال را ایجاد می کند. بدنه خارجي سخت و محکم در اين ماهي، باعث می گردد که ماهی فشار زيادي را تحمل کند و از بدنش در طي ضربات و تصادفات محافظت نمايد. بدن ماهي جعبه ای از تعداد زيادي صفحات استخواني چندوجهي تشکيل شده است که در نتیجه هم پوشاني آنها، زره انعطاف ناپذيري تشکیل گردیده است. در نتیجه، اين ساختار استخواني به پيکر ماهي استحکام زیادی می بخشد که باعث حفاظت از ضربات و افزایش سرعت در ماهي حتي در جريان هاي متلاطم است. ماهي با اين ساختار نياز بسيار کمي به حرکت باله ها پيدا مي کند و در انرژي خود صرفه جويي مي نمايد. اين خودرو به دليل سبکي و مصرف سوخت 4.3 ليتر در 100 کيلومتر، با کاربري بالا و دوستدار طبيعت است.

 


● الهام از گوش خفاش ها برای ساخت روبات های خودکار پرنده

محققان با بررسی تنوع گوش ها در میان خفاش ها در تلاشند با الهام گرفتن از این اندام فناوری های جدید صوتی و روباتهای هوشمند پرنده بسازند. خفاش ها از حشراتی که در میان مزارع، دشتها و جنگل ها با سرعتی بالا پرواز می کنند تصاویری سه بعدی و صوتی خلق می کنند. اکنون مهندسان زیستی در اولین قدم از طراحی و ساخت روبات های پرنده با عملکردی مشابه خفاش ها، مدل رایانه ای 100 نوع مختلف از گوش خفاش ها را در کنار یکدیگر قرار داده اند تا دریابند شکل گوش این جانداران چگونه می تواند در ارسال و دریافت پالس های صوتی که آنها را از ساختار محیط اطرافشان آگاه می کند، تاثیرگذار باشد.

محققان معتقدند سیستم صوتی ظریف و دقیقی که خفاش ها از آن استفاده می کنند، می تواند در شناسایی و آگاهی از حمله آفت ها به مزارع و یا نزدیک شدن دسته ای از زنبورهای خشمگین کاربرد داشته باشد. چنین کاربردهایی به سیستم های راداری و صوتی بسیار حساس تری نسبت به آنچه امروز در اختیار بشر است، نیاز خواهد داشت. به گفته محققان در صورتی که قرار باشد روزی روباتی خودکار و پرنده به منظور حضور در ماموریت های شبانه در میان جنگل ها ساخته شود، باید قطعاتی گوش مانند بر روی سر آنها تعبیه شود. از این رو محققان این مطالعه را اولین قدم در مسیر طراحی و ساخت چنین روبات هایی می دانند.

● تولید برق از زنبور

بدن زنبورهای سرخ آسیایی مانند نیروگاه های تولید برق خورشیدی عمل می کند. پوست زنبورهای سرخ آسیایی، رنگدانه های تولید کننده برق دارد. زنبورهای سرخ نوعی سلول های خورشیدی داخلی دارند که از نور آفتاب، الکتریسیته استخراج می کند. رنگدانه های موجود در پوست این حشرات به دلیل قابلیت ویژه ای که دارد نور خورشید را به انرژی تبدیل می کند. این کشف علمی به دنبال مشاهده فعالیت زنبورها در زمان تابش شدید نور آفتاب روی داد، چرا که زنبورها در این زمان بیشترین فعالیت را انجام می دهند. محققان در حال حاضر بر روی اسکلت خارجی زنبورها مطالعه می کنند تا دریابند این الکتریسیته به چه شکل تولید می شود.

● ساخت شب‌نماها از مطالعه‌ سازوكار چشم‌های گربه توسط پرسی شاو در سال 1935 صورت گرفت. وی دریافت که یک سری سلول‌های بازتابنده در چشمان گربه‌ها موجود است که قادر به انعکاس کوچک‌ترین ذره نور می باشد.

● جولين وينسنت درو توانست لباسی هوشمند را با مطالعه‌ی مخروط میوه‌ کاج طراحی كند. این لباس خود را با دما وفق داده و تغییر اندازه می‌دهد. مخروط کاج به رطوبت بالا به‌صورت باز کردن پوسته واکنش نشان می‌دهد. پارچه‌ی هوشمند نیز به همان صورت وقتی پوشش گرم و عرقی می‌شود باز گشته و وقتی سرد می‌شود تنگ و بسته می‌گردد.

● در ساخت نوعی هلیکوپتر، از میوه فندق بالدار درخت افرا الگو برداری شده است. میوه در درخت افرا به صورت دوتایی با دو بال متقابل هم وجود دارد که پس از جدا شدن از گیاه، مثل حرکت دو پره متقابل بالای هلیکوپتر در هوا می چرخد. این پدیده ذهن دانشمندان را به ساختن وسیله ای معطوف نمود که بتواند به همین سان عمل کند که سرانجام اساس ساختمان نوعی هلیکوپتر را فراهم ساخت.

● مکانیسم حس مادون قرمز در مار زنگی بسیار حساس است، به طوری که در برابر یک هزارم تغییر درجه در دمای بیرون واکنش نشان می دهد. در پوست آدمی حسگرهای گرما فقط می توانند به یک دهم تغییر درجه دما پاسخ دهند. در یک سانتی متر مربع پوست کف دست انسان 3 عدد گیرنده حساس به گرما وجود دارد در حالی که در همین اندازه سطح در قسمت سر مار زنگی 150000عدد گیرنده حساس به گرما وجود دارد. اما انسان ها با استفاده از این مکانیسم طبیعی مکانیسم حسی مادون قرمزی ساخته اند که حساسیت آن صد هزار بار بیشتر از مادون قرمز مار زنگی است و از آن در جنگ جهانی دوم توسط آلمانی ها در تیر اندازی به هنگام تاریکی شب استفاده می شده است.

● بعضی از حیوانات چند ساعت پیش از وقوع زلزله شروع به بی تابی می کنند. به عنوان مثال، گربه ماهی ها توسط گیرنده های حسی بسیار قوی در برابر تغییرات بسیار جزئی میدان الکتریکی پیرامونشان واکنش نشان می دهند. امروزه دانشمندان جهان به ویژه دانشمندان ژاپنی در حال ساخت دستگاه های پیش بینی کننده زلزله هستند.

در پایان مجددا روی این نکته تاکید می گردد که با توجه به چالش های جدید پیش روی انسان که به وسیله فناوری های موجود ایجاد گردیده، الهام از طبیعت برای حل مشکلات طراحی محصولات جدید، نیازی جدی و اجتناب ناپذیر است.

محمد هادی قاسمی

منابع :

1- http://en.wikipedia.org/wiki/Bionics

2- http://www.roshd.ir/

3- http://www.mehrnews.com/fa/

4- http://www.bionic.blogfa.com/