بيونيك

This article has multiple issues. Please help improve it or discuss these issues on the talk page. (Learn how and when to remove these messages) This article possibly contains original research. Please improve it by verifying the claims made and adding inline citations. Statements consisting only of original research should be removed. (September 2021) (Learn how and when to remove this message) This article's tone or style may not reflect the encyclopedic tone used on Wikipedia. See Wikipedia's guide to writing better articles for suggestions. (September 2021) (Learn how and when to remove this message) (Learn how and when to remove this message)

الهندسة الحيوية أو الهندسة المستوحاة من البيولوجيا هي تطبيق الأساليب والأنظمة البيولوجية الموجودة في الطبيعة لدراسة وتصميم الأنظمة الهندسية والتكنولوجيا الحديثة . ^[1]

كلمة بيونيك ، التي صاغها جاك إي ستيل في أغسطس 1958، هي كلمة مركبة من علم الأحياء والإلكترونيات [ 2 ^] والتي اشتهرت من خلال المسلسل التلفزيوني الأمريكي في السبعينيات The Six Million Dollar Man و The Bionic Woman ، وكلاهما مستوحى من رواية سايبورغ لمارتن كايدن . تتميز القصص الثلاث ببشر مُنحوا قوى خارقة مختلفة من خلال غرساتهم الكهروميكانيكية .

وفقًا لمؤيدي التكنولوجيا الحيوية، فإن نقل التكنولوجيا بين أشكال الحياة والأشياء المصنعة أمر مرغوب فيه لأن الضغط التطوري يجبر الكائنات الحية - الحيوانات والنباتات - على أن تصبح مثالية وفعالة. على سبيل المثال، استوحيت الدهانات (الطلاءات) المقاومة للأوساخ والماء من الخصائص الكارهة للماء لنبات زهرة اللوتس ( تأثير اللوتس ). ^[3]

يفضل استخدام مصطلح " المحاكاة الحيوية " للإشارة إلى التفاعلات الكيميائية، مثل التفاعلات التي تنطوي في الطبيعة على جزيئات بيولوجية كبيرة (مثل الإنزيمات أو الأحماض النووية) والتي يمكن تكرار كيميائها في المختبر باستخدام جزيئات أصغر بكثير. ^[4]

تشمل أمثلة الإلكترونيات الحيوية في الهندسة هياكل القوارب التي تحاكي الجلد السميك للدلافين أو السونار والرادار والتصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية التي تحاكي تحديد الموقع بالصدى للحيوانات .

في مجال علوم الكمبيوتر ، أنتجت دراسة الإلكترونيات الحيوية الخلايا العصبية الاصطناعية ، والشبكات العصبية الاصطناعية ، ^[5] وذكاء السرب . كما أثرت الإلكترونيات الحيوية على الحوسبة التطورية ولكنها أخذت الفكرة إلى أبعد من ذلك من خلال محاكاة التطور في الحاسوب وإنتاج حلول محسنة لم تظهر أبدًا في الطبيعة.

أشارت دراسة بحثية نشرت عام 2006 إلى أنه "في الوقت الحاضر، لا يوجد سوى 12% تداخل بين علم الأحياء والتكنولوجيا من حيث الآليات المستخدمة". ^{[6] [ يحتاج إلى توضيح ]}

صاغ أوتو شميت اسم "المحاكاة الحيوية" في الخمسينيات من القرن العشرين. وقد قدم جاك إي ستيل مصطلح "البيونيكس" لاحقًا في أغسطس 1958 أثناء عمله في قسم الطيران في قاعدة رايت باترسون الجوية في دايتون بولاية أوهايو . ^[7] ومع ذلك، فإن مصطلحات مثل المحاكاة الحيوية أو المحاكاة الحيوية مفضلة لتجنب الخلط مع المصطلح الطبي "البيونيكس". ومن قبيل المصادفة، استخدم مارتن كايدن الكلمة لروايته عام 1972 سايبورغ ، والتي تم تكييفها في الفيلم التلفزيوني والمسلسل اللاحق The Six Million Dollar Man . كان كايدن كاتبًا في صناعة الطيران لفترة طويلة قبل أن يتحول إلى الخيال بدوام كامل.

إن دراسة علم الإلكترونيات الحيوية غالباً ما تؤكد على تنفيذ وظيفة موجودة في الطبيعة بدلاً من تقليد الهياكل البيولوجية. على سبيل المثال، في علوم الكمبيوتر، تقوم السيبرنيتيكا بنمذجة آليات التغذية الراجعة والتحكم المتأصلة في السلوك الذكي، في حين تقوم الذكاء الاصطناعي بنمذجة الوظيفة الذكية بغض النظر عن الطريقة الخاصة التي يمكن تحقيقها بها.

إن النسخ الواعي للأمثلة والآليات من الكائنات الحية والبيئات الطبيعية هو شكل من أشكال التفكير القائم على الحالات التطبيقية ، حيث يتم التعامل مع الطبيعة نفسها باعتبارها قاعدة بيانات للحلول التي تعمل بالفعل. ويزعم المؤيدون أن الضغط الانتقائي المفروض على جميع أشكال الحياة الطبيعية يقلل من حالات الفشل ويزيلها.

على الرغم من أنه يمكن القول بأن كل الهندسة تقريبًا هي شكل من أشكال المحاكاة الحيوية ، إلا أن الأصول الحديثة لهذا المجال تُنسب عادةً إلى باكمنستر فولر وتدوينها لاحقًا كمنزل أو مجال للدراسة إلى جانين بينيوس .

هناك بشكل عام ثلاثة مستويات بيولوجية في الحيوانات أو النباتات والتي يمكن تصميم التكنولوجيا على أساسها:

• تقليد طرق التصنيع الطبيعية
• تقليد الآليات الموجودة في الطبيعة (على سبيل المثال الفيلكرو )
• دراسة المبادئ التنظيمية من السلوك الاجتماعي للكائنات الحية ، مثل سلوك تجمع الطيور، وتحسين بحث النمل عن الطعام وبحث النحل عن الطعام ، والسلوك القائم على ذكاء السرب (SI) لمدرسة الأسماك .

• في مجال الروبوتات ، تُستخدم الإلكترونيات الحيوية والمحاكاة الحيوية لتطبيق طريقة تحرك الحيوانات على تصميم الروبوتات. استند BionicKangaroo إلى حركات ووظائف أعضاء حيوان الكنغر.
• يُعد الفيلكرو أشهر مثال على المحاكاة الحيوية. في عام 1948، كان المهندس السويسري جورج دي ميسترال ينظف كلبه من الأشواك التي التقطها أثناء المشي عندما أدرك كيف التصقت خطافات الأشواك بالفراء .
• كان تصميم شفرات قطع الأخشاب على شكل قرن وأسنان منشارية، والتي كانت تُستخدم في مطلع القرن التاسع عشر لقطع الأشجار عندما كان يتم ذلك يدويًا، مستوحى من ملاحظات خنفساء تحفر الخشب . كانت الشفرات أكثر كفاءة بشكل ملحوظ، وبالتالي أحدثت ثورة في صناعة الأخشاب.
• تم اختراع عاكسات عيون القطط بواسطة بيرسي شو في عام 1935 بعد دراسة آلية عيون القطط. لقد وجد أن القطط لديها نظام من الخلايا العاكسة، المعروفة باسم tapetum lucidum ، والتي كانت قادرة على عكس أصغر قدر من الضوء.
• تُعد الآلات الطائرة والسفن التي صممها ليوناردو دافنشي أمثلة مبكرة على الاستلهام من الطبيعة في الهندسة.
• الريزيلين هو بديل للمطاط تم تصنيعه من خلال دراسة المادة الموجودة أيضًا في المفصليات.
• استعان جوليان فينسنت بدراسة أقماع الصنوبر عندما طور في عام 2004 ملابس "ذكية" تتكيف مع درجات الحرارة المتغيرة. وقال: "أردت نظامًا غير حي يستجيب للتغيرات في الرطوبة بتغيير الشكل". "هناك العديد من هذه الأنظمة في النباتات، لكن معظمها صغير جدًا - يعتبر مخروط الصنوبر هو الأكبر وبالتالي الأسهل في العمل عليه". تستجيب أقماع الصنوبر للرطوبة العالية بفتح قشورها (لتشتيت بذورها). يقوم القماش "الذكي" بنفس الشيء، حيث ينفتح عندما يكون مرتديه دافئًا ويتعرق وينغلق بإحكام عندما يكون باردًا.
• تم تصميم "أجنحة الطائرات المتغيرة الشكل" التي تتغير شكلها وفقًا لسرعة ومدة الطيران في عام 2004 من قبل علماء المحاكاة الحيوية من جامعة ولاية بنسلفانيا . استوحيت الأجنحة المتغيرة الشكل من أنواع الطيور المختلفة التي تختلف أشكال أجنحةها وفقًا للسرعة التي تطير بها. من أجل تغيير شكل وبنية أجنحة الطائرات الأساسية، احتاج الباحثون إلى جعل الجلد الموجود فوقها قادرًا أيضًا على التغيير، وهو ما يفعله تصميمهم من خلال تغطية الأجنحة بقشور مستوحاة من الأسماك يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض. في بعض النواحي، يعد هذا تحسينًا لتصميم الجناح المتأرجح .

• تم تصميم بعض الدهانات وبلاط الأسقف لتكون ذاتية التنظيف عن طريق نسخ الآلية من زهرة اللوتس نيلومبو . ^[8]
• البلورات السائلة الكوليسترولية (CLCs) هي مادة غشائية رقيقة تستخدم غالبًا في تصنيع موازين حرارة أحواض الأسماك أو حلقات المزاج التي تتغير ألوانها مع تغير درجات الحرارة. تتغير ألوانها لأن جزيئاتها مرتبة في ترتيب حلزوني أو كيرالي ومع درجة الحرارة يتغير ميل هذا الهيكل الحلزوني، مما يعكس أطوال موجية مختلفة من الضوء. قامت شركة Chiral Photonics, Inc. بتلخيص البنية ذاتية التجميع للبلورات السائلة الكوليسترولية العضوية لإنتاج أجهزة بصرية مماثلة باستخدام أطوال صغيرة من الألياف الزجاجية الملتوية غير العضوية . ^[9]
• تم إعادة إنتاج البنى النانوية والآليات الفيزيائية التي تنتج اللون اللامع لأجنحة الفراشة بواسطة جريج باركر ، أستاذ الإلكترونيات وعلوم الكمبيوتر في جامعة ساوثهامبتون ، والطالب الباحث لوكا بلاتنر في مجال الفوتونيات ، وهو مجال الإلكترونيات باستخدام الفوتونات كحاملة للمعلومات بدلاً من الإلكترونات . ^[10]
• تمت دراسة بنية جناح فراشة مورفو الزرقاء وتم محاكاة الطريقة التي يعكس بها الضوء لإنشاء علامة RFID يمكن قراءتها من خلال الماء وعلى المعدن. ^[11]
• وقد ألهمت بنية أجنحة الفراشات أيضًا إنشاء أجهزة استشعار نانوية جديدة للكشف عن المتفجرات. ^[12]
• تحتوي الرقائق العصبية الشكل وشبكية العين السيليكونية على أسلاك مصممة وفقًا للشبكات العصبية الحقيقية .
• تتضمن النظم البيئية التكنولوجية أو أنظمة "إيكو سايبورغ" اقتران العمليات البيئية الطبيعية بالعمليات التكنولوجية التي تحاكي الوظائف البيئية. وينتج عن هذا إنشاء نظام هجين منظم ذاتيًا. ^[13] بدأ البحث في هذا المجال من قبل هوارد تي أودوم ، ^[14] الذي أدرك أن بنية وديناميكيات الطاقة في النظم البيئية تشبه تدفق الطاقة بين مكونات الدائرة الكهربائية.
• يتم تطوير مواد لاصقة طبية تحتوي على غراء وشعر نانوي صغير على أساس الهياكل الفيزيائية الموجودة في أقدام الوزغات.
• تظهر فيروسات الكمبيوتر أيضًا أوجه تشابه مع الفيروسات البيولوجية، حيث تهاجم المعلومات الموجهة للبرامج من أجل التكاثر الذاتي والانتشار.
• تم تصميم نظام التبريد في مبنى مركز إيستجيت في هراري على شكل تلة النمل الأبيض لتحقيق تبريد سلبي فعال للغاية.
• مادة لاصقة تسمح للبلح بالالتصاق بالصخور والأرصفة وهياكل القوارب مستوحاة من هلام حيوي لاصق للأوعية الدموية . ^[15]
• ألهم مجال الإلكترونيات الحيوية تصميمات طائرات جديدة توفر مرونة أكبر إلى جانب مزايا أخرى. وقد وصف ذلك جيف سبيدنج ومانس روزن وأندرس هيدنستروم في مقال في مجلة علم الأحياء التجريبي . ^[16] كما أدلى جون فيدلر وإيز ستامهاوس بتصريحات مماثلة في كتابهما Avian Flight، ^[17] وفي المقال الذي قدماه في مجلة Science حول LEVs. ^[18] يمكن أيضًا استخدام هذا البحث في الإلكترونيات الحيوية لإنشاء طائرات هليكوبتر أكثر كفاءة أو طائرات بدون طيار مصغرة ، كما ذكر بريت توبالسكي في مقال في مجلة Science حول الطيور الطنانة . ^[19] تعمل جامعة كاليفورنيا في بيركلي وكذلك وكالة الفضاء الأوروبية في اتجاه مماثل وخلقوا Robofly ^[20] (طائرة بدون طيار مصغرة) و Entomopter (طائرة بدون طيار يمكنها المشي والزحف والطيران). ^[21]
• يمكن لجهاز ميكانيكي مستوحى من علم الأحياء توليد البلازما في الماء عن طريق التجويف باستخدام مخلب الروبيان الدقيق الشكل. وقد وصف ذلك بالتفصيل شين تانج وديفيد ستاك في مقال نُشر في مجلة Science Advances . ^[22]

يشير مصطلح "البيونيكس" إلى تدفق المفاهيم من علم الأحياء إلى الهندسة والعكس صحيح. ومن ثم، هناك وجهتا نظر مختلفتان قليلاً فيما يتعلق بمعنى الكلمة.

في الطب، تعني التقنيات الحيوية استبدال أو تحسين الأعضاء أو أجزاء أخرى من الجسم بنسخ ميكانيكية. وتختلف الغرسات الحيوية عن الأطراف الاصطناعية البسيطة من خلال تقليد الوظيفة الأصلية عن كثب، أو حتى تجاوزها.

إن المصطلح الألماني المعادل للبيونيكس، وهو Bionik ، يلتزم دائمًا بالمعنى الأوسع، حيث يحاول تطوير حلول هندسية من نماذج بيولوجية. ويستمد هذا النهج دوافعه من حقيقة مفادها أن الحلول البيولوجية عادةً ما يتم تحسينها بواسطة قوى تطورية .

في حين أن التقنيات التي تجعل عمليات زرع الأعضاء الحيوية تتطور تدريجيًا، إلا أن هناك عددًا قليلًا من الأجهزة الحيوية الناجحة، ومن أشهرها قوقعة الأذن متعددة القنوات التي اخترعها الأستراليون (الأذن الحيوية)، وهي جهاز للأشخاص الصم . منذ اختراع الأذن الحيوية، ظهرت العديد من الأجهزة الحيوية ويتقدم العمل على حلول حيوية لاضطرابات حسية أخرى (مثل الرؤية والتوازن). وقد قدمت الأبحاث الحيوية مؤخرًا علاجات لمشاكل طبية مثل الحالات العصبية والنفسية، على سبيل المثال مرض باركنسون والصرع . ^[23]

في عام 1997، قام الباحث الكولومبي ألفارو ريوس بوفيدا بتطوير طرف اصطناعي لليد والطرف العلوي مزود بتغذية راجعة حسية . تسمح هذه التقنية للمرضى مبتوري الأطراف بالتعامل مع أنظمة اليد الاصطناعية بطريقة أكثر طبيعية. ^[24]

بحلول عام 2004، تم تطوير قلوب اصطناعية تعمل بكامل طاقتها . ومن المتوقع إحراز تقدم كبير مع ظهور تكنولوجيا النانو . ومن الأمثلة المعروفة على الأجهزة النانوية المقترحة خلية تنفسية ، وهي خلية حمراء اصطناعية صممها (رغم أنها لم تُبنَ بعد) روبرت فريتاس .

خلال السنوات الثماني التي قضاها في قسم الهندسة الحيوية بجامعة بنسلفانيا ، نجح كوابينا بوهن في تطوير شبكية عين من السيليكون قادرة على معالجة الصور بنفس الطريقة التي تعالج بها شبكية العين الحية. وقد أكد النتائج من خلال مقارنة الإشارات الكهربائية الصادرة عن شبكية عينه السيليكونية بالإشارات الكهربائية الصادرة عن عين السلمندر بينما كانت الشبكيتان تنظران إلى نفس الصورة.

في 21 يوليو 2015، أفاد مراسل بي بي سي الطبي فيرجوس والش ، "أجرى الجراحون في مانشستر أول عملية زرع عين صناعية لمريض يعاني من السبب الأكثر شيوعًا لفقدان البصر في العالم المتقدم. يعاني راي فلين، البالغ من العمر 80 عامًا، من الضمور البقعي المرتبط بالعمر الجاف والذي أدى إلى فقدانه الكامل للرؤية المركزية. إنه يستخدم زرعًا شبكيًا يحول صور الفيديو من كاميرا فيديو مصغرة يرتديها على نظارته. يمكنه الآن تحديد اتجاه الخطوط البيضاء على شاشة الكمبيوتر باستخدام زرع الشبكية." تم استخدام الغرسة، المعروفة باسم Argus II والتي تم تصنيعها في الولايات المتحدة بواسطة شركة Second Sight Medical Products ، في السابق في المرضى الذين أصيبوا بالعمى نتيجة لمرض العين التنكسي الوراثي النادر التهاب الشبكية الصباغي . ^[25]

في عام 2016، تم تزويد تيلي لوكي (من مواليد 7 أكتوبر 2005) بزوج من "أذرع البطل" الصناعية التي تصنعها شركة OpenBionics ، وهي شركة بريطانية تعمل في مجال الإلكترونيات الصناعية. ذراع البطل هي ذراع صناعية كهربائية خفيفة الوزن للبالغين والأطفال الذين يعانون من بتر أسفل الكوع والذين تتراوح أعمارهم بين ثماني سنوات وما فوق. تصف تيلي لوكي، التي بُترت ذراعيها في عمر 15 شهرًا بعد تشخيص إصابتها بسلالة الإنتان السحائي ب، ذراع البطل بأنها "واقعية حقًا، لدرجة أنه كان من المخيف مدى واقعيتها". ^[26]

في 17 فبراير 2020، أصبح دارين فولر، وهو من قدامى المحاربين، أول شخص يحصل على ذراع صناعية في ظل نظام الرعاية الصحية العامة. ^[27] فقد فولر الجزء السفلي من ذراعه اليمنى أثناء خدمته في أفغانستان خلال حادثة تضمنت ذخيرة الهاون في عام 2008.

المحاكاة الحيوية للأعمال هي أحدث التطورات في تطبيق المحاكاة الحيوية. على وجه التحديد، تطبق المبادئ والممارسات من الأنظمة البيولوجية إلى استراتيجية الأعمال، والعمليات، وتصميم المنظمة، والتفكير الاستراتيجي. وقد تم استخدامها بنجاح من قبل مجموعة من الصناعات في مجال السلع الاستهلاكية سريعة الاستهلاك ، والدفاع، والحكومة المركزية، والتعبئة والتغليف، وخدمات الأعمال. بناءً على العمل الذي قام به فيل ريتشاردسون في جامعة باث ^[28]، تم إطلاق النهج في مجلس اللوردات في مايو 2009.

بشكل عام، يتم استخدام القياسات الحيوية كتقنية إبداعية تدرس النماذج الأولية البيولوجية للحصول على أفكار للحلول الهندسية.

في الكيمياء، التركيب الحيوي هو تركيب كيميائي مستوحى من العمليات الكيميائية الحيوية .

يشير معنى آخر أحدث لمصطلح "البيونيكس" إلى دمج الكائن الحي والآلة. ويؤدي هذا النهج إلى نظام هجين يجمع بين الأجزاء البيولوجية والهندسية، والذي يمكن الإشارة إليه أيضًا باسم الكائن السيبراني ( سايبورغ ). وقد تم إثبات تحقيق ذلك عمليًا في تجارب كيفن وارويك على الزرع التي جلبت مدخلات الموجات فوق الصوتية عبر نظامه العصبي.

• المحاكاة الحيوية: ابتكار مستوحى من الطبيعة . 1997. جانين بينيوس .
• المحاكاة الحيوية للتحسين والتحكم والأتمتة ، دار سبرينغر للنشر، لندن، 2005، كيفن م. باسينو
• "أفكار مسروقة من الطبيعة" ( Wired )
• الإلكترونيات الحيوية والهندسة: أهمية علم الأحياء للهندسة، تم تقديمه في مؤتمر جمعية المهندسات ، سياتل، واشنطن، 1983، جيل إي. ستيل
• الإلكترونيات الحيوية: الطبيعة كنموذج . 1993. PRO FUTURA Verlag GmbH، ميونيخ، Umweltstiftung WWF Deutschland
• ليبوف إيه إن "أصول البيونيك الحديثة. التكوين الحيوي المورفولوجي في بيئة اصطناعية" بوليجنوسيس . رقم 1-2. 2010. الفصل 1-2. ص 126-136.
• ليبوف إيه إن "في أصول البيونيك الحديثة. التكوين الحيوي المورفولوجي في بيئة اصطناعية". بوليجنوسيس . رقم 3. 2010. الجزء 3. ص 80-91.

• بيونيك كوينزلاند
• مركز الهندسة المستوحاة من الطبيعة في جامعة لندن
• الروبوتات البيولوجية في جامعة تولسا أرشيف 20 ديسمبر 2018 على موقع واي باك مشين
• معهد وايس للهندسة المستوحاة من البيولوجيا
• معهد المحاكاة الحيوية
• مركز التصميم المستوحى من علم الأحياء
• مجموعة التصميم المستوحى من البيولوجيا في مختبر التصميم والذكاء، معهد جورجيا للتكنولوجيا
• مركز المواد المستوحاة من المواد البيولوجية وأنظمة المواد
• تطوير المنتجات المستوحاة من المواد البيولوجية في جامعة ماريلاند
• معهد المواد المستوحاة من المواد البيولوجية
• مركز أبحاث الروبوتات المستوحاة من البيولوجيا في جامعة كيس ويسترن ريزيرف
• معهد المواد المستوحاة من المواد البيولوجية
• الهندسة المستوحاة من الطبيعة في الجامعة التطبيقية في كوفشتاين، النمسا أرشيف 20 ديسمبر 2018 على موقع واي باك مشين
• مختبر الهندسة المستوحاة من الطبيعة في جامعة ولاية بنسلفانيا