تطورت الآليات المتخصصة للكائنات الحية على مدى ملايين السنين من التطور. في سياق الانتقاء الطبيعي ، نجا هؤلاء الأفراد الذين طاروا أو سبحوا أو زحفوا أفضل من غيرهم. تدريجيًا ، تم تشكيل تكيفات وآليات فعالة للغاية لتنفيذ هذه الوظائف في الطبيعة.
لفترة طويلة ، كان يتعذر الوصول إلى أسرار الحيوانات بسبب أساليب التحليل والتكاثر غير الكاملة. النسخ التي تم إجراؤها "على الركبة" بعد تقييمها "بالعين" لم تنجح. مع مرور الوقت ، تمكن المصممون والمهندسون من ابتكار مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تجعل حياة الإنسان أسهل ، ودون معرفة أسرار الحيوانات. في موازاة ذلك ، حقق علماء الأحياء تقدمًا كبيرًا في دراسة الكائنات الحية. على الرغم من حقيقة أن الأول لم يكن مرتبطًا بأي شكل من الأشكال بالأخير ، فقد أعاد المهندسون أحيانًا في تصميماتهم المبادئ والآليات التي تدخل في النظم الحية. بحثًا عن الحلول الأكثر راحة وفعالية ، جاء الناس قسريًا إلى رسم تخطيطي "رسمته" الطبيعة منذ ملايين السنين.
بعد هذا الاكتشاف ، أصبح العمل غير المربح "الأعمى" واضحًا ، وأصبح المصممون يتعاملون مع دراسة الحيوانات. باستخدام التقنيات الحالية ، كان العلماء قادرين على التحقيق الكامل وإعادة إنتاج الهياكل والآليات المستخدمة في النظم الحية. العلم الذي يدرس آليات عمل الأنظمة الحية ويبحث عن طرق لتطبيق المبادئ المكتشفة في الوسائل التقنية يسمى علم الأحياء. نشأت هذه الكلمة من الكلمة اليونانية "bion" ، والتي يمكن ترجمتها على أنها "وحدة ، أو عنصر ، من الحياة". يعتبر التاريخ الرسمي لميلاد العلم الجديد هو 1960 ، عندما عُقدت الندوة الأولى حول الإلكترونيات الحيوية.
تقليديا ، هناك عدة اتجاهات في علم الإلكترونيات. يركز بعض المتخصصين على دراسة الآليات المضمنة في الأنظمة الحية ونسخها وتطبيقها العملي. بصرف النظر إلى حد ما ، فإن الأجهزة الإلكترونية الطبية تركز على إنشاء أطراف صناعية أكثر تقدمًا أو تطوير أنظمة تسمح ، على سبيل المثال ، باستعادة البصر أو السمع للأشخاص.
مجال منفصل تمامًا للالكترونيات ، والذي لا يصنفه بعض الخبراء حتى على أنه علم ، هو دراسة السلوك الاجتماعي للحيوانات الاجتماعية. في المستقبل ، قد تكون المبادئ المستخدمة لتنظيم النشاط الحيوي داخل مستعمرات النمل أو النحل مفيدة في المجتمع البشري. في الآونة الأخيرة ، اكتشف علماء الحشرات الألمان كيف يتمكن النمل من تجنب "الاختناقات المرورية" عند اقتراب عش النمل. في المستقبل ، يمكن تكييف الطريقة التي يستخدمونها (دون وعي) مع الطرق السريعة في المدينة أيضًا.
محاولات تجاوز الطبيعة ومحاكاة التطورات الأخرى في السيليكو على الهامش. في سياق هذا التطور الجديد ، يجب تكوين كائنات حية تستخدم تكيفات للتكيف مع الظروف البيئية التي لم تُبتكرها الطبيعة بعد. حتى الآن ، لم يتمكن العلماء من الحصول على أي نتائج مهمة على طول هذا المسار. ولكن حتى الآن ، طور الباحثون عدة طرق لمحاكاة التطور - من التطور "الكلاسيكي" في الحساء البدائي إلى تطور الروبوتات.
حتى الآن ، حقق الاتجاهان الأولان أعظم الفوائد العملية. تركز الإلكترونيات الطبية بشكل أساسي على دراسة الأنظمة الموجودة في جسم الإنسان ، وهذا موضوع منفصل تمامًا. يتم النظر أدناه في العديد من الأعمال في مجال دراسة الأنظمة الحية الأخرى ومحاولات إدخال المبادئ المكتشفة في الأجهزة التقنية.
واحد لواحد
المثال الكلاسيكي لاختراع القياسات الحيوية هو قفل الفيلكرو.يرتبط نصفي الفيلكرو ارتباطًا وثيقًا ببعضهما البعض نظرًا لحقيقة أن أحدهما مغطى بخطافات صغيرة ، وعلى الجانب الآخر توجد حلقات مصغرة. تم تعليق العديد من الخطافات والحلقات معًا للحصول على نوبة آمنة. تم اختراع الفيلكرو من قبل المهندس السويسري جورج دي ميسترال حتى قبل إدخال مصطلح الإلكترونيات الحيوية. أثناء تنظيف فراء كلبه بعد المشي ، لفت دي ميسترال الانتباه إلى ثمار الأرقطيون التي تلتصق بشدة بالجلد. درس بنية الثمرة تحت المجهر وطوّر مشبكًا يعمل على نفس المبدأ.
اكتشف العلماء لاحقًا أنه تم استخدام نمط متصاعد مماثل في ريش الطيور. يرتبط الريش ببعضه البعض بإحكام بفضل ما يسمى بربس. تمتد لحى الريش المجاورة على بعضها البعض لتشكل غطاءً كثيفًا واحدًا.
في الطبيعة ، هناك أمثلة على إصدارات أكثر متانة للأسطح "اللاصقة". يمكن لأبراص السحالي الصغيرة البقاء على الأسطح الرأسية وحتى الركض عليها. تلتصق أقدام الوزغة بالسطح ولا تنزلق على طوله. علاوة على ذلك ، عندما يسحب الحيوان الطرف عموديًا ، يمكن أن يمزق النعل دون بذل الكثير من الجهد. من خلال التحقيق في بنية أقدام الوزغة ، قرر العلماء أن الخصائص غير العادية ترجع إلى وجود العديد من الشعر الناعم على النعال. عندما يكون الشعر بزاوية قائمة على السطح ، تكون منطقة التلامس صغيرة ويمكن للحيوان فصل قدمه بسهولة. مع تغير الزاوية ، تزداد منطقة التلامس وتصبح الرابطة مع السطح أقوى.
أعاد العلماء إنتاج بنية باطن قدمي الوزغة باستخدام الأنابيب النانوية. ومع ذلك ، خلال العمل المبكر ، لم يتمكن الباحثون من تحقيق نفس كفاءة الالتصاق. أظهرت دراسة أخرى حول بنية أقدام السحلية أن الشعيرات الموجودة على النعال لها العديد من التشعبات ، مما يزيد من منطقة التلامس مع السطح. استبدل العلماء الأنابيب النانوية العادية في "الكفوف" الاصطناعية بأخرى متفرعة ، ونتيجة لذلك تمكنوا من تجاوز أبو بريص في القدرة على الالتصاق.
بالإضافة إلى الزواحف ، هناك فئة أخرى من الكائنات الحية هي الموضوع المفضل لعلماء البيولوجيا. هم حشرات. تعتبر المخلوقات الغريبة المظهر أكثر المخلوقات مثالية بين اللافقاريات. طور العديد من أعضاء هذه الفئة العديد من تكيفات البقاء الفعالة للغاية. على وجه الخصوص ، مثل هذا الجهاز هو نظام الرؤية. إن عيون الحشرات ذات أوجه - أي أنها تتكون من العديد من "العيون" الصغيرة ، والتي يتحول منها الدماغ إلى صورة واحدة.
أظهرت دراسة الأعين ذات الأوجه للذبابة أن هذه الحشرة قادرة على تحديد سرعة الأجسام بدقة بالغة بالنسبة للعينين بسرعة هائلة (بالنسبة إلى الذبابة). يتم إدراك صورة الكائن بشكل تسلسلي من خلال كل جانب من الجوانب ويتم نقل المعلومات المتعلقة به إلى المستقبلات الفردية. والنتيجة هي سلسلة من الصور المستقلة. قام المهندسون بنسخ مبدأ fly-eye لإنشاء كواشف تحدد بسرعة سرعة الطائرة الطائرة. يسمى هذا الجهاز "عين الذبابة".
جهاز آخر ، استلهم المهندسون منه نفس الذباب ، ضروري للحفاظ على المسار الصحيح للطائرات والصواريخ والسفن. كان يسمى الجهاز بجيروسكوب الاهتزاز ، وكان نموذجه الأولي عبارة عن رسن الذباب - الزوائد المزدوجة الموجودة في الجزء الصدري والتي تشبه المسامير في الشكل. كما يوحي الاسم ، تصدر الرسن صوتًا مميزًا عندما تطير الذبابة. في العقود الأخيرة ، أصبح من الواضح أن الحشرات لا تحتاجها فقط لإزعاج الناس. عند الحركة ، يهتز الرسن ، وبتغيير شد الأرجل ، "تفهم" الذبابة أن اتجاه الرحلة قد تغير. تسترشد بذبذبات حامل الطنانة ، تحافظ الحشرة على المسار المطلوب.
قد تساعد حشرة أخرى ، هي الجراد ، المهندسين في إنشاء نوع جديد من أجهزة الطيران المصغرة. يعتبر الجراد من أفضل الطيارين بين الحشرات - فهو قادر على تغطية مسافات كبيرة بسبب استهلاكه الفعال للطاقة أثناء الطيران. أجنحة الجراد لها شكل معقد للغاية - فهي مغطاة بالتجاعيد والأضلاع ومجهزة بالعديد من الانتفاخات والانخفاضات. لطالما اشتبه علماء الأحياء في أن سر طيران الجراد مخفي في الأجنحة ، لكن العلماء لم يتضحوا بالضبط كيف يظهرون أنفسهم "في العمل".
قام مؤلفو أحد الأعمال الحديثة بتجميع نموذج مفصل للغاية لأجنحة الجراد وتحديد كيفية تأثير سمات هيكلها على خصائص الطيران. بالإضافة إلى ذلك ، "صنع" الباحثون نموذجًا حاسوبيًا لذبابة الجراد ، التي لم يكن بها تجاعيد أو أضلاع على أجنحتها. في السلسلة الثانية من التجارب ، قام العلماء أيضًا بإزالة الانحناء. كانت كفاءة طيران الجراد "المعوق" أقل بكثير من تلك الخاصة بالنموذج "الصحي" ، حيث حدث الانخفاض الرئيسي عند إزالة المنحنى.
يمكن أن تكون المركبات الصغيرة التي تطير مثل الجراد مفيدة لعلماء البيئة الذين يحتاجون إلى مراقبة حالة البيئة. وستكون مفيدة أيضًا للجيش ، الذي يصنع أجهزة تجسس مصغرة.
قبل شهر من ظهور نتائج دراسة طيران الجراد ، أعلنت مجموعة من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن إنشاء سمكة آلية. تتكون الأسماك الآلية من قطعة واحدة من البلاستيك ، "محشوة" بأحشاء ميكانيكية ، وتسبح مثل التونة أو السلمون المرقط. قام العلماء بحساب وإعادة تكوين خصائص البلاستيك على طول جسم سمكة الروبوت بالكامل بحيث يؤدي نفس الحركات مثل الأسماك الحقيقية. صحيح ، بينما تتحرك الحيوانات الميكانيكية أبطأ بعشر مرات من المعتاد ، إلا أن المؤلفين وعدوا بتحسين خصائصها في المستقبل القريب.
شيء خاص بك؟
تدريجيًا ، يتعلم الباحثون إعادة إنتاج الآليات التي اخترعتها الطبيعة بشكل أفضل وأفضل ، على الرغم من أنه لا يزال بعيدًا جدًا لإنشاء نسخ دقيقة تمامًا. لذلك ، لم ينجح الكيميائيون بعد في تصنيع جزيء يمكن مقارنته بالإنزيمات من حيث الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، لا يزال المخ البشري أرضًا مجهولة للباحثين. مع وجود احتمال كبير ، في المستقبل ، سيتمكن العلماء من معرفة مبادئ تشغيل معظم الآليات التي تعمل في الأنظمة الحية. سؤال آخر هو ما إذا كانوا سيكونون قادرين على إنشاء شيء مختلف عن الشيء الذي اخترعته الطبيعة بالفعل.
