바이오닉스라는 단어는 1960년 미국의 스틸이 라틴어 '바이오스'('생명체'를 의미)와 접미사 'nlc'('본성을 가진'을 의미)를 합쳐서 만든 단어입니다. ...... nature").
바이오닉스는 그리스어 바이오온('생명'을 의미)에 '공학'을 뜻하는 ics가 더해져 형성된 단어입니다. 이 단어는 1960년경부터 사용되기 시작했습니다. 생물학은 그 어떤 인공 기계보다 훨씬 뛰어나며, 바이오닉스는 생물학적 기능을 공학적으로 구현하고 효과적으로 적용하는 학문입니다. 예를 들어 정보 수신(감각 기능), 정보 전달(신경 기능), 자동 제어 시스템 등이 이에 해당합니다. 이 유기체의 구조와 기능은 많은 기계 설계에 영감을 주었습니다. 돌고래의 체형이나 피부 구조(헤엄칠 때 수면의 난기류를 방지)를 잠수함의 설계 원리에 적용하는 것 등이 생체공학의 예가 될 수 있습니다. 바이오닉스는 또한 생명 현상을 기계 원리와 비교하고 이를 연구하고 설명하는 데 중점을 두는 사이버네틱스와 밀접한 관련이 있는 학문으로 인식되고 있습니다.
파리는 모두가 싫어하는 세균을 옮기는 매개체입니다. 파리의 날개(밸런스 바라고도 함)는 "자연 항법장치"이며, 이를 모방하여 "진동 자이로스코프"를 만들었습니다. 이 기기는 현재 로켓과 고속 차량에서 자동 조종 장치를 만드는 데 사용됩니다. 파리의 눈은 3,000개 이상의 작은 눈으로 구성된 일종의 '복합 눈'입니다. 파리의 눈은 3,000개 이상의 작은 눈으로 구성된 '복합 눈'으로, 이를 모방하여 '파리 눈 렌즈'로 만들었습니다. '복합 눈 렌즈'는 수백, 수천 개의 작은 렌즈를 순서대로 배열한 것으로, 한 번에 수천 장의 동일한 사진을 찍을 수 있는 '복합 눈 카메라'를 만드는 렌즈로 사용할 수 있습니다. 이 카메라는 판을 인쇄하고 수많은 작은 회로인 전자 컴퓨터를 복사하는 데 사용되어 작업의 효율성과 품질을 크게 향상시켰습니다. "컴파운드 아이 렌즈"는 다양한 용도로 사용되는 새로운 유형의 광학 요소입니다.
자연에 존재하는 다양한 생물들의 독특한 기술은 무엇일까요? 그들의 기술은 인간에게 어떤 영감을 주었을까요? 인간은 이러한 기술을 모방하여 어떤 종류의 기계를 만들 수 있을까요? 새로운 과학인 바이오닉스를 소개합니다.
생물을 모방한 기술 장치를 만드는 과학인 바이오닉스는 지난 세기 중반에야 등장한 신생 과학입니다. 바이오닉스는 사물의 구조와 기능, 작동 원리를 연구하고 이러한 원리를 공학 기술에 접목하여 뛰어난 성능의 기구, 장치, 기계를 발명하고 새로운 기술을 창조합니다. 바이오닉스의 탄생과 발전부터 현재에 이르기까지 불과 수십 년 만에 이룬 연구 성과는 매우 놀랍습니다. 바이오닉스의 도입은 기술 발전의 독특한 길, 즉 생물학적 세계에서 청사진 도로를 열었고 사람들의 시야를 크게 넓혀 강력한 활력을 보여주었습니다.
[단락 편집] 인간 생체 공학은 오랜 역사를 가지고 있습니다.
고대부터 자연은 인간의 다양한 기술 아이디어, 공학 원리 및 주요 발명품의 원천입니다. 오랜 진화 과정을 거쳐 매우 다양한 생물군이 환경 변화에 적응하여 생존하고 발전할 수 있었습니다. 노동은 인간을 창조했습니다. 인간은 장기간의 생산 활동을 통해 신경계, 특히 뇌의 발달을 촉진했으며, 직립보행이 가능한 몸과 노동이 가능한 손, 감정과 생각을 전달할 수 있는 언어를 갖게 되었습니다. 그렇기 때문에 인간의 탁월한 능력과 지능은 생물학적 세계의 모든 집단을 훨씬 뛰어넘습니다. 인간은 영리하고 민첩한 손으로 노동하고 도구를 만들면서 자연계에서 더 큰 자유를 얻었습니다. 인간의 지능은 생물 세계를 관찰하고 이해하는 데 그치지 않고 인간 고유의 사고와 설계 능력을 활용해 생물을 모방하고 창의적인 노동을 통해 기술을 향상시킵니다. 물고기는 물속을 마음대로 왔다 갔다 할 수 있기 때문에 사람들은 물고기의 지느러미를 모방한 나무 노를 사용하여 물고기 모양을 모방하여 배를 만들었습니다. 전설에 따르면 고대 중국의 노동자들은 일찍이 다유 시대에 물고기가 꼬리를 흔들며 물속을 헤엄치고 도는 모습을 관찰하고 배의 선미에 나무 노를 달았다고 합니다. 반복적인 관찰과 모방, 연습을 통해 점차 노와 방향타로 바꾸고 배의 힘을 키우고 배를 돌리는 방법을 터득했습니다. 이런 식으로 사람들은 굽이치는 강에서도 배를 자유롭게 항해할 수 있었습니다.
새는 날개를 펴고 하늘을 자유롭게 날 수 있었습니다. 한비자에 따르면 루반은 대나무로 새를 만들어 "사흘도 채 되지 않아 성공적으로 날았다"고 합니다. 하지만 사람들은 새의 날개를 모방하여 스스로 하늘을 날아다니는 것을 선호합니다. 400여 년 전 이탈리아의 레오나르도 다빈치와 그의 조수들은 새를 조심스럽게 해부하고 신체 구조를 연구하며 새의 비행을 주의 깊게 관찰했습니다. 그 결과 세계 최초의 인공 비행기인 날개 달린 비행기를 설계하고 제작했습니다.
생물의 구조와 기능을 모방하려는 이러한 발명과 시도는 인간 생체공학의 선구자이자 생체공학의 시초라고 할 수 있습니다.
[편집]생각을 자극하는 대조
인간의 생체 공학은 이미 초기 단계에 있었지만, 사람들은 1940년대까지 생물학을 디자인 아이디어와 발명의 원천으로 의식적으로 사용하지 않았습니다. 과학자들은 생물학을 생물체의 섬세한 구조와 완벽한 기능을 설명하는 정도까지만 연구했습니다. 그리고 엔지니어와 기술자들은 자신의 뛰어난 지능과 노력, 수작업 발명에 더 의존했습니다. 그들은 의식적으로 생물학을 연구하는 경우는 거의 없었습니다. 그러나 다음 사실은 사람들이 직면 한 기술적 문제 중 일부가 수백만 년 전에 생물학적 세계에 나타 났으며 진화 과정에서 해결되었음을 보여줄 수 있습니다. 그러나 인류는 생물학에서 필요한 만큼 많은 것을 배우지 못했습니다.
제1차 세계대전 중 잠수함은 배를 수중에서 유지하기 위해 군사적 필요에 의해 만들어졌습니다. 엔지니어들은 잠수함을 가라앉히기 위해 먼저 바위나 납을 얹어 잠수함을 설계했습니다. 잠수함이 수면 위로 올라와야 하는 경우에는 가지고 있던 돌이나 납 블록을 버려서 선체를 수면 위로 다시 올렸습니다. 이후 플로트 탱크를 번갈아 채우고 빼는 방식으로 잠수함의 무게를 변화시키는 방식으로 개선되었습니다. 이후에는 탱크 상부에 배기 밸브가 있고 하부에 물 채우기 밸브가 있는 밸러스트 탱크로 변경되었습니다. 탱크에 바닷물을 채우면 선체의 무게가 증가하여 잠수할 수 있게 되었습니다. 비상시 다이빙이 필요한 경우 극고속 다이빙 칸도 있습니다. 선체가 잠수된 후 스피드 다이빙 칸의 해수가 배출됩니다. 밸러스트 탱크의 한 부분이 물로 채워져 있고 다른 부분이 비어 있으면 잠수함은 반잠수 상태가 될 수 있습니다. 잠수함을 띄우려면 압축 공기를 탱크에 넣어 바닷물을 배출하고, 배 안의 바닷물 무게를 줄여 잠수함이 뜨도록 합니다. 이러한 우수한 메커니즘을 통해 잠수함의 자유로운 가라앉음과 뜨는 것이 실현되었습니다. 그러나 나중에 물고기의 기복 시스템은 발명된 것보다 훨씬 더 단순한 것으로, 물고기의 기복 시스템은 부풀려진 수영 방광에 불과하다는 것이 밝혀졌습니다. 근육에 의해 제어되는 대신, 수영 방광은 산소를 방광으로 분비하거나 수영 방광에서 산소의 일부를 재흡수하여 물고기가 자유롭게 가라앉도록 촉진함으로써 수영 방광의 가스 함량을 조절합니다. 그러나 물고기가 가라앉고 뜨는 이러한 독창적인 시스템은 잠수함 설계자들에게 영감을 주고 도움을 주기에는 너무 늦었습니다.
소리는 사람들의 삶에서 없어서는 안 될 요소입니다. 언어를 통해 사람들은 생각과 감정을 교환하고, 아름다운 음악은 사람들이 예술을 즐기게 하며, 엔지니어와 기술자들도 가장 중요한 정보 중 하나로 음향 시스템을 산업 생산과 군사 기술에 적용합니다. 잠수함이 도입된 이후 잠수함은 수상함과 함께 잠입 공격을 막기 위해 잠수함의 위치를 찾는 방법, 잠수함은 물속에 가라앉지만 공격을 용이하게 하기 위해 적함의 위치와 거리를 정확하게 파악해야 합니다. 따라서 1차 세계대전 중에는 바다와 수중, 그리고 수중에서 벌어지는 양측의 전투에서 다양한 수단이 사용되었습니다. 해군 엔지니어들도 음향 시스템을 정찰의 중요한 수단으로 사용했습니다. 먼저, 소음 방향 탐지기로도 알려진 하이드로폰은 항해 중에 발생하는 소음을 청취하여 적 함선을 탐지하는 데 사용되었습니다. 적 함선이 주변 해역을 항해할 때마다 기계와 프로펠러에서 소음이 발생하고, 이 소음이 하이드로폰을 통해 들리면 적을 제때 탐지할 수 있었습니다. 하지만 당시에는 하이드로폰이 완벽하지 않았고, 일반적으로 아군 함선의 소음만 들을 수 있었습니다. 적 함선의 소리를 들으려면 함선의 속도를 늦추거나 잠수함의 소음을 구별하기 위해 완전히 멈춰야 하는데, 이는 전투 작전에 도움이 되지 않습니다. 얼마 지나지 않아 프랑스 과학자 란츠완(1872~1946)은 초음파 반사의 특성을 이용해 수중 선박 탐사에 성공했습니다. 초음파 발생기를 사용하여 초음파를 물속으로 방출하고, 목표물을 만나면 반사되어 수신기가 이를 포착하는 방식이었습니다. 수신된 반향의 시간 간격과 방향에 따라 목표물의 방향과 거리를 측정할 수 있는데, 이를 소나 시스템이라고 합니다. 인공 소나 시스템의 발명과 적 잠수함 탐지에 대한 놀라운 성과는 사람들을 놀라게 했습니다. 박쥐와 돌고래는 인간이 지구에 나타나기 훨씬 전부터 반향 위치 소나 시스템을 자유롭게 사용하고 있었다는 사실은 잘 알려져 있지 않나요?
생물들은 오랫동안 소리로 둘러싸인 자연 속에서 살아왔습니다. 동물들은 소리를 이용해 먹이를 찾고, 적으로부터 숨고, 짝짓기와 번식을 합니다. 따라서 소리는 생명체에게 중요한 정보입니다. 이탈리아 과학자 스팔랑쥬는 박쥐가 장애물을 피할 뿐만 아니라 날아다니는 곤충을 사냥하기 위해 완전한 어둠 속에서도 마음대로 날 수 있다는 사실을 오래 전에 발견했습니다. 하지만 귀를 막고 입을 봉한 박쥐는 어둠 속에서는 움직일 수 없었습니다. 이러한 사실에 직면한 스팔랑저는 박쥐는 귀와 입으로 '볼 수 있다'는 용납할 수 없는 결론을 내렸습니다. 박쥐는 입에서 초음파를 방출하여 장애물에서 반사된 초음파를 귀로 수신할 수 있었습니다. 제1차 세계대전이 끝난 후 1920년, 하테이는 박쥐가 사람의 귀가 들을 수 있는 범위를 넘어서는 주파수의 소리 신호를 방출한다고 주장했습니다. 또한 박쥐는 1차 세계대전 당시 론 완지가 발명한 초음파 에코 방법과 같은 방식으로 목표물을 찾아낸다는 사실에 주목했습니다. 안타깝게도 하테이의 힌트는 진지하게 받아들여지지 않았고, 엔지니어들은 박쥐가 '에코 로케이션' 기술을 보유하고 있다는 사실을 믿지 못했습니다. 1983년 전자 측정기가 도입되고 나서야 박쥐가 초음파를 방출하여 자신의 위치를 찾는다는 사실이 완전히 확인되었습니다. 그러나 이것은 레이더와 소나의 초기 발명에 더 이상 도움이 되지 못했습니다.
그런 다음에는 사람들이 곤충의 행동을 연구하기에는 너무 늦었습니다. 레오나르도 다빈치가 새의 비행을 연구하고 최초의 비행기를 만든 지 400년이 지난 1903년, 마침내 사람들이 비행기를 발명하여 하늘을 나는 꿈을 현실로 만들기까지는 오랜 기간의 반복적인 연습이 필요했습니다. 지속적인 개선의 결과, 30년 후 인간의 비행기는 속도와 고도, 비행 거리에서 새를 능가하며 인간의 독창성과 재능을 입증했습니다. 그러나 더 빠르고 더 높은 비행 기계를 계속 개발하는 과정에서 설계자들은 기체 역학에서 발생하는 플러터 현상이라는 또 다른 난관에 부딪혔습니다. 비행기가 비행 중일 때 날개는 해로운 방식으로 진동합니다. 비행 속도가 빠를수록 날개가 부러질 정도로 날개의 펄럭임이 강해져 항공기가 추락하고 많은 시험 조종사가 목숨을 잃었습니다. 항공기 설계자들은 유해한 플러터 현상을 없애기 위해 많은 노력을 기울였고 이 문제에 대한 해결책을 찾는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 날개 앞쪽 가장자리의 먼 쪽에 가중 장치를 배치하여 유해한 진동을 제거했습니다. 하지만 곤충도 3억 년 동안 공중을 날아다녔기 때문에 펄럭임의 유해한 영향에서 예외는 아닙니다. 오랜 진화를 통해 곤충은 떨림을 방지하는 방법을 성공적으로 습득했습니다. 잠자리 날개를 연구하면서 생물학자들은 각 날개의 앞쪽 가장자리 위에 날개 눈 또는 날개 두더지라고 불리는 짙은 색의 각질이 두꺼워진 부분이 있다는 사실을 발견했습니다. 윙아이가 제거되면 비행이 불안정해집니다. 실험 결과 잠자리가 날아갈 때 날개가 펄럭이는 위험을 없애는 것이 날개눈의 각질 조직이라는 것이 디자이너의 뛰어난 발명품처럼 증명되었습니다. 디자이너가 곤충으로부터 날개눈의 기능을 먼저 배워 펄럭임을 방지하는 디자인 아이디어를 얻었다면 오랜 시간 동안의 탐험과 인간의 희생을 피할 수 있었을 것입니다. 잠자리 날개의 시선과 마주한 항공기 디자이너는 눈을 마주치는 감각을 갖게 됩니다!
이 세 가지 사례는 생각을 자극하고 영감을 줍니다. 지구상에 인류가 출현하기 이전부터 모든 종류의 유기체는 수억 년 동안 자연 속에서 살아왔으며, 생존을 위한 투쟁의 장기적인 진화 과정에서 자연에 적응하는 능력을 습득해 왔습니다. 생물학적 연구에 따르면 진화 과정에서 매우 정밀하고 잘 발달된 메커니즘을 통해 내부 및 외부 환경의 변화에 적응할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 생물학에는 많은 유익한 기술이 있습니다. 예를 들어 생합성, 에너지 변환, 정보 수신 및 전송, 외부 세계 인식, 탐색, 지시된 계산 및 체내 합성 등이 있습니다. 기계가 따라올 수 없는 많은 장점을 보여줍니다. 생물학적으로 작고, 민감하고, 빠르고, 효율적이고, 신뢰할 수 있고, 간섭을 받지 않으며, 정말 놀랍습니다.
[이 내용 수정]생물학과 기술의 가교
1782년 제임스 와트(1736~1819)가 증기기관을 발명한 이후 인류는 생산을 위한 투쟁에서 막대한 힘을 얻었습니다. 기본적으로 에너지 변환, 제어 및 활용 문제를 해결한 산업 기술은 1차 산업혁명을 촉발했고, 온갖 종류의 기계가 등장했습니다. 산업 기술의 발전은 사람들의 체력을 크게 확장하고 강화하여 무거운 육체 노동에서 해방시켰습니다. 과학 기술의 발달로 사람들은 증기기관 이후 전기 시대를 거쳐 자동화 시대를 경험했습니다.
1940년대 전자 컴퓨터의 등장은 인류 과학 기술의 보물창고에 귀중한 자산을 추가했습니다. 수만 가지 유형의 정보를 안정적이고 효율적인 기술로 처리할 수 있게 되면서 사람들은 숫자와 정보의 바다에서 벗어날 수 있었습니다. 컴퓨터와 자동화 장비의 사용으로 사람들은 복잡한 생산 절차를 적은 노력으로 쉽게 처리할 수 있게 되었습니다. 이들은 제품 사양이 정확하도록 생산 절차를 정밀하게 조정하고 제어합니다. 그러나 자동화 제어 장치는 사람이 설정한 정해진 절차에 따라 작동하기 때문에 제어 능력이 매우 제한적입니다. 자동화 장치는 외부 환경을 분석하고 유연하게 대응할 수 있는 능력이 부족합니다. 예기치 못한 상황이 발생하면 자동 장치가 작동을 멈추거나 사고가 발생할 수 있으며, 이는 자동 장치 자체의 심각한 단점입니다. 이러한 단점을 극복하는 유일한 방법은 기계의 다양한 부분과 기계와 환경 간의 "통신", 즉 자동 제어 장치가 내부 및 외부 환경의 변화에 적응할 수 있는 능력을 갖추는 것입니다. 이 문제에 대한 해결책은 정보를 수신하고 변환하는 방법에 대한 공학적 문제입니다. 정보 사용 및 제어의 문제. 따라서 정보의 사용과 제어는 산업 기술 발전의 주요 모순이되었습니다. 이 모순을 어떻게 해결할 수 있을까요? 생물학적 세계는 인류에게 유용한 통찰력을 제공했습니다.
생물학적 시스템에서 통찰력을 얻기 위해 인류는 먼저 생물학적 장치와 기술적 장치 사이에 * * * 동일한 특성이 있는지 조사해야 합니다. 1940년 유기체와 기계를 일반적인 의미에서 비교하는 조건화 이론이 등장했습니다. 1944년, 과학자들은 기계와 유기체가 통신, 자동 제어, 통계적 역학 등 다양한 문제에서 일치한다는 사실이 분명해졌습니다. 이러한 이해를 바탕으로 1947년 사이버네틱스라는 새로운 학문이 탄생했습니다.
사이버네틱스는 "돌리다"라는 뜻의 그리스어에서 유래했습니다. 사이버네틱스의 창시자 중 한 명인 노버트 위너(1894~1964)의 정의에 따르면 사이버네틱스는 "동물과 기계의 제어 및 통신에 관한 과학"입니다. 이 정의는 너무 단순해서 사이버네틱스에 대한 Wiener의 고전적 저작의 부제가 되기에는 부족하지만, 생물과 기계에 대한 이해와 직접적으로 연결됩니다.
사이버네틱스의 기본 관점은 동물(특히 인간)과 기계(통신, 제어, 계산을 위한 모든 종류의 자동화 장치 포함) 사이에는 일정한 * * * 신체가 있으며, 즉 제어 시스템에는 일정한 * * * 동일한 법칙이 존재한다는 것입니다. 사이버네틱스 연구에 따르면 다양한 제어 시스템의 제어 프로세스에는 정보 전송, 변환 및 처리가 포함됩니다. 제어 시스템의 정상적인 작동은 정상적인 정보 전송 프로세스에 따라 달라집니다. 소위 제어 시스템은 제어 대상과 다양한 제어 요소, 구성 요소 및 회로가 특정 제어 기능을 가진 전체로 유기적으로 결합 된 것을 말합니다. 정보의 관점에서 볼 때 제어 시스템은 정보 채널의 네트워크 또는 시스템입니다. 살아있는 유기체의 기계와 제어 시스템 사이에는 많은 유사점이 있기 때문에 생물학적 자동화 시스템에 큰 관심이 있으며, 생물학적 시스템을 더 연구하기 위해 물리적, 수학적, 심지어 기술적 모델을 사용합니다. 그 결과 제어 이론은 생물학과 공학 기술을 연결하는 이론적 기반이 되었습니다. 제어 이론은 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이의 가교가 되었습니다.
생물과 기계 사이에는 분명한 유사성이 있으며, 이는 다양한 수준의 생물을 연구할 때 확인할 수 있습니다. 단순한 단일 세포부터 복잡한 기관 시스템(예: 신경계)에 이르기까지 다양한 생리적 과정이 조절되고 자동화되어 있습니다. 유기체는 외부 환경에 적응하고 스스로 번식하는 능력이 있다는 점에서 다른 기계와는 다른 특별한 능력을 가진 기계로 생각할 수 있습니다. 유기체는 모든 기능이 역학 법칙을 따르고, 다양한 구조가 조화롭게 작동하며, 특정 신호와 자극에 정량적으로 반응할 수 있고, 자동 제어와 같은 특별한 피드백 연결 조직을 통해 자율 조절 방식으로 자기 조절이 가능한 자동화된 공장에 비유할 수도 있습니다. 예를 들어, 우리 몸의 일정한 체온, 정상 혈압, 정상 혈당 농도는 우리 몸의 복잡한 자기 조절 시스템이 조절하는 결과입니다. 생물학적 시스템과 기술 시스템 사이의 간극을 메우는 사이버네틱스의 출현과 발전으로 많은 엔지니어들이 생물학적 시스템에서 새로운 설계 아이디어와 원리를 의식적으로 추구하게 되었습니다. 따라서 엔지니어들이 공학 및 기술 분야의 생물학자와 함께 성과를 내기 위해 생물 과학에 대해 주도적으로 학습하는 경향이 있습니다.
[편집]바이오닉스의 탄생
생산의 필요성과 과학 기술의 발전에 따라 1950년대 이후 사람들은 생물학적 시스템이 새로운 기술을 여는 주요 방법 중 하나임을 인식하고 생물학적 세계를 다양한 기술 아이디어, 설계 원리 및 발명의 원천으로 의식적으로 사용했습니다. 화학적, 물리적, 수학적, 기술적 모델링을 이용한 생물학적 시스템에 대한 심도 있는 연구는 생물학의 큰 발전에 기여했으며, 그 결과 생물체의 기능 메커니즘 연구에 급속한 진전을 이루었습니다. 이 시점에서 모델링된 유기체는 더 이상 매혹적인 환상이 아니라 달성 가능한 사실이 되었습니다. 생물학자와 엔지니어는 적극적으로 협력하고 생물학에서 얻은 지식을 사용하여 오래된 장치를 개선하거나 새로운 엔지니어링 장치를 만들기 시작했습니다. 생물학은 자동화, 항공, 항법 등 군사 분야에서 먼저 성공을 거두면서 모든 분야에서 기술 혁신과 혁명의 대열에 합류하기 시작했습니다. 그 결과 생물학과 공학 및 기술 분야가 서로 결합하고 상호 침투하여 새로운 과학인 바이오닉스가 탄생했습니다.
1960년 9월, 독립적인 학문으로서의 바이오닉스가 공식적으로 탄생했습니다. 미 공군 항공국이 오하이오 주 데이턴 공군 기지에서 첫 번째 생체 공학 컨퍼런스를 개최했습니다. 컨퍼런스의 중심 주제는 "생물학적 시스템 분석에서 도출된 개념을 인공 정보 처리 시스템 설계에 적용할 수 있는가?"였습니다. 스틸은 이 새로운 과학을 생명 시스템의 기능에 대한 과학을 의미하는 그리스어인 "바이오닉스"라고 명명했고, 1963년 중국은 "바이오닉스"를 "생체공학"으로 번역했습니다. 1963년 중국은 "바이오닉스"를 "생체 공학"으로 번역했습니다. 스틸은 바이오닉스를 "생물학적 원리를 모방한 기술 시스템을 구축하거나 인공 기술 시스템이 생물학적 특성을 갖거나 유사하게 만드는 과학"으로 정의합니다. 간단히 말해, 바이오닉스는 생물을 모방하는 과학입니다. 정확히 말하면 바이오닉스는 생물학적 시스템의 구조, 특성, 기능, 에너지 변환, 정보 제어 등과 같은 다양하고 우수한 특성을 연구하고 이를 기술 시스템에 적용하는 종합적인 과학입니다. 이를 기술 시스템에 적용하여 기존 기술 공학 장비를 개선하고 공정, 건물 구성 및 자동화 장비와 같은 새로운 기술 시스템을 만듭니다. 생물학적 관점에서 바이오닉스는 "응용 생물학"의 한 분야에 속하며, 엔지니어링 기술의 관점에서 바이오닉스는 생물학적 시스템 연구를 기반으로 새로운 기술 장비의 설계 및 건설에 새로운 원리, 새로운 방법 및 새로운 접근 방식을 제공합니다. 바이오닉스의 영광스러운 사명은 인류의 이익을 위해 생물학적 시스템에 가까운 가장 안정적이고 유연하며 효율적이고 경제적인 기술 시스템을 인류에게 제공하는 것입니다.
[편집]바이오닉스의 연구 방법과 내용
바이오닉스는 생물학, 수학, 공학 기술을 결합한 신흥 변방 과학입니다. 첫 번째 바이오닉스 학회에서는 바이오닉스를 상징하는 흥미롭고 선명한 심볼로 메스와 납땜 인두가 '통합'된 거대한 전체 심볼을 설정했습니다. 이 상징의 의미는 바이오닉스의 구성을 나타낼 뿐만 아니라 바이오닉스의 연구 방향을 요약합니다.
바이오닉스의 임무는 생물학적 시스템의 우수한 능력과 원리를 연구하고 이를 모델링한 다음 이러한 원리를 새로운 기술 장치의 설계 및 제조에 적용하는 것입니다.
바이오닉스의 주요 연구 방법은 모델을 제안하고 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 연구 절차는 크게 다음 세 단계로 나뉩니다.
첫 번째는 생물학적 프로토타입을 연구하는 단계입니다. 생산 관행에서 제기 한 특정 문제에 따라 연구에서 얻은 생물학적 데이터는 단순화되고 콘텐츠의 기술적 요구 사항에 유리하게 흡수되고 생산의 기술적 요구 사항과 관련이없는 요소를 배제하여 생물학적 모델을 얻습니다. 두 번째 단계는 수학적 분석의 생물학적 모델이 제공하는 데이터, 수학적 언어와 본질적인 연결을 추상화하여 생물학적 모델 "번역"이 될 것입니다. 두 번째 단계는 생물학적 모델이 제공하는 데이터를 수학적으로 분석하고, 그 본질적인 연결을 추상화하고, 수학적 언어를 사용하여 생물학적 모델을 특정 의미를 가진 수학적 모델로 "번역"하는 것입니다. 물론 생체 모방 과정에서 단순한 생체 모방뿐만 아니라 더 중요한 것은 생체 모방에 혁신이 있다는 것입니다. 반복적인 연습과 이해-실습을 통해 시뮬레이션은 점점 더 생산의 요구를 충족시킬 수 있게 되었습니다. 이 시뮬레이션의 결과는 최종 기계 장치가 생물학적 프로토타입과 다르며 어떤 면에서는 생물학적 프로토타입의 기능을 뛰어넘는다는 것입니다. 예를 들어, 비행기는 이제 여러 면에서 새의 비행 능력을 능가하고, 전자 컴퓨터는 인간의 컴퓨팅 능력보다 복잡한 계산에서 더 빠르고 안정적입니다.
바이오닉스의 기본 연구 방법론은 생물학적 연구, 즉 전체론적 연구에서 두드러진 특징입니다. 전체론적 관점에서 바이오닉스는 생물을 내부 및 외부 환경을 연결하고 제어할 수 있는 복잡한 시스템으로 간주합니다. 복잡한 시스템의 각 부분 간의 상호 관계와 시스템 전체의 행동 및 상태를 연구하는 것이 바이오닉스의 임무입니다. 유기체의 기본 특성은 외부 세계와 분리될 수 없는 자기 재생과 자기 복제입니다. 유기체는 환경으로부터 물질과 에너지를 얻어야만 성장하고 번식할 수 있으며, 환경으로부터 정보를 받아 이를 지속적으로 조정하고 종합해야만 적응하고 진화할 수 있습니다. 유기체는 오랜 진화를 통해 구조와 기능의 통일성, 부분과 전체의 조화와 통합을 이룰 수 있었습니다. 바이오닉스는 시뮬레이션을 수행하기 위해 물체와 외부 자극(입력 정보) 사이의 양적 관계, 즉 정량적 관계의 통일성에 초점을 맞춰 연구해야 합니다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 부분적인 방법으로는 만족스러운 결과를 얻을 수 없습니다. 따라서 생체공학의 연구 방법은 전체에 초점을 맞춰야 합니다.
바이오닉스의 연구 내용은 매우 다채롭습니다. 생물학적 세계 자체에는 수천 종의 생물이 존재하며, 다양한 산업 분야에서 연구할 수 있는 다양하고 우수한 구조와 기능을 가지고 있기 때문입니다. 바이오닉스가 도입된 이후 20년 동안 바이오닉스 연구는 급속도로 발전하고 결실을 맺었습니다. 연구 범위에는 전자 생체 공학, 기계 생체 공학, 건축 생체 공학, 화학 생체 공학 등이 포함될 수 있습니다. 현대 공학 기술의 발전과 함께 많은 학문 분야가 생겨났고, 이에 따른 테크노 바이오닉 연구도 바이오닉스 분야에서 수행되었습니다. 예를 들어, 수생 동물의 움직임 유체역학 연구의 항해 분야, 조류 및 곤충의 비행, 동물의 위치 및 항법 시뮬레이션의 항공 분야, 생체 역학 시뮬레이션의 엔지니어링 및 건설 분야, 인간의 신경 세포, 감각 궁전, 신경망 시뮬레이션의 무선 기술 분야, 뇌 시뮬레이션 및 인공 지능 연구에 대한 컴퓨터 기술 분야가 있습니다. 첫 번째 바이오닉스 컨퍼런스에서 제기된 대표적인 주제는 인공 뉴런의 특성, 생물학적 컴퓨터 설계 문제, 기계로 이미지 인식, 기계 학습 등입니다. e-바이오닉스에 대한 연구가 광범위하다는 것은 분명합니다. 바이오닉스의 대부분의 연구 주제는 동물의 감각 기관, 뉴런, 신경계의 전반적인 기능 등 세 가지 생물학적 프로토타입에 초점을 맞추고 있습니다. 향후에는 메카노 바이오닉스와 케모 바이오닉스에 대한 연구도 진행 중입니다. 최근에는 휴먼 바이오닉스, 분자 바이오닉스, 우주 바이오닉스와 같은 새로운 분야가 등장했습니다.
요컨대, 바이오닉스 연구는 분자 바이오닉스부터 거시적인 우주 바이오닉스까지 더 넓은 범위의 내용을 포함합니다. 오늘날의 과학 기술은 다양한 자연 과학이 고도로 통합되고 교차하며 침투하는 새로운 시대를 맞이하고 있습니다. 바이오닉스는 시뮬레이션을 통해 생명에 대한 연구와 실습을 결합하는 동시에 생물학의 발전을 크게 촉진합니다. 다른 학문의 침투와 영향을 받아 생물 과학의 연구 방법은 근본적인 변화를 겪었으며 내용도 설명 및 분석 수준에서 정확성과 정량화 방향으로 심화되었습니다. 생물 과학의 발전은 바이오닉스를 다양한 자연 과학과 기술 과학에 귀중한 정보와 풍부한 영양을 전달하는 통로로 삼아 과학의 발전을 가속화합니다. 따라서 바이오닉스의 과학 연구는 무한한 활력을 보여주고 있으며 그 발전과 성과는 전 세계의 과학 기술 발전 촉진에 큰 기여를 할 것입니다.
[문단 편집]바이오닉스의 연구 범위
바이오닉스의 연구 범위는 주로 기계 바이오닉스, 분자 바이오닉스, 에너지 바이오닉스, 정보 및 제어 바이오닉스 등을 포함합니다.
기계적 생체 공학은 유기체의 일반적인 구조와 미세 구조의 정적 특성뿐만 아니라 유기체의 다양한 구성 요소의 상대적 움직임과 환경에서의 유기체 움직임의 동적 특성을 연구하고 모방하는 것입니다. 예를 들어, 조개껍데기를 모방하여 건축된 대경간 얇은 껍질 건물과 대퇴골 구조를 모방하여 건축된 기둥은 특히 응력이 집중되는 부분을 제거할 뿐만 아니라 최소한의 건축 재료로 최대 하중을 견딜 수 있습니다. 돌고래 피부 홈 구조의 군사적 모방, 선박 선체에 인공 돌고래 피부 주머니를 적용하면 항해 흐름을 줄이고 속도를 높일 수 있습니다.
분자 생체 공학은 살아있는 유기체에서 효소의 촉매 효과, 생물학적 막의 선택적 및 투과적 특성, 생물학적 거대 분자 또는 그 유사체의 분석 및 합성에 대한 연구 및 시뮬레이션입니다. 예를 들어 산림 해충인 춤추는 나방의 성페로몬의 화학 구조를 이해한 후 100만분의 1 마이크로그램의 용량으로 수컷 곤충을 포획해 죽일 수 있는 유사 유기 화합물을 합성했으며, 에너지 바이오닉스는 생체 전기 기관의 생물 발광, 근육에 의한 화학 에너지의 기계적 에너지 직접 변환 등 생물의 에너지 변환 과정을 연구하고 모방하는 학문입니다
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◇정보 및 제어 바이오닉스는 감각 기관, 뉴런, 신경망과 같은 유기체의 정보 처리 과정과 상위 센터의 지능적 활동을 연구하고 시뮬레이션하는 분야입니다. 예를 들어 바구미의 광운동 반응에 기반한 '자동 상관관계 타키미터'는 비행기의 착륙 속도를 측정할 수 있습니다. 투구게의 복잡한 측면 억제 네트워크의 작동 원리를 기반으로 이미지의 윤곽과 대비를 향상시켜 흐릿한 물체를 쉽게 감지할 수 있는 여러 장치가 성공적으로 개발되었습니다. 100개 이상의 뉴런 모델이 구축되었고 이를 기반으로 새로운 컴퓨터가 구축되었습니다.
인간의 학습 과정을 모방하여 '퍼셉트론'이라는 기계를 만들어 구성 요소 간의 연결 가중치를 학습하고 변경하여 패턴 인식을 달성합니다. 또한 항상성, 운동 제어, 동물의 위치 파악 및 탐색, 인간-기계 시스템의 생체 공학 등 생물학적 시스템의 제어 메커니즘을 연구하고 시뮬레이션합니다.
일부 문헌에서는 분자 바이오닉스와 에너지 바이오닉스 분야를 화학 바이오닉스라고 하고, 정보 및 제어 바이오닉스 분야를 신경 바이오닉스라고 합니다.
바이오닉스의 범위는 광범위하며 정보 및 제어 바이오닉스가 주요 분야입니다. 이는 부분적으로는 자동화가 지능형 제어로 발전했기 때문이고, 부분적으로는 생물 과학이 뇌 연구가 신경 과학의 가장 큰 도전이 될 정도로 단계에 이르렀기 때문입니다. 생물학적 패턴 인식 연구, 뇌의 학습, 기억 및 사고 과정의 연구 및 시뮬레이션, 살아있는 유기체의 제어 신뢰성 및 조정 등 인공지능 및 지능형 로봇 연구의 생체 공학적인 측면은 인공지능과 지능형 로봇 연구의 주요 측면입니다. -바이오닉스 연구의 주요 측면입니다.
제어 및 정보 바이오닉스와 바이오사이버네틱스는 밀접한 관련이 있습니다. 둘 다 생물학적 시스템의 제어 및 정보 프로세스를 연구하며 생물학적 시스템의 모델을 사용합니다. 그러나 전자는 주로 실용적인 인공 하드웨어 시스템을 구축하는 것을 목표로 하는 반면, 바이오사이버네틱스는 사이버네틱스의 일반 원리와 기술 과학 이론에서 생물학적 행동에 대한 설명을 찾습니다.
유추, 시뮬레이션 및 모델링 방법을 광범위하게 사용하는 것은 바이오닉 연구 접근법의 두드러진 특징입니다. 모든 세부 사항을 직접 복제하기보다는 생물학적 시스템이 특정 기능을 달성하기 위해 어떻게 작동하는지 이해하는 데 중점을 둡니다. 일반적으로 바이오닉 연구에는 생물학적 프로토타입, 수학적 모델, 하드웨어 모델이라는 세 가지 측면이 관련되어 있다고 알려져 있습니다. 전자는 기초이고 후자는 목표이며 수학적 모델은 둘 사이의 필수적인 다리 역할을 합니다.
생물학적 시스템의 복잡성 때문에 생물학적 시스템의 메커니즘을 파악하려면 긴 연구 주기가 필요하고 여러 분야와의 긴밀한 협력을 통해 실제 문제를 해결하는 데 오랜 시간이 걸리며, 이는 바이오닉스의 발전 속도를 제한하는 주요 원인입니다.
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