파리는 박테리아를 퍼뜨리는 존재이기 때문에 모두가 파리를 싫어합니다. 그러나 파리의 날개(평형 막대라고도 함)는 "천연 항해자"이며 사람들은 이를 모방하여 "진동하는 자이로스코프"를 만들었습니다. 이러한 종류의 장비는 자동 운전을 구현하기 위해 로켓 및 고속 항공기에 사용되었습니다. 파리눈은 3000개 이상의 작은 눈으로 구성된 일종의 '겹눈'이다. 사람들은 이를 모방해 '파리눈 렌즈'를 만든다. "파리눈 렌즈"는 수백, 수천 개의 작은 렌즈가 가지런히 배열되어 구성되어 있으며, 한 번에 수천 장의 동일한 사진을 촬영할 수 있는 "파리눈 카메라"를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 종류의 카메라는 인쇄판 제작과 전자 컴퓨터의 작은 회로의 대규모 복제에 사용되어 작업 효율성과 품질을 크게 향상시킵니다. "파리의 눈 렌즈"는 다양한 용도로 사용되는 새로운 유형의 광학 부품입니다.

인간 생체 공학은 오랜 역사를 가지고 있습니다.

고대부터 자연은 인간의 다양한 기술 아이디어, 공학 원리 및 주요 발명의 원천이었습니다. 다양한 생물은 오랜 진화 과정을 거쳐 환경 변화에 적응하고 생존하고 발전해왔습니다. 노동은 인간을 창조한다. 인간은 곧은 몸과 일할 수 있는 손, 감정과 생각을 전달하는 언어를 통해 장기적인 생산 활동에서 신경계, 특히 뇌의 높은 발달을 촉진해 왔습니다. 그러므로 인간의 비교할 수 없는 능력과 지능은 생물학적 세계의 모든 집단을 훨씬 능가합니다. 인간은 자신의 독창성과 손재주를 이용해 노동을 통해 도구를 만들고, 이를 통해 자연 속에서 더 큰 자유를 얻는다. 인간의 지혜는 생물학적 세계를 관찰하고 이해하는 데 그치지 않고, 인간 고유의 사고와 설계 능력을 활용하여 생물을 모방하고 창의적인 노동을 통해 능력을 키워 나갑니다. 물고기는 물 속에서 자유롭게 드나드는 능력이 있어서 사람들은 물고기의 모양을 흉내내어 배를 만들고, 나무 노를 이용해 지느러미를 흉내낸다. 일찍이 다유시대부터 우리나라 고대 노동자들은 물고기가 꼬리를 흔들며 헤엄치며 물속을 도는 모습을 관찰하고, 배의 선미에 나무 노를 얹어 놓았다고 한다. 관찰과 모방, 연습을 거듭하면서 그는 점차 노와 방향타로 바뀌었고, 배의 힘을 키우며 배를 돌리는 방법을 터득했다. 이런 식으로 사람들은 거친 강에서도 배를 자유롭게 항해할 수 있습니다.

새는 날개를 펴고 자유롭게 공중을 날 수 있습니다. "Han Feizi"에 따르면 Lu Ban은 대나무와 나무로 새를 만들었고 "그것은 날아가서 3일 동안 머물렀다"고 합니다. 하지만 사람들은 새가 공중을 날 수 있도록 새의 날개를 모방하기를 희망합니다. 400여 년 전, 이탈리아의 레오나르도 다 빈치와 그의 조수들은 새를 주의 깊게 해부하고 새의 신체 구조를 연구하고 새의 비행을 주의 깊게 관찰했습니다. 세계 최초의 인공 비행 기계인 오니톱터를 설계하고 제작했습니다.

위의 발명과 생물학적 구조와 기능을 모방하려는 시도는 인간 생체공학의 선구자이자 생체공학의 싹이라 할 수 있다.

오랫동안 생물은 소리로 둘러싸인 자연 속에서 살아왔고, 소리를 이용해 먹이를 찾고, 적으로부터 탈출하고, 구혼하고 번식을 해왔다. 그러므로 소리는 생명체가 생존하는데 중요한 정보이다. 이탈리아인 Spallanzani는 박쥐가 완전한 어둠 속에서도 장애물을 피하고 날아다니는 곤충을 잡아먹으며 자유롭게 날 수 있다는 사실을 오래 전에 발견했습니다. 그러나 박쥐의 귀를 막으면 어둠 속에서는 움직일 수 없습니다. 이러한 사실에 직면하여 Palanzani는 사람들이 받아들이기 어려운 결론에 도달했습니다. 즉, 박쥐는 귀로 "볼" 수 있다는 것입니다. 1차 세계대전 이후 1920년에 하디는 박쥐가 내는 소리 신호의 주파수가 인간의 귀가 들을 수 있는 범위를 넘어선다고 믿었습니다. 그는 또한 박쥐의 표적 위치 확인 방법이 제1차 세계대전 당시 랑주뱅이 발명한 초음파 반향 위치 확인 방법과 동일하다고 제안했다. 불행하게도 Hardy의 팁은 눈에 띄지 않았고 엔지니어들은 박쥐가 "반향 위치 측정" 기술을 가지고 있다는 것을 믿기 어려웠습니다. 박쥐가 초음파를 방출하여 위치를 찾는다는 사실이 완전히 확인된 것은 1983년에 전자 측정 장비를 사용하면서부터였습니다. 그러나 이것은 더 이상 레이더와 소나의 초기 발명에 도움이 되지 않았습니다.

또 다른 예로 너무 늦게 찾아온 곤충 행동 연구를 들 수 있다. 레오나르도 다 빈치가 새의 비행을 연구하고 최초의 비행기를 만든 지 400년이 지난 후, 오랜 연습 끝에 1903년 마침내 비행기가 발명되면서 인류는 하늘을 나는 꿈을 실현하게 되었습니다.

지속적인 개선을 통해 30년이 지난 지금, 인간 항공기는 속도, 고도, 비행 거리 측면에서 새를 능가하며 인간의 지혜와 재능을 보여주었습니다. 그러나 더 빠르고 더 높게 비행하는 항공기를 계속 개발하면서 설계자들은 또 다른 문제에 직면했는데, 바로 공기 역학의 플러터 현상이었습니다. 비행기가 날 때 날개에 유해한 진동이 발생하고, 속도가 빨라질수록 날개의 퍼덕임이 강해지며, 심지어 날개가 부러져 비행기가 추락하는 일이 발생해 많은 시험 조종사가 사망했습니다. 항공기 설계자들은 유해한 플러터 현상을 제거하기 위해 많은 노력을 기울였으며, 이 문제에 대한 해결책을 찾는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 날개 앞쪽 가장자리에서 바로 멀리 배치된 가중치 장치는 유해한 진동을 제거합니다. 그러나 곤충은 이미 3억년 전부터 공중을 날고 있었고, 그들도 플러터의 피해에서 예외는 아니었습니다. 오랜 진화 끝에 곤충은 플러터를 방지하는 방법을 성공적으로 얻었습니다. 생물학자들이 잠자리 날개를 연구하던 중, 각 날개의 앞쪽 가장자리 위에 날개 눈 또는 날개 모반과 같은 어둡고 두꺼워진 각질 부위가 있음을 발견했습니다. 날개 눈을 제거하면 비행이 불규칙해질 것입니다. 실험에 따르면 잠자리 날개의 펄럭이는 피해를 제거하는 것은 날개 눈의 각질 조직이라는 것이 입증되었습니다. 이는 디자이너의 뛰어난 발명품과 매우 유사합니다. 디자이너가 먼저 곤충에게서 날개눈의 기능을 배우고, 플러터 해결에 도움이 되는 디자인 아이디어를 얻으면 장기적인 탐색과 인적 희생을 피할 수 있다. 잠자리 날개의 눈을 마주한 항공기 설계자들은 마치 늦게 만난 듯한 느낌을 줍니다!

위의 세 가지 예는 많은 생각을 하게 하고 사람들에게 많은 영감을 주었습니다. 인간이 지구에 출현하기 오래 전부터 다양한 생물들은 수억 년 동안 자연 속에서 살아오면서 생존을 위한 오랜 투쟁 속에서 자연에 적응하는 능력을 획득하였습니다. 생물학적 연구는 유기체가 진화하는 동안 형성되는 매우 정확하고 완전한 메커니즘을 통해 유기체가 내부 및 외부 환경의 변화에 ​​적응할 수 있음을 보여줄 수 있습니다. 생물학적 세계에는 많은 유익한 능력이 있습니다. 체내 생합성, 에너지 전환, 정보 수신 및 전달, 외부 세계 인식, 항법, 방향 계산 및 합성 등 기계와 비교할 수 없는 많은 장점을 보여줍니다. 생명체의 작은 크기, 감도, 속도, 효율성, 신뢰성 및 간섭 방지 기능은 정말 놀랍습니다.

생물학과 기술을 연결하는 다리

1782년 제임스 와트(1736-1819)가 증기기관을 발명한 이후 사람들은 생산 투쟁에서 강력한 동기를 얻었습니다. 산업기술 측면에서는 에너지 전환, 제어, 활용 문제를 근본적으로 해결함으로써 1차 산업혁명을 촉발시켰고, 비가 내린 뒤 버섯처럼 다양한 기계들이 생겨나면서 인간의 능력이 크게 확대되고 향상되었습니다. . 체력은 사람들을 무거운 육체 노동으로부터 해방시킵니다. 기술의 발달로 사람들은 증기기관 이후 전기시대를 경험하고 자동화 시대로 나아갔습니다.

1940년대 전자 컴퓨터의 출현은 인류 과학 기술의 보물창고에 귀중한 부를 더해 주었으며, 믿을 수 있고 효율적인 능력으로 사람들의 손에 있는 수만 가지의 다양한 정보를 처리할 수 있게 되었습니다. 숫자와 정보의 광대한 바다. 컴퓨터와 자동 장치를 사용하면 복잡한 생산 공정에 직면하여 사람들이 편안하고 노동력을 절약할 수 있어 생산 절차를 정확하게 조정하고 제어하여 제품 사양을 정확하게 만들 수 있습니다. 그러나 자동제어장치는 사람이 정한 정해진 절차에 따라 작동하기 때문에 제어능력이 매우 제한적이다. 자동 장치는 외부 세계에 대한 유연한 분석 및 대응 능력이 부족하여 예상치 못한 상황이 발생하면 자동 장치가 작동을 멈추거나 심지어 사고가 발생할 수도 있다는 점은 자동 장치 자체의 심각한 단점입니다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 기계의 다양한 구성요소 간, 기계와 환경 간의 '통신'을 가능하게 하는 것, 즉 자동 제어 장치가 내부 환경의 변화에 ​​적응할 수 있는 능력을 갖게 하는 것 외에는 아무 것도 없습니다. 그리고 외부 환경. 이 문제를 해결하기 위해서는 공학기술이 어떻게 수용하고 변환할지를 해결해야 합니다. 정보 활용 및 통제 문제. 따라서 정보의 활용과 통제는 산업기술의 발전에 있어 큰 모순이 되고 있다. 이 모순을 해결하는 방법은 무엇입니까? 생물학적 세계는 인류에게 유용한 깨달음을 제공해 왔습니다.

인간이 생물학적 시스템에서 영감을 얻기 위해서는 먼저 생물학적 장치와 기술적 장치가 동일한 특성을 가지고 있는지 연구해야 합니다. 1940년대에 등장한 조건화 이론은 일반적인 의미에서 생물과 기계를 대조했습니다. 1944년까지 일부 과학자들은 기계와 유기체가 통신, 자동 제어, 통계 역학과 같은 일련의 문제에 대해 일관성이 있다는 결론을 내렸습니다. 이러한 이해를 바탕으로 1947년에 사이버네틱스라는 새로운 학문이 등장했습니다.

사이버네틱스(Cybernetics)는 그리스어에서 유래되었으며 원래 의미는 '조타수'입니다. 사이버네틱스의 창시자 중 한 명인 Norbef Wiener(1894-1964)가 정의한 정의에 따르면, 사이버네틱스는 "동물과 기계의 제어 및 의사소통"에 관한 과학입니다. 이 정의는 너무 단순하고 사이버네틱스에 대한 Wiener의 고전 작품의 부제일 뿐이지만 생물과 기계에 대한 사람들의 이해를 직접적으로 연결합니다.

사이버네틱스의 기본 관점은 동물(특히 인간)과 기계(통신, 제어, 계산을 위한 다양한 자동화 장치 포함) 사이에 일정한 통합이 있다는 것입니다. 제어 시스템에는 특정한 고유한 법칙이 있습니다. 사이버네틱스 연구에 따르면 다양한 제어 시스템의 제어 프로세스에는 정보의 전송, 변환 및 처리가 포함됩니다. 제어 시스템의 정상적인 작동은 정보의 정상적인 작동에 달려 있습니다. 소위 제어 시스템은 특정 제어 기능을 갖춘 제어 대상과 다양한 제어 요소, 구성 요소 및 회로를 유기적으로 결합한 전체를 의미합니다. 정보의 관점에서 볼 때 제어 시스템은 정보 채널의 네트워크 또는 시스템입니다. 기계는 살아있는 유기체의 제어 시스템과 많은 유사점을 갖고 있기 때문에 사람들은 생물학적 자동 시스템에 많은 관심을 갖게 되었고, 생물학적 시스템에 대한 추가 연구를 수행하기 위해 물리적, 수학적, 심지어 기술적 모델을 사용하기도 합니다. 따라서 제어이론은 생물학과 공학기술을 연결하는 이론적 기초가 되었다. 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이의 다리가 되십시오.

살아있는 유기체와 기계 사이에는 실제로 분명한 유사점이 있으며, 이러한 유사점은 살아있는 유기체에 대한 연구의 다양한 수준에서 나타날 수 있습니다. 단순한 단일 세포부터 복잡한 기관 시스템(예: 신경계)까지 조절되고 자동으로 제어되는 다양한 생리학적 과정이 있습니다. 우리는 유기체를 특별한 능력을 가진 기계라고 생각할 수 있습니다. 다른 기계와의 차이점은 유기체가 외부 환경에 적응하고 스스로 번식할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것입니다. 유기체는 자동화된 공장에 비유될 수도 있습니다. 유기체의 다양한 기능은 역학의 법칙을 따릅니다. 유기체의 다양한 구조는 특정 신호와 자극에 정량적으로 반응할 수 있으며 자동 제어처럼 스스로를 조절합니다. 전문 피드백 연락처의 도움으로 자체 제어 방식. 예를 들어, 우리 몸의 일정한 체온, 정상적인 혈압, 정상적인 혈당 농도 등은 모두 신체의 복잡한 자기 조절 시스템에 의한 조절의 결과입니다. 사이버네틱스의 출현과 발전은 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이에 다리를 놓았고, 이로 인해 많은 엔지니어들은 의식적으로 생물학적 시스템에서 새로운 설계 아이디어와 원리를 추구하게 되었습니다. 이에 따라 생물학자들과 협력하는 공학기술 분야에서는 공학자들이 성과를 내기 위해 생명과학 지식을 주도적으로 학습하는 경향이 나타나고 있다.

생체공학의 탄생

생산의 필요성과 과학기술의 발전으로 인해 1950년대부터 사람들은 생물학적 시스템이 새로운 것을 개발하는 주요 방법 중 하나라는 것을 깨달았습니다. 기술 생물학적 세계를 다양한 기술적 아이디어, 디자인 원리 및 창의적인 발명의 원천으로 의식적으로 간주합니다. 사람들은 화학, 물리학, 수학 및 기술 모델을 사용하여 생물 시스템에 대한 심층적인 연구를 수행하여 생물학의 위대한 발전을 촉진했으며 유기체의 기능 메커니즘에 대한 연구도 급속한 발전을 이루었습니다. 이 시점에서, 시뮬레이션된 생물은 더 이상 매혹적인 환상이 아니며, 달성할 수 있는 사실이 됩니다. 생물학자와 엔지니어는 적극적으로 협력하여 생물학적 세계에서 얻은 지식을 사용하여 기존 기술을 개선하거나 새로운 엔지니어링 및 기술 장비를 만들기 시작했습니다. 생물학은 각계각층에서 기술혁신과 기술혁명의 대열에 들어서기 시작했고, 자동제어, 항공, 항법 등 군사분야에서 먼저 성공을 거두었다.

따라서 생물학과 공학기술의 학문이 결합되고 상호침투되어 새로운 과학인 바이오닉스가 탄생했습니다.

독립 학문으로서 생체공학은 1960년 9월 공식적으로 탄생했습니다. 최초의 생체공학 회의는 미 공군이 오하이오주 데이턴 공군기지에서 개최했습니다. 회의에서 논의된 중심 주제는 "생물학적 시스템을 분석하여 얻은 개념을 인공 정보 처리 시스템의 설계에 사용할 수 있는가?"였습니다. Steele은 신흥 과학을 그리스어로 생명에 대한 연구를 의미하는 "Bionics"라고 명명했습니다. 1963년에 우리 나라에서는 "Bionics"를 "bionics"로 번역했습니다. Steele은 생체 공학을 "기술 시스템을 구축하기 위해 생물학적 원리를 모방하거나 인공 기술 시스템이 생물학적 특성을 갖거나 유사하게 만드는 과학"으로 정의합니다. 간단히 말해서, 생체 공학은 생물을 모방하는 과학입니다. 정확하게 말하면, 바이오닉스는 생물계의 구조, 특성, 기능, 에너지 변환, 정보 제어 및 기타 우수한 특성을 연구하고 이를 기술 시스템에 적용하여 기존 기술 공학 장비를 개선하고 새로운 장비를 창출하는 종합 과학입니다. 기술 프로세스, 건물 구성 및 자동화 장치와 같은 기술 시스템. 생물학적 관점에서 볼 때, 생체공학은 공학 기술 관점에서 볼 때 "응용 생물학"의 한 분야입니다. 생체공학은 생물학적 시스템 연구를 기반으로 새로운 기술 장비의 설계 및 구축을 위한 새로운 원리와 새로운 기술을 제공합니다. 생체 공학의 영광스러운 사명은 생물학적 시스템에 가깝고 인류에게 이익이 되는 가장 신뢰할 수 있고 유연하며 효율적이고 경제적인 기술 시스템을 인류에게 제공하는 것입니다.

바이오닉스의 연구방법과 내용

바이오닉스는 생물학, 수학, 공학기술이 결합된 첨단과학이다. 첫 번째 생체공학 회의에서는 생체공학에 대한 흥미롭고 생생한 상징, 즉 메스와 납땜 인두를 함께 "통합"한 거대한 통합 상징을 확인했습니다. 이 기호의 의미는 바이오닉스의 구성을 보여줄 뿐만 아니라 바이오닉스의 연구 접근 방식을 요약합니다.

바이오닉스의 임무는 생물계의 우수한 능력과 이를 만들어내는 원리를 연구하고, 이를 모델링한 후, 이러한 원리를 적용하여 새로운 기술 장비를 설계하고 제작하는 것입니다.

생체공학의 주요 연구 방식은 모델 제안과 시뮬레이션이다. 연구 과정은 일반적으로 다음과 같은 세 단계로 구성됩니다.

첫 번째는 생물학적 원형에 대한 연구입니다. 실제 생산에서 제기된 특정 주제에 따라 연구에서 얻은 생물학적 데이터를 단순화하고 기술 요구 사항에 유익한 내용을 흡수하며 생산 기술 요구 사항과 관련 없는 요소를 제거하여 생물학적 모델을 얻습니다. 두 번째 단계는 생물학적 모델이 제공한 데이터를 수행하고, 내부 연결을 추상화하고, 수학적 언어를 사용하여 생물학적 모델을 특정 의미가 있는 수학적 모델로 "번역"하는 것입니다. 공학기술 실험에 사용될 수 있는 모델. 물론 생물학적 시뮬레이션 과정에서 단순한 생체공학이 아니라, 더 중요한 것은 생체공학의 혁신이 있다는 점이다. 연습(이해)과 다시 연습을 여러 번 반복한 후에 시뮬레이션된 내용이 생산 요구 사항에 점점 더 부합될 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션의 결과는 최종 기계 장비를 생물학적 프로토타입과 다르게 만들고 어떤 측면에서는 생물학적 프로토타입의 성능을 초과하기도 합니다. 예를 들어, 오늘날의 항공기는 여러 측면에서 새의 비행 능력을 능가하며, 복잡한 계산에서는 전자 컴퓨터가 인간의 계산보다 더 빠르고 안정적입니다.

바이오닉스의 기본 연구 방법은 생물학 연구에서 가장 두드러지는 특징인 무결성을 제공합니다. 바이오닉스의 전체적인 관점에서 보면, 생명체를 내부 및 외부 환경과 소통하고 제어할 수 있는 복잡한 시스템으로 간주합니다. 그 임무는 복잡한 시스템의 다양한 부분과 전체 시스템의 동작 및 상태 간의 상호 관계를 연구하는 것입니다. 생명체의 가장 기본적인 특징은 자기 재생과 자기 복제이며, 외부 세계와의 연결은 뗄 수 없습니다. 유기체는 환경으로부터 물질과 에너지를 얻어야 성장하고 번식할 수 있고, 유기체는 환경으로부터 정보를 받고 끊임없이 적응하고 합성해야 적응하고 진화할 수 있습니다. 장기적인 진화 과정을 통해 유기체는 구조와 기능의 통일성, 부분과 전체의 조정과 통일성을 달성할 수 있습니다.

생체모방은 시뮬레이션을 수행하기 위해 유기체와 외부 자극(입력 정보) 간의 정량적 관계, 즉 정량적 관계의 통일성에 중점을 두고 연구해야 합니다. 이 목표를 달성하기 위해 부분적인 방법으로는 만족스러운 결과를 얻을 수 없습니다. 그러므로 바이오닉스의 연구방법은 전체에 초점을 맞춰야 한다.

생물학의 연구 내용은 매우 풍부하고 다채롭다. 왜냐하면 생물학적 세계 자체가 수천 종의 생물종을 포함하고 있으며, 이들은 다양한 산업 분야의 연구에 적합한 다양하고 우수한 구조와 기능을 갖고 있기 때문이다. 생체공학이 출현한 이후 지난 20년 동안 생체공학 연구는 급속도로 발전하여 큰 성과를 거두었습니다. 연구 범위에는 전자 생체 공학, 기계 생체 공학, 건축 생체 공학, 화학 생체 공학 등이 포함될 수 있습니다. 현대 공학 기술의 발전으로 다양한 학문 분야가 존재하며 이에 상응하는 생체 공학 기술 연구가 생체 공학 분야에서 수행되고 있습니다. 예를 들어, 항법 부서는 수중 동물의 움직임의 유체 역학을 연구하고, 항공 부서는 새와 곤충의 비행을 시뮬레이션하며, 엔지니어링 구조는 생체 역학을 연구합니다. 장기 및 신경망 시뮬레이션, 컴퓨터 기술의 뇌 시뮬레이션 및 인공 지능 연구 등 제1회 생체공학 컨퍼런스에서 발표된 대표적인 주제로는 "인공 뉴런의 특성은 무엇인가", "생물학적 컴퓨터 설계의 문제점", "기계를 사용하여 이미지를 인식하는 것", "학습하는 기계" 등이 있습니다. 전자생체공학에 대한 연구가 상대적으로 광범위하다는 것을 알 수 있다. 생체공학 분야의 연구 주제는 주로 다음 세 가지 생물학적 원형, 즉 동물 감각 기관, 뉴런 및 신경계의 전반적인 기능에 대한 연구에 중점을 두고 있습니다. 이후 기계 생체공학, 화학 생체공학에 대한 연구도 진행되었으며, 최근에는 인체 생체공학, 분자 생체공학, 우주 생체공학 등 새로운 분야가 등장했습니다.

간단히 말하면, 생체공학의 연구 내용은 미시 세계를 시뮬레이션하는 분자 생체공학부터 거시적 우주 생체공학까지 더 넓은 범위의 내용을 포괄합니다. 오늘날의 과학기술은 다양한 자연과학이 고도로 통합되고 얽히고 침투되는 새로운 시대에 들어서 있습니다. 생체모방은 시뮬레이션 방법을 통해 생명의 연구와 실천을 결합하는 동시에 생물학의 발전에 중요한 역할을 해왔습니다. 홍보 효과가 좋습니다. 다른 학문 분야의 침투와 영향으로 생명과학의 연구 방법은 기술과 분석의 수준에서 정확성과 정량화의 방향으로 근본적인 변화를 겪었습니다. 생명과학의 발전은 바이오닉스를 채널로 활용하여 다양한 자연과학과 기술과학에 귀중한 정보와 풍부한 영양분을 전달함으로써 과학의 발전을 가속화합니다. 이때 바이오닉스에 관한 과학연구는 무한한 생명력을 발휘하고 있으며, 그 발전과 성과는 세계 전반의 과학기술 발전에 큰 기여를 하게 될 것입니다.

바이오닉스의 연구 범위

바이오닉스의 연구 범위는 주로 기계 바이오닉스, 분자 바이오닉스, 에너지 바이오닉스, 정보 및 제어 바이오닉스 등을 포함합니다.

◇기계생체공학은 생체의 총체적 구조와 미세구조의 정적 성질뿐만 아니라 생체 내 각 구성요소의 상대적인 운동의 동적 성질과 움직임을 연구하고 모방한다. 환경 속의 생명체의 모습. 예를 들어, 조개껍데기를 모방한 장경간 얇은 외피 건물과 대퇴골 구조를 모방한 기둥은 응력이 특히 집중되는 영역을 제거할 뿐만 아니라 최대 하중을 견디기 위해 최소한의 건축 자재를 사용합니다. 군에서는 돌고래 가죽의 홈 구조를 모방하고 인공 돌고래 가죽을 배의 외피에 적용해 항해 전류를 줄이고 항해 속도를 높일 수 있다.

◇분자 생체 공학은 연구이며, 살아있는 유기체의 효소 시뮬레이션, 생물학적 막의 촉매 작용, 선택성 및 투과성, 생물학적 거대분자 또는 그 유사체의 분석 및 합성 예를 들어, 산림 해충 매미나방의 성유인 호르몬의 화학 구조를 밝힌 후 유사한 유기 화합물이 합성되었는데, 이는 1천만분의 1 마이크로그램으로 들판 곤충 함정에서 수컷 곤충을 잡아 죽일 수 있습니다. p>

◇에너지 생체공학은 생체 전기 기관의 생물발광, 근육에 의한 화학적 에너지의 기계적 에너지로의 직접적인 전환 등 유기체의 에너지 전환 과정을 연구하고 모방하는 것입니다.

◇정보 및 제어 생체공학은 감각 연구 및 시뮬레이션 기관, 뉴런, 신경망 측면에서 살아있는 유기체의 정보 처리 과정과 상위 센터의 지능적 활동입니다. 예를 들어, 바구미의 광운동 반응을 기반으로 하는 "자기상관 속도계"는 항공기의 착륙 속도를 측정할 수 있습니다.

투구게 겹눈의 망막 측면 억제 네트워크의 작동 원리를 기반으로 이미지 윤곽을 향상시키고 대비를 개선하여 흐릿한 표적 감지에 기여할 수 있는 일부 장치가 성공적으로 개발되었습니다. 100개 이상의 뉴런 모델이 확립되었으며, 이를 기반으로 새로운 컴퓨터가 구축되었습니다.

인간의 학습 과정을 모방하고 학습을 통해 구성 요소 간의 연결 가중치를 변경하여 학습할 수 있는 '퍼셉트론'이라는 기계를 만들어 패턴 인식을 달성합니다. 또한 항상성, 동작 제어, 동물 방향 및 탐색, 인간-기계 시스템의 생체 공학 측면과 같은 생물학적 시스템의 제어 메커니즘을 연구하고 시뮬레이션합니다.

일부 문헌에서는 분자 생체공학과 에너지 생체공학의 일부를 화학 생체공학이라고 부르고, 정보 및 제어 생체공학의 일부를 신경바이오닉스라고 부릅니다.

바이오닉스의 범위는 매우 넓으며, 정보 및 제어 바이오닉스가 주요 분야이다. 한편으로는 지능형 제어로 발전하기 위해 자동화가 필요하기 때문이고, 다른 한편으로는 뇌를 연구하는 것이 신경과학의 가장 큰 과제가 될 정도로 생물학이 발전했기 때문입니다. 인공지능 및 지능형 로봇 연구의 생체공학적 측면(생물학적 패턴 인식에 대한 연구, 뇌 학습, 기억 및 사고 과정에 대한 연구 및 시뮬레이션, 살아있는 유기체의 제어 신뢰성 및 조정 문제 등)이 생체공학 연구의 주요 초점입니다.

제어는 정보 생체 공학 및 생물학적 사이버네틱스와 밀접한 관련이 있습니다. 둘 다 생물학적 시스템의 제어 및 정보 프로세스를 연구하며 둘 다 생물학적 시스템 모델을 사용합니다. 그러나 전자의 목적은 주로 실용적인 인공 하드웨어 시스템을 구축하는 것이고, 생물학적 사이버네틱스는 사이버네틱스의 일반 원리와 기술 과학 이론을 기반으로 생물학적 행동에 대한 설명을 추구합니다.

유추, 시뮬레이션 및 모델 방법을 가장 광범위하게 사용하는 것은 생체 공학 연구 방법의 뛰어난 특징입니다. 목표는 모든 세부 사항을 직접적으로 복제하는 것이 아니라 특정 기능을 달성한다는 중심 목적으로 생물학적 시스템이 작동하는 방식을 이해하는 것입니다. 일반적으로 생체공학 연구에는 생물학적 프로토타입, 수학적 모델, 하드웨어 모델이라는 세 가지 관련 측면이 있다고 믿어집니다. 전자는 기초이고 후자는 목적이며, 수학적 모델은 둘 사이에 없어서는 안 될 다리입니다.

생물계의 복잡성으로 인해 특정 생물계의 메커니즘을 규명하는 데는 긴 연구 주기가 필요하고, 실질적인 문제를 해결하려면 오랜 기간에 걸쳐 여러 학문 분야 간의 긴밀한 협력이 필요하므로 한계가 있습니다. 바이오닉스의 발전 속도.

생체공학 현상

파리와 우주선

귀찮은 파리는 거대 항공우주 산업과는 아무 관련이 없는 것처럼 보이지만 생체공학 학습은 이들을 긴밀하게 연결시켰습니다 .

파리는 '냄새나는 사냥꾼'으로 악명 높으며, 냄새나고 더러운 곳이면 어디든 발견할 수 있다. 파리는 특히 민감한 후각을 가지고 있어 수천 미터 떨어진 곳에서도 냄새를 감지할 수 있습니다. 그러나 파리에는 "코"가 없는데 어떻게 후각에 의존합니까? 파리의 "코"(후각 수용체)가 머리의 한 쌍의 더듬이에 분포되어 있다는 것이 밝혀졌습니다.

각 '코'에는 외부 세계와 연결된 단 하나의 '콧구멍'이 있으며, 여기에는 수백 개의 후각 신경 세포가 들어 있습니다. 냄새가 "콧구멍"에 들어가면 이 신경은 즉시 냄새 자극을 신경 전기 자극으로 변환하여 뇌로 보냅니다. 뇌는 다양한 냄새 물질에 의해 생성된 신경 전기 자극의 차이를 기반으로 다양한 냄새 물질을 구별할 수 있습니다. 따라서 파리의 더듬이는 민감한 가스 분석기처럼 작동합니다.

바이오닉스 과학자들은 이에 영감을 받아 파리 후각 기관의 구조와 기능을 기반으로 한 매우 독특한 소형 가스 분석기를 성공적으로 복제했습니다. 이 장비의 "프로브"는 금속이 아니라 살아있는 파리입니다. 초파리의 후각신경에 아주 얇은 미세전극을 삽입해 전자회로에 의해 유도되는 전기적 신경신호를 증폭해 분석기로 보내는 방식으로, 분석기가 냄새 물질의 신호를 감지하면 경보음을 울릴 수 있다. 이 장비는 우주선 조종석에 설치되어 객실 내부의 가스 구성을 감지합니다.

이 소형 가스 분석기는 잠수함과 광산의 유해 가스도 측정할 수 있습니다. 이 원리를 사용하여 컴퓨터의 입력 장치와 가스 크로마토그래피 분석기의 구조 원리를 개선하는 데에도 사용할 수 있습니다.

반딧불부터 인공 냉광까지

인류가 전등을 발명한 이후로 삶은 훨씬 편리해지고 풍요로워졌습니다. 그러나 전등은 전기에너지 중 극히 일부만 가시광선으로 변환할 수 있고, 나머지 대부분은 열에너지의 형태로 낭비되며, 전등의 열선은 사람의 눈에 해롭다. 그렇다면 빛만 발산하고 열을 발생시키지 않는 광원이 있을까? 인류는 다시 자연에 관심을 돌렸다.

자연에는 박테리아, 곰팡이, 벌레, 연체동물, 갑각류, 곤충, 어류 등 빛을 낼 수 있는 생물이 많이 있는데, 이들 동물이 발산하는 빛은 열을 내지 않으며, 그래서 그것은 "차가운 빛"으로 알려져 있습니다.

빛나는 수많은 동물 중에 반딧불이도 그중 하나다. 반딧불이는 약 1,500종의 반딧불이가 발산하는 차가운 빛의 색상은 황록색에서 주황색까지 다양하며, 빛의 밝기도 다양합니다. 반딧불이 방출하는 차가운 빛은 발광 효율이 높을 뿐만 아니라 방출되는 차가운 빛은 일반적으로 매우 부드러워 인간의 눈에 매우 적합하며 빛의 강도도 상대적으로 높습니다. 그러므로 바이오라이트는 인간에게 이상적인 빛이다.

과학자들은 반딧불이의 발광체가 복부에 있다는 사실을 발견했습니다. 이 발광체는 발광층, 투명층, 반사층의 세 부분으로 구성됩니다. 발광층에는 수천 개의 발광 세포가 포함되어 있으며, 모두 루시페린과 루시퍼라제를 함유하고 있습니다. 루시퍼라제의 작용으로 루시페린은 산소와 결합하여 세포내 수분의 참여로 형광을 방출합니다. 반딧불이의 빛은 본질적으로 화학 에너지를 빛 에너지로 변환하는 과정입니다.

이미 1940년대 초 사람들은 반딧불이에 대한 연구를 바탕으로 형광등을 만들었고, 이는 인류의 광원에 큰 변화를 가져왔다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 먼저 반딧불이의 발광체에서 순수한 루시페린을 분리한 다음 루시페라제를 분리한 다음 화학적 방법을 사용하여 루시페린을 인공적으로 합성했습니다. 루시페린, 루시퍼라제, ATP(아데노신 삼인산), 물을 혼합한 생물학적 광원은 폭발성 가스가 가득한 광산에서 손전등으로 사용할 수 있습니다. 이러한 종류의 빛은 전원이 없고 자기장을 생성하지 않기 때문에 생물학적 광원의 조명 하에서 자성 지뢰를 제거하는 데 사용할 수 있습니다.

이제 사람들은 특정 화학 물질을 혼합하여 생물학적 빛과 유사한 차가운 빛을 얻을 수 있으며 이를 안전 조명으로 사용할 수 있습니다.

전기 물고기와 볼트 배터리

자연에는 전기를 생산할 수 있는 생물이 많고, 물고기만도 500종이 넘습니다. 사람들은 전기를 방출할 수 있는 이러한 물고기를 "전기 물고기"라고 부릅니다.

다양한 전기 물고기는 방출 능력이 다릅니다. 방전능력이 가장 강한 것은 전기가오리, 전기메기, 전기뱀장어이다. 중간 크기의 전기 가오리는 약 70볼트를 생산할 수 있고, 아프리카 전기 가오리는 최대 220볼트를 생산할 수 있으며, 아프리카 전기 가오리는 350볼트를 생산할 수 있으며, 전기 뱀장어는 ​​500볼트를 생산할 수 있으며, 남아메리카 전기 가오리도 있습니다. 최대 880V의 전압을 생산할 수 있어 말과 같은 대형 동물을 죽일 수 있다고 합니다.

전기어 방전의 비밀은 무엇일까? 전기어류에 대한 해부학적 연구 끝에 마침내 전기어류의 몸 속에 이상한 발전기관이 있다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 발전기는 전기판 또는 전기디스크라고 불리는 많은 반투명 디스크 모양의 셀로 만들어집니다. 전기어류의 종류가 다양하기 때문에 발전기의 전기패널의 모양과 위치, 개수도 다릅니다. 전기뱀장어의 발전기는 각기둥 모양으로 꼬리의 척추 양쪽 근육에 위치하며, 전기가오리 발전기는 편평한 신장 모양으로 몸의 정중선 양쪽에 배열되어 있으며 총 200만 개의 전기판이 있다. ; 전기 메기의 발전기 피부와 근육 사이에 위치한 일종의 분비선에서 유래하며 약 500만 개의 전기판이 있습니다. 하나의 전기판에서 발생하는 전압은 매우 약하지만, 전기판이 많기 때문에 발생되는 전압은 매우 큽니다.

전기물고기의 남다른 능력이 사람들의 큰 관심을 불러일으켰다. 19세기 초 이탈리아의 물리학자 볼타(Volta)는 전기어류의 발전 기관을 모델로 삼아 세계 최초의 볼타 전지를 설계했습니다. 이 배터리는 전기어류의 천연 발전기를 기반으로 설계되었기 때문에 '인공 전기 오르간'이라고 불립니다. 전기 물고기에 대한 연구는 또한 사람들에게 다음과 같은 계시를 제공했습니다. 전기 물고기의 전력 생성 기관을 성공적으로 모방할 수 있다면 선박과 잠수함의 전력 문제가 잘 해결될 수 있다는 것입니다.

해파리의 바람소리

"제비는 낮게 날아 비를 맑게 하고, 매미는 비 가운데서 지저귀며 하늘이 맑아진다." 생물의 행동과 날씨의 변화.

해안 어부들은 해안에 사는 물고기와 해파리가 떼를 지어 바다로 헤엄쳐 가면 폭풍이 다가오고 있다는 것을 모두 알고 있습니다.

해파리라고도 불리는 해파리는 이르면 5억년 전 바다에 떠다니던 고대 강장동물이다. 이 하등 동물은 폭풍이 다가올 때마다 폭풍을 예측하는 본능을 가지고 있습니다.

푸른 바다에서는 공기와 파도의 마찰로 발생하는 초저주파(초당 8~13회 빈도)가 항상 다가오는 폭풍의 전주곡인 것으로 밝혀졌다. 이런 종류의 초저주파는 인간의 귀로는 들을 수 없지만 작은 해파리는 매우 민감합니다. 생체공학자들은 해파리 귀의 진동하는 구멍에 얇은 손잡이가 있다는 것을 발견했습니다. 폭풍이 오기 전의 초저주파가 해파리의 청각 돌에 부딪힐 때, 손잡이에 작은 공이 있다는 것을 발견했습니다. 귀, 이때 청취석은 공 벽에 있는 신경 수용체를 자극하여 해파리는 다가오는 폭풍우의 우르릉거리는 소리를 듣게 됩니다.

바이오닉스 과학자들은 초저주파를 감지하는 해파리 기관을 정확하게 시뮬레이션하는 해파리 귀 폭풍 예측기를 설계하기 위해 해파리 귀의 구조와 기능을 모델링했습니다. 이 장비는 선박의 앞갑판에 설치되어 있으며, 폭풍의 초저주파를 수신하면 360° 회전하는 혼이 스스로 회전을 멈추게 할 수 있습니다. 표시기를 읽으면 폭풍의 강도를 알 수 있습니다. 이런 예측기는 폭풍우를 15시간 전에 예측할 수 있어 항해와 어업의 안전에 큰 의미가 있습니다.