BIONIKA

BIONIKA Janez Škrlec

Ljubljana, 2022

Naslov:

Bionika

Avtor:

Janez Škrlec

Izdajatelj in založnik:

PROFIDTP d.o.o., Škofljica

Oblikovanje ovitka:

Zlatko Levačič s.p., Škofljica

Priprava za tisk:

Boštjan Čadej

Tisk:

Camera d.o.o., Ljubljana

Naklada:

100 kosov

Maloprodajna cena:

24,90 eur

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 573.6:62 ŠKRLEC, Janez Bionika / Janez Škrlec. - Škofljica : Profidtp, 2022 ISBN 978-961-95800-1-1 COBISS.SI-ID 115670787

© PROFIDTP d.o.o., Škofljica To delo je avtorsko. Vse pravice so pridržane, v delih, odlomkih, poglavjih ali celoti, tako za kopiranje, prevajanje, uporabo ilustracij, predvajanje, reprodukcijo na mikrofilm ali drugih tehnikah za arhiviranje v različnih računalniških tehnikah (analogno ali digitalno). Kopiranje tega dela v celoti, posameznih poglavij, odlomkih ali delih so dovoljena v skladu z zakonom izključno z dovoljenjem avtorja knjige. Neupoštevanje zgoraj omenjenih zahtev bo izdajatelj knjige uveljavljal preko sodišča.

[ II ]

Predgovor Bionika je osupljiva in vznemirljiva veda, ki skuša rešiti tehnične probleme in izzive z izkoriščanjem znanja narave in biologije. Danes je »bionika« dobro znana beseda, problem pa je v tem, da še obstajajo različne definicije bionike, npr. (Lindemann, U.; Gramann, J. // 2004 Nowadays »bionics« is a well known word, the problem is that there are different definitions of bionics). Bionika, znana tudi kot biomimikrija, biomimetika, se ukvarja s prenosom pojavov iz narave v tehnologijo. Čeprav bionika ni od danes, je za ta čas, v katerem živimo, izjemnega pomena. Še zlasti je pomembna za našo prihodnost. Bionika temelji na predpostavki, da živa narava z evolucijskimi procesi razvija optimizirane strukture in procese, iz katerih se lahko ljudje učinkovito učijo. Bionika kot interdisciplinarno raziskovalno področje privablja znanstvenike, inženirje, arhitekte, filozofe in oblikovalce. Bionika se ukvarja s sistematičnim prepoznavanjem rešitev žive narave in njihov cilj je vedno tehnični objekt ali proces, ločen od narave. To razlikuje bioniko od drugih podobnih znanosti, ki sicer uporabljajo in širijo biološke procese, kot so bioinformatika, biofizika in biokemija ter drugo. Bionika se običajno uporablja za reševanje problemov in ustvarjanje idej na tehničnem in procesnem inženiringu. Pomembna zahteva bionike ni »kopiranje« detajlov živega sistema, temveč obravnavanje tega sistema kot modela. Čeprav se v svetu bionika občasno interpretira na različne načine, je skupni imenovalec vsekakor posnemanje narave, naravnih sistemov živega sveta in prenos teh spoznanj v tehnične rešitve.

Te rešitve se kažejo na različnih področjih, od medicine, zdravstva, robotike, energetike do industrije in drugega. Svetovna literatura nekatere razvojne usmeritve pogosto povezuje, bioniko s biomimetiko in tudi biomimikrijo, še zlasti na področjih posameznih inovacij, razvoja novih materialov, struktur in izdelovanja umetnih sistemov ali optimizacije obstoječih. V knjigi so predstavljeni različni vidiki in možnosti prekrivanja posameznih tematskih področij. Knjiga vsebuje tudi številne infografike, ki še na poseben način približajo nekatera dejstva, povezave v načinu prenosa bioloških dejstev in spoznanj, v tehnični in tehnološki svet. Zakaj takšen poudarek na bioniki, tudi glede organizacijskih shem? Naši trenutni proizvodni sistemi, tudi če jih dopolnjuje daljnosežna digitalizacija, ne zagotavljajo dolgoročno zadostnih rezultatov. Z omejenimi viri in našimi trenutno znanimi proizvodnimi sistemi ne bomo zadovoljevali vseh materialnih potreb in virov prihodnjih generacij. Prav tako vseh rešitev ne bo mogoče zagotoviti niti z daljnosežno digitalizacijo, ampak v kombinaciji z naprednimi bioničnimi procesi in strategijami.

[ III ]

Strokovno mnenje o knjigi V milijonih let sta naravna selekcija in evolucija izpopolnili sisteme v živih bitjih in jih prilagodili do te mere, da se v realnem času uspešno soočajo z izzivi raznolikega in spreminjajočega se sveta. Nekaj tisoč let se ljudje trudimo razumeti zakone narave in ustvariti tehnološke rešitve, ki bi nam olajšale in polepšale bivanje. Pri tem se pogosto zgledujemo po živih bitjih in odkrivamo ter posnemamo rešitve narave. Nabor rešitev je bogat in skoraj ni znanstvene discipline ali področja človeškega udejstvovanja, kjer te rešitve ne bi bile uporabne. Z leti se je razvila bionika, interdisciplinarna veda, ki združuje tehnološke rešitve po vzoru narave in živih bitij.

Razvoj bionike je bliskovit, saj se rešitve medsebojno dopolnjujejo, nadgrajujejo in izpopolnjujejo. Kar je milijone let razvijala narava, lahko v nekaj letih prenesemo v umetne sisteme. A cilj bionike ni samo posnemanje, temveč tudi integracija življenja in tehnoloških rešitev, sobivanje in skupen razvoj naravne in umetne inteligence ali, kakor v svoji knjigi nazorno predstavi g. Janez Škrlec, biodigitalna konvergenca.

Knjiga je plod dolgoletnih raziskav in skrbnega spremljanja razvoja bionike.

Podaja izredno širok, a eksakten pregled napredka, tehnologij in uporabe bionike. Opisuje izzive naše sodobne družbe in vizije razvoja, ki jih nudi bionika. In kakor je bogata in raznolika bionika, je bogata in raznolika tudi vsebina knjige. V njej je avtor uspešno prepletel svoj izredni čut do napredka s poglobljenim poznavanjem bionike. Skrbno je izbral tematike in izpopolnil njihove opise, kakor je gradnike skrbno izbirala narava, ko je izpopolnila življenje.

Prof. dr. Aleš Holobar, FERI – Univerza v Mariboru

[ IV ]

Kazalo vsebine Kaj je bionika in kako jo definiramo danes? ............................................................................ 1 Splošno razumevanje bionike in osnovnih principov, podkrepljeno s praktičnimi primeri ...................................................................................................................................................... 2 Kako danes področno delimo in opredeljujemo bioniko? ................................................. 3 Načini in pristopi reševanja tehničnih problemov z bioniko ........................................... 5 Funkcionalna analiza in validacija prenosljivosti bioloških sistemov ......................... 8 Integrirani sistem bioničnega optimalnega načrtovanja ................................................... 9 Biomimikrija in povezanost z bioniko ..................................................................................... 11 Posebni elementi bionske tehnologije in strategije bio-navdihnjenih sistemov .. 12 Bionični materiali ............................................................................................................................. 13 Bionične strukture bioloških materialov in bio-navdihnjenih materialov ............. 14 Bio-inspiriran senzorski sistem za zdravstveno oskrbo in interakcijo človek–stroj ................................................................................................................................................................... 16 Biološki modeli in računalniški modeli za obdelavo informacij .................................. 18 Mejniki v človeški bioniki.............................................................................................................. 19 Ločevanje bioničnega dejstva od bionične fikcije in razvoj bioničnih robotov..... 20 Bionični vsadki in protetika ter tehnologije za človeško telo ....................................... 22 Vmesniki možgani–računalnik, človek–stroj in hibridni bionični sistem................ 26 Krmiljenje bioničnih protez ......................................................................................................... 27 Prihodnje smernice razvoja bioničnih okončin in nevrorobotska fuzija protetičnega dotika .......................................................................................................................... 29 Molekularna bionika in inženiring materialov za posebne aplikacije....................... 31 Kakšne so danes omejitve bioničnih naprav in vsadkov?............................................... 32 Razvoj bioničnih možganov ......................................................................................................... 33 Kako bodo bionične naprave komunicirale z živčnim sistemom? .............................. 36

[V]

Memristorji in biomemristorji na poti razvoja bioničnih vmesnikov ....................... 38 Nevromorfne naprave za bionično zaznavanje in razvoj bionične inteligence..... 39 Področje razvoja bionične inteligence in specializirano področje – nevrobionika ................................................................................................................................................................... 41 Kaj prinaša bionika v svet kolaborativnih robotov? ......................................................... 42 Mehka robotika in posebne bionične tehnologije, ki so uporabne že danes .......... 44 Kako so se razvili mehka robotika in mehki aktuatorji podobni človeški roki ..... 44 Želje po ekstremno natančni manipulaciji z bioničnimi aktuatorji in okoljska združljivost .......................................................................................................................................... 46 Človeška bionika (Human bionics) ........................................................................................... 47 Kaj pomeni bionični sistem? ........................................................................................................ 49 Inteligence rojev in sistemi umetnega samoorganiziranega mreženja .................... 50 Kolektivna moč inteligentnosti roja v umetni inteligenci, bioniki in robotiki ....... 51 Kratka predstavitev projekta bionične lutke za izobraževalne namene.................. 54 Bionično in biomimetično oblikovanje ................................................................................... 58 Bionična protetika s podporo digitalnega dvojčka in umetne inteligence .............. 59 Bionični eksoskeleti ......................................................................................................................... 60 Zmanjšanje poškodb z uporabo eksoskeletov ..................................................................... 63 Bionika je vedno bolj povezana z zdravstvom, medicino in tudi tovrstno industrijo .............................................................................................................................................. 65 Gradbena in arhitekturna bionika............................................................................................. 67 Bionična gradnja, ki se zgleduje po rešitvah iz narave .................................................... 68 Bionična energetska učinkovitost stavb in bionična zelena arhitektura ................. 70 Tehnika shranjevanja latentne toplote in bionični pristopi .......................................... 71 Posnemanje delovanja živih organizmov in povezovanje različnih disciplin........ 72 Bionski vodniki po virih energije............................................................................................... 74 Bionične lopatice izboljšujejo energetsko učinkovitost vetra ...................................... 75

[ VI ]

Bionski katalizatorji za proizvodnjo čiste energije............................................................ 76 Bionika pri pogonih gibanja in osnovno razumevanje procesov ................................ 77 Bionično oblikovanje v avtomobilski industriji .................................................................. 78 Bionika za avtomobilsko varnost .............................................................................................. 80 Digitalni in bionični dvojni pristop za hiter razvoj izdelkov ......................................... 81 Različni bionični pristopi .............................................................................................................. 82 Smernice VDI 6220 .......................................................................................................................... 83 Za razvoj bioničnega izdelka se lahko uporabijo tudi smernice VDI 2221 ............. 84 Bionski sistemi v industriji – primer BioARS ....................................................................... 85 Nova generacija inteligentne proizvodnje ............................................................................. 86 Sistem bioničnega sestavljanja (BAS – Bionic Assembly System) .............................. 88 Proizvodnja biološko navdihnjenih komponent in novi proizvodni pristopi ........ 89 Bionični pristop pospešuje proizvodnjo (primer odlične prakse) ............................. 92 Pametno načrtovanje proizvodnje in bio-inspirirani proizvodni sistemi ............... 93 Vodni robot in večnamenski bionični robot ......................................................................... 95 Bionično načrtovanje energijsko učinkovitega mehanizma za hojo in dušenje vibracij robotov ................................................................................................................................. 98 Primer shranjevanja energije v robotskih sklepih ............................................................. 99 Nova spoznanja za načrtovanje bioničnih robotov bodo ključnega pomena ...... 100 Novi bionični razvojni pristopi ................................................................................................ 101 Uvajanje bioničnih principov v proces razvoja izdelka ................................................ 104 Biološko navdihnjene strukture.............................................................................................. 107 Pajkova svila postane bionična z integracijo nanotehnologije in spodbudi velike možnosti aplikacij .......................................................................................................................... 108 Novi materiali v živih modelih ................................................................................................. 110 Bionične nanostrukture in antibakterijski materiali ..................................................... 112

[ VII ]

Bioinspirirani in bionični materiali bodo kot gradniki različnih najzahtevnejših naprav in sistemov ........................................................................................................................ 115 Izboljšani funkcionalizirani materiali svilenega fibroina (SF), dobri kandidati za bionične aplikacije......................................................................................................................... 117 Razvoj umetnega bioničnega barorefleksnega sistema................................................ 120 Organska bionika: nova dimenzija v nevronskih komunikacijah ............................ 122 Bionični vid in tovrstna protetika .......................................................................................... 124 Razvojni trendi – bioničnih oči, leč in razvoj novih naprav ........................................ 126 Industrija bioničnih naprav in sistemov je v svetu v velikem porastu .................. 128 Pomembno področje je uporaba mikrofluidike za ustvarjanje hibridnih celičnih bioničnih sistemov ........................................................................................................................ 129 BioMEMS tehnologije – bionika je vedno bolj povezana z medicino in zdravstvom ................................................................................................................................................................ 132 Biosenzorji in bionanosenzorji so pot uspešnega razvoja tehnologije organov na čipu ....................................................................................................................................................... 136 Karakterizacija mikrofluidnih čipov, ki jih navdihuje listje ........................................ 138 Projekti, v katerih je poudarek na bioniki .......................................................................... 140 Umetni elektronski, bioelektronski in bionični nos ....................................................... 141 Velik napredek v bioelektronskih nosovih za zaznavanje različnih vonjav ........ 143 Bionični algoritmi in možnosti aplikacij .............................................................................. 145 Pregled in klasifikacija algoritmov, ki so bio-inspirirani ............................................. 147 Gradnja bioničnih oskrbovalnih verig .................................................................................. 148 Digitalne zmožnosti na višji ravni in operativni model bionične dobavne verige ................................................................................................................................................................ 151 Poti v bionični svet tudi skozi organizacijo nastajanja pravih bioničnih podjetij ................................................................................................................................................................ 151 Smernice za biološko transformacijo in biološki modeli za ekonomijo prihodnosti ................................................................................................................................................................ 153

[ VIII ]

Biokonvergenčna paradigma, združitev različnih znanosti ....................................... 156 Biodigitalna konvergenca na poti do NBIC......................................................................... 157 Bionični inženiring, dosedanji dosežki in razvojne usmeritve za prihodnost .... 162 PASMA je le ena od metodologij bioničnega oblikovanja za reševanje problemov ................................................................................................................................................................ 164 3D-tiskane bionične nanonaprave ......................................................................................... 165 Povečanje učinkovitosti letalskih virov z uporabo tehnologije ALM in bioničnega oblikovanja ....................................................................................................................................... 167 Sistemi za letenje, ki jih navdihujeta bio in bionična aerodinamika ....................... 168 Podvodna bionična kamuflažna komunikacija ................................................................. 170 Bionika in zelena tehnologija v pomorskem ladijskem prometu ............................. 172 Učinek premazov ladijskega trupa, ki ustvarja zračne plasti in zmanjša upor ter potrošnjo goriva ............................................................................................................................. 175 Bionično integriran mehanizem za določanje položaja ................................................ 176 Inovacija na področju izboljšanja vrtalnih tekočin s pomočjo bionike (koristne inovacije) ........................................................................................................................................... 178 Ekstremna bionika in izzivi za bolj oddaljeno prihodnost .......................................... 179 Nanobionika nove naprave za kognitivno izboljšanje in nastajajoča etična vprašanja uporabe......................................................................................................................... 181 Metode za napajanje bioelektronskih in bioničnih naprav in razvojni izzivi na tem področju.................................................................................................................................... 182 Ali na dolgi rok pomeni nanobionično življenje realnost? .......................................... 187 Kognitivna tehnologija in področje kognitivne biotehnologije ................................. 188 Ali smo sploh pripravljeni, da bi nam tehnologije, tudi s pomočjo bionike, spreminjale življenje? .................................................................................................................. 191 Bionika in izobraževanje v okviru držav EU ...................................................................... 193 Zaključek ............................................................................................................................................ 197 Priznanja ............................................................................................................................................ 198

[ IX ]

Uporabljene kratice ...................................................................................................................... 203 Seznam slik ....................................................................................................................................... 207 Seznam infografik .......................................................................................................................... 208 Viri ........................................................................................................................................................ 211

[X]

Kaj je bionika in kako jo definiramo danes?

Bionika je veda, ki proučuje biološke sisteme in funkcije živih bitij za reševanje tehniških in tehnoloških problemov. Eden od pionirjev bionike na področju razvoja in izdelave letalnih naprav je bil Leonardo da Vinci. Tudi on se je zgledoval po živalskem svetu, predvsem po živalih, ki znajo leti. Bionika je tesno povezana z različnimi vedami, predvsem z biologijo, fiziko, kemijo, kibernetiko in drugimi vedami. V zadnjem obdobju pa še zlasti z različnimi tehničnimi vedami: elektroniko, mehatroniko, robotiko, fotoniko, računalništvom, pametnimi materiali, nanotehnologijo, biotehnologijo itd.

Infografika 1 Povezave med bioniko, biomimetiko, biomimikrijo

[1]

Bioniko je treba danes razumeti na način, da je narava milijarde let uspešno razvijala naravne, prilagodljive strategije preživetja. Organizmi in ekosistemi, ki nas obdajajo, se soočajo s številnimi enakimi izzivi kot mi. Bionika pomeni učenje iz narave in uporabo teh spoznanj pri tehničnih izzivih. Pri tem inženirji proučijo številne naravne modele in razvijejo optimizirane rešitve in tehnologije, ki odgovorijo na kompleksna vprašanja. Danes so v središču dogajanja bionično navdihnjene inovacije, ki iščejo odgovore na trenutne tehnične izzive za industrijsko uporabo, medicino, zdravstvo, energetiko in drugo. Biološko navdihnjene inovacije so še posebej idealne tudi za učne oz. izobraževalne namene in za prenos pridobljenega znanja v tehnologijo avtomatizacije, robotizacije, medicine in na številna druga področja. V svetu bioniko pogosto povezujejo (in celo zamenjujejo) z biomimetiko in biomimikrijo, vendar gre predvsem za prekrivanje posameznih področij in za skupno izhodišče iskanja odgovorov v naravi in naravnih sistemih. Vsekakor pa imajo vsa tri omenjena področja precej različnosti in tudi veliko skupnega, kar se potrjuje tudi v inovacijah, izdelkih in ne nazadnje tudi v podobnih tehnoloških pristopih. V tej knjigi je največji poudarek predvsem na bioniki.

Splošno razumevanje bionike in osnovnih principov, podkrepljeno s praktičnimi primeri Bionika je tudi znanost o oblikovanju, konstruiranju, vrednotenju in vzdrževanju umetnih sistemov, ki posnemajo žive sisteme. Bionika ni specializirana znanost, ampak med-znanstvena disciplina. Bioniki analizirajo strukturna in funkcionalna načela organskih sistemov živih bitij in nato uporabijo ta načela za izgradnjo uporabnih umetnih sistemov in strojev. Bionika je tesno povezana tudi s kibernetiko, ta pa proučuje komunikacijske in nadzorne sisteme, ki vključujejo žive organizme in stroje oz. naprave. Bioinženiring je v bistvu ena od specialnosti, ki se ukvarja z gradnjo bioničnih sistemov, zlasti umetnih delov telesa, v skladu s specifikacijami, ki jih določa, medicina in zdravstvo. Bionika zahteva združevanje znanja s številnih področij. Prvi korak pri oblikovanju bionične rešitve je ugotoviti, kako deluje obstoječi naravni sistem. Drugi korak je analiza razmerja med deli naravnega sistema. Tretji korak vključuje dejansko oblikovanje bionične naprave za zamenjavo na primer okvarjenega naravnega sistema. Bionika ima številne aplikacije tudi zunaj področja medicine in zdravstva, na primer v energetiki, robotiki, industriji itd. Dolgo preden je bionika postala priznana veda in

[2]

med-znanstvena disciplina, so ljudje že uporabljali njene koncepte in tehnike.

Biokemiki na primer dobro vedo, da se številne kemične reakcije v živih celicah pojavljajo na površinah in na vmesnikih ali skupnih mejah med različnimi materiali. Na površinah in vmesnikih se molekule fiksirajo in usmerijo na tako natančen način, da lahko poteka urejena vrsta kemičnih reakcij. Vse več kemičnih življenjskih procesov se danes obravnava z bioničnega vidika. Pričakuje se, da bo ta pristop prinesel mnogoštevilne komercialne rešitve. Ena zanimiva naravna spojina, ki služi kot bionični model, je vodoodporen cement, ki ga izločajo nekatere morske živali, da se prilepijo na skale, školjke ali dno čolnov. Laboratorijska sinteza podobnega cementa bi lahko koristila industriji in gradbeništvu. Podobnih primerov je seveda veliko in naloga bionike je, da jih prepoznamo in uporabimo za tehnične namene in to na različnih področjih.

Kako danes področno delimo in opredeljujemo bioniko?

Bioniko danes delimo na več različnih načinov, ta delitev pa se nekoliko razlikuje med Evropo, ZDA, Kitajsko in drugimi geografskimi okolji. V izhodišču govorimo o področjih bionike; biološka bionika, ki se ukvarja s procesi v bioloških sistemih, teoretično bioniko, ki je povezana z matematičnimi modeli in procesi, ter tehniško bioniko, ki uporablja modele teoretične bionike za reševanje inženirskih nalog. Bionika se v zadnjih letih deli tudi na posebna področja, predvsem glede uporabe bioničnih inovacij na poti do oblikovanja, uporabe novih materialov vse do izdelkov. Po tej delitvi jo delijo na konstrukcijsko bioniko, procesno in informacijsko bioniko. V okvir konstrukcijske bionike je zajeta bionika materialov, bioničnih snovi, bionične protetike, nadalje robotske bionike in drugo. V procesno bioniko se vključuje energetska bionika, arhitekturna bionika, senzorska bionika in kinematična bionika. V okvir informacijske bionike se običajno zajema nevrobionika, evolucijska bionika, organizacijska bionika in drugo.

[3]

Infografika 2 Bionika – njena glavna razvojna in raziskovalna področja in možnosti uporabe

Področja se velikokrat tudi prepletajo, predvsem ko je govora o kompleksnih bioničnih sistemih in procesih. Upoštevati je treba tudi dejstvo, da se bionika kot veda šele dobro razvija, da se z razvojem novih materialov in procesov odpirajo nova področja in s tem povsem nove možnosti za nove aplikacije. Kot eno izmed najbolj obetavnih področij bionike se trenutno izpostavlja predvsem človeška bionika (human bionics). Njena vloga bo v tej knjigi nekoliko poglobljeno predstavljena, saj je povezana s človekom, medicino, zdravstvom in drugimi področji.

Bionika se posebej intenzivno razvija zadnjih dvajset let, zato lahko pričakujemo, da bodo nastajala tudi povsem nova področja in podpodročja bionike, ki jih danes še ne poznamo. Danes se zraven bionike zelo pogosto srečamo tudi z besedo biomimikrija in biomimetika. Obe besedi imata precej skupnega in se običajno obravnavata kot sopomenki. Ključna razlika je predvsem v njunem izvoru in v pojasnjevanju specifičnih biološko-tehnoloških procesov. Oba izraza

[4]

se pogosto uporabljata tudi v znanstvenih raziskavah v povezavi z razvojem in gradnjo popolnih sistemov, ki jih je mogoče primerjati z naravnimi sistemi.

Pogosto v strokovni literaturi zasledimo nekoliko različno tolmačenje vseh teh besed. Izraz bionika se je prvič pojavil na simpoziju ameriških letalskih sil že leta 1960. Predstavil ga je Jack Steele z opredelitvijo, da gre za razvoj sodobnih sistemov, podobnih tistim, ki obstajajo v naravi. Izraz biomimetika je prvič uvedel Otto Schmitt leta 1969. Opredelil jo je kot postopek posnemanja, struktur ali funkcije biološko proizvedene snovi ali materiala za proizvodnjo ali sintezo umetnega izdelka. Biomimetični razvoj nekako danes velja za zelo inovacijski in postaja priljubljen še zlasti v visokotehnoloških panogah.

Načini in pristopi reševanja tehničnih problemov z bioniko

Infografika 3 Razumevanje biološkega sistema

[5]

Izpostavljata se študij živčnega sistema ljudi in živali ter modeliranje živčnih celic in nevronskih mrež za nadaljnje izboljšanje računalniške tehnologije, ter za razvoj novih elementov in gradnikov ter naprav za avtomatizacijo. Nadalje proučevanje čutil in drugih zaznavnih sistemov živih organizmov z namenom razvoja senzorjev, biosenzorjev, bionanosenzorjev, aktuatorjev in kompleksnih detekcijskih – zaznavnih sistemov.

Močno je prisoten tudi razvoj in študij načel orientacije, lokacije in navigacije pri različnih živalih za uporabo teh spoznanj ter načel v tehnologiji. Izjemno pomembno je tudi proučevanje morfoloških, fizioloških, biokemijskih značilnosti živih organizmov za predlaganje novih tehničnih in znanstveno utemeljenih idej.

Da bi dosegli večjo stabilnost in strukturno učinkovitost, inženirji bionike uporabljajo naravo kot navdih za svoje načrtovanje. Glede na stopnjo trajnosti bioloških sistemov analizirajo njihovo strukturno obnašanje, poiščejo kompatibilne analogije s tehničnimi sistemi, abstrahirajo opažene fizikalne in mehanske principe ter te principe implementirajo v inovacijo ali izdelek. Ta proces opredeljuje pravi bionični pristop. Skozi oceno bionično zgrajenih struktur so ponazorjeni različni koraki procesa načrtovanja, elementi vsake analogije pa so lahko ocenjeni tako z biološkega kot tehnološkega vidika. Na podlagi raziskav je mogoče strukturne prednosti, ki so značilne za določene biološke sisteme, prenesti v arhitekturno zasnovo in izboljšati različne nosilne in konstrukcijske lastnosti, zlasti z uporabo bioničnega pristopa.

[6]

Infografika 4 Bionične in biomimetične strategije za inovacije in trajnostni razvoj

Na področju bionike poznamo več načinov, kako pristopati k reševanju tehničnih problemov. Izstopajoča sta dva načina, pristop od zgoraj navzdol in pristop zgoraj navzdol, kar ilustrira tudi priložena infografika. Oba pristopa se danes uporabljata tudi v izobraževalnih procesih. Pristop od zgoraj navzdol prvo natančno opredeljuje tehnični problem, nato iskanje možnosti rešitve v naravi, (npr. biološki model v živalih ali rastlinah). Ko se najde tak model v naravi, se začne proces raziskovanja in natančna obrazložitev identificiranega sistema. Nato sledi sporočanje rezultatov raziskav in nabor primerov možnih rešitev. Za tem sledi prenos izdelane tehnične rešitve v končni izdelek. Drug primer pristopa od spodaj navzgor temelji na prvem koraku temeljnega raziskovanja problema v biologiji. Naslednji korak je opis vseh delovnih in organizacijskih načel. Nadalje abstrakcija prepoznave principov in prenos bistva v razumljiv razvojni jezik. Sledi iskanje problema, kjer bi načelo lahko ponudilo rešitev. Za tem sledi prenos v tehnično rešitev in seveda v končni izdelek. V zadnjem času sta v oba pristopa reševanja tehničnih problemov vključeni tudi umetna inteligenca in podpora novih algori[7]

tmov z obdelavo podatkov o novih pametnih materialih. Nastaja tudi hibridni pristop reševanja tehniških problemov na poti od razvoja do izdelka, vendar je ta pristop danes še predvsem v razvoju.

Infografika 5 Izpostavljena dva bionična pristopa k reševanju tehniških problemov s pomo‐ čjo bionike

Funkcionalna analiza in validacija prenosljivosti bioloških sistemov Biološki sistemi so visoko integrirane strukture, ki običajno izpolnjujejo več funkcij v enem elementu. Tako je neposreden prenos biološkega sistema v tehnični sistem redko mogoč in pogosto direkten prenos nima niti pravega smisla in pomena. Zaradi različnih dimenzij je treba pri izbiri bioničnih principov za tehnična vprašanja upoštevati vidike skaliranja. Metode fizične analize so učinkovita orodja za oceno prenosljivosti. Predmeti so podobni, če je mogoče geometrijske in fizične količine predstaviti z enako vrednostjo razmerja podobnosti. Enak pristop se uporablja pri eksperimentih, npr. pomanjšani model nove zasnove

[8]

avtomobila, ki je bil testiran v vetrovniku pri istem Reynoldsovem številu, zagotavlja prenosljivost. Neposredna prilagoditev bioničnih principov za rešitev tehničnega problema je pogosto neizvedljiva. To je posledica popolnoma različnih mejnih pogojev (npr. uporabljene sile, velikost, okoljski mediji, materiali), tako da so fizični učinki preveč različni med izvornim in ciljnim problemom. Poleg tega so biološki sistemi temeljito optimizirani in funkcije so integrirane v en del (npr. prenos strukture, izmenjava toplote in drugo). Prej omenjene prilagoditvene ovire je mogoče premagati s sistematičnimi kompleksnimi variacijskimi operacijami. Sistematična variacija je dobro uveljavljena metoda v razvoju izdelka in se lahko uporablja v različnih korakih razvojnega procesa tudi v bioniki. Danes obstajajo številna koristna orodja, kot je na primer računalniško podprta biomimetika (CAB – Computer-Aided Biomimetics). To orodje je namenjeno podpori integracije ustreznega biološkega znanja v biomimetične in bionične postopke reševanja problemov. Posebni koraki biomimetičnih procesov, ki zahtevajo podporo, vključujejo identifikacijo, izbiro in abstrakcijo ustreznih bioloških analogij.

Obstoječa orodja CAB običajno podpirajo te korake z opisovanjem bioloških sistemov v smislu funkcij, čeprav se inženirske funkcije ne preslikajo direktno v naravo biološke funkcije. Posledično nastali statični, funkcionalni pogled zagotavlja delno razumevanje bioloških procesov, ki so dinamični, ciklični in samoorganizirani. CAB vseeno vključuje pomembne okoljske značilnosti, ki lahko zagotovijo informacije, ki so ključne za prenos bioloških informacij v inženirsko aplikacijo.

Integrirani sistem bioničnega optimalnega načrtovanja Integriran sistem bioničnega optimalnega načrtovanja je le eden od mnogih, ki služi za pomoč inženirjem pri nalogah bioničnega oblikovanja. V dobi ekološke ozaveščenosti in trajnostnega razvoja, inženirji vse pogosteje uporabljajo bioniko pri svojih zasnovah izdelkov. Nedavni porast raziskav o bioniki je predstavil nove priložnosti in tudi izzive. Za spopadanje s temi izzivi je potreben integriran sistem oblikovanja, opremljen z zmožnostmi izvajanja biološko navdihnjenega načrtovanja, reševanja tehničnih protislovij, optimizacije projektnih parametrov in preverjanja učinkovitosti načrtovanja, (zasnova/metodologija/pristop). Študija predlaga analizo na dveh ravneh, ki pomaga odločevalcem pri izvajanju večplastnega opazovanja in ocenjevanja konceptualne bionične zasnove. Protislovja, ki nastanejo pri prenosu bioloških principov v inženirsko zasnovo, lahko rešujejo

[9]

z BioTRIZ-om in nato izdelajo idejno zasnovo. BioTRIZ je metodologija kot (abstraktni) povzetek metod in učinkov, ki se uspešno uporabljajo za reševanje (tehničnih) problemov ob poznavanju bioloških sistemov. Študija se danes izvaja računalniško in podprto z inženirsko analizo, ki vključuje tudi metodo Taguchi in metodo TOPSIS, da je mogoče dobiti najboljšo optimalno zasnovo bioničnih inovacij in izdelkov. Predlagani proces oblikovanja se osredotoča na izboljšanje strukture izdelka namesto na spremembo materialov, s čimer je možno uresničiti cilje varčevanja z energijo, varovanja okolja in trajnosti.

Infografika 6 Metodologija integriranega sistema bioničnega načrtovanja z BioTRIZ, TOPI‐ SIS in TAGUCHI

Sistem lahko zagotovi praktično orodje za inženirje, ki nameravajo izvesti popolne načrte in preverjanja z uporabo bionike (izvirnost/vrednost). Večina od danes obstoječih metodologij načrtovanja, združevanja biologije z inženirskim načrtovanjem ni dosegla želenih rezultatov. Integriran sistem bioničnega optimalnega

[ 10 ]

načrtovanja pa se že kaže kot popoln sistem bioničnega oblikovanja z integracijo procesov bionično navdahnjenega oblikovanja, optimizacije in preverjanja.

Biomimikrija in povezanost z bioniko Biomimikrija se pogosto omenja tudi kot biomimetika in je veda, ki je precej blizu bioniki. Ta veda išče navdih v posnemanju narave, njenih modelov, sistemov, procesov in elementov pri reševanju človeških tehničnih problemov. Biomimetika predstavlja tudi sposobnost posameznih organizmov, da lahko prilagodijo svoj videz v neki sredini in situaciji na način, da s posebnimi lastnostmi zmanjšajo svojo ogroženost in povečajo možnost obstanka. Eden izmed takih primerov je kameleon. Ameriški izumitelj in akademik Otto Schmitt je skoval izraz biomimetika na način, da bi z njim lahko čim boljše opisal prenos idej iz biologije v tehnologijo.

Infografika 7 Pristopi biomimikrije

[ 11 ]

Posebni elementi bionske tehnologije in strategije bio‐navdihnjenih sistemov Danes se veliko piše in govori o bioničnih tehnologijah (BT – Bionic Technology), ki so del tako imenovane človeške bionike. Največkrat te tehnologije vključujejo tudi umetno inteligenco (AI – Artificial intelligence) za razširitev funkcionalnosti izdelkov, ki so zasnovani za duševni in fizični stres, s katerim se posameznik sooča po amputaciji. Ta element povečuje tudi varnost naprave skupaj z uporabnikom. Tako pomaga spodbuditi večji in celovitejši nadzor protetičnega uda.

Posebnost protetike je že vrsto let znana predvsem zaradi njene sposobnosti zamenjave osnovnih strukturnih elementov okončin po amputaciji, zdaj pa sposobnost obnovitve izgubljene mišične funkcije praktično dvigne amputirance na bistveno višjo raven. Od subtilnega dviganja prsta med zamahom do močnega iztega kolena, ki je potreben za dvig stopala po stopnicah. Gibanje moči zagotavlja neznane ravni prožnosti. Najbolj očitna prednost naprav, vključuje danes moč gibanja (power motion) in zmanjšanje obremenitve preostalih okončin in je hkrati zaščita telesa pred posledicami mišične kompenzacije. Danes se pogosto govori o treh pomembnih funkcijah naprave, in sicer smisel, razmišljaj in deluj.

Sofisticirani senzorji danes vzorčijo različne vidike gibanja v realnem času, pogosto celo hitreje, kot to počne človeški senzorični sistem. Umetna inteligenca nenehno razmišlja o podatkih, ki prihajajo iz senzorjev, analizira in izračuna najboljšo možno potezo. Natančne komponente delujejo takoj, da zagotovijo najboljšo možno funkcijo v skladu z navodili toka signalov, poslanih iz procesa umetne inteligence. Bionične študije povezujejo biološke materiale, strukture, funkcije in biomehanizme, ki jih najdemo v naravi, s trenutno tehnologijo in z modrostjo spoznanj, ki se prenašajo iz narave v človeške tehnologije. Bionične strategije se danes, predvsem v zadnjih desetih letih, izjemno močno osredotočajo na široko področje senzorskih sistemov (sistemov multifunkcijskega zaznavanja), ki jih navdihujejo biološki organizmi oziroma se navdih za razvoj kompleksnih čutnih senzorskih sistemov jemlje kot navdih iz živih organizmov iz narave za izboljšanje učinkovitosti obstoječih senzorjev. Cilj razvoja večkrat tudi imenovane »senzorske smeri bionike«, poudarja senzorske sisteme s povsem novimi funkcijami ali razvojem novih metod zaznavanja, ki jih lahko na splošno razdelimo v tri kategorije: bionični materiali, bionične strukture in funkcionalna bionika. Na podlagi teh treh bioničnih strategij raziskovalci poskušajo razviti senzorske sisteme, ki jih navdihujejo biološke snovi, ki tekmujejo z zmogljivostjo naravnih senzoričnih sistemov.

[ 12 ]

Bionični materiali Bionični materiali so materiali, razviti po navdihu komponent, edinstvenih značilnih lastnosti naravnih bioloških materialov. Obstaja široka paleta bioničnih materialov, vključno s kovinskimi, keramičnimi in polimernimi materiali itd. Med njimi so prav polimerni kot bionični materiali izjemno zanimivi in bodo pomembno prispevali k področju razvoja kompleksnih senzorskih enot ali materialov za učinkovito izboljšanje zmogljivosti v sistemih zaznavanja. Na primer, različni feroelektrični polimerni materiali so sposobni zaznavati tudi temperaturo, podobno kot na primer človeška koža. Hidrogelni polimerni materiali imajo danes različne funkcije in se razvijajo z različnimi proizvodnimi metodami. Ena od možnosti je uporaba metode polimerizacije za ustvarjanje sintetičnega polimernega hidrogela, ki lahko senzorskim sistemom ponudi impresivne lastnosti.

Druga možnost uporablja biotehnologijo za ustvarjanje hidrogelov bioloških makromolekul, ki se lahko odlično odzovejo na pH, temperaturo, koncentracijo ionov itd. Glede na omejitve danes obstoječih senzorjev mora tovrstna bionična strategija v celoti razumeti značilnosti in osnovne mehanizme bioloških materialov in umetno izdelovati bionične materiale za izdelavo bioinspiriranih senzorjev, da bi se izboljšale lastnosti obstoječih senzorjev, kot so odzivnost na različne dražljaje in seveda edinstvene mehanske lastnosti. Razumevanje, kako se molekule in materiali odzivajo na dražljaje za delovanje naravnega zaznavalnega sistema, je postalo cilj oblikovanja bioničnih in biomimetičnih zaznavalnih materialov. Razlaga osnovnega mehanizma ni samo biološko pomembna, temveč tudi utira pot za razvoj materialov, ki posnemajo naravne funkcije ali uporabljajo primerljive oblikovalske pristope, da te lastnosti prenesejo na nove povsem sintetične materiale. Danes poznamo že veliko bioničnih materialov, še vedno pa jih pogosto naslavljamo kot bio-navdihnjeni materiali. Pogosto se srečujemo z bionavdahnjenimi in bioničnimi materiali za izboljšano fotosintezo. Bio-navdihnjeni in bionični materiali za izboljšano fotosintezo bodo uporabljali biomimetični in bionični pristop za raziskovanje in razumevanje temeljnih strategij upravljanja svetlobe v različnih morskih fototrofnih organizmih in sistemih. To znanje bo uporabljeno pri načrtovanju in izdelavi hibridnih bioničnih in bio-navdihnjenih sistemov za pospeševanje fotosinteze v živih organizmih in za izdelavo novih biofotoreaktorjev, ki jih navdihuje bio. Izpostaviti je treba, da tudi EU temu vprašanju daje velik pomen. Na primer, BEEP je interdisciplinarna raziskovalna mreža za usposabljanje, ki jo financira program EU Horizon 2020, kjer bodo raziskovalne skupine z močnim strokovnim znanjem na področju biologije, kemije, fizi-

[ 13 ]

ke, bionike, biomimetike in znanosti o materialih izobraževale naslednjo generacijo raziskovalcev o fotoniki in fotosintezi, ki jih navdihuje bio. Njihova naloga je zelo jasna, raziskati svetlobno polje in vivo, optične lastnosti in druge mehanizme, ki vplivajo na fotosintetično učinkovitost koral, morskih alg, fotosintetskih biofilmov in morskih polžev iz različnih morskih habitatov in svetlobnih režimov. Razumeti nanofotonske in strukturne lastnosti, ki vplivajo na širjenje in nabiranje svetlobe v morskih fototrofnih organizmih. Uporabiti nov biofotonski vpogled iz naravnih sistemov za oblikovanje novih fotonskih materialov za izboljšano rast mikroalg. Ti raziskovalni cilji imajo lahko potencialno pomembne družbene učinke, zlasti v Evropi, kjer je razvoj nove tehnologije, ki omogoča krožno gospodarstvo, gospodarno z viri, ključna agenda.

Bionične strukture bioloških materialov in bio‐navdihnjenih materialov Večina naravnih (ali bioloških) materialov je kompleksnih kompozitov, katerih mehanske lastnosti so pogosto izjemne, glede na šibke sestavine, iz katerih so sestavljeni. Te kompleksne strukture, ki so nastajale milijone let evolucije, navdihujejo znanstvenike za materiale, še zlasti v zadnjem času bionike pri oblikovanju novih materialov. Danes so zelo natančno ponazorjene njihove opredelitvene značilnosti, hierarhija, večnamenskost in sposobnost samozdravljenja.

Samoorganizacija je tudi temeljna značilnost številnih bioloških materialov in načina, na katerega se strukture sestavljajo od molekularne ravni navzgor. Govorimo seveda o osnovnih gradnikih, ki se začnejo z 20 aminokislinami in nadaljujejo s polipeptidi, polisaharidi in polipeptidi-saharidi in drugim. Ti sestavljajo osnovne beljakovine, ki so primarne sestavine (mehkih tkiv) in so prisotne tudi v večini biomineralov. Obstaja več kot 1000 beljakovin, mogoče je treba kot glavne izpostaviti, s poudarkom na kolagenu, hitinu, keratinu in elastinu. Trde faze so predvsem okrepljene z minerali, ki nastajajo in rastejo v biološko posredovanem okolju, ki določa velikost, obliko in porazdelitev posameznih kristalov. Da se ne bi spuščal v tej knjigi v podrobnosti, je treba omeniti najpomembnejše mineralne faze: hidroksiapatit, silicijev dioksid in aragonit. Z uporabo klasifikacije Wegsta in Ashbyja se lahko predstavijo glavne mehanske značilnosti in strukture biološke keramike, polimernih kompozitov, elastomerov in celičnih materialov in drugo. Izbrani sistemi v vsakem razredu so seveda podrobno opisani s poudarkom na razmerju med njihovo strukturo in mehanskim odzivom. Temu je dodan še

[ 14 ]

peti razred: funkcionalni biološki materiali, ki imajo strukturo, razvito za določeno funkcijo: oprijem, optične lastnosti itd. Izraz tega prizadevanja je iskanje materialov in struktur, ki jih navdihuje bio. Tradicionalni pristopi se osredotočajo na metodologije oblikovanja bioloških materialov z uporabo običajnih sintetičnih materialov. Nove meje so v sintezi bioinspiriranih materialov s procesi, ki so značilni za biološke sisteme; ti vključujejo samosestavljanje komponent in razvoj hierarhičnih struktur. Čeprav je ta pristop še vedno v povojih, bo sčasoma privedel do množice novih sistemov materialov, ko bodo razjasnjeni temeljni mehanizmi rasti in strukture bioloških sistemov. V to razvojno zgodbo sta vedno bolj intenzivno vključeni tudi bionika in biomimetika.

Strategija bioničnih struktur je črpanje navdiha iz makroskopskih ali mikroskopskih bioloških struktur v naravi za oblikovanje celotne strukture ali primarnih funkcionalnih delov naprav za doseganje želenih zmogljivosti. Na primer, jajčne lupine, listi, bambus, pajkove mreže in druge biološke strukture imajo prednosti glede konstrukcijske teže, mehanske nosilnosti in stroškovne koristi. Biološke strukture živali in rastlin so ponudile veliko navdiha za načrtovanje bioinspiriranih senzorskih sistemov in tudi področja aktuatorjev. Bionične strukture so vedno pomembnejše, kot npr. ribje luske, rastlinske površine, porozne gobaste površine, ki se pogosto uporabljajo v senzorjih, zlasti senzorjih tlaka in napetosti.

Konstrukcija bioničnih materialov je najpogostejši primer posnemanja površinske mikrostrukture naravnih biomaterialov. Naravni materiali so že dolgo priznani, vendar so znanstveniki šele v zadnjih dveh desetletjih začeli sistematično proučevati in posnemati mikroskopsko strukturo super oblikovanih bioloških površin, ki jih najdemo v naravi. Z raziskovanjem mikrostruktur bionavdihnjenih površin materialov, kot so superhidrofobni lotosovi listi, superhidrofilna pajkova svila in podvodne super-oleofobne ribje luske se pogosto uporabljajo v senzorskih sistemih. Bioinspirirani senzorski sistemi iz superhidrofilnih materialov lahko bolj učinkovito absorbirajo telesne tekočine kot običajni elektrokemični senzorji, ki so uporabni za odkrivanje in analizo telesnih tekočin. Pri uporabi superhidrofobnega materiala ima senzorski sistem posebne funkcije, kot je vodoodpornost in samočistilni učinki.

[ 15 ]

Infografika 8 Pristop k razvoju bioničnih in biomimetičnih senzorskih sistemov

Bio‐inspiriran senzorski sistem za zdravstveno oskrbo in interakcijo človek–stroj Bio-inspiriran senzorski sistem vodi razvoj senzorske tehnologije nove generacije z izjemnimi lastnostmi, kot so ultra občutljivost, nizka poraba energije in samoprilagodljivost. S pomočjo senzorskih sistemov, ki jih navdihuje bio, je mogoče kvantificirati človeško zaznavanje in stroje opremiti s posebnim zaznavanjem. Kot nastajajoča tehnologija se bioinspirirani senzorski sistemi že na široko uporabljajo na različnih področjih, kot so industrijsko, medicinsko in zdravstveno področje, varnost hrane, vojaška in robotska tehnološka področja.

Prvič so tri bionične strategije jasno opredeljene kot bionični materiali, bionične strukture in funkcionalna bionika glede na vire bioničnega navdiha. Drugič, bioinspirirani senzorski sistemi z različnimi delovnimi mehanizmi so povzeti in

[ 16 ]

razvrščeni v piezorezistivne, kapacitivne, triboelektrične, piezoelektrične in druge vrste. Nato se za aplikacije osredotočijo na reprezentativni del bioinspiriranega senzorskega sistema za zdravstveno varstvo, medicino in na interakcijo človek–stroj. Bionični senzorski sistemi lahko zaznajo spremembe v okolju in zagotovijo povratne informacije o signalih, ki jih zaznajo. Cilj razvoja senzorskih sistemov naslednje generacije je izboljšati funkcionalne povezave med »zaznavanjem« in »povratnimi informacijami«, vključno z visoko občutljivostjo in odzivnostjo, nizko porabo energije, zanesljivostjo, miniaturizacijo, inteligenco, prilagodljivostjo in zmožnostjo preprečevanja motenj. Učenje od narave je najučinkovitejši pristop za reševanje obstoječih problemov na arhitekturnem, industrijskem, medicinskem področju in tudi na drugih področjih. V dolgem procesu evolucije in naravne selekcije so naravni senzorični sistemi razvili značilne materiale in dobro prilagojene strukture od celičnega do nivoja organa. Številni naravni senzorični sistemi organizmov delujejo na edinstven način in izkazujejo impresivno zmogljivost, ki daje bogat navdih za umetne senzorske sisteme. Bioinspirirani senzorski sistemi v primerjavi s tradicionalnimi sistemi zaznavanja uporabljajo obstoječe tehnologije in procese za simulacijo naravnih struktur in materialov, kar ima za posledico zmogljivost, ki je primerljiva z naravnimi zaznavalnimi sistemi. Poleg zmogljivosti visoke občutljivosti, hitrega odziva, vzdržljivosti in nizke porabe energije daje zaznavalnemu sistemu tudi nekatere posebne lastnosti, kot so samozdravljenje, samočiščenje, prilagodljivost itd. Posledično so se senzorični sistemi, ki jih navdihuje bio, še zlasti v zadnjih desetih letih posebej uveljavili kot vroča raziskovalna smer, ki združujejo biologijo, bioniko, biomimetiko, fiziko, kemijo, znanost o materialih, elektrotehniko, računalništvo in druge discipline. Miniaturizacija in integracija senzorskih sistemov sta prav tako velik izziv današnjega časa in postavljata višje zahteve glede mehanskih lastnosti materialov in njihovih struktur. Na primer, trdnost in žilavost se pogosto medsebojno izključujeta. Naravni materiali kažejo vrhunske mehanske lastnosti zaradi optimalnega razmerja komponent. Številni raziskovalci so se danes posvetili razvoju lahkih, visoko trdnih in vzdržljivih bioničnih materialov, še zlasti takšnih, ki omogočajo ekstremno miniaturizacijo celotnemu integriranemu senzorskemu sistemu.

[ 17 ]

Biološki modeli in računalniški modeli za obdelavo informacij Zanimanje za bioniko je spodbudila hitra rast komunikacij in računalniške tehnologije, saj imajo v naravi samo živa bitja sisteme za obdelavo informacij in noben računalnik za zdaj ni sposoben izenačiti zmogljivosti ravnanja z informacijami človeških možganov. Percepcijska naprava, ki ima nekatere značilnosti človeških možganov, je bila uporabljena za raziskovanje fizičnih struktur in načel delovanja, ki so osnova naravne inteligence. Zaradi svoje sposobnosti prepoznavanja vzorcev je bila zadeva dobro proučena in analizirana. Računalniki so zelo uporabni na številnih področjih, še zlasti pri študiju reševanja problemov, saj računalniški program običajno odraža miselne procese svojega človeškega programerja.

Ko naroči računalniku, naj reši problem, programer upošteva sposobnosti in omejitve stroja. Ko se računalnik uporablja za reševanje posebnih problemov, so v njegov program vključene metode različnih strokovnjakov. Zaradi tega lahko računalniki berejo elektrokardiograme, diagnosticirajo nekatere bolezni, upravljajo naložbena sredstva in igrajo šah. Nekateri računalniški programi se lahko celo učijo, njihova učinkovitost se izboljša z izkušnjami. Analiza možganov na ravni nevronov ali živčnih celic je pripomogla k računalniškemu oblikovanju.

Nevron je premajhen, da bi prenašal veliko informacij, vendar nevroni delujejo vzporedno in tako povečajo zmogljivost živčnega sistema. Vzporedno delovanje se začne v čutilnih organih in se nadaljuje po celotnem živčnem sistemu. Računalniški tehnologi ta koncept uporabljajo pri načrtovanju naprednejših strojev, upoštevajoč konfiguracijo (možgani in hrbtenjača – živčni sistem.) V živih bitjih se procesiranje informacij začne v čutilnih organih. Oči in ušesa pa niso samo pretvorniki, ki spreminjajo energijo iz ene oblike v drugo. Oči in ušesa izvajajo zapletene analize svojih senzoričnih vnosov, preden posredujejo informacije v možgane. Danes so izdelani in uporabljeni številni modeli organov. Vendar so se abstraktne operacije, ki jih izvajajo oči in ušesa, za bionike izkazale kot zelo poučne in nadvse koristne. Te operacije so bile uporabljene za izboljšanje stvari, kot so medicinski rentgenski žarki in televizijske slike, poslane iz vesoljskih sond in drugo.

[ 18 ]

Infografika 9 Računalniško modeliranje za proučevanje kompleksnih bioloških sistemov (več ravni biološkega sistema)

Mejniki v človeški bioniki Da bi razumeli tehnološki razvoj na področju človeške bionike je treba pogledati nazaj v zgodovino razvoja na tem področju in izpostaviti je treba vsaj nekaj mejnikov, ki nam ponudijo boljšo predstavo o razvoju in dosežkih, ki so povezani s tem področjem. Čeprav segajo začetki bionike kar daleč nazaj v preteklost, bi izpostavili prvi resnejši mejnik v šestnajstem stoletju, ko je francoski kirurg Ambroise Paré izumil protetično roko z mehanizmom za premikanje prstov.

Veliko pozneje, v času druge svetovne vojne, se je spodbudil razvoj sodobnih protez, izdelanih že iz novih materialov, kot sta plastika in titan. Leta 1976 je bil eden od velikih dosežkov bionike kohlearni implantat, saj je prvič omogočil človeku, da si povrne izgubljeni sluh. Poleg slušnega aparata, ki okrepi zvok, polževi vsadki omogočajo povrnitev sluha tudi tistim bolnikom z globoko gluhostjo

[ 19 ]

zaradi poškodbe polža (ki se nahaja v notranjem delu ušesa). Ta tehnika zahteva kirurško operacijo, ki je bila prvič izvedena v bolnišnici v Parizu septembra 1976. Poleg priključitve zunanjega mikrofona, ki zbira in obdeluje zvoke, je bilo treba uporabiti napravo, ki prenaša električne signale v živce prek nekaterih elektrod. Leta 1982 je bil dosežen še en pomemben cilj bionike, nadomestitev človeškega srca z umetno napravo (umetnim srcem). Decembra 1982 si je skupina raziskovalcev z Univerze v Utahu (ZDA) drznila vsaditi napravo za trajno zamenjavo srca. Pacient je bil Barney Bailey Clark, ki je z umetnim srcem preživel 112 dni. Od takrat naprej so se začele velike izboljšave v natančnosti in obstojnosti umetnih srčnih vsadkov, povečal se je nadzor delovanja in nadzor nad zavračanjem organov (kot je to problem tudi pri drugih presaditvah). Čas preživetja z umetnim srcem pa se je povečal na več kot 7 zaporednih let. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja se je začela sodobna robotika po zaslugi dela institucij, kot sta MIT – Massachusetts Institute of Technology (ZDA), in njegov Laboratorij za umetno inteligenco. Tam je leta 1961 Heinrich Ernst razvil prvo računalniško vodeno mehansko roko. Leta 1963 so raziskovalci v bolnišnici v Downeyju (Kalifornija) ustvarili prvo robotsko roko, zasnovano za pomoč bolnikom s posebnimi potrebami. Leta 2007 je Claudia Mitchell, nekdanja ameriška marinka, postala prva ženska z implantirano bionično roko. Z miselnimi ukazi je lahko upravljala umetno roko, čeprav je bil ta mentalni nadzor takrat še zgolj posreden. Kirurgi so namreč preusmerili živce iz njene amputirane roke proti njenim prsnim mišicam, ki prenašajo signale v robotsko bionično okončino. In zdaj, v enaindvajsetem stoletju, se je ideja začela celovito udejanjati s komercializacijo vse bolj izpopolnjenih in inteligentnih robotskih oz. bioničnih rok, ki zaznavajo pritisk, temperaturo, vlago, bližino in natančno vedo, kako predmet prijeti in s kakšno silo, da ga ne poškodujejo. Razvoj bioničnih inovacij se je v zadnjih desetih letih tako močno povečal, da je že težko navesti vse mejnike tehnološkega razvoja bioničnih sistemov in naprav. Vsekakor pa je cilj z bioniko razviti in izdelati popolne bionične proteze, ki bodo zadovoljivo nadomestile vse naravne človeške okončine in vse pomembnejše organe.

Ločevanje bioničnega dejstva od bionične fikcije in razvoj bioničnih robotov Številne bionične inovacije so še vedno v zgodnjih fazah razvoja in proizvodnje ter še zdaleč niso na voljo vsem tistim, ki jih potrebujejo. To je zato, ker obstajajo

[ 20 ]

različni izzivi, ki jih je treba upoštevati in so povezani z uporabo različnih materialov, iz katerih so izdelani umetni deli telesa (protetika, vsadki, organi in drugo), temveč tudi vprašanje integracije teh delov v naša telesa, da jih organizem ne zavrne kot tujke, ampak jih sprejme kot del našega živčnega sistema. K temu moramo dodati še ogromno finančnih, etičnih, moralnih in političnih posledic izboljšanja našega telesa s pomočjo tehnologije. Toda vse te pomisleke je enostavno spregledati, ko tehnologija zveni tako vznemirljivo, obetavno in prestopa meje naravnega. Javno dojemanje bionike se še vedno močno razlikuje od realnosti pametne protetike. Cilj sodobnih študij je razviti popolnega bioničnega robota z visoko stopnjo podobnosti delovanja človeškega mišično-skeletnega sistema, da bi s tem raziskali vsa pomembna biomehanska načela, na katerih temelji normalna človeška hoja. Robot bo zasnovan tako, da bo imel identične biomehanske značilnosti človeškega telesa, v smislu lastnosti segmentov telesa, konfiguracije sklepov in 3D-mišično-skeletne geometrije. Ti projektni parametri se zdaj pridobivajo na podlagi medicinskih slik, 3D-mišično-skeletnega modela in meritev hoje zdravega človeka. Da bi hkrati izpolnili vsa merila oblikovanja, se pri izdelavi bioničnega robota uporablja kovinski 3D-tisk, tisk polimernih in drugih materialov. Fleksibilne umetne mišice se izdelujejo v skladu z določeno 3D-mišično-skeletno geometrijo. Za prikaz zmogljivosti robotske platforme se že izvaja vrsta fizičnih testov. Izdelani roboti morajo imeti enakovredne mehanske lastnosti človeškemu telesu, tako bodo tudi projektno zasnovani. Rezultati fizičnih testov s sistematično spreminjajočimi se okoljskimi pogoji in telesnimi strukturami so se na dosedanjih testiranjih uspešno izkazali kot možnost izgradnje vrhunske robotske platforme. Na takšni se lahko raziskuje medsebojno delovanje strukture in funkcije v človeškem mišično-skeletnem sistemu in tudi njegovo interakcijo z okoljem med hojo. Takšni roboti bi lahko zagotovili dragoceno in močno fizično platformo za proučevanje človeške mišično-skeletne biomehanike z ustvarjanjem novih hipotez in razkrivanjem novih vpogledov v znanost človeškega gibanja.

[ 21 ]

Infografika 10 Človek in razvoj humanoidnih in bioničnih robotov

Bionični vsadki in protetika ter tehnologije za človeško telo Umetni organi in bionične naprave, ki jih je izdelal človek, je mogoče vsaditi ali integrirati v ljudi, da nadomestijo naravni organ ali zagotovijo podporo za obnovitev določene funkcije ali skupine povezanih funkcij, ki pomagajo, da se bolnik vrne v normalno življenje. Strokovnjaki še izpostavljajo, da morajo biti tehnologije še pametnejše, tudi kot asistenčne in še bolj povezane ter interaktivne, vključno v telo integrirane rešitve ali komponente.

[ 22 ]

Slika 1 Razvojni ekponatov – bionični kolenski in kolčni sklep s senzorji in elektronskim vezjem

Z inženirskega vidika je načrtovanje sistemov za vsaditev v človeško telo omejeno z nizom specifičnih sistemskih zahtev, kot so: biokompatibilnost, biološka odpornost, velikost, gostota, ki se ujema z nevronskim tkivom, in minimalno privezovanje na sosednje strukture. Možna strogo inženirska klasifikacija splošnih biomedicinskih in bioničnih pripomočkov glede na človeško telo je: nosljivi pripomočki, pripomočki za vsaditev in pripomočki za zaužitje. Bionika je v zadnjih nekaj letih postala generator razvoja številnih tehnologij, ki jih nekoč medicina v tem obsegu kot danes ni poznala. Danes poznamo vrsto tehnologij, ki jih lahko razvrščamo v kategorijo skupnih tehnologij (širša, množična uporaba) in tehnologije, ki so povsem osebne narave. Te tehnologije sodijo na področje človeške bionike. Govorimo namreč o umetnih okončinah, najrazličnejših vsadkih, bioloških vmesnikih, možganskih vmesnikih, v telo integriranih senzorjih, umetnih bioničnih organih, sistemih za komunikacijo z vsadki in zunanjim svetom.

[ 23 ]

Infografika 11 Bionični vsadki, stimulatorji, bionične okončine in umetni organi

Danes opredeljujemo tudi mejo med kategorijo tehnologij, ki samo prečkajo človeško telo, kot na primer bionične očesne leče, slušni aparati, zaužitne biotelemetrične kapsule in drugo. To so tehnologije, ki so časovno omejene in jih uporabnik lahko enostavno odstrani in so torej v telesu preživele le določen čas. Poznamo trajne tehnologije, ki so kirurško vgrajene v človeško telo, kot so: srčni spodbujevalnik, kardioverter-defibrilator, protibolečinske in inzulinske črpalke, razni nevrostimulatorji, senzorji in drugo. Pričakuje se, da bodo te tehnologije delovale in soobstajale z naravnimi človeškimi organi v času uporabnikovega življenja brez posredovanja uporabnika, da bodo imele izjemno nizko porabo energije ali se bodo napajale brezžično ali s pomočjo tako imenovanih nanogeneratorjev. Nadalje, da bodo seveda imele naravno večstopenjsko gibanje za protetiko (biomehanska in integrirana tehnologija). Z razvojem bionike je moč ekstrapolirati trende v ne tako

[ 24 ]

daljno prihodnost in moč je sklepati, da lahko dosežemo fazo popolne integracije med našim biološkim jazom in tehnologijo, kjer naravni organi nemoteno soobstajajo z implantiranimi. Povsem naravno je, da se na filozofski ravni danes zastavljajo naslednja zelo pomembna vprašanja: Ali bodo ljudje kdaj prenehali biti ljudje v takšni obliki, kot jo dojemamo danes? Če je tako, v katerem trenutku se bo to zgodilo? In kdaj bodo ljudje postali to, kar zdaj štejemo za pametne in inteligentne stroje? Kje je sploh meja med obema možnostma? Ta vprašanja so na mestu, čeprav so na neki način že srhljiva. Danes je vsekakor jasno, da je bionika izjemno pomembna za razvoj novih tehnologij, ki človeku pomagajo na področju medicine in zdravstva, industrije in drugih področjih. Neizpodbitno je, da bo bionika pomembno vplivala še zlasti na razvoj povezav človek – stroj, in da bo odločilno sooblikovala naš prihodnji tehnološki razvoj.

Infografika 12 Primer krmiljenja in simulacije bionične ročne proteze (prvi primer)

[ 25 ]

Vmesniki možgani–računalnik, človek–stroj in hibridni bionični sistem Vmesniki možgani in računalnik (BCI – brain-computer interfaces) je komunikacijska pot med človeškimi možgani in zunanjo napravo, npr. računalnikom.

Izgradnja vmesnikov možgani–računalniki je znana tudi kot nevroprotetika in je osrednjega pomena za ustvarjanje pametne bionične protetike. Interakcija človek–stroj se danes izvaja s HMI – Human-Machine Interfaces. Vmesniki možgani– stroj (BMI – Brain-machine interfaces) pa so poseben razred HMI. Skupna naprava uporabniškega vmesnika, ki obsega obe umetni in biološki komponenti, je danes opredeljena kot hibridni bionski sistem (HBS – Hybrid Bionic System).

Brez BCI protetika danes ne bi mogla slediti ukazom možganov in kontroli nadzora gibanja v prostoru in času. Z BCI in protetično senzoriko umetne okončine postanejo čutne in kontrolirano odzivne. Danes se BCI-ji uporabljajo v različnih aplikacijah, tudi za procese učenja, kjer se ustvarjajo povsem novi vzorci nevronskih aktivnosti. Prav ta nova nevronska aktivnost je osrednja komponenta pri dodajanju novih delov telesa (umetnih protez in organov), ki jih lahko nadzorujejo možgani. Ti električni nevronski signali lahko prepričajo možgane, da je del telesa naš, kar nam omogoča nadzirano premikanje in v nekaterih primerih celo čutnost sveta okoli nas. Razvoj je danes usmerjen tudi v izgradnjo stabilizatorja nevronskega signala, ki lahko zmanjša in potencialno odpravi potrebo po ponovni kalibraciji vmesnika možgani–računalnik. Vsak vmesnik možgani–računalnik je treba sicer kalibrirati, kar je postopek, s katerim natančno določimo, kako se nevronski signali prevedejo v gibanje naprave. Nestabilnosti v posnetih nevronskih signalih povzročijo, da vmesnik preneha delovati, včasih že v samo nekaj urah, dokler se naprava ponovno ne kalibrirana. Danes poteka intenzivni razvoj tudi na področju kreiranja bioničnih možganov in rešitev za številne opisane težave, ki so povezane z BCI-ji, njihovo učinkovitostjo in zanesljivostjo delovanja.

[ 26 ]

Infografika 13 Bionična roka, senzorji in krmiljenje (drugi primer)

Krmiljenje bioničnih protez Danes poznamo več oblik krmiljenja bioničnih protez oz. umetnih okončin. Najpogostejša je z elektromiografijo (EMG – Electromyography), ki zazna električne signale skozi vtičnico, priključeno na panje. Panj je izraz za kostni nastavek, na katerega se fiksira bionična proteza. Danes se uvaja tudi drug način krmiljenja bioničnih protez z mehanomiografijo (MMG). Ta sistem uporablja posebne mikrofone in sistem senzorjev gibanja za zaznavanje gibanja mišic in rok. Izziv za avtomatsko uporabo je zajemanje signalov z uporabo merilnikov pospeška in mikrofonov ob odpravljanju nastalih motenj. Tehnologija EMG s suhimi elektrodami ima danes velik potencial, vendar so precejšnje omejitve v klinični uporabi.

MMG je veliko bolj preprost, nima direktne električne povezave elektrod in pre-

[ 27 ]

vodnega gela, senzorje pa je mogoče znova uporabiti za nedoločen čas. Za komercialno uporabo so potrebna seveda dolgoletna klinična testiranja.

Infografika 14 Krmiljenje bioničnih protez (tretji primer)

Danes poznamo tudi mioelektrično, mikroprocesorsko in mišično-intuitivno protetiko in tudi proteze kot triprstni sistem za močan prijem. Cilj razvojnih inženirjev je sicer jasen, izdelati pametno bionično protetiko, ki bo kar se da skladna z delovanjem naravnih okončin in bo delovala na biološki način.

[ 28 ]

Prihodnje smernice razvoja bioničnih okončin in nevrorobotska fuzija protetičnega dotika Za izboljšanje nadzora protez zgornjih okončin ostaja še veliko izzivov. Zagotoviti je treba boljše zajemanje podatkov, boljšo lokalizacijo področij, ki so odgovorna za spretno gibanje rok in prstov. Drugo področje stalnega izboljševanja je razvoj algoritmov za dekodiranje, ki so zasnovani posebej za obdelavo nevronskih signalov iz velikih nizov elektrod. Izpopolniti je treba sistem dvosmerne komunikacije in senzorične povratne informacije. Vedno pomembnejše je celovito zaznavanje dotika in aktivno vključevanje senzoričnih informacij v bionične protetične roke. Dodatne senzorične zaznave, kot so propriocepcija, temperatura in bolečina, bi bile več kot zaželene za ustvarjanje popolnih bioničnih protetičnih okončin. Bionični razvoj nam danes pomaga, da se s tehnologijo vzpostavlja možnost zapletenega nadzorovanja gibov roke in prstov. Glavna ovira za funkcionalno nevroprotezo z motoričnimi ali senzoričnimi (ali obema) vmesnikoma je dolgoročna stabilnost teh sistemov, zlasti tistih, ki uporabljajo kortikalne nevronske vmesnike. Pri nevronskih protezah je danes tudi še veliko etičnih premislekov, saj je treba izbiro subjektov, ki bodo implantirani z dolgotrajno napravo, oceniti glede na vsa možna tveganja in koristi za vsakega posameznika posebej.

Nevrorobotska fuzija protetičnega dotika, kinestezije in gibanja v bioničnih zgornjih okončinah spodbuja intrinzično vedenje možganov. Bionične proteze imajo obnovitveni potencial, vendar pa kompleksna interakcija med intuitivnim nadzorom, propriocepcijo in dotikom, ki predstavlja značilnost človeškega delovanja zgornjih okončin, še ni optimalno dosežena. Danes poznamo sicer veliko tako imenovanih bioničnih konceptov upravljanja zgornjih bioničnih okončin.

Poznamo tudi nevrorobotsko fuzijo dotika, kinestezije oprijema in intuitivnega motoričnega nadzora, ki spodbuja ravni vedenjskih zmogljivosti, ki so razslojene v smeri zelo sposobnih funkcij. To je doseženo s ciljno motorično in senzorično reinervacijo (ponovno oživčenje), vmesnikom nevronskega stroja z zaprto zanko, ki je povezan z neinvazivno robotsko arhitekturo. Dodajanje dotika izboljša nadzor in poveča zmožnost doseganja predvidenih sil oprijema cilja in iskanja ciljnih funkcij. Dotik, kinestezija in motorični nadzor obnovijo uravnotežene odločitvene strategije pri identifikaciji ciljnih durometrov in intrinzičnih vedenj, ki zmanjšajo potrebo po opazovanju protetične roke med interakcijami s predmeti, kar razbremeni oči, da neprestano gledajo naprej na naslednje načrtovano dejanje.

Kombinacija teh treh načinov prav tako izboljša učinkovitost odklanjanja napak.

Poenotene teoretične, funkcionalne in klinične analize omogočajo uskladitev

[ 29 ]

senzoričnih in motoričnih procesov v tem nevro-strojnem vmesniku. Ta multiperspektivni okvir zagotavlja potrebne dokaze, ki kažejo, da bionične proteze dosegajo bolj človeško funkcijo z učinkovito senzorično-motorično obnovo.

Infografika 15 Nevrorobotska fuzija protetičnega dotika, kinestezije in gibanja bioničnih okončin

[ 30 ]

Molekularna bionika in inženiring materialov za posebne aplikacije Danes lahko, zaradi velikega razvoja znanosti in inženirskih tehnik, razumemo veliko stvari in jih do neke mere lahko posnemamo kot naravne sisteme, pri čemer biomimetika in bionika postajata vse večji disciplini pri oblikovanju materialov. Danes že uspešno razvijamo bionične proteze in vsadke (tudi nekatere umetne organe), vprašanje pa se postavlja, kaj lahko naredimo na molekularni ravni? Ali lahko oblikujemo bionične enote, ki posnemajo specifične biološke funkcije in ali uvedemo operacije, ki v naravi še ne obstajajo? To je tisto, kar imenujemo molekularna bionika: prizadevanje za odkrivanje kompleksnosti osnovnih arhitektur življenja, s končnim ciljem uporabe njenih načel oblikovanja za konstrukcijo umetnih sistemov, ki si delijo značilnosti njihovih bioloških sistemov. Bionične ali življenjske lastnosti bi naj celovito vključevale reverzibilnost, dinamičnost, delovanje v neravnovesnih pogojih (homeostaza), prilagajanje in samozdravljenje, samoojačitev, signalizacijo in odziv na zunanje dražljaje in drugo. V bioniki se vsekakor išče večja funkcionalnost materialov, ki so sposobni interakcije z biološkimi entitetami. In spodbuja se razvoj biomaterialov, ki bodo učinkoviti v različnih bioloških okoljih (tj. izboljšana interakcija s celicami in tkivi). Danes seveda potrebujemo širok nabor orodij za gradnjo biomaterialov na podlagi molekularno bioničnega pristopa in nato zelo jasna pravila za oblikovanje molekularnih bioničnih materialov. Kljub vsem sintetičnim prizadevanjem so umetni sistemi danes še daleč od popolnosti, ki jo doseže biologija pri proizvodnji biomolekul. Zasnova biomaterialov mora biti prilagojena predvideni uporabi, ob upoštevanju vseh bioloških izzivov, s katerimi se bodo biomateriali soočili (tu je treba izpostaviti predvsem medicino in zdravstvo). Zagotovo bo v prihodnosti mogoče izdelati pomembne bionične materiale z življenjskimi lastnostmi, ki lahko posnemajo nekatere značilnosti bioloških tkiv in bodo lahko prilagojeni specifičnim pogojem za človeka. Tu pa nastopi tudi razvoj človeške bionike, ki je povezana tako z biomateriali kot medicino, zdravstvom in še nekaterimi drugimi področji.

[ 31 ]

Infografika 16 Implantabilne bionično‐fotonične naprave in njihove lastnosti

Kakšne so danes omejitve bioničnih naprav in vsadkov?

Trenutne bionične naprave običajno uporabljajo kovinske elektrode za stimulacijo živčnih celic. Medtem ko so te elektrode zadostovale v zadnjih nekaj desetletjih in v napravah, ki se vgrajujejo šele nekaj let, te kovinske elektrode zdaj postajajo velika omejitev. Ker nam miniaturizacija elektronike še naprej omogoča, da zmanjšamo velikost vsadkov in pacientom ponudimo naprave z več funkcionalnosti, obstaja potreba po izdelavi manjših, bolj gosto zapakiranih elektrod.

Pri teh submikronskih velikostih kovinskih elektrod ni mogoče varno uporabljati več desetletij, kot to zdaj zahtevajo bolniki, ki prejemajo naprave, med njimi so seveda tudi otroci. Posledično obstaja veliko zanimanje za nove materiale za elektrode. Zadnjih deset let je veliko raziskovanj na področju polimerov, grafena

[ 32 ]

in drugih materialov. V tem času so se razvili številni električno prevodni materiali, ki lahko pomembno izboljšajo zmogljivost običajnih kovinskih elektrod. Ker pa človeško telo te materiale še vedno prepozna kot tuje, bolniki še vedno trpijo zaradi procesa, znanega kot vlaknasta inkapsulacija, kjer telo proizvaja celice, podobne brazgotinam, ki obdajajo implantat. Optimalen bionični implantat, ki bo v prihodnosti razvit iz pametnih, bioničnih biokompatibilnih materialov, bo šele vzpostavil pravo intimno povezavo z okoliškimi celicami, ne da bi spodbudil rast brazgotinskega tkiva. Bionika si skupaj z drugimi vedami prizadeva razviti in izdelati naprave ter vsadke, ki bodo miniaturni, fleksibilni in jih človeško telo ne bo zavračalo kot tujek. Danes smo tudi priča razvoju novega sistema elektrodnega materiala, ki bo združeval tako elektroaktivne materiale kot živčne celice, da bi oblikoval to intimno povezavo med napravo in tkivom. Ta pristop uporablja znanje iz raziskav bioničnih naprav in tkivnega inženiringa, ki se vse pogosteje uporablja za zamenjavo raznih vrst tkiva zaradi poškodb.

Razvoj bioničnih možganov Čeprav je to področje šele v zgodnji fazi razvoja, je mogoče že danes izpostaviti nekatere podatke o njihovem oblikovanju, smernicah in možnih aplikacijah. V svetu sicer obstaja kar nekaj različnih pristopov k načrtovanju tega zahtevnega izziva. Kot prvi namenski model se vse pogosteje omenja »Bionic Brain Classified Engineering (BBCE)«, prek katerega bi se naj osredotočale različne inženirske domene (BB – Bionic Brain). Izhodišče razvoja je možgane in spremljajočo inteligenco integrirati na umetni čip.

[ 33 ]

Infografika 17 Bionični možgani (BMM)

Znanstveniki, raziskovalci in inženirji danes intenzivno proučujejo mehanizme možganov in način, kako se učijo in razvijajo inteligenco občutka zavesti. Raziskovalci se trudijo razviti umetno inteligenco v umetnih nevronskih mrežah (ANN – artificial neural networks). Na podlagi struktur živčnega sistema se razvijajo računsko-kognitivni modeli. Razvijajo se tudi koncepti (MBB – Mimic Bionic Brain), kjer je poudarek na proučevanju genialne inteligence z uporabo teorije biološke nevroznanosti. Gre za razvojne koncepte obvladovanja umetne inteligence na čipu. V osnovi bi takšni možgani delovali po principu novorojenega otroka (BCBB – Born-Child Bionic Brain), torej bi bili v začetku popolnoma prazni – brez pomembnih podatkov. Tako kot novorojeni otrok skenira okolje, razvija zaznavanje, ustvarja pomen in si zapomni identificirane predmete s pravilno komunikacijo in z vsemi sredstvi. Umetni možgani po modelu MBB bi bili pravi bionski možgani, v katere bi se zajemale vse potrebne senzorične informacije in

[ 34 ]

oblike strojnega učenja, napredni podporni algoritmi in drugo. Z razvojem bioničnih možganov se razvijajo tudi biomorfne (npr. nevromorfne) in biološko navdihnjene elektronske in optične naprave. Z memristorji, še zlasti biomemristorji, se razvijajo spominski sistemi, ki bi nekoč lahko bili del kompleksnega sistema bioničnih možganov. Kot možne aplikacije se bionični možgani omenjajo v povezavi s humanoidnimi roboti, pametnimi stroji, nevroprotetiko in drugim.

Infografika 18 Razvojne smeri razvoja bioničnih možganov

Theodore Berger, profesor na Univerzi v Južni Kaliforniji, je ustvaril prvi funkcionalni računalniški čip, ki bi lahko nadomestil hipokampus, del možganov, ki nadzoruje kratkoročni spomin in prostorsko razumevanje. Hipokampusni implantat (HI – Hippocampus implant), ki ga pogosto poškodujejo razne bolezni, kot sta na primer Alzheimerjeva bolezen in možganska kap. Takšni implantati bi

[ 35 ]

v prihodnosti lahko pomagali invalidnim ljudem ohranjati delovanje posameznih pomembnih funkcij. HI bo v prihodnosti razvit s pomočjo memristorjev in biomemristorjev ter drugih novodobnih vezij, ki jih odlikujejo visoka prilagodljivost, biokompatibilnost, nizka energetska potrošnja in možnost brez baterijskega napajanja.

Kako bodo bionične naprave komunicirale z živčnim sistemom?

Prevleka, prepletena s celicami, bo omogočila uporabo veliko manjših in varnejših električnih dražljajev za aktiviranje živčnih celic. Ko so celice znotraj prevleke stimulirane, lahko s sinaptičnimi povezavami posredujemo stimulacijo poškodovanemu tkivu. Te povezave so naravna metoda prenosa naboja v človeškem telesu in veljajo za boljše rešitve od stimulacije s kovinskimi z elektrodami, ki stimulirajo tkiva. Pričakuje se, da bo ta bolj naravna oblika komunikacije koristna za dolgoročno varnost in učinkovitost bioničnih naprav. Ta tehnologija se bo uporabljala v vseh bioničnih napravah in v širšem naboru vsadkov, vključno z vmesniki možgani–stroj, živčnimi presadki in gensko terapijo. Z bioničnim razvojem bo prihodnost bioničnih naprav zelo razburljiva. Premikajo se meje tehnoloških zmogljivosti in ugotavlja se, da je že danes mogoče ustvariti zelo majhne, funkcionalne večfunkcijske naprave. Prav tako pa se pričakuje, da bodo bionični organi, hibridizacija naravnega tkiva s sintetičnimi elektronskimi oz. bioelektronskimi elementi postali zelo realna možnost za prihodnost. Nevromorfno računalništvo je metoda računalniškega inženiringa, pri kateri so elementi računalnika modelirani po sistemih v človeških možganih in živčnem sistemu. Izraz se v prvi vrsti nanaša na načrtovanje računalniških elementov strojne in programske opreme.

Nevromorfni inženirji črpajo znanje iz več disciplin, vključno z računalništvom, biologijo, bioniko, biomimetiko, matematiko, elektronskim inženiringom in fiziko, za ustvarjanje umetnih nevronskih sistemov, ki jih navdihujejo biološke strukture. Obstajata dva splošna cilja nevromorfnega računalništva (včasih imenovanega nevromorfni inženiring). Prvi je ustvariti napravo, ki se lahko uči, zadrži informacije in celo naredi logične sklepe, kot to zmorejo človeški možgani (kognitivni stroji). Drugi cilj je pridobiti nove informacije in morda dokazati racionalno teorijo o tem, kako delujejo človeški možgani. Veliko v tovrstnem razvoju lahko prispeva tudi bionika, še zlasti nevrobionika v smeri razvoja nevromorfnih

[ 36 ]

mikroračunalnikov za razvoj kompleksne nevroprotetike in intenzivne komunikacije med človekom in stroji ter pametnimi napravami. Razvoj biomemristorjev in tovrstnih vezij je že en konkreten korak razvoja v to smer. Razvoj bioničnih možganov pa bi lahko bil odgovor na vprašanje, kakšna bo vloga nevromorfnega računalništva v prihodnje v povezavi s človekom. Leta 2015 so raziskovalci na Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) in na Univerzi v Kaliforniji v Santa Barbari že ustvarili bionični prototip možganov z uporabo memristorjev.

Infografika 19 Biološko nevronski sistemi za zaznavanje in okvir informacij v nevromor‐ fnem nevronskem sistemu

[ 37 ]

Memristorji in biomemristorji na poti razvoja bioničnih vmesnikov Memristorske naprave so dokazano obetavni kandidati za posnemanje biološkega računalništva, vendar pa so tipične preklopne napetosti (0,2-2 V), v bioloških analogih so amplitude veliko višje. Memristorske tehnologije so izjemno pomembne tudi za področje bionike, še zlasti za področje nevrobionike in človeške bionike. Danes poznamo več vrst memristorskih naprav, v knjigi bi izpostavili le difuzijski memristor, izdelanega iz beljakovinskih nanožic, pridobljenih iz bakterije Geobacter sulfurreducens, ki deluje pri bioloških napetostih 40– 100 mV. Memristivna funkcija pri bioloških napetostih je možna, ker proteinske nanožice katalizirajo metalizacijo. Umetni nevroni, zgrajeni iz teh memristorjev, ne delujejo le pri bioloških akcijskih potencialih v obsegu (npr. 100 mV, 1 ms), ampak kažejo tudi časovno integracijo, ki je blizu tisti v bioloških nevronih.

Dokazana je tudi možnost uporabe memristorja za neposredno obdelavo biosenzorskih in bionanosenzorskih signalov. Biološki možgani so lahko zelo učinkoviti pri obdelavi signalov in inteligentnem odločanju. Funkcionalna emulacija lahko tako vodi do naprednih računalniških sistemov. Sposobnost registracije akumulativnih dražljajev (npr. pretoka naboja) s spremenljivko stanja (npr. prevodnost) omogoča tipičnim memristorjem, da posnemajo nevromorfna vedenja.

Nedavno se je izkazalo, da vrsta difuzijskih memristorjev dopolnjuje nehlapne ali premične memristorje. Proces razpada prevodnosti v difuzijskih memristorjih učinkovito ustvari tako imenovano »notranjo uro« (IC – Internal clock) za kodiranje relativnih časovnih informacij, kar vodi do funkcionalnih emulcij v sinapsah s kratkim spominom, umetnih nevronih in kapacitivnih nevronskih mrežah.

Vendar pa so preklopne napetosti (0,2–2 V), potrebne skoraj za vse memristorje, višje od amplitude 50–120 mV v bioloških analogih. Poraba energije se običajno spreminja z amplitudo signala, zato funkcionalna emulacija z memristorji še ni dosegla izredno nizkih zahtev po energiji biosistemov. Mehanizem, ki ga poganja polje v številnih nitastih memristorjih, pomeni, da skaliranje naprave morda ne bo nujno zmanjšalo preklopne napetosti in s tem potrebe po moči za aplikacije z visoko gostoto. Po drugi strani pa lahko funkcionalna podobnost memristorjev z biološkimi sistemi olajša elektronsko-biološke vmesnike, kar je izjemno pomembno za področje razvoja bioničnih vmesnikov. Vendar funkcionalna podobnost brez ujemanja parametrov še vedno zahteva dodatno vezje za povezovanje, kar povečuje stroške viziji brezhibne integracije. Zato se pričakuje, da nevromorfne naprave, ki delujejo pri bioloških napetostih (bionapetost, npr. ≤100 mV), ne

[ 38 ]

bodo le znižale porabe energije, temveč tudi omogočile učinkovite komunikacijske elektronsko-biološke vmesnike.

Infografika 20 Biološko navdihnjeni memristorji

Nevromorfne naprave za bionično zaznavanje in razvoj bionične inteligence Nevromorfne naprave, ki lahko posnemajo bionične senzorične in zaznavne funkcije nevronskih sistemov, imajo veliko uporabno vrednost pri spremljanju osebnega zdravstvenega varstva, nevroprotetiki in vmesnikih človek–stroj. Za realizacijo bioničnega zaznavanja je ključnega pomena, da se razvijejo in izdelajo nevromorfne naprave s funkcijo zaznavanja okolja v realnem času. Do sedaj je bilo vloženega veliko truda za vključitev zaznavanja, ki ga navdihujejo biološki sistemi in področje nevromorfnega inženiringa, vključujoč razširjajočo industrijo

[ 39 ]

umetne inteligence. Danes že poznamo različne nevromorfne naprave, ki temeljijo na različnih materialih in mehanizmih. Napredek je dosežen tudi pri emulaciji bioloških sistemov zaznavanja. Poleg dosežkov umetne inteligence (AI) raziskovalci poskušajo naučiti in posnemati biološke nevronske sisteme s skoraj vseh vidikov, kot so nevronske mreže in inteligentni roboti, da bi poiskali umetno splošno inteligenco (AGI – Artificial general intelligence). Biološki nevronski sistemi imajo značilnosti računalniške strukture v pomnilniku, obsežne vzporedne obdelave in delovanja na podlagi dogodkov. Takšne značilnosti omogočajo, da natančno zaznamo in reagiramo, ko se soočamo z dogodki iz resničnega sveta v robustnih, odpornih in energetsko učinkovitih načinih. Zaradi tega so biološki nevronski sistemi učinkovitejši in hitrejši, kot jih lahko doseže katera koli strojna/programska oprema za dano aplikacijo. Kot rešitev za učinkovito obdelavo ogromnih podatkovnih nizov je bila električna implementacija nevronskih sistemov pomemben pristop za pridobivanje zunanjih informacij (npr. senzorjev) in še pomembneje, obdelava in izvajanje zunanjih informacij prek kognitivnih procesov (npr. nevromorfni računalniški sistemi). Umetne sinapse lahko nadzorujejo pretok informacij, obdelavo podatkov in pomnilniško funkcijo z modulacijo sinaptične teže. Strojna implementacija sinaptičnih/nevronskih funkcij predstavlja paradigmo popolnoma novega koncepta, ki temelji na bioničnem pristopu.

Biološki nevronski sistemi imajo vodilno vlogo pri uravnavanju fizioloških funkcij telesa vretenčarjev. Takšni sistemi so v glavnem razdeljeni na dva dela: osrednji živčni sistem (CNS – central neural system), to so možgani in hrbtenjača, ter periferni živčni sistem (PNS – Peripheral neural system), torej senzorični in motorični živci skupaj. CNS izvaja dejavnosti na visoki ravni, kot so učenje, pomnjenje in načrtovanje, in prevladuje nad telesnimi dejavnostmi kot odgovor na informacije, prejete od PNS. PNS zaznava in reagira na dražljaje, na primer svetlobo, zvok, kemikalije in pritisk, ter prenaša te informacije med CNS in drugimi deli telesa. Strokovnjaki so mnenja, da lahko PNS neposredno izvaja nekatere dejavnosti nizke ravni, kot sta refleksna in mišična aktivacija. Z drugimi besedami, takšnih senzoričnih signalov ni treba pošiljati v možgane in zaznavna odločitev se sprejme takoj, ko senzorični signal doseže hrbtenjačo. V primerjavi z možgani PNS obdeluje zaznavne dejavnosti na nizki ravni na decentraliziran in lokaliziran način. Lokalizirana obdelava se ne more le hitro odzvati na zunanje dražljaje za ohranitev preživetja, ampak tudi zmanjša računsko breme možganov.

Zaradi takšnih prednosti je bila lokalizirana obdelava uporabljena že v interaktivni robotiki.

[ 40 ]

Področje razvoja bionične inteligence in specializirano področje – nevrobionika Iz strokovne literature je jasno razvidno, da je cilj nevromorfnega inženiringa zgraditi kompleksne bio-navdihnjene kognitivne sisteme, ki posnemajo biološko nevronsko zaznavanje in zmogljivosti obdelave, medtem ko nevromorfni inženiring izpelje sinaptične sisteme in naprave. Pri izvajanju nalog, kot sta klasifikacija vzorcev in ekstrakcija značilnosti, lahko umetna nevronska mreža, ki temelji na sinaptičnih napravah, učinkovito izvaja algoritme strojnega učenja. Po navdihu zgoraj navedenega lahko vključitev tehnologij zaznavanja, ki jih navdihuje bio, in nevromorfnih inženirskih tehnologij za posnemanje funkcij CNS in PNS odpre novo obdobje in področje za umetno bionično inteligenco. V prizadevanju za posnemanje CNS in PNS sta bili doslej že sprejeti dve metodi: razvoj sinaptičnih naprav z zmožnostmi obdelave informacij in zaznavanja dražljajev, kot so svetloba, zvok, kemikalije in pritisk; razvoj umetnih sinaptičnih naprav, integriranih s senzoričnimi elementi (npr. svetloba, dotik). Pristop integracije naprav je bil v zadnjih letih široko dokazan za konstruiranje umetnih nevronskih sistemov in ta metoda ima potencial za uporabo v nosljivi elektroniki, bioniki, robotiki in nevroprotetiki naslednje generacije. Na primer, umetni nevronski sistemi lahko pomagajo nadomestiti poškodovane nevrone ali pa se lahko uporabijo kot orodja v nevroznanosti za proučevanje senzoričnih/motoričnih nevronskih motenj.

Poleg tega je mogoče razviti umetne nevronske sisteme za realizacijo ekstrakcije in analize senzoričnih informacij ter za reševanje težav v negotovih okoljih. Ti sistemi, ki bodo sposobni zaznati okolje in se ustrezno odzvati, bodo močno vplivali na napredek umetne bionične inteligence in posnemanja funkcij bioničnega zaznavanja. V biološkem živčnem sistemu se biološke lastnosti sinapse delijo na električne sinapse in kemične sinapse; prve običajno obstajajo pri ribah in dvoživkah, druge pa pri sesalcih. Nastanek in razvoj sinaptičnih naprav se zgleduje po človeških možganih, zato je v tem primeru govora le o kemičnih sinapsah. Sinapse so sestavljene iz treh delov: predsinaptične membrane, sinaptične razpoke oz. vrzeli in postsinaptične membrane. Razvoj »možganom podobnega računalništva« je neločljiv od raziskovanja možganskih funkcij s strani nevrologov. Sinapse služijo kot funkcionalne povezave med nevroni, zato so sinaptične naprave bistvene za emulacijo zgoraj omenjenih nevronskih funkcij. V zadnjih letih so bila raziskana številna vezja, ki temeljijo na posebnih tranzistorjih in memristorjih, ter biomemristostorjih, da posnemajo sinaptične funkcije, kar dokazuje možnost pri uporabi nevromorfnega inženiringa. Da bi zmanjšali stroške strojne opreme

[ 41 ]

in porabo energije, se raziskovalci vedno bolj osredotočajo na realizacijo povsem novega koncepta nevromorfnih naprav za aplikacije kompleksnega bioničnega zaznavanja.

Infografika 21 Živčni vmesniki, različne elektrode in komunikacije

Kaj prinaša bionika v svet kolaborativnih robotov?

Običajni industrijski roboti danes zaradi uporabe togih komponent in pomanjkanja občutka sile še ne zmorejo popolnoma zagotavljati inherentne varnosti pri skupnem delu z ljudmi. Za povečanje varnosti ljudi v povezavi s sodelovalnimi roboti (HRC – human-robot collaboration) so raziskovalci razvili novo kolaborativno robotsko kožo (CoboSkin) z značilnostmi mehkobe in spremenljive togosti.

CoboSkin je sestavljena iz vrste napihljivih enot in senzorskih enot. Senzorske [ 42 ]

enote iz mehkih poroznih materialov so sposobne meriti porazdeljeno kontaktno silo na ustrezen način v realnem času, z napihljivimi enotami izdelanimi iz elastomerov. Deformacija pa je omejena še s posebnim tekstilom, ovitim okoli njega.

Sprememba togosti je omogočena s prilagajanjem notranjega zračnega tlaka napihljive enote, s čimer se spremeni občutljivost enote za zaznavanje in zmanjšanje največje udarne sile.

Infografika 22 Sodelovanje in povezovanje človeka in robota skozi razvojni čas

[ 43 ]

Mehka robotika in posebne bionične tehnologije, ki so uporabne že danes Mehki bionični senzorji so danes zaznavne platforme, ki se lahko upognejo, raztegnejo ali oblikujejo, da omogočijo zaznavanje zunanjih dražljajev, kot so sila, premiki, tlak, temperatura ali kemikalije pod rahlimi mehanskimi deformacijami.

Tehnologije mehke robotike so se zdaj razvile onkraj taktilnega zaznavanja in naprave z zmožnostmi zaznavanja premika, temperature ali svetlobe so trenutno v intenzivnem razvoju. Zaradi napredka na področju prevodnih kompozitnih materialov so bile razvite različne vrste mehkih bioničnih in bioelektričnih senzorjev, kot so fleksibilni, raztegljivi in nosljivi senzorji. V zvezi z mehkimi bioničnimi aktuatorji je zgodnji razvoj dielektričnih elastomerov pripeljal do nedavne realizacije umetnih mišic, ki temeljijo na pametnih polimernih materialih, pnevmatski aktuatorji pa so odprli področje mehke robotike. Nedavni razvoj vključuje različne mehke in pametne sprožilne mehanizme, ki uporabljajo tekočine, kemikalije in mehke materiale. Tudi nove proizvodne tehnologije, kot sta 3D- in 4Dtiskanje, so povzročile napredek mehkih bioničnih aktuatorjev za mehke robotske prste, ki so jih navdihnile biomimetične strukture ali pa so jih oblikovale arhitekturne trdne snovi, kot so auxetic ali origami strukture. Zaradi povečanega zanimanja za fleksibilno mehko robotiko (še zlasti v medicini in zdravstvu) se pričakuje, da bodo mehki bionični senzorji in aktuatorji postali industrijsko izjemno pomembni.

Kako so se razvili mehka robotika in mehki aktuatorji podobni človeški roki Stacionarni kovinski robot, ki je v preteklosti opravljal eno samo nalogo v težki industriji, kot je npr. avtomobilska, je definiral pojem robotika. Cenjeni so bili za opravljanje ponavljajočih se nalog in tistih, ki so bile umazane in nevarne.

Avtomatizacija se je začela spreminjati, ko je rastlo povpraševanje po izdelkih višje kakovosti, medtem ko se je življenjski cikel izdelkov skrajšal. V industrijah, kot je potrošniška elektronika, so bili za ravnanje z miniaturnimi komponentami potrebni roboti z občutljivim zaznavanjem sile. Masovna prilagoditev je predstavljala še en izziv za tradicionalni stacionarni robot. Spletno naročanje posameznih artiklov in pričakovanja potrošnikov, da bodo izdelki takoj dostav-

[ 44 ]

ljeni, so prinesla fleksibilno avtomatizacijo v skladiščnih in logističnih okoljih.

Spremembe na trgu, skupaj s trendi v komponentah, kot so senzorji, ki postajajo vedno cenejši in zmogljivejši in orodja na koncu roke, ki se zlahka zamenjajo za opravljanje različnih nalog, so omogočili stroškovno učinkovite naložbe v robote. Raziskovalci so pred časom začeli intenzivno eksperimentirati z mehkejšimi, bolj prilagodljivimi materiali in so ugotovili, da z njimi lažje posnemajo človeške sposobnosti, hkrati pa ohranjajo sposobnost ponavljanja nalog in prilagajanja spremembam v okolju. Raziskovalci na Tehniški univerzi v Delftu na Nizozemskem so razvili nove bionavdihnjene programabilne aktuatorje, ki delujejo podobno kot človeška roka in združujejo mehke in trde pametne materiale za izvajanje kompleksnih gibov. Ti novi pametni materiali imajo velik potencial za razvoj in izdelavo mehkih robotov, ki bodo lahko varno in učinkovito komunicirali z ljudmi in občutljivimi predmeti. Tovrstni razvoj mehke robotike je tesno povezan s človeško bioniko. Uporaba takih tehnoloških dosežkov bo kaj kmalu implementirana tudi v medicinski robotiki, industriji in na številnih drugih področjih. Novi modeli ultraprogramabilnih mehanskih metamaterialov omogočajo nov razvoj, kjer je mogoče izbrati in uravnati način aktiviranja v zelo širokem razponu, ne le sile in amplitude aktiviranja, ampak veliko več. Danes strokovnjaki že uporabljajo racionalne pristope oblikovanja, ki temeljijo na napovednih računalniških modelih, združeni z naprednimi tehnikami aditivne proizvodnje iz več materialov in celo za 3D- in 4D-tiskanje celičnih materialov. Z uporabo geometrije in prostorskih razporeditev lastnosti materiala kot glavnih konstrukcijskih parametrov so razvili mehke mehanske metamateriale, ki se obnašajo kot mehanizmi, katerih silo in amplitudo aktiviranja je mogoče povsem prilagoditi. Mehka robotika, ki jo navdihuje biologija, omogoča varnejše klinične interakcije s človeškimi pacienti, običajni trdi roboti, pogosto zgrajeni iz togih materialov in zapletenih nadzornih sistemov, ogrožajo celovitost tkiva, svobodo gibanja, skladnost in splošno biološko združljivost ljudi. Mehki skladni materiali bistveno zmanjšajo mehansko kompleksnost, prilagodijo okolje njihove uporabe in dajejo velik praktični potencial za razvoj mnogoštevilnih medicinskih pripomočkov in naprav. V medicinskih aplikacijah mehke robotske naprave ne le pospešujejo razvoj minimalno invazivne kirurgije, ampak tudi izboljšujejo biološko združljivost naprav za rehabilitacijo.

[ 45 ]

Želje po ekstremno natančni manipulaciji z bioničnimi aktuatorji in okoljska združljivost Mehki roboti imajo prednosti, kot na primer da lahko poberejo zelo občutljive predmete, kot je na primer jajce, ne da bi ga strli. Lahko se maksimalno prilagajajo okolju. Mehke in deformabilne strukture so ključnega pomena v sistemih, ki se ukvarjajo z negotovimi in dinamičnimi okolji ter zahtevnimi nalogami, ugotavlja RAS – Robotics and Automation Society IEEE v članku Soft Robotics. To vključuje tudi delo z živimi celicami in interakcijami s človeškimi telesi. Danes sta največja izziva razvoj in iskanje uporabnih materialov, ki jih je mogoče natančno nadzorovati kot mišice, ne da bi sledili togemu gibanju. Že zdaj je povsem jasno, da se bo mehka robotika uporabljala v zelo zahtevnih aplikacijah, povezanih z medicino, industrijo, logističnim sektorjem itd. Harvard Biodesign Lab na primer uporablja mehko robotiko za pomoč bolnikom, ki so imeli srčno popuščanje. Podjetje Soft Robotics iz Cambridgea v Massachusettsu izdeluje »bionična prijemala in nadzorne sisteme« za naloge izbiranja, postavljanja, zlaganja, prelaganja, razvrščanja zahtevnih, zelo občutljivih predmetov. Združenje RIA – Robotic Industries Association opisuje prednosti prilagodljivih tehnologij mehkega oprijema v različnih aplikacijah: od medicinskih do aplikacij v skladiščih in v distribuciji. Mehki električni aktuatorji, ki jih poganja nizka napetost, so zelo obetavni za aplikacije interaktivnih vmesnikov človek–stroj (iHMI – Intelligent Human Machine Interface), vključno z izvajanjem ukazov za dokončanje različnih nalog in komunikacijo z ljudmi. Privlačne lastnosti nizkonapetostnih mehkih električnih aktuatorjev vključujejo njihovo dobro varnost, nizko porabo energije, majhno velikost sistemov in lastnosti, ki niso toge ali deformabilne. Poznamo tri tipične razrede električnih aktuatorjev, in sicer elektrokemične, elektrotermične in druge električne (dielektrične, elektrostatične, feroelektrične in aktuatorje iz plastificiranega gela). Aktuatorje delimo tudi glede na njihov mehanizem delovanja in območje delovnega potenciala. Za vsako vrsto aktuatorjev obstajajo prednosti in slabosti ter načelo delovanja, konfiguracija/zasnova naprave in izbor materialov.

Ker se število robotov povečuje in se uporabljajo v vedno širših aplikacijah, se pojavlja problem odpornosti. Cilj konvencionalne robotike je izdelati robote s čim daljšo življenjsko dobo. Problem pa je negativni vpliv teh robotov na okolje, ko dosežejo konec produktivnega življenja. Ker se število mehkih robotov v zadnjem času močno povečuje, postajajo učinki po življenjski dobi teh robotov vse pomembnejši. Za premagovanje te težave je biološka razgradljivost robotov zelo

[ 46 ]

pomembna. Tako kot v naravi, kjer se vsi organski materiali reciklirajo, ko organizem umre, so potrebni biorazgradljivi mehki roboti, ki se neškodljivo razgradijo. Za dosego te sposobnosti je treba razviti biološko razgradljiva telesa oz. gradnike, ki vključujejo biološko razgradljive aktuatorje, senzorje in druge komponente. Nedavno so bili javno prikazani mehki aktuatorji, izdelani iz biološko razgradljivih biopolimerov, vključno s pnevmatsko in električno gnanimi oz. krmiljenimi strukturami. Pomembno je omeniti, da razgradnja ni isto kot varna razgradnja, kar dokazuje razgradnja nekaterih plastičnih mas. V teh primerih, čeprav se je plastika razgradila, lahko sestavni deli še vedno negativno vplivajo na okolje. Nasprotno pa mora okoljska mehka robotika imeti nevtralen ali pozitiven vpliv na okolje, če upoštevamo celoten življenjski cikel in dolgoročne učinke na okolje. Veliko teh zahtev bo uresničenih prav z razvojem bioničnih in biomimetičnih naprav in sistemov ob uporabi pametnih in biorazgradljivih materialov.

Človeška bionika (Human bionics) Človeška bionika (HB – Human bionics) je posebno področje bionike, ki je tesno povezano z medicino, zdravstvom, pametno protetiko, vsadki, možganskimi vmesniki, hipokampus implantati, bioničnim vidom, sluhom in drugimi pomembnimi vitalnimi človeškimi funkcijami. Znanstveniki so vse bližje ustvarjanju bioničnega človeka, saj lahko danes repliciramo ali obnovimo več organov in različnih delov telesa kot kadar koli prej. Glavni cilj človeške bionike je povezan s tehnologijami, ki bodo človeštvu omogočale izboljšane pogoje na področju zdravstva in medicine, boljšo obliko terapij po poškodbah, boljšo povezljivost in interakcijo s stroji in pametnimi napravami. Strokovne teme o človeški bioniki najdemo tudi v različnih strokovnih literaturah, vendar včasih z nekoliko drugačnim opisom določenih dejstev. Vsekakor pa človeška bionika predstavlja vse tisto, kar je tesno povezano s funkcijami človeškega telesa. Prav bionika je tista, ki na neki način posnema vrsto človeških funkcij in čutov in jih udejanja s pomočjo umetnih materialov in tehnologij. Strokovnjaki so si vrsto let prizadevali »kopirati« človeške čute za upravljanje umetnih okončin in te funkcije prenesti tudi v robote, še zlasti v humanoidne in bionične robote. V telesu lahko mehanoreceptorji zaznajo zunanje mehanske stimulacije, ki se potem pretvorijo v receptorske potenciale in se nato po živčnih vlaknih prenašajo v možgane za presojo informacij in odločanje o dejanjih. Nedavno so raziskovalci iz Singapurja in s Kitajskega razvili ločeno električno dvoslojno strukturo, ki uresničuje integrira-

[ 47 ]

no bionično nevronsko napravo za zaznavanje na dotik za prenos in prepoznavanje signalov. Rezultati sorodne raziskave so bili objavljeni v mednarodno priznani reviji Nature Communications pod naslovom A Bioinspired Analogous Nerve Towards Artificial Intelligence. V okvir človeške bionike sodi tudi razvoj različnih možganskih vmesnikov. Na tem področju je izjemno dejavno nevrotehnološko podjetje »Neuralink Corporation«, katerega soustanovitelj je Elon Musk.

Nevrolink razvija različne možganske vmesnike in še posebej ekstremno miniaturni vmesnik za vgradnjo (in vivo) v možgane. Cilj Nevrolinka je razviti uporaben visokotehnološki možganski vmesnik kot nevro-digitalni vmesnik (BMI – Brain–machine interfaces). Uspešen nevronsko-digitalni vmesnik zahteva močno povezavo med elektronskim in biološkim sistemom. Razvoj tovrstne tehnologije odpira številna etična vprašanja, čeprav so ta bila prisotna tudi v času razvoja prvih možganskih nevrostimulatorjev in drugih implantabilnih naprav. Raziskovalci z Univerze Stanford (CA, ZDA) gradijo nevrovmesnike na način, da lahko dva sosednja nevrona normalno komunicirata, prek kemičnih nevrotransmiterjev v sinaptični špranji in razvili so umetno repliko sinapse, ki napravi omogoča, da se elektrokemično integrira in medsebojno deluje z živimi celicami. Ekipa iz Stanforda je že leta razvijala svoje umetne sinapse in pred dvema letoma objavila odlične rezultate testov prve biohibridne različice naprave v reviji Nature Materials. Naprava je sestavljena iz dveh mehkih polimernih elektrod, ki sta ločeni s presledkom – vrzeljo, ki je napolnjena z raztopino elektrolita. Ko se žive celice namestijo na prvo elektrodo, nevrotransmiterji, ki jih celica sprošča, reagirajo z elektrodo in proizvedejo ione, ki potujejo po sinaptičnem rovu, podobnem sinaptičnemu ključu, do druge elektrode, kjer sprožijo dolgotrajne spremembe v njeni prevodnosti, oz. posnemajo učni proces, ki se dogaja v naravi. Vse te raziskave in inovacije sodijo v okvir človeške bionike in v ožjo specialnost bionične nevroznanosti. Bionične tehnologije na novo definirajo človeške zmogljivosti in v prihodnosti bi lahko »NED – Neuro Embodied Design« presegel zamenjavo normalnih okončin in celo na novo opredelil človeški fizični potencial.

[ 48 ]

Infografika 23 Skozi področja človeške bionike

Kaj pomeni bionični sistem?

Bionični sistem sta spojini organskih in mehatronskih telesnih delov, ki združujejo nekatere umetne komponente ali tehnologijo, na primer robotske proteze in eksoskelet. Biološke značilnosti, kot so samoorganizacija, samozdravljenje, pretvorba energije, trajnost in integracija, lahko namreč spodbudijo nove ideje, ki podpirajo izboljšanje običajnih robotskih modelov in njihovega nadzora. V bioničnem sistemu pomeni prilagajanje teh značilnosti, ki jih dosežemo s kombinacijo znanstvene discipline (organske in celične nevromehanike) s tehnološko disciplino oblikovanja bioničnih naprav. Eden izmed glavnih ciljev je popravljanje ali izboljšanje organizmov, ki presegajo njihove prvotne biološke lastnosti. Bionični sistemi obetajo raziskovalne smeri za izpolnitev zahtev za boljše življenje ljudi,

[ 49 ]

kot so nosljive naprave, rehabilitacija in regenerativna medicina. S hitrim razvojem bionične tehnologije in nanotehnologije lahko bionični sistemi pomagajo ljudem pri premagovanju številnih omejitev, kot so bolezni, izgubljanje moči in drugih fizičnih funkcij. Ob upoštevanju ključnih lastnosti se najnovejši trendi usmerjajo v inteligentne naprave, ki s pomočjo robotskih in bioničnih sistemov rešujejo zdravstvena stanja ljudi, vračajo mobilnost in skrajšujejo čas rehabilitacij. Raziskovalne smernice bionike so usmerjene v inteligentne mobilne pripomočke za hojo, vključno z bolj humaniziranim oblikovanjem, oceno namere gibanja, ter učinkovitejšo in skladnejšo metodo odkrivanja padcev. Nadalje v razvoj bioničnih pasivnih eksoskeletnih naprav, za zmanjšanje resnosti in števila poškodb in večje varnosti delavcev. Izvajajo se tudi študije na polju glasovnega toka z modeliranjem bioničnega vokalnega sistema in pri odkrivanju nenormalnega glasu. Razvijajo se tudi posebne robotske proteze za amputirane kolke. Robotska proteza za dezartikulacijo kolka lahko poveča amplitudo dolžine koraka in ohrani simetrijo nog, s čimer se zmanjša sila stika kolka neprotetične okončine. Bionični razvoj se osredotoča tudi na fleksibilno metodo punkcije, ki lahko izboljša učinkovitost in varnost operacijskih sistemov za centralno vensko kateterizacijo z robotsko pomočjo. Bioinspirirani roboti in bionični sistemi imajo široko paleto aplikacij, vključno z raziskovanjem nevarnega okolja za ljudi; zaposlovanje v scenarijih nesreč; ali uporabo kot storitvene in socialne robote za izboljšanje kakovosti življenja. Bionične smeri so danes usmerjene v biomimetične in bioinspirirane artefakte; biohibridne sisteme; biomehaniko; bionične senzorje; mikroelektromehanske sisteme; sisteme za več agentov; nevrorobotiko; mehko robotiko; rojevo inteligenco oz. inteligenco rojev. Rojeva inteligenca (SI) je kolektivno vedenje decentraliziranih, samoorganiziranih sistemov, naravnih ali umetnih. Koncept se uporablja predvsem pri delu na področju umetne inteligence.

Inteligence rojev in sistemi umetnega samoorganiziranega mreženja Ni naključje, da se z bioniko v povezavi z drugimi vedami iščejo najboljše in optimalne rešitve, tudi s pomočjo inteligence rojev in umetnega načina samoorganiziranega mreženja. Na primer, na podlagi inteligence rojev, opažene pri različnih družbenih vrstah, se pričakuje, da bodo sistemi umetnega samoorganiziranega mreženja (SON – self-organized networking) izkazovali nekatere inteligentne lastnosti (npr. fleksibilnost, robustnost, decentraliziran nadzor in samoevo-

[ 50 ]

lucijo itd.), ki so doslej lahko ustvarile družbene vrste v biosferi. Samoorganizirana omrežja z inteligenco rojev kot eno od možnih rešitev so pritegnila veliko pozornosti tako akademskega sveta kot industrije. Danes se raziskujejo različni vidiki mehanizmov, ki jih navdihuje bio, in proučujejo se različni algoritmi, ki so bili že uporabljeni za umetne sisteme SON. Obstoječi dobro znani algoritmi, ki jih navdihuje bio, kot so sinhronizacija, ki temelji na impulzno sklopljenih oscilatorjih (PCO – Pulse-coupled oscillators), sodelovanje in delitev dela, ki jih navdihujejo mravlje in čebele, varnost omrežja, ki temelji na imunskem sistemu, in optimizacija kolonij mravelj (ACO – Ant Colony Optimization). SON se je z vidika fizičnega sloja, plasti nadzora dostopa do medijev (MAC – Media Access Control) pokazal kot dober, vendar se iščejo še boljše in celovitejše rešitve. Glede na današnje razvojne trende komunikacijskih omrežij (npr. obsežnost, heterogenost, pomanjkanje spektra itd.) so še vedno odprta nekatera raziskovalna vprašanja, vključno s kompromisi pri načrtovanju SON. V sodobnih raziskavah so obravnavani tudi sistemi (LTE – Long Term Evolution) kot kognitivna samoorganizacija od stroja do stroja (M2M – machine-to-machine) in večplastno načrtovanje, razporejanje virov in nadzor energije. Vse našteto je le del razvojnih usmeritev bionike v povezavi z drugimi sorodnimi vedami.

Kolektivna moč inteligentnosti roja v umetni inteligenci, bioniki in robotiki Rojeva inteligenca je naraven korak v evoluciji nekaterih družbenih vrst. Pojasnjuje, zakaj se mravlje naseljujejo, čebele rojijo, zakaj se formirajo jate rib in jate ptic. Narava je dokazala, da če posamezna bitja sodelujejo in razmišljajo skupaj kot enotni sistemi proti skupnemu cilju, je verjetnost, da bodo ta cilj dosegli hitreje in natančneje, kot če bi delovali posamično – neuglašeno. Inteligenca roja je kolektivno vedenje decentraliziranih, samoorganiziranih sistemov (naravnih ali umetnih), ki lahko hitro in usklajeno delujejo ter izjemno natančno manevrirajo.

V naravi je to sodelujoče vedenje v zaprti zanki edinstveno za vsako vrsto živali.

Mravlje odlagajo feromone, ki se med seboj usmerjajo v vire, čebele uporabljajo vibracije, ribe čutijo tresenje v vodi, ptice pa zaznavajo gibanja, ki se širijo po jati.

Ko se koncept rojeve inteligence uporablja na področju umetne inteligence (AI), zlasti v robotiki, se kolektivna inteligenca okrepi z računalniškimi sistemi, ki so običajno sestavljeni iz skupine agentov ali boidov (računalniška simulacija, ki posnema vedenje jate ptic), ki lokalno sodelujejo med seboj in v svojem okolju,

[ 51 ]

pri tem pa se držijo splošnega sklopa algoritmičnih pravil. Ker ni centralnega nadzora, ki bi opredelil vedenje vsakega zastopnika ali boida, se le z njihovim lokalnim sodelovanjem pojavi kolektivno, večje globalno vedenje za reševanje kompleksnega problema (problem, ki ga posamezni agenti ali boidi ne poznajo).

Boids je umetni življenjski program, ki simulira jate ptic. Danes poznamo sisteme z več agenti. Nekatere najlepše, fascinantne ali čudne naravne pojave lahko razumemo kot nastale iz vedenja medsebojno delujočih agentov. Splošno priznani primeri vključujejo jate ptic (ali roječih žuželk, jate rib) in družbene »nadorganizme« kolonij mravelj. Namesto da bi nadzorovala interakcije celotne jate, simulacija boids določa le vedenje vsake posamezne ptice. Z le nekaj preprostimi pravili lahko program ustvari rezultat, ki je dovolj kompleksen in realen, da ga lahko uporabimo kot okvir za računalniške grafične aplikacije, kot je računalniško ustvarjena vedenjska animacija v filmih. S primeri, kot sta na primer optimizacija obdelovalnih parametrov in napovedovanje oziroma obnašanje sistema v prihodnosti, se danes že izvaja učinkovito s pristopom umetne inteligence za reševanje inženirskih problemov. Uporaba metod umetne inteligence je učinkovita, saj je robustna, zmogljiva in za inženirske potrebe dovolj natančna. Danes vse bolj stremimo k čim večji avtomatizaciji in načrtovanju proizvodnih sistemov in procesov, ki nam dajejo najboljše možne rezultate. Uporaba umetne inteligence je danes nujna, saj v veliki meri nadomesti navzočnost človeka v proizvodnih sistemih. Danes se že srečujemo z učinkovitim razvojem bioničnih algoritmov povezanih z umetno inteligenco in naprednimi avtomatiziranimi proizvodnimi sistemi. Pri velikem številu mravelj bi algoritem kolonije mravelj vedno trajal dolgo ali pa je precej težko najti optimalno pot iz kompleksne poti poglavja, poleg tega obstaja protislovje med stagnacijo, pospešeno konvergenco in prezgodnjim razvojem. Prav zato raziskovalci predlagajo nov algoritem bionske optimizacije. Glavna ideja algoritma je vpeljati koncept horizontov v algoritem ribjega roja MMAS – Multi modulus algorithm swarm (fish swarm algorithm), tako da bi iskanje optimalne poti s številnimi mravljami potrebovalo krajši čas, uvedba koncepta algoritma ribjega roja pa bi omogočila raven preobremenjenosti. Kolonije mravelj najdejo pot globalne optimizacije z močno mejo gostote, ki se izogne nastanku lokalne skrajnosti ter izboljša natančnost in učinkovitost algoritma. Danes poznamo vrsto bioničnih algoritmov, eden teh je na primer algoritem inteligentne optimizacije (ATA – Artificial Tribe Algorithm), ki temelji na analizi principa in enotnega okvira (Bionic Intelligent Optimization Algorithm) (BIOA).

ATA simulira obstoječe veščine naravnih plemen in uresničuje namen optimizacije s pomočjo razmnoževanja in selitvenega vedenja plemen. Rezultati so poka-

[ 52 ]

zali, da je ATA močan algoritem za globalne probleme optimizacije. Kot zanimiv je tudi inteligentni bionski genetski algoritem (IB-GA – Intelligent bionic genetic algorithm) in njegova konvergenca. To je nova vrsta metode optimizacije inteligence genetskih algoritmov z značilnostmi preproste strukture in močne prilagodljivosti, ki dosegajo velik uspeh v številnih resničnih aplikacijah. Vendar pa ima za zdaj še kar precej pomanjkljivosti, kot je večja zapletenost računanja.

Temelji sicer na funkciji meril mutacije, multirezervirane strategije, ki temelji na evoluciji inteligence, in šibke aritmetične strategije križanja, ki odraža različne načine evolucije. Inteligentni bionski genetski algoritem s strukturnimi značilnostmi (se na kratko označi z IB-GA). Seveda pa to področje bioničnih inteligentnih algoritmov zahteva poglobljeno predstavitev dejstev in obrazložitev primerov dobre prakse.

[ 53 ]

Kratka predstavitev projekta bionične lutke za izobraževalne namene

[ 54 ]

Infografika 24 Predstavitev projekta bionične lutke in opis bioničnih vsadkov in sistemov

[ 55 ]

Bionična lutka je bil prvi projekt, namenjen izobraževalnemu programu študija bionike. V projektu je sodeloval kot vodja Janez Škrlec, Razvojna raziskovalna dejavnost, INTRI, d. o. o., in Višja strokovna šola za bioniko na Ptuju. Bionična lutka predstavlja vse vsadke, ki jih danes sodobna medicina v svetu vgrajuje v človeško telo. Predstavlja tudi bionične okončine, bionični vid, sluh, komunikacijo s posameznimi vsadki, brezžično napajanje vsadkov in druge funkcije.

Slika 2 Razvoj in izdelava bionične lutke

[ 56 ]

Slika 3 Predstavitev bionične lutke v TV ooddaji RTV Slovenije »Ugrizni znanost«

[ 57 ]

Slika 4 Predstavitev bionične lutke v okviru »Stičišča znanosti in gospodarstva« kot projekta MIZŠ

Bionično in biomimetično oblikovanje Bionično oblikovanje omogoča razvijanje različnih oblikovnih konceptov, ki izhajajo predvsem iz oblikovnih značilnosti biološkega sveta. S tem oblikovanjem se lahko optimizirajo videz, funkcionalnost proizvodov in tudi celotnih sistemov.

Bionično oblikovanje je inženirsko oblikovanje, ki lahko združuje ergonomijo, odličen dizajn izdelka, uporabnost, varnost, ekonomičnost in tehnično zanesljivost, estetiko in celo prijaznost oblikovanega izdelka do okolja. Dobra prilagodljivost bioničnega oblikovanja prinaša vrsto prednosti, tudi prilagodljivost fiziološkim in psihološkim potrebam uporabnikov. Biološko navdihnjen dizajn predstavlja nešteto prednosti, ki izhajajo iz potrjenih evolucijskih procesov narave.

Bionično oblikovanje pomeni tudi dobro poznavanje struktur, principov, oblikovnih značilnosti, funkcij, materialov, snovi in procesov s področij biologije, kemi-

[ 58 ]

je, fizike in inženirstva. Bionično oblikovanje je tesno povezano z biološkim svetom od poznavanja različnih vrst živali in rastlin. Narava nam brez dvoma ponuja izpopolnjene modele struktur, oblikovnih značilnosti in ogromno zakladnico naravnih materialov. Načrtno oblikovanje s pomočjo bionike zahteva sistematičnost in uporabo različnih danes že znanih metod.

Infografika 25 Primer postopka biomimetičnega načrtovanja

Bionična protetika s podporo digitalnega dvojčka in umetne inteligence Bionični udi in proteze danes ljudem (brez okončin ali s poškodovanimi okončinami) pomembno izboljšajo kakovost življenja. Kljub vsemu pa si ljudje želijo še bolj naravne in prilagodljive protetike, predvsem takšne, ki jo čutijo kot del sebe in ne kot popoln tujek. Danes v svetu uspešno razvijajo novo, nosljivo in neinvazivno diagnostično napravo, ki se opira na zasnovo digitalnega dvojčka. Osrednji namen tega razvoja je izdelati bionične proteze s čim več udobja, stabilnosti in gibljivosti. Danes je težko doseči protetične armature, ki omogočajo trajne visoke ravni dnevnih aktivnosti. V pomoč jim prihajajo rešitve iz pametnih materialov,

[ 59 ]

biomaterialov in nanotehnologije. Pojavljajo pa se težave, kjer lahko proteze poškodujejo kožo, mišice, živce in ostanke kosti, kar lahko povzroča kronične težave. Bionična rešitev teh problemov bi naj bila posebna tehnološka platforma, ki temelji na treh med seboj povezanih sistemih. Na mikroprocesorsko nadzorovanem sistemu, na umetnem bioničnem sklepu in z uporabo kostno integriranega vsadka. Proteza se zasidra na zunanji del tega vsadka. Danes imajo bionični udi fizične povezave z najrazličnejšimi deli telesa, kot so kosti, mišice, koža, živci in seveda možgani. Digitalni dvojček (digital twin) je navidezna kopija, ki živi v računalniškem sistemu posebne platforme ali bionične proteze. Bionični udi so pritrjeni na kostno integrirane vsadke, uporaba osteointegracijskih vsadkov pa uporabniku poveča čutnost in jo doživljajo kot pojav, imenovan osteopercepcija.

Današnje tehnologije s senzorji zaznavajo in posredno ocenjujejo mehanske omejitve in izmerijo posledične gibe tkiv (kosti, mišic, tetiv, maščob, kože) znotraj ostankov delov telesa, ki so povezani z bioničnimi protezami. Bionične proteze so sestavljene tudi iz programske opreme, ki vse te informacije integrira v personaliziranega digitalnega dvojčka. Digitalni dvojček ustreza fizikalnemu modelu visoke natančnosti različnih tkiv. Sprednji del naprave je sestavljen tako, da omogoča vizualno animacijo modela v realnem času, tako da lahko bolniki in zdravniki, opremljeni z napravo, vidijo, kako gibi vplivajo na notranjost telesa.

Naloga bionike v povezavi z medicino pa je tudi celovito izboljšanje protetike, izdelava protetike po meri in potrebah uporabnikov. Veliko študij pa je v zadnjih letih namenjeno tudi razvoju naprednih bioničnih protez naslednje generacije, ki bi same zaznavale morebitne okužbe in bi lahko ciljno dozirale vnos protibolečinskih zdravil in antibiotikov. Že današnje tehnologije pa v svetu omogočajo tudi boljšo diagnostiko in seveda rehabilitacijo po poškodbah oz. po operativnih posegih.

Bionični eksoskeleti Bionični eksoskeleti, imenovani tudi eksoskeletna obleka, so nosljive naprave, ki delujejo v tandemu z uporabnikom. Nasproten primer bi bil avtonomni robot, ki deluje neodvisno od uporabnika. Takšna obleka je zasnovana za izboljšanje, okrepitev ali obnovitev človekove zmogljivosti, zato se nosi na uporabnikovem telesu. Danes poznamo različne vrste eksoskeletov. Razlikujejo se glede namena uporabe in konstrukcijskih značilnosti. Nekateri so narejeni iz togih materialov, kot so ogljikova vlakna ali kovine, drugi pa iz mehkih in elastičnih delov. Obleke

[ 60 ]

so lahko napajane in opremljene z elektroniko in različnimi senzorji, lahko pa so mehanske in samo pasivne. Pokrivajo lahko celotno telo ali samo spodnje ali zgornje okončine oz. določen del telesa, kot so rama, bok ali gleženj. Eksoskeleti so v pravem pomenu bionično oblačilo, ki vključuje uporabo robotike, biomehatronike, elektronike in so zasnovana za povečanje moči ljudem pri opravljanju različnih nalog. Uporabljajo se v medicini, zdravstvu, industriji, gradbeništvu, za vojaške in druge namene. Kovinski okvirji eksooblek so opremljeni z motoriziranimi ali mehanskimi mišicami za pomnoževanje uporabnikove moči, ki v bistvu odražajo notranjo skeletno strukturo uporabnika. Eksoskeletne obleke naredijo predmete lažje, včasih celo breztežnostne, kar zmanjša poškodbe in izboljša skladnost v različnih panogah. Prvič so prišli na sceno, potem ko so bili razviti za vojsko, vendar so od takrat prešli iz vojaške in zdravstvene oskrbe v širšo proizvodnjo. Eksoskelete vključujeta tudi gradbena in kmetijska industrija, za kateri je znano, da delavci prenašajo zelo težka bremena, medtem ko se gibljejo na ponavljajoč se način. Leta 2015 so se eksoobleke končno prebile v glavne industrijske aplikacije. Takrat je na primer svetovno znani proizvajalec Ekso Bionics napovedal svojo širitev v gradbeno industrijo in sorodne industrije z industrijskim eksoskeletom Ekso Works.

[ 61 ]

Infografika 26 Razvoj bioničnih eksoskeletov in razvoj bioničnega človeka za potrebe medi‐ cine

Eksoskelet kot robotsko oblačilo omogoča uporabniku, da dvigne električno orodje, kot da je breztežno. Toda Ekso Bionics je obstajal že veliko pred tem. Kot pionir v bionični tehnologiji od leta 2005 je Ekso vodilni v tehnologiji na vsakem koraku, ko gre za ustvarjanje in izboljšanje nosljive tehnologije in za povečanje človeškega potenciala.

[ 62 ]

Infografika 27 Nevrorobotska razvojna bionična platforma

Zmanjšanje poškodb z uporabo eksoskeletov Za zmanjšanje poškodb so eksoskeletne obleke zasnovane predvsem za boj proti utrujenosti na delovnem mestu, vsaj v industrijskih aplikacijah, kot je gradbeništvo. Leta 2019 sta bili najpogostejši vzrok za poškodbe na delovnem mestu izredna utrujenost in preobremenjenost. Pravzaprav gradbeni delavci petkrat pogosteje poročajo o slabem zdravju. Eksoobleke, kot sta EVO in EksoZeroG, so bile razvite za reševanje prav teh edinstvenih izzivov. Naslednja evolucija EksoVest je na primer trpežen telovnik z eksoskeletom za naravno gibanje in je delavcem v veliko pomoč. Zasnovan je za lajšanje bremena ponavljajočega se dela. EVO je pomožni eksoskelet zgornjega dela telesa, ki povečuje vzdržljivost, ki pomaga gradbeništvu in drugim delavcem bolje obvladovati težka dela. Zmanjšuje utrujenost in obremenitev mišic ramen in hrbta ter zmanjša poškodbe vratu. Delavci, ki nosijo te in druge obleke, imajo manjše tveganje za hude poškodbe zaradi

[ 63 ]

nesreč ali prekomernega dela. Zlasti gradbeni delavci imajo po statističnih podatkih veliko poškodb zaradi prenapetosti in najvišjo stopnjo mišično-skeletnih motenj med prebivalci. Vrste poškodb, ki jih utrpijo, zmanjšajo število let, v katerih lahko opravljajo svoje delo, in številne od njih vodijo celo do trajnih poškodb.

Od okončin, ki podpirajo roke, do oblek za celotno telo, se je industrija eksoskeletov izkazala za izjemno koristno in to za številne vrste industrije, ki želijo zmanjšati poškodbe in zagotoviti bolj zdrave delavce.

Infografika 28 Eksoskeleti se danes uporabljajo v industriji, zdravstvu, medicini, za vojaške namene in drugje …

[ 64 ]

Slika 5 Prikaz ekstremnih obremenitev novodobnih bioničnih protez

Bionika je vedno bolj povezana z zdravstvom, medicino in tudi tovrstno industrijo Diagnostična naprava preko uporabniškega vmesnika sproti stimulira določena območja vsadka in jih vodi k spremljanju položaja brez bolečin. Z izboljšanjem stabilnosti lahko zmanjša tveganje za rahljanje in zlome ter okužbe. Nov pristop izboljša kakovost življenja posameznikom, ki trpijo zaradi izgube okončin. Digitalni dvojček ponuja podrobne osebne evidence o zdravju, osteointegraciji in neželenih dogodkih. Diagnostična naprava zato ustvarja izjemne možnosti za natančne medicinske posege za najboljše odločitve in nadalje uspešne procese rehabilitacije. Dolgoročno zbiranje podatkov prispeva k razvoju modelov, ki lahko s pomočjo umetne inteligence (IA) napovedujejo neželene dogodke, kot je

[ 65 ]

neugodno preoblikovanje kosti ali povišan vnetni odziv. Digitalni dvojček omogoča simulacijo specifičnih učinkov določenega posega, preden se poseg dejansko izvede. Omogoča nam napovedovanje izidov in po možnosti predvidevanje verjetnosti neželenih dogodkov. Omogoči tudi takojšnje prilagoditve in obremenitve, napetosti ter tako lahko dolgoročno izboljša zdravljenje. Danes tudi umetna inteligenca in strojno učenje spreminjata protetiko in razširjata njeno vlogo, s tem pa se odpira možnost, da se tudi hendikepirani ljudje vključujejo v industrijske delovne procese. Umsko nadzorovana protetika (z biokibernetskimi vmesniki) in s senzoričnimi povratnimi informacijami danes namreč postaja resničnost in realnost, vendar trenutno stroški še precej omejujejo njihovo široko uporabo.

Bionične okončine lahko v celoti nadomeščajo izgubljeno okončino, ustvarjajo fiziološko pravilen hod in ljudem ne omejujejo svobode gibanja.

Infografika 29 Digitalni dvojčki se integrirajo v personalizirano medicino

[ 66 ]

Gradbena in arhitekturna bionika Arhitekturna in gradbena bionika proučuje zakonitosti nastanka in oblikovanja struktur živih bitij, še zlasti analizira strukturne sisteme živih organizmov na principih varčevanja z materialom, energijo, funkcionalnostjo in zagotavljanjem zanesljivosti. V sodobni arhitekturi ima že danes pomembno mesto tudi bionika.

Nekatera okolja jo sprejemajo z navdušenjem v določenih okoljih še na tem področju ni dovolj prepoznana. Če pogledamo nekoliko nazaj v zgodovino, najdemo veliko arhitektov, ki so privrženci bionike. Skupina bioničnih navdušencev je razvila veliko v svetu zanimivih projektov, kot na primer »Vertical Bionic Tower City«. Veliko bionično zasnovanih zgradb je danes v Šanghaju in seveda drugod po svetu. Bionični način gradnje zajema vse pomembne lastnosti bioloških sistemov, še zlasti rastlin, ki imajo zanimive strukture in ki so se sposobne obraniti vplivov narave, vetra, dežja, velikih temperaturnih nihanj in nepredvidljivih vremenskih sprememb. V arhitekturi in gradbeni bioniki se veliko pozornosti posveča novim gradbenim tehnologijam, na primer področju razvoja gradbenih tehnologij brez odpadkov, in ustvarjanju struktur, ki prinašajo visoko zanesljivost gradnje stavb in energetsko učinkovitost. Bionična arhitektura je po percepciji strokovnjakov organska integracija znanosti, tehnologije, umetnosti in narave. Arhitekti so se v svetu skušali odmakniti od tradicionalnih metod oblikovanja stavb in zdaj so odkrili bionično arhitekturo, pri kateri se zasnove stavb zgledujejo dejansko po naravi. Glavni cilj bionske arhitekture je zagotoviti izboljšanje arhitekturne kakovosti in ponuditi nove poglede na inovacije v arhitekturi in oblikovanju. Bionična arhitektura je videti veliko bolj živa in živahna kot arhitektura, ki je zgrajena na podlagi tradicionalnih disciplin. Ustvarjajo se strukture z edinstvenim dizajnom v poskusih raziskovanja novih pristopov k trajnostnemu oblikovanju, ki izhajajo iz evolucijskega razvoja živih sistemov, iz njihovih materialnih lastnosti ali iz njihovega prilagodljivega odziva, na spremembe v okolju.

[ 67 ]

Slika 6 Prikaz bionike v gradbeništvu, arhitekturi in sodobni interieri

Bionična gradnja, ki se zgleduje po rešitvah iz narave Na vse zahtevnejše okoljske in energetske izzive bomo lahko v prihodnosti najbolje odgovarjali z bionično gradnjo, ki bo posnemala rešitve iz narave in temeljila na vrhunskih tehnoloških rešitvah. Bionika v energetiki pa bo nepogrešljiva spremljevalka nove razvojne paradigme skoraj na vseh področjih, tako v gradbeništvu kot v sodobni arhitekturi. Bionika je veda, ki je sposobna ponuditi številne tehnološke rešitve in najti odgovore na številna pomembna vprašanja v naravi in naravnih sistemih. Narava je namreč neskončen vir navdiha, inovacij in možnosti za pravi tehnološki preboj na številnih področjih. Samo narava je tista, ki skriva neskončni zaklad genialnih rešitev, ki so nastale v evolucijskem procesu. Kmalu

[ 68 ]

bomo intenzivno gradili tudi na podlagi idejnih konceptov bionike ter ob pomoči narave in do okolja prijaznih tehnologij. Za bionične koncepte je značilno, da je zasnova v arhitekturi preprosta, v sicer zelo kompleksnem sistemu povezanih elementov, da je funkcionalna, da vključuje v koncept gradnje optimalno porabo in minimalno izgubo energije ter da je v skladu s standardi pasivne nizkoenergijske stavbe. Bionični koncept gradnje hiše je po navadi tak, da se zelo nevidno vključi v okolje.

Slika 7 Primeri bioničnih inovacij v gradbeništvu

Bionične hiše bi naj po mnenju strokovnjakov zagotavljale idealno razmerje med površino in prostornino. Spretno izdelane zgradbe s prefinjeno geometrijo namreč dokazano podpirajo aerodinamiko stavbe tudi glede na pretok zraka. Optimizirana in kompaktna oblika stavbe, trojno zasteklitvijo, odlično izolacijo, centralnim prezračevalnim sistemom z rekuperacijo toplote ter s fotovoltaičnim energetskim sistemom ponujajo vse, kar se od takšne stavbe pričakuje. Seveda bioni-

[ 69 ]

čni koncept gradnje ne temelji samo na opisanih gabaritih in parametrih. Gre za veliko več, gre za iskanje takšnih rešitev, ki nam jih ponuja narava, vendar se bionični koncept hiše za zdaj opredeljuje pod pojmom pasivne oziroma aktivne hiše z visoko estetsko vrednostjo.

Bionična energetska učinkovitost stavb in bionična zelena arhitektura Bionična energetska učinkovitost stavb in bionična zelena arhitektura sta izjemno pomembni za zagotavljanje harmonije med stavbami in naravnim okoljem, za ohranjanje ekološkega ravnovesja in doseganje trajnostnega razvoja stavb.

Danes so v svetu ustvarjene arhitekturne inovacije z uporabo različnih bioničnih funkcij, kot na primer na podlagi ugodnega naravnega prezračevalnega sistema, ki ga najdemo v okoljih, kjer živijo termiti. Poleg tega lahko danes pasivna gradbena tehnologija, uporablja vire sončne energije, ne samo da izboljša toplotno okolje v zaprtih prostorih, ampak doseže tudi nizko porabo energije za stavbe.

Navdih prihaja iz mehanskih lastnosti, strukturnih razmerij in materialne zmogljivosti naravnih predmetov, ki služijo pri strukturi stavbe ali pri oblikovanju, za izboljšanje učinkovitosti gradbenih virov. Z uporabo različnih rastlin kot bioničnih gradbenih materialov so bili na gradbenih površinah doseženi mehanizmi samokompenzacije, regulacije in vzdrževanja, ki omogočajo, da se stavbe aktivno prilagajajo svojemu okolju, kar odraža simbiotično razmerje, med arhitekturo in okoljem ter doseganje zelenega razvoja stavb z visoko učinkovitostjo in nizko porabo energije. Danes obstaja že veliko študij na podlagi ekoloških načel in pravil oblikovanja, ki se prilagajajo podnebju, in predlaga se celoten koncept zasnove bionske zelene arhitekture. V svetu so raziskave zelo ciljno usmerjene v smeri: okrepiti integracijo in optimizacijo različne tehnologije zelene gradnje; upravljati energetsko učinkovitost bioničnih zgradb skozi njihov življenjski cikel; razvijati bionične tehnologije za gradbene funkcije po načelu regionalne ustreznosti; spodbujati inovativne bionične tehnologije za gradnjo struktur, ki temeljijo na načelu zelenega ekološkega sožitja; in okrepiti raziskave, razvoj in uporabo bioničnih gradbenih materialov, ki se uravnavajo, popravljajo, čistijo in celovito ščitijo. Skratka, razvoj bionične energetske učinkovitosti stavb in bionične zelene arhitekture bi moral slediti predvsem zakonom narave. Brez dvoma je treba proučiti vse mehanizme, ki se uporabljajo v bioloških sistemih, ki bi jih v kombinaciji s sodobnimi gradbenimi tehnologijami morali uporabiti za podporo grad-

[ 70 ]

benim inovacijam in za uresničitev hitrega razvoja energetske učinkovitosti stavb in zelenih stavb.

Tehnika shranjevanja latentne toplote in bionični pristopi Tehnika shranjevanja latentne toplote (LHS – latent heat storage) se široko uporablja na različnih področjih pretvorbe in upravljanja toplotne energije. Vendar pa naprava LHS ni tako učinkovita zaradi zelo počasnega procesa shranjevanja in sproščanja toplote. Strokovnjaki so predlagali novo metodo optimizacije bionske topologije za izboljšanje zmogljivosti shranjevanja in sproščanja toplote ob upoštevanju različnih ciljnih funkcij in mehanizmov prenosa toplote. Ob upoštevanju minimalne disipacije zmogljivosti kot funkcije optimizacije in upoštevanju naravne konvekcije lahko optimizirana struktura pomembno zmanjša čas taljenja in strjevanja. Osnovni mehanizem izboljšanja je mogoče pripisati boljši sinergiji med pretokom in prenosom toplote. Poleg tega je fraktalna dimenzija optimiziranih delov podobna strukturi listov, kar bistveno izboljša delovanje sistema.

Drug bionični pristop za ustvarjanje toplote in latentno shranjevanje toplote, navdihuje polarni medved. Prototip strukture tekstilne membrane se namreč lahko uporablja za absorpcijo sončne energije. Navdih za to tehnologijo nam omogoča, da izdelamo na primer streho iz specifične sendvič strukture pletenin, ki služi kot neke vrste plašč (posnemajoč kožuh polarnega medveda). Ta bionični pristop omogoča absorpcijo sončne energije, ki se lahko prenaša s pomočjo zračnega toka. Pri tem so pletenine oblikovane kot porozen kanal, skozi katerega lahko teče zrak, hkrati pa je prosojen za sončno sevanje. Sončno energijo absorbira črna folija, ki predstavlja kožo polarnega medveda. Njegovo krzno, ki učinkovito razporeja svetlobo in deluje kot toplotna izolacija, je oblikovano s pleteninami. Takšna konstrukcija je bila nameščena v Denkendorfu pri Stuttgartu na Inštitutu za tekstilno tehnologijo in procesno inženirstvo, Denkendorf (DITF Denkendorf, Nemčija). V okviru raziskovalnega projekta se razvija tudi sistem za shranjevanje latentne toplote, ki bo vgrajen v tekstilno streho. Takšen sistem za shranjevanje toplote lahko pomaga pri učinkovitem shranjevanju energije, ki jo lahko uporabljamo pozneje. Na področju nizkotemperaturnih aplikacij se običajno uporabljajo drugi materiali. Seveda je gostota shranjevanja omejena s toplotno zmogljivostjo izbrane tekočine oz. medija. V okviru predstavljenega pristopa je kot integriran (lokalni) sistem za shranjevanje izbran material za spremembo faze (PCM – Phase change material). Prednost PCM je v tem, da je mogoče izkori-

[ 71 ]

stiti dodatno kapaciteto shranjevanja energije s spremembo faze. Zanimiva je tudi magnetno pospešena fototermična pretvorba in shranjevanje energije na osnovi bioničnih poroznih nanodelcev. Ta pretvorba je v zadnjem času vzbudila veliko zanimanja. Razvita je bila tehnologija mešanja faznih materialov s polnili z visoko toplotno prevodnostjo, ki je omogočila implementacijo shranjevanja toplotne energije v širok spekter industrijskih tehnologij in procesov. V študiji na Univerzi (University of Nottingham Ningbo China) je bil pripravljen hierarhični bionski porozen nanokompozit, ki je učinkovito združil značilnosti nanomateriala in magnetizma in visoke toplotne prevodnosti, in s katerim bi oblikovali magnetno pospešeno metodo za shranjevanje sončno-termalne energije. Eksperimentalni rezultati prenosa toplote s fazno spremembo so pokazali, da se največja učinkovitost shranjevanja poveča za 102,7 odstotka. Ko se uporablja hierarhična bionična porozna struktura, pa je z magnetnim poljem mogoče doseči nadaljnje izboljšanje še za 27,1 odstotka. Hkrati je proces prenosa toplote shranjevanja energije v hierarhičnih poroznih kompozitih pod zunanjimi fizikalnimi polji razložen s simulacijo. Zato je ta magnetno pospešena metoda pokazala vrhunske lastnosti shranjevanja sončno-termalne energije v hierarhični bionični porozni strukturi, kar je še posebej koristno za uporabo sončnih kolektorjev za neposredno absorpcijo in tehnologije za shranjevanje energije. V svetu obstaja veliko inovacij in razvojnih projektov, ki so povezani s shranjevalniki energije in toplote in prav z bioniko in posnemanjem naravnih sistemov se dosegajo vedno boljši in bolj obetavni rezultati.

Posnemanje delovanja živih organizmov in povezovanje različnih disciplin Bionika v energetiki je smer, ki raziskuje energetske vire in preobrazbe v živih organizmih, s katerimi bi na podlagi novih spoznanj razvila podobne tehnične sisteme in naprave za proizvodnjo energije. Ob tem se postavijo vprašanja, kako delujejo naravni napajalni sistemi. Kako narava ureja preskrbo energije in kaj od tega je mogoče izpeljati in uporabiti za korist človeštva oziroma katera spoznanja lahko strokovnjaki uporabijo v tehničnih energetskih sistemih in napravah?

Bionika ponuja nenehno povezavo med razvojem, raziskavami in uresničevanjem aplikativnih zamisli tudi v praksi v obliki izdelanih sistemov in naprav. Bionika pomeni ustrezen okvir za poseben in učinkovit prenos znanja od teoretičnih raziskav do tehnične izvedbe. Ta prenos znanja je nujen, da ohranimo dolgoroč-

[ 72 ]

no tehnološko prednost. V tem trenutku je bionika možnost tehnološkega razvoja z velikanskim potencialom in tega se zavedajo v vseh visoko razvitih državah sveta. Energetska bionika povezuje različne discipline, kot so biokemija, biofizika, biologija, biotehnologija, znanost o življenju in drugo. Energetsko polje ima pomembno vlogo pri soočenju z izzivi za odpravo posledic podnebnih sprememb. Seveda ne gre samo za vprašanje ustvarjanja brezogljičnih energetskih sistemov z učinki energetskih tehnologij. Obzorje je treba namreč razširiti v smeri novih izumov in sistemov z visoko učinkovitimi tehnologijami in v smeri zmanjševanja energetske porabe. Predlagani smer in pot za dosego teh ciljev sta v posnemanju bioloških energetskih sistemov, živali, rastlin in iskanja odgovorov v različnih ekosistemih. Danes je bolj kot kadar koli prej pomembno, da znamo upravljati surovine in zniževati stroške energije. Narava dosega svoje cilje z najmanj energije in odpadke neposredno vrača v proces kroženja snovi. Prepoznavanje teh mehanizmov bi morali znati uporabiti v vseh pomembnejših inženirskih pristopih. Na žalost se široka paleta teh idej iz bionike v preteklosti ni znala učinkovito uporabiti, predvsem zaradi znanstvenega razmišljanja in tudi pomanjkanja učinkovitega prenosa tehnologije med raziskavami v uporabo v industriji. Danes se stvari spreminjajo tudi ob informatiki ter interdisciplinarnosti, ki omogoča izdelavo sistemov in naprav s povsem novimi metodami in predvsem z drugačnim razmišljanjem. Bionika je torej veda z interdisciplinarnim pristopom k reševanju vprašanj, povezanih s konkretnimi aplikacijami, in ne gre samo za replikacijo bioloških modelov. Cilj bionike je razvoj novih metod, ki združujejo tehnično učinkovitost kot skrbno ravnanje z viri in naravo. Glavni cilj je predvsem zmanjšati škodljive vplive na okolje, tudi s pomočjo bionike in biomimetike.

Rezultat energetskih dejavnosti je še vedno slab, zaradi različnih negativnih vplivov na okolje, ki povzročajo globalne podnebne spremembe. Na ta način lahko ekološke inovacije s posnemanjem naravnih rešitev pomembno prispevajo k zmanjšanju negativnih vplivov na okolje. Nove napredne bionične tehnologije bi lahko ponudile učinkovite procese z minimalno uporabo virov in tehnologije brez ogljika.

[ 73 ]

Infografika 30 Primer pametne zgradbe in njene umestitve v prostor

Bionski vodniki po virih energije Bioluminiscenca je bionično zanimiva, ker proizvaja hladno svetlobo, obliko sevalne energije, ki je ne spremlja toplota. Bioluminiscenca je morda nastala pred milijoni let kot način, s katerim bi se organizmi lahko znebili zelo reaktivnega, strupenega kisika. Organizmi, v katerih je nastala bioluminiscenca, morda niso imeli sistemov, s katerimi današnja živa bitja oksidirajo ogljik in vodik v številnih majhnih korakih. Ko pride do oksidacije v samo nekaj korakih, se sprostijo škodljive količine energije. Ker živa bitja ne prenašajo preveč toplote, so prve bioluminiscenčne oblike življenja morda energijo posredovale kot svetlobo in ne kot toploto. Postopoma so se razvili organizmi, ki so uporabljali kisik v koristne namene. Vrste, ki zdaj uporabljajo bioluminiscenco, na primer kresnice in nekatere globokomorske ribe, jo uporabljajo za signalizacijo, kamuflažo in osvetlitev. [ 74 ]

Inženirji bionike upajo, da bodo ustvarili učinkovito umetno razsvetljavo z združevanjem načel bioluminiscence in s principi fotosinteze. Pri fotosintezi molekule klorofila v rastlinah delujejo kot antene, da poberejo sevalno energijo iz sončne svetlobe in jo prenesejo na mesta, kjer se voda in ogljikov dioksid pretvorita v ogljikove hidrate in kisik. Živalske vrste uporabljajo bioelektriko za številne namene. Električne jegulje na primer ustvarjajo električno napetost tudi do 650 voltov za omamljanje svojega plena in sovražnikov. Druge ribe proizvajajo električne tokove za lociranje in prepoznavanje predmetov v svoji bližini. Način, kako živali proizvajajo električno energijo z oksidacijo organskih goriv, je spodbudil prizadevanja za razvoj enako učinkovitih gorivnih celic. Nekateri sistemi so bili zgrajeni in uporabljajo bakterije ali njihove encime in posnemajo biološko aktivnost. Za bionike so zanimive tudi električne lastnosti nekaterih biomaterialov. Ti vključujejo piezoelektrične lastnosti in polprevodniške lastnosti številnih organskih spojin. Strokovnjaki že dolgo raziskujejo polprevodniške organske polimere, s katerimi bodo oblikovali učinkovite organske tranzistorje s posebnimi lastnostmi in ki bodo okolju še bolj prijazni.

Bionične lopatice izboljšujejo energetsko učinkovitost vetra Energija vetra temelji na učinkovitih lopaticah vetrne turbine, ki delujejo kot profili, strukture, podobne krilu letala. Dodatki za nadzor pretoka zraka, podobni tistim, ki jih najdemo v letalih, izboljšajo aerodinamično zmogljivost lopatice turbine. Bionični koncept združuje značilnosti krila galeba z inženirsko opremo za nadzor pretoka zraka, znano tudi kot Gurneyjeva loputa, ki lahko močno izboljša zmogljivost vetrne turbine. Gurneyjeva loputa je majhen jeziček, ki štrli pod pravim kotom iz zadnjega roba krila. Njegova prisotnost moti vzorce pretoka vetra in je še posebej učinkovita pri izboljšanju zmogljivosti pri nizkih vpadnih kotih. V aerodinamiki je vpadni kot med črto skozi središče letalskega krila in prihajajočim zračnim tokom. Čeprav Gurneyjeve lopute izboljšajo zmogljivost zračnih kril pri nizkih vpadnih kotih, niso povsem idealne za velike vpadne kote.

Raziskave so sicer pokazale, da lahko Gurneyjeve lopute v nekaterih situacijah v veliki meri izboljšajo zmogljivost vetrnih turbin. Bionično krmiljenje pretoka je relativno nov pristop, ki posnema biološke sisteme za nadzor zračnega pretoka.

Ideja izhaja iz opazovanja ptic in tudi letala med pristankom ali v sunku vetra v perje na vrhu ptičjih kril, ko izskočilo in ustvarijo naravno loputo. Računalniške in eksperimentalne študije kažejo, da lahko zavihki, ki jih navdihuje bionično

[ 75 ]

perje, povečajo dvig in odložijo začetek zastoja pri velikih vpadnih kotih. Vsekakor Gurneyjeve lopute z bioničnimi lastnostmi pomembno izboljšajo energetsko učinkovitost vetra.

Bionski katalizatorji za proizvodnjo čiste energije Bionski katalizatorji za proizvodnjo čiste energije so ena od dobrih možnosti, ki bo pomagala pri prehodu na obnovljivo energijo. V središču številnih tehnologij čiste energije je proces, imenovan OER – oxygen-evolution reaction, reakcija evolucije kisika. Intenzivno se razvijajo in že testirajo in celo komercializirajo različni biohibridni katalizatorji. Mešanje mikrobov z ogljikovimi nanomateriali bi lahko pomagalo pri prehodu na obnovljivo energijo. Raziskave Univerze Kaust kažejo, da se mikrobi in nanomateriali lahko uporabljajo skupaj za tvorbo biohibridnega materiala, ki deluje dobro kot elektrokatalizator. Material bi se lahko uporabljal pri proizvodnji goriv brez ogljika na sončno energijo in v številnih drugih aplikacijah za zeleno energijo. Trenutno se kot OER elektrokatalizatorji uporabljajo redke in drage kovine. Toda biohibridni materiali na osnovi grafena bi lahko bili poceni, okolju prijazna alternativa, so predstavili raziskovalci Univerze Kaust. Grafenska plošča ogljika, ki je debela le kot ena plast atomov, in plošča, tesno povezana z reduciranim grafenovim oksidom, sta zelo prevodni, mehansko robustni in široko dostopni. Vendar pa postanejo katalizatorji aktivni šele, ko so dopirani z drugimi elementi, kot so žveplo, železo, dušik ali baker.

OER katalizatorje na osnovi grafena običajno razvijejo s kemičnimi metodami, ki zahtevajo zelo stroge reakcijske pogoje. Okolju bistveno prijaznejša alternativa je uporaba mikrobov za nanos površine reduciranega grafenovega oksida. Strokovnjaki so uporabili električno bakterijo Geobacter sulfurreducens, ker je nepatogena, bogata z beljakovinami, ki vsebujejo železo. Ekipa strokovnjakov je zmešala bakterijo in grafenov oksid v pogojih brez kisika, kjer se bakterijske celice oprimejo površine in proizvajajo beljakovine (bogate z železom), da bi biokemično medsebojno delovale z grafenovim oksidom kot del njihove naravne presnove.

Posledično je zmanjšan grafenov oksid z železom, bakrom in žveplom; s tem postane zelo učinkovit OER elektrokatalizator. Elementi, ki jih je prispevala bakterija, so katalitično inerten grafen spremenili v visoko elektrokatalitično funkcijo. Dejavnost OER biohibridnega materiala je bila boljša od vseh dosedanjih primerjalnih dragih OER katalizatorjev na osnovi kovin. Zadeve se že pomikajo k obsežni proizvodnji in komercializaciji tega biohibridnega katalizatorja. Razvija-

[ 76 ]

jo se tudi druge vrste biohibridnih katalizatorjev za druge pomembne elektrokatalitične reakcije, kot sta reakcija evolucije vodika in redukcija ogljikovega dioksida.

Bionika pri pogonih gibanja in osnovno razumevanje procesov Morske živali imajo več načinov za zmanjšanje upora za hitro in enostavno premikanje po vodi. Nekateri sproščajo snovi, ki jih naredijo bolj spolzke. Nekatere ribe imajo posebne reže, ki so oblikovane in nameščene tako, da spodbujajo nemoten pretok vode po njih. Pliskavke plavajo hitreje, kot je bilo nekoč predvideno iz izračunov, ki temeljijo na ocenah mišične moči in upora. Ugotovljeno je bilo, da visoko elastična koža pliskavk absorbira manjša nihanja tlaka in tako pomaga preprečevati turbulence. Vse te metode se testirajo tudi na ladjah in raznih vodnih plovilih. Poleg tega je celotna oblika rib že dolgo vodilo in inspiracija za racionalizacijo. Hitre podmornice so poenostavljene in imajo tope nosove kot večina kitov, in domneva se, da bi letala, ki so poenostavljena kot tuna, imela še manjši upor. Ptice so dokazale, da je let možen in so navdihnile ljudi za letenje in zagotovile modele za obliko in oblikovanje letalskih kril. Ptičja krila so predstavljala vzorec za reže na vodilnih krilih, ki izboljšujejo dvig letal pri nizkih hitrostih, in za stožčaste ukrivljene konice kril, ki izboljšajo dvig in stabilnost. Druge značilnosti ptičjih kril, kot je loputa zadnjega roba za počasne hitrosti, niso bile priznane kot pomembne, dokler jih niso neodvisno razvili letalski inženirji. Precejšen raziskovalni napor v aeronavtiki bi verjetno lahko prihranilo intenzivnejše proučevanje letenja ptic. Rastlinske strukture so služile tudi kot modeli za letala, vedenje žuželk pa je spodbudilo razvoj navigacijskih pripomočkov. Krilato seme palme je bilo zgled za zgodnje jadralno letalo, enokrilno, samorotirajoče javorjevo seme pa je bilo prototip sredstva za spuščanje tovora iz zraka s padalom. Nekatere vodene rakete imajo danes opremo, ki zaznava kotni pospešek na približno enak način kot hišne muhe. Zgrajen je bil sončni kompas, ki tako kot čebela locira sonce, ko je skrito za oblaki, tako da zazna smer polarizirane svetlobe. Bionične študije pri hoji, kot zapletenem procesu, ki vključuje tudi zapleten nadzor, so bile težje kot tiste pri plavanju ali letenju. Tehnične možnosti so bile raziskane pri več vrstah pohodnih strojev. Stabilnost in nadzor sta glavna problema pri oblikovanju takšnih strojev. Tudi za ljudi je hojo težko zavestno nadzorovati; ljudje se morajo naučiti in vaditi hoje, dokler ne postane samodejna. En

[ 77 ]

stroj za hojo izvaja lastno koordinacijo in mu upravljavec, človek, daje le splošne smernice. Drugi je tako tesno povezan s svojim upravljavcem, da stroj sam poveča silo in obseg njegovih naravnih gibov. Operaterji uporabljajo lastne biološke nadzorne sisteme za uravnavanje gibanja strojev. Da bi to naredili uspešno, morajo od strojev prejeti enake povratne informacije, kot jih običajno dobijo od svojih lastnih okončin.

Infografika 31 Prikaz bioničnih lopatic vetrne elektrarne

Bionično oblikovanje v avtomobilski industriji S pomočjo bionike se danes uspešno oblikujejo avtomobilske karoserije, da so lažje, odpornejše, da se za njih porabi manj materialov in da se prihrani pri ener-

[ 78 ]

giji. Z bioničnim oblikovanjem se lahko pomembno vpliva tudi na aerodinamičnost in zmanjšanje hrupa in za boljša oblikovalna razmerja. Pri oblikovanju si inženirji pomagajo z izdelavo posebnih bioničnih modelov, na podlagi katerih zmanjšujejo torni upor zračnih tokov, zmanjšujejo nihanja in pulzacijski tlak pretočnih polj in zvočnih polj ter drugo. Lažje izračunavajo koeficient aerodinamične vzgonske sile in koeficient sile upora itd. Lažje proučujejo zračne tokove bočnih ogledal, naklone bočnih steklenih površin, nezaželene vrtinčaste tokove in drugo. Med pionirje v bioničnem oblikovanju avtomobilov lahko štejemo konceptni model Mercedes–Benz že iz leta 2005, imenovan (Boxfish car). Danes je že veliko avtomobilskih tovarn, ki s pridom uporabljajo bionične inovacije za izboljšanje oblikovnih in tehnoloških karakteristik avtomobilov.

Slika 8 Primeri bionično oblikovanih vozil in karoserij

[ 79 ]

Bionika za avtomobilsko varnost Bionika je našla pot tudi na področje iskanja rešitev izboljšanja varnosti avtomobilov, njena vloga se kaže tudi pri načrtovanju in oblikovanju vseh zaščitnih in asistenčnih sistemov. Optimalna zasnova inteligentne tehnologije za testiranje trka in naprav za avtomobilsko varnost je postala vroča tema na tem področju.

Za preizkušanje aktivne ali pasivne varnosti s preskusi zaviranja ali trka morajo inteligentne preskusne naprave, imenovane tudi antropomorfne testne naprave (ATD – anthropomorphic test devices), opisati in simulirati mehanizem poškodb in mejo tolerance bioloških značilnosti človeka, njegovega telesa, kot sta dinamika in kinematika odziva na udarec ali pospešek. To je bistveno za zaščito ljudi pred prometnimi nesrečami. Skupaj z vse večjim raziskovanjem narave se postopoma odkrivajo organizmi s togimi gibljivimi spojnimi strukturami, ki imajo odlične lastnosti, kot so odpornost na udarce, odpornost na obrabo in zmanjšanje upora. Kombinacija bionike in biomehanike nenehno prinaša nov navdih in inovacije na področju inženiringa in avtomobilske varnosti. Na osnovi biomehanskih in bioničnih raziskav človeškega telesa z računalniško simulacijo natančno modelirajo analizo človeškega telesa v povsem novem razvoju inteligentnih antropomorfnih testnih naprav za natančno merjenje odzivnosti človeškega telesa v določenih okoljih. Testirajo lahko udar oz. vse druge obremenitve, ki se izvajajo na telesu in uporabi bioničnih struktur v avtomobilih za izboljšanje njihove učinkovitosti proti trkom. Vsebine lahko vključujejo bioniko, biomehaniko, avtomobilsko inženirstvo, modeliranje človeškega telesa, udarno in kontaktno mehaniko, znanost o materialih kože ter visokonatančno senzorsko informatiko in tehnologijo mehanske obdelave. Kompleksno zasnovane integrirane lutke so prav tako predmet različnih standardnih kalibracijskih testov. V bistvu se s pomočjo bionike razvijajo te posebne lutke človeških modelov, ki ustrezajo vsem testnim modelom in se učinkovito uporabljajo pri preskusih trka. Lutke so danes že predstavljene glede na vrste trkov: lutka za čelni trk, lutka za bočni trk in lutka za trk od zadaj. Na podlagi razvoja teh tehnološko zahtevnih lutk se postavljajo in razvijajo visoki kriteriji poškodb in biomenski testi že v zgodnji fazi. Bionika v avtomobilsko industrijo zagotovo prinaša številne novosti, povezane tudi z oblikovnim razvojem vozil, ergonomije sedežev, uporabo novih materialov in sodobnejšo izdelavo karoserij, ki so lažje, bolj vzdržljive in seveda varne.

[ 80 ]

Digitalni in bionični dvojni pristop za hiter razvoj izdelkov Digital Twin Bionics (DTB) je razvojni koncept »dvojnega bioničnega pristopa« za hiter razvoj izdelkov, ki temelji na biološki evoluciji. Z izjemno zaostreno tržno konkurenco se proces razvoja izdelkov z DBT pospeši, kar zahteva hitro inovacijo izdelkov in učinkovito sodelovanje med projektiranjem in proizvodnjo. Še vedno sicer obstajajo tako imenovani informacijski otoki, ki prepovedujejo integracijo procesov življenjskega cikla izdelka. Za rešitev tega vprašanja sta bionika in digitalni dvojček (DT – Digital Twins) združena kot možna rešitev. Prvotno so bili predlagani koncepti, okvir in značilnosti bionike digitalnih dvojčkov (DTB), pri čemer je bil izdelan koevolucijski mehanizem produktnih dvojčkov (vključno z virtualnimi in fizičnimi izdelki) in produkcijskih dvojčkov (vključno z virtualno in fizično produkcijo). Danes se razvijajo koevolucijski mehanizmi za integracijo procesov razvoja proizvodnje izdelkov. Izvajajo se študije hitrega razvoja avtomobilskih karoserij in drugih industrijskih izdelkov. Dosedanji rezultati kažejo, da lahko integracija bionike in digitalnih dvojčkov bistveno pospeši inovacije in razvoj novih izdelkov ter pripomore k učinkovitemu upravljanju različnih proizvodnih konstrukcij. Poleg tega je ugotovljeno, da se lahko čas zagona novega proizvodnega procesa bistveno skrajša in zmanjšajo se lahko proizvodnji stroški.

Digitalno načrtovanje zagotavlja visoko kakovost procesa, s čimer zmanjša napake in materialne odpadke. Z DTB je bil dosežen velik uspeh, še zlasti pri virtualnem zagonu proizvodnje, testiranju in virtualnem izobraževanju (MRO), tudi fizičnemu vodenju zdravja v procesu (PHM). DTB omogoča dodajanje dodatnih funkcij, kot so spremljanje uspešnosti proizvodnje in podatki KPI statistične analize, energetski nadzor in celovita optimizacija izkoriščenosti opreme. Kombinacija biološke evolucijske teorije in DT tehnologija lahko pomagata pri hitrem razvoju izdelkov in kibernetsko-fizične koevolucije izdelka in proizvodnje sistema v njihovem življenjskem ciklu. DT, ki temelji na biološki evoluciji, omogoča tudi vpogled v raziskovanje izdelkov in proizvodnje evolucijskih pravil, pomaga nadzorovati izdelek skozi celoten evolucijski proces. DTB je mogoče zgraditi kot ustrezen proizvodni sistem za uravnoteženje razvoja izdelka in gradnje proizvodnih procesov. Upravičeno se napoveduje, da bo kombinacija DT in bionike v prihodnosti postala središče raziskav digitalnih dvojčkov. Raziskave bo mogoče razširiti v skladu z naslednjimi usmeritvami: gensko modeliranje, vrednotenje vseh procesov, kibernetske varnosti in drugo.

[ 81 ]

Infografika 32 Preprosta primera življenjskega cikla bioničnega izdelka

Različni bionični pristopi Za spopadanje s krizo povezano s podnebnimi spremembami se človeštvo srečuje z velikimi izzivi, kako napraviti proizvodnjo učinkovito, optimizirano, energetsko nepotratno, s čim manjšimi količinami odpadkov in v povsem personalizirani obliki po zahtevah kupcev. Zato se razvijajo različni bionični integrirani sistemi, ki so biološko navdihnjeni. Protislovja, ki nastanejo pri prenosu bioloških principov v inženirsko zasnovo, se rešujejo na različne načine, tudi z BioTRIZ-om. Študije se izvajajo z računalniško podprto inženirsko analizo, ki vključuje metodo Taguchi in metodo TOPSIS, za optimalno zasnovo bioničnih izdelkov. Danes se uporabljajo tudi številne druge metode, ki so prav tako učinkovite.

[ 82 ]

Smernice VDI 6220 Bionika že kaže primerno uporabo raziskovalnih in razvojnih pristopov, ki so zanimivi za različne tehnične aplikacije. Znanje, pridobljeno z analizo živih sistemov, se uporablja za iskanje rešitev za tehnične probleme, ustvarjanje novih izumov in inovacij ter prenos tega znanja v tehnične sisteme. Ideja prenosa bioloških principov v tehnologijo postaja osrednji element bionike. V tej smernici (VDI –Verein Deutscher Ingenieure) združenje nemških inženirjev področje bionike natančno opredeljuje kot proces uporabe bioničnih metod od razvoja novih idej do bionični izdelkov. Prikazane so tudi omejitve in potenciali bionike kot inovativnega sistema ali trajnostne strategije. Poleg tega smernica VDI 6220 ponuja pregled različnih področij uporabe in opisuje, kako se bionične metode razlikujejo od klasičnih oblik raziskav in razvoja. Če je tehnični sistem podvržen razvojnemu procesu v skladu s to smernico, je dovoljeno, da ga imenujemo »bionski ali bionični« sistem. Smernica zagotavlja podporo za razvijalce, oblikovalce in uporabnike, ki se želijo poučiti o bioničnem razvojnem procesu in v svoje delo integrirati bionične metode. Uporablja se lahko povsod, kjer je narava izdelala model, ki je dovolj podoben tehničnemu ciljnemu sistemu, ki se lahko uporabi za razvoj tehničnega ekvivalenta. Poleg tega zagotavlja okvir za terminologijo, ki se uporablja pri oblikovanju prispevkov o bioniki za izobraževalne in raziskovalne namene. VDI (Združenje nemških inženirjev) je tretji največji oblikovalec pravil in partner nemškega gospodarstva in znanosti.

[ 83 ]

Infografika 33 Bionično projektiranje, dizajniranje in izdelava prototipov

Za razvoj bioničnega izdelka se lahko uporabijo tudi smernice VDI 2221 Za razvoj bioničnega izdelka se lahko uporabljajo različni pristopi in metodologije. Kot osnova za sedemstopenjski metodološki postopek se vzame smernica VDI 2221. Bionika je pomembna tudi za matrice, zlasti pri lahkih izvedbah. VDI 2221 (Methodology for Developing and Designing Technical Systems and Products), metodologija za razvoj in načrtovanje tehničnih sistemov in izdelkov, obravnava splošno uporabne, od industrije neodvisne osnove metodološkega razvoja in oblikovanja ter opredeljuje tiste delovne odseke in delovne rezultate, ki lahko zaradi svoje splošne logike in smotrnosti služijo kot smernice za postopek v praksi. Ker je temeljni razvoj bioničnega izdelka tudi razvojni proces, lahko VDI 2221 vzamemo za osnovo in izhodišče metodičnega postopka razvoja bioničnih

[ 84 ]

izdelkov. Razvojni proces VDI 2221 obsega sedem delovnih korakov, ki določajo potrebne naloge in rezultate teh nalog.

Bionski sistemi v industriji – primer BioARS Oblikovanje prilagodljivega in rekonfigurabilnega robotskega sistema z bionično sestavo z moduli »Inchworm« se imenuje BioARS (Bionic Assembly Robotic System). Oblikovanje roja robotov za reševanje različnih nalog in prilagajanje različnim okoljem s samosestavljanjem je ena izmed najzahtevnejših tem na področju raziskav robotike. Danes se intenzivno razvijajo montažni robotski sistemi z roboti inchworm kot moduli. Ta sistem lahko deluje kot roj posameznih nepovezanih robotov inchworm ali s povezanimi roboti. Inchworm roboti so povezani z magneti z uporabo metode povezovanja »ramo na ramo«, kar pomaga okrepiti magnetno povezavo. Osrednji generatorji vzorcev se uporabljajo za nadzor hoje štirinožnega robota. Sistem bioničnega sestavljanja se je pokazal kot zelo prilagodljiv, saj lahko prehaja skozi različne prehode, hodi po grobem terenu v obliki štirinožnega robota. Predlagani BioARS torej združuje fleksibilnost prilagodljivosti štirinožcev, kar je obetavno za uporabo pri raziskovanju planetov, pri iskanju in reševanju v potresih ali drugih elementarnih nezgodah. Študije biološko navdihnjene umetne inteligence pa so pokazale, da je BioARS z razumevanjem bioloških sistemov mogoče nadgraditi za raznolike robotske sisteme, za pridobivanje pomembnih informacij, obdelavo signalov, analizo podatkov, odločanje in nadzor sistemov.

[ 85 ]

Infografika 34 Ilustrativni prikaz treh osnovnih paradigem inteligentne proizvodnje

Nova generacija inteligentne proizvodnje Kombinacija znanosti o življenju in bioničnih rešitvah sodobne napredne proizvodne tehnike bo prinesla novo revolucijo v proizvodni znanosti. Dandanes postaja vse bolj očitna in vidna podobnost med informatizacijo predelovalne industrije in inženirsko usmerjeno implementacijo v znanosti o življenju. Inteligentna proizvodnja je splošen koncept, ki se nenehno razvija. Lahko ga razvrstimo v tri osnovne paradigme: digitalno proizvodnjo, digitalno omrežno proizvodnjo in inteligentno proizvodnjo nove generacije. Inteligentna proizvodnja nove genera-

[ 86 ]

cije predstavlja poglobljeno integracijo nove generacije tehnologije umetne inteligence (AI) in uporabo bioničnih algoritmov ter napredne proizvodne tehnologije. Inteligentna proizvodnja teče skozi vse povezave v celotnem življenjskem ciklu načrtovanja, proizvodnje, izdelka in storitve. Koncept se nanaša tudi na optimizacijo in integracijo ustreznih sistemov; nenehno izboljševanje kakovosti izdelkov, uspešnosti in ravni storitev podjetij; in zmanjšanje porabe virov. Inteligentna proizvodnja nove generacije deluje kot osrednja gonilna sila nove industrijske revolucije in bo v prihodnjih desetletjih še naprej glavna pot za preobrazbo in nadgradnjo predelovalne industrije. Človeško-kibernetično-fizični sistemi (HCPS – Human-cyber-physical systems) razkrivajo tehnološke mehanizme nove generacije inteligentne proizvodnje in lahko učinkovito vodijo povezane teoretične raziskave in inženirsko prakso. Glede na značilnosti zaporednega razvoja, navzkrižne interakcije in interativne nadgradnje treh osnovnih paradigm inteligentne proizvodnje je treba razviti tehnološki načrt za »vzporedno promocijo in integriran razvoj«, da bi lahko spodbudili inteligentno preobrazbo celotne proizvodne industrije.

Slika 9 Dva prototipa montažnih robotov pri delu, ki sestavljata serijo majhnih enot, znanih kot voksli (voxels), v večjo strukturo

[ 87 ]

Sistem bioničnega sestavljanja (BAS – Bionic Assembly System) Spreminjajoče se proizvodno okolje, za katerega je značilna agresivna konkurenca v svetovnem merilu, in hitre spremembe v procesni tehnologiji zahtevajo ustvarjanje proizvodnih sistemov, ki jih je mogoče enostavno nadgraditi in v katere je mogoče zlahka integrirati nove tehnologije in nove funkcije. Da bi odgovorili na te nove zahteve, je predstavljen sistem bioničnega sestavljanja (BAS – Bionic Assembly System). BAS temelji na konceptih avtonomije, sodelovanja in inteligence svojih enot. Sistem predlaga uporabo avtonomnih mobilnih robotov v proizvodnem okolju, namesto uporabe AGV (Automatic guided vehicle). Mobilni roboti dajejo sistemu fleksibilnost in povečujejo dinamiko celotnega procesa. BAS je sistem, ki je osredotočen tudi na človeka in ki spodbuja vključevanje delavcev v delovni proces. Človeške naloge v nadzornem sistemu izvaja sistemski operater. Za podporo sistemskemu operaterju pri njegovem odločanju je uveden inteligentni svetovalni modul – IAM (Intelligent Adviser Module). Ta modul je posebno orodje, ki prispeva h kakovosti in času odločitev. Inovacije na področju montažnih sistemov gredo v več smeri. Ena izmed njih je tudi ustvarjanje nove generacije avtomatiziranih montažnih sistemov, ki temeljijo na naravnih pojavih. BAS je nov koncept naprednega montažnega sistema, ki združuje dve osnovni krmilni strukturi in principa: centraliziran nadzorni sistem, ki temelji na hierarhiji, in samoorganizirajoči krmilni sistem, ki temelji na heterarhiji.

Pričakuje se, da bodo bionični sistemi našli posebno mesto v prihajajoči industriji 5.0. Inovativne aplikacije biološko navdihnjene umetne inteligence pa so izjemno pomembne za različne robotske sisteme, kot so inteligentno zaznavanje v realnem času, načrtovanje poti, sledenje, nadzor in daljinsko upravljanje avtonomnih robotskih sistemov, vključno z mobilnimi roboti, roboti na vodni površini, podvodni roboti in zračni roboti brez posadke. Za industrijo prihodnosti bodo izjemno pomembni tudi mobilni robotski sistemi (BMA – Bionic Mobile Asistent), ki jih uspešno razvija FESTO. Mobilni robotski sistemi s pnevmatsko prijemalno roko se lahko avtonomno gibljejo v prostoru in lahko samostojno prepoznajo predmete, jih prilagodljivo primejo in lahko v delovnem procesu sodelujejo tudi z ljudmi. Obdelava pridobljenih informacij se najpogosteje izvaja z nevronsko mrežo, ki je vnaprej usposobljena z uporabo velikih podatkov (BD – big data).

[ 88 ]

Slika 10 Bionično oblikovanje izdelkov v aditivni obliki proizvodnje

Proizvodnja biološko navdihnjenih komponent in novi proizvodni pristopi Načelo biološko navdihnjene inteligentne proizvodnje naj bi bilo gonilna sila in pomemben dejavnik trajnostnega razvoja novih materialov, oblikovalskih konceptov, procesov in opreme ter proizvodnih sistemov. Proizvodni sistemi morajo sicer izpolnjevati zahteve glede kakovosti, kljub vse večji individualnosti izdelka, različnim velikostim serij in pomanjkanju virov. Prenos znanja, ki temelji na izkušnjah, v fleksibilnem in samooptimizirajočem načrtovanju proizvodnje in procesov, ponuja potencial za soočenje s temi izzivi. Biološki sistemi rešujejo konceptualno podobne izzive, ki se nanašajo na prenos znanja, fleksibilnost individualnih reakcij in prilagajanje skozi čas. Tako se v kontekstu digitalne transformacije mehanizmi, ki izhajajo iz biologije, interpretirajo in uporabljajo na področju znanja proizvodnih tehnologij. Da bi lahko izkoristili potencial proizvo-

[ 89 ]

dnih sistemov, ki jih navdihuje bio, so bile identificirane genetske in inteligentne lastnosti tehničnih komponent in strojev. En tak primer je združeni koncept, imenovan »Gentelligence«. Primer je povzet po (CIRP – Journal of Manufacturing Science and Technology). Razširitev koncepta »Gentelligence« z novo idejo procesno biološko navdihnjenih optimizacijskih algoritmov omogoča bolj fleksibilno ter učljivo in samooptimizirajočo proizvodnjo. Z uporabo novega koncepta inteligentnega načrtovanja procesov je mogoče določiti strojno specifične procesne parametre v različnih procesih. Potencial uporabe bioloških principov je mogoče upoštevati za inovativne, lahke in okolju prijazne ter energetsko učinkovite industrijske izdelke, predvsem z uporabo bionike in posnemanjem bioloških elementov in rešitev. Kombinacija bioloških principov z digitalizacijo, novimi tehnologijami in novimi procesi je po mnenju strokovnjakov odlično orodje za trajnostno in z viri učinkovito proizvodnjo.

Infografika 35 Primer razvoja strojnega orodja in različne ravni možnosti bioničnih izbolj‐ šav

[ 90 ]

V Fraunfoferjevem inštitutu v Nemčiji so razvili proizvodno tehniko za biološko navdihnjene komponente. Podobne proizvodne tehnike uvajajo tudi drugod v svetu. Z nosilno fino strukturirano geometrijo in lokalno spremenljivo sestavo materiala morajo komponente danes upoštevati vsa biološka načela glede svoje zunanje oblike in notranje strukture materiala. Splošni cilj njihovega projekta je bil razviti tehnologijo, ki ima dolgoročni potencial, da postane osnovna tehnologija za biomimetiko in bioniko. To naj bi v prihodnosti omogočilo izdelavo biomimetičnih plastičnih komponent in izdelkov tako na oblikovalskem kot tehničnem področju ter bi dopolnjevalo procesne poti metod biomimetične in bionične optimizacije. Tehnika 3D- in 4D-tiskanja in selektivno lasersko sintranje (SLS – selective laser sintering) uporablja laser za izdelavo prostorskih struktur iz praškastega materiala. Komponenta nastane z lokalnim taljenjem posameznih plastičnih delcev v plasteh in z njihovim združevanjem. Čeprav se komponente kontrolirano »sestavljajo« iz najmanjših delcev, je SLS doslej izdeloval le komponente iz homogene plastike ali kompozitov. Z omejevanjem SLS na homogene materiale se je izgubil velik potencial. Bionska proizvodnja pa je ta potencial izkoristila tako, da ga je razširila na večkomponentni SLS in tako omogočila prenos materialnih in oblikovalskih konceptov iz narave. V cilje oblikovanja so danes lahko že vstavljena različna programska orodja, skupaj z vsemi potrebnimi parametri in ustreznimi novodobnimi materiali, metodami izdelave in stroškovnimi omejitvami. Zahtevne programske opreme izpopolnijo pretočno obnašanje komponent, prenos toplote, trdnost, nosilnost in druge lastnosti. Ko generativna programska oprema izračuna rešitev, aditivna proizvodnja omogoča hitro realizacijo kompleksnih načrtov, pri čemer prihrani materiale in stroške v primerjavi s konvencionalnim litjem in rezkanjem. Danes je več ali manj že jasno, da bodo največje inovacije v prihodnost nastale na stičišču biologije in tehnologije.

[ 91 ]

Infografika 36 Posnemanje naravnih sistemov in ustvarjanje bioničnih tehnoloških inovacij in izdelkov

Bionični pristop pospešuje proizvodnjo (primer odlične prakse) Aditivno proizvodnjo (AD – Additive Maufacturing) je mogoče danes drastično pospešiti z naravnim pristopom k ustvarjanju popolnega funkcionalnega dizajna.

Siemens lahko ustvari digitalne dvojčke izdelkov, proizvodnje in zmogljivosti za katerokoli geometrijo, ki je natisnjena s 3D. Z uporabo njihovega portfelja »Automation Siemens« dodatno zagotavlja robotsko omogočeno večosno aditivno proizvodnjo v realnem oz. resničnem svetu. Njihov »Mind Sphere« (Vodilna industrijska rešitev IIoT – Industrial internet of things) poganja inovacije v zaprti zanki, tako da omogoča vpoglede, pridobljene z analizo podatkov in jih vrača v vrednostno verigo. S posnemanjem bioničnega evolucijskega procesa se izdelek [ 92 ]

in proizvodnja izboljšujeta, dokler ni dosežena najboljša možna rešitev. Danes lahko govorimo o bioničnem pristopu k aditivni proizvodnji, bioničnem oblikovanju –dizajniranju, vedno večji uporabi pametnih materialov, uporabi bioničnih algoritmov v proizvodnih procesih, načrtovanju celotne proizvodnje in vključevanju bionike v celovite proizvodne verige.

Infografika 37 Siemensove vodilne industrijske rešitve IoT (MindSphere)

Pametno načrtovanje proizvodnje in bio‐inspirirani proiz‐ vodni sistemi Srečujemo se z izjemno naprednimi razvojnimi koncepti in z novo idejo procesne DNK ter biološko navdihnjenimi bioničnimi optimizacijskimi algoritmi. Ti koncepti omogočajo vedno bolj prilagodljivo in samooptimizirano in energetsko učinkovito proizvodnjo. Proizvodni sistemi morajo danes izpolnjevati visoke zahteve glede kakovosti in standardov. Prenos znanja, ki temelji na izkušnjah, v fleksibilnem in samooptimiziranem načrtovanju proizvodnje in procesov, ponuja velik potencial za reševanje različnih izzivov. Biološki sistemi rešujejo konceptualno podobne izzive, ki se nanašajo na prenos znanja, fleksibilnost oz. individualne reakcije in prilagajanje skozi čas. V biološkem telesu ima nevroendokrini imunski sistem zelo pomembno vlogo pri nadzoru in moduliranju prilagodljivega vedenja z uporabo načel medsebojne regulacije. V kontekstu digitalne transformacije mehanizmov, ki izhajajo iz biologije se interpretirajo in uporabljajo rešit-

[ 93 ]

ve na področju znanja in proizvodnih tehnologij. Gre torej za sposobnost, kako izkoristiti najboljše potenciale bio-navdihnjenih proizvodnih sistemov, ki imajo genetske in inteligentne lastnosti. Z uporabo novih konceptov inteligentnega načrtovanja procesov bo mogoče natančno določiti strojno specifične procesne parametre skoraj v vseh procesih. Dandanes so proizvodna podjetja prisiljena imeti proizvodne sisteme, ki lahko podpirajo agilen odziv na pojav in spreminjajoče se pogoje. Po navdihu regulacijskih načel biološkega telesa je predlagan nov koncept (BIMS – Bio-Inspired Manufacturing System), ki se lahko agilno spopade s pogostim pojavom nepričakovanih motenj na ravni proizvodnje. Vodilni model BIMS je opisan v strokovni literaturi predvsem z vidika kibernetike in bionike.

Infografika 38 Procesi v biološko navdihnjeni proizvodnji

[ 94 ]

Vodni robot in večnamenski bionični robot Bionični vodni robot (water strider) je le eden od številnih, ki lahko doseže drsenje, skakanje in druga gibanja na vodni površini, pri čemer ima prednosti, kot so majhna velikost, majhna teža, prilagodljivi gibi in druge značilnosti. Zaznava lahko kakovost vode (izvaja vodni monitoring), raziskuje in išče vodno površino ter izvaja še številne druge operacije. Kot tak je zanimiv tudi za vojaške aplikacije. Trendi bioničnih in biomimetičnih vodnih robotov vzbujajo tudi sicer vedno večjo pozornost, tako z miniaturizacijo kot inteligenco in integracijo. Doslej so bile narejene številne študije namenjene pregledu bioničnega robota imenovanega »vodni sprehajalec« in predstavljene so bile njegove karakteristike in klasifikacije ter značilnosti in nadaljnje razvojne možnosti. Analizirane so bile primerjalne mehanske strukture obstoječih bioničnih vodnih robotov. Analizirani so bili tudi vsi glavni problemi v njegovem dosedanjem razvoju in predvideni razvojni trendi v prihodnje. Poleg tega se pospešujejo raziskovalne možnosti in možnosti njegove proizvodnje. Optimizacija in razvoj strukture bioničnega robota (vodnega sprehajalca) in razvoj pripadajočih komponent pripomoreta k izboljšanju simulacije gibanja. Ta spoznanja pa omogočajo razvoj tudi drugih nadvodnih tehnično dovršenih plovil. Naloge vodnega robota se vidijo v kompleksnem okolju vodnih površin. V prihodnosti bo z razvojem bionični vodni robot dosegel še večjo miniaturizacijo, boljšo inteligenco in višjo stopnjo integracije. Kitajski znanstveniki so po navedbah Druge akademije China Aerospace Science and Industry Corporation uspešno razvili prilagodljivega večnamenskega bioničnega robota, ki lahko pleza po stenah, prečka ovire in se drži površin. Robot, ki tehta 5 kilogramov in je dolžine manj kot 1 meter, se lahko uporablja za izvajanje nalog skeniranja, odkrivanja in spremljanja na površinah ladij, plovil in rezervoarjev za olje, navaja akademija. Raziskovalni projekt je bil ustanovljen že leta 2016, ko so večino steklenih sten poslovnih stavb čistili še ljudje.

[ 95 ]

Slika 11 Bionični nadvodni roboti

Slika 12 Različna bionična podvodna plovila

[ 96 ]

Gasilski humanoidni roboti so drug primer robotov in so konstrukt agilnosti, hitrosti, moči, ravnotežja, vse, kar je potrebno pri gašenju požarov, še zlasti na ladjah. Takšni podvigi so težki za ljudi, kaj šele za humanoidne robote. Na primer, če se ladja nagne naprej, bo robot moral ekstremno hitro pospešiti gibanje nog, hkrati pa ustvariti daljšo dolžino koraka, da se ujame, da ne bi izgubil ravnotežja.

Pri takšnih robotih uporabljajo posebne krmilnike EPOS, ki so kos tem operacijam. Za šest stopenj svobode v vsaki nogi uporabljamo šest motorjev. To je dvanajst motorjev, ki se uporabljajo samo v delu za noge SAFFiR-ja. Potrebna sta tako hitrost kot navor, saj se noge na različnih delih koraka izmenično premikajo hitro in prosto, nato pa počasi in bolj nadzorovano. Motorji zagotavljajo največjo maso v robotu. Za nekatere kritične sklepe, kot so tisti v kolenih, so bili uporabljeni najmočnejši motorji. Kolena robota, tako kot človeška kolena, prevzamejo največji del obremenitve, še posebej pri počepu ali klečanju. Najhitreje se morajo gibati tudi med hojo. Ti spoji so potrebovali dodatno kombinacijo navora in hitrosti, ki je na voljo pri večjih enotah moči. Ker robot deluje v sistemu z zaprto zanko, uporablja dvanajst motorjev. Konstrukcije takšnih robotov so rezultat znanja s področja robotike, bionike, umetne inteligence in inženirstva na področju materialov. Vsekakor pa humanoidnih robotov za tako ekstremne aplikacije ne bi bilo brez bionike.

[ 97 ]

Infografika 39 Gasilski humanoidni roboti, razviti za posebne namene gašenja in reševanja na ladjah

Bionično načrtovanje energijsko učinkovitega mehanizma za hojo in dušenje vibracij robotov Roboti so bili vedno priljubljena izbira za številne raziskovalce, še zlasti v zadnjem času, ko se konstrukcijske rešitve iščejo z bioniko. V primerjavi s tradicionalnimi robotskimi platformami na kolesih ali gosenicah bi lahko robot z nogami opravljal zelo nevarna in nevsakdanja dela zaradi boljše sposobnosti in prilagodljivosti na nekonvencionalnih tleh, kot so raziskovanje površine planetov, preprečevanje nesreč, reševanje le-teh in drugo. Noga igra ključno vlogo pri gibanju robota, zato jo je treba natančno oblikovati, da dobi posebne funkcije in zmogljivosti. V zadnjih letih so raziskovalci izvedli obsežne raziskave in dosegli vrsto vidnih dosežkov. Štirinožni robot Big Dog, ki ga je razvil Boston Dynamics in hidravlično gnani štirinožni robot HyQ, ki ga je razvila italijanska univerza za

[ 98 ]

tehnologijo, sta sprejela konfiguracijo teleskopskih nog, ki je koristna za zmanjšanje škode zaradi udarcev. Robot »Cheetah«, ki ga je razvil Boston Dynamics, je kot bionični prototip uporabil mišično-skeletno strukturo zadnjih okončin geparda. Njegov mehanizem za noge lahko učinkovito zmanjša rotacijsko vztrajnost nog in pomaga zmanjšati navor motorja. Raziskovalci so razvili tudi lahko mehansko nogo, ki temelji na arhitekturi kolokacije tetive in kosti geparda in mehanizmu interakcije med sklepi in mišicami, ki lahko zagotovi zahtevano togost in moč, ob čemer se izogne velikim upogibnim momentom, hkrati pa ima lahke in dobre lastnosti. Inženirji so tudi zasnovali bionično mehansko nogo, ki temelji na zadnji okončini konja, ki ima celo vrsto elastičnih elementov, z visoko okretnostjo in nizkimi vibracijami. Izziv za razvoj naprednih robotov se praviloma vedno išče v posnemanju človeka ali posameznih vrst živali. Za prenos znanja v tehnološki svet je treba izbrati najprimernejši biološki model. Poznati je treba tiste lastnosti, ki bi bile zaželene oz. celo nujne v razvoju in izdelavi robota.

Zanimiv je primer afriškega noja (Struthio camelus), ki je najhitrejši dvonožec na svetu. Odrasel noj ima maso okoli 140 kg in hitrost teka približno 60 km/h, to hitrost lahko vzdrži približno 30 minut. Hitrost noja je sicer lahko celo več kot 70 km/h. Nojeva zadnja okončina je močna z zmožnostjo robustnega, dolgotrajnega in hitrega teka. Intertarzalni sklep ima značilnosti pasivnega odboja in spremenljive togosti, kar prispeva k nadaljnjemu zmanjšanju porabe energije med gibanjem. Na podlagi principa inženirske bionike je vrhunska zmogljivost nojevih zadnjih okončin uporabljena pri oblikovanju nožnega mehanizma zahtevnega dvonožnega robota.

Primer shranjevanja energije v robotskih sklepih Da bi lahko poudarili priročnost pristopa bionike pri reševanju shranjevanja energije v robotskih sklepih, moramo poznati učinkoviti biološki model, ki te pogoje v naravi tudi dobro izpolnjuje. Tak primer je lahko izpostavljen s kengurujem. Kenguruji lahko zaradi skakanja dosežejo visoke hitrosti. Z vsakim korakom se potencialna energija shranjuje v elastičnem upogibu kit, mišic in kosti spodnjega dela noge. Z začetkom naslednjega skoka se s premikom prstov na nogah sprosti shranjena energija. Med skokom so raziskovalci ugotovili največjo mišično napetost in največjo napetost tetive. Mišične sile in elastično shranjevanje energije se povečujejo z naraščajočo hitrostjo skakanja. Tehnične realizacije tega bioničnega principa so danes vidne že pri orodjih za tek in skakanje. V tem

[ 99 ]

primeru so elastični elementi izdelani iz steklenih vlaken. Principi delovanja pri kenguruju se skušajo na sprejemljiv način prenesti v izgradnjo posebnih robotov.

Vsak korak metodičnega postopka poteka skozi razvoj nove vrste robotskega sklepa, ki izboljša dinamično obnašanje celotne kinematične strukture. Potrebno moč zagotavlja drugi pogon z uporabo znane variacijske operacije, ki je razvita kot funkcijska struktura z možnostjo razširitve sklepa. Energija, ki jo prevaja sklep, se pridobiva in začasno tudi shranjuje (akumulacija energije). Shranjena energija se uporablja za nadzorovano podporo drugega pogona. Na ta način se razširi funkcionalni obseg običajnega robotskega sklepa. Del zagotovljene energije pa je lahko shranjen v sklepu samem. V razvoju posebnih robotov se torej učinkovito uporablja biološka analogija. Živali vseh velikosti skačejo tako, da shranjujejo in sproščajo energijo v elastičnih elementih v svojem telesu. Podobni principi pa se uspešno prenašajo na področje robotike z razvojem posebnih sklepov in z uporabo pametnih materialov, ki nudijo vse potrebne in želene lastnosti.

Nova spoznanja za načrtovanje bioničnih robotov bodo ključnega pomena Nova spoznanja za načrtovanje bioničnih robotov so postala ključnega pomena za zelo zahtevne aplikacije na področju robotskih tehnologij. Izstopajoči primer se nam ponuja s strategijo prilagodljivega prilagajanja gibanja mačk, predvsem v režimu delovanja, ko mačka po skoku pristane na tačkah. Mačje gibanje ima v primerjavi z drugimi živalmi pomembne prednosti v smislu športne energetske učinkovitosti in fleksibilnosti, predvsem pri skakanju in pristajanju. Biomehanske značilnosti mačjega pristanka z različnih višin lahko zagotovijo nov vpogled v zasnovo bioničnega robota na podlagi rezultatov raziskav in potreb bioničnega inženiringa. Ekstremno prilagodljivo strategijo prilagajanja gibanja mačjega pristanka z uporabo algoritma strojnega učenja in analize končnih elementov (FEA – Finite element analysis). Pri bioničnem robotu obstajajo premisleki pri natančnem in drznem oblikovanju mehanskih nog. Koordinacijski mehanizem vsakega sklepa je treba inteligentno prilagoditi glede na silo na dnu vsake mehanske noge. Natančneje, s povečanjem sile na dnu mehanske noge se glavni sklep, ki nosi udarno obremenitev, postopoma premakne iz distalnega sklepa v proksimalni sklep, zato je treba okrepiti trdoto materialov, ki se nahajajo okoli središča vsakega sklepa bionične mehanske noge, da se podaljša življenjska

[ 100 ]

doba. Težišče robota je treba znižati in držo robota držati čim dlje naprej, da se zmanjša obraba in izboljša natančnost delovanja robota. Vsa ta spoznanja prihajajo skozi bionične pristope reševanja konstrukcijskih zahtev in vse večjih potreb. Živalske vrste so navdihnile in pomagale razviti večino sodobne človeške tehnologije. Brez navdiha, pridobljenega z živalskimi modeli, bi bil naravni napredek sveta v bistvu nemogoč. Bionski roboti so izdelki, ki so razvili in združili značilnosti živalske in človeške tehnologije. Mehanizmi mobilnosti bioničnih robotov so pogosto zgrajeni na bioničnem principu, ki zelo podrobno in natančno posnema gibalne dele telesa živali ali modele gibanja med hojo ali tekom.

Zasnova bioničnih robotov je v zadnjih letih pridobila izjemen zagon, ker imajo roboti potencial, da igrajo pomembno vlogo pri nadomeščanju ljudi v težkih delovnih okoljih. Omeniti je treba, da ima posebni bionični robot, ki so ga zasnovali na Massachusetts Institute of Technology, hitrost teka, ki lahko doseže že 22 km/h. Vse prejšnje študije so pri oblikovanju svojih robotov uporabljale bionične mehanizme, vendar je bila njihova pozornost še vedno osredotočena samo na gibanje po ravnih tleh. Prednosti bioničnih robotov so, da so prilagojeni različnim zahtevnim terenom. Roboti, ki imajo že vgrajeno skakalno sposobnost, lahko skočijo na nivo, ki je nekajkrat višje od njegove višine, ta funkcija zagotavlja temu skakalnemu robotu odlično sposobnost gibanja v zapletenem okolju.

Novi bionični razvojni pristopi Obetavni pristopi za izboljšanje že znanih izdelkov ali ustvarjanje novih idej za izdelke so v raziskavah bionike, biologije in sorodnih področij. Vendar številne ovire, kot so posebni strokovni izrazi, ki veljajo samo za področje biologije, ovirajo neposreden prenos naravnih rešitev v tehnični in tehnološki svet. Iz tega razloga se iščejo vedno novi učinkoviti pristopi za implementacijo bioničnih principov v vrhunskih načinih oblikovanja inovacij in izdelkov. Za podporo delu bioničnih oblikovalcev so že uvedeni tudi posebni katalogi, ki vsebujejo številne bionične principe, vrednostne in referenčne podatke, analizirane glede na tehnične namene, potrebe in smernice. Z uporabo splošnih funkcij in operacij so tehnični problemi povezani z biološkimi rešitvami še vedno na precej abstraktni ravni.

Prepoznavnost in koristnost bioničnih pristopov se običajno kažeta prav na posameznih primerih uspešnih inovacijah. Ustreznost pristopov dokazujejo razne strokovne literature, razvoj novega robotskega sistema, ki lahko hrani energijo, da lahko s tem podpira in omogoča delovanje pogonov, pa je izpostavljen tudi

[ 101 ]

v tem mojem prispevku. Biološki arhetipi so vedno navdihovali človeštvo za reševanje tehničnih problemov.

Infografika 40 Merilna znanost za razvoj in proizvodnjo na področju humanoidne robotike

Za današnje procese razvoja izdelkov pa so pogosto značilne vzporedne dejavnosti v različnih disciplinah na tehničnih področjih. Za razvoj biološko navdihnjenih izdelkov postanejo pomembne meje med znanostjo o življenju in tehničnim inženiringom. Inženirji pogosto niso dovolj seznanjeni z različnimi področji biologije, da bi lahko v primernem času identificirali pravi biološki princip in potencial. Po eni strani klasična biologija običajno ne upošteva vseh funkcionalnih vidikov, temveč predvsem interakcije bioloških sistemov z okoljem. Oteževalni dejavniki so tudi v tem, da biološki sistemi vedno vplivajo na več kot eno tehnično disciplino. Po drugi strani pa so problemi ene tehnične discipline rešljivi skozi

[ 102 ]

kompleksen problem povezan z različnimi biološkimi principi. Te težave vodijo običajno v slabi uporabi biološkega navdiha za učinkovit proces razvoja izdelka.

Biološko navdihnjeni izdelki so pogosto le akademski primeri, ki se ne implementirajo hitro v industrijo. Nekateri uspešni izdelki se osredotočajo le na posamezna načela za optimizacijo že dobro uveljavljenih tehničnih rešitev. Celostni pristop za implementacijo bioničnih principov še vedno manjka in iščejo se ustrezni pristopi tudi s pomočjo posebnih katalogov, ki nastajajo in služijo kot sredstvo razvojnim inženirjem pri sistematičnem strukturiranju znanja in usmerjenem iskanju biološkega navdiha. Rešitve se iščejo tudi s pomočjo različnih orodij in še zlasti s pomočjo bioničnih interaktivnih platform.

V svetu potekajo tudi različne razprave o bioničnih trendih, tudi pristopih k ocenjevanju uporabnosti bioničnih načinov oblikovanja. V strokovni literaturi so pogosti tudi prispevki na temo ocenjevanja bioničnih oblikovalskih modelov in tudi o BDTH (Bionic Design Thinking Model). Na podlagi dosedanjih študij se je namreč oblikoval niz inovativnih modelov produktnega oblikovanja in razmišljanja, ki temeljijo na teoretičnih osnovah produktnega modeliranja oblikovalskega mišljenja ter teorij bionike, psihologije oblikovanja in znanosti o razmišljanju. Strokovnjaki pozivajo k visoki stopnji harmonije in enotnosti med človeško družbo in naravo, skozi bionično filozofijo oblikovanja ter poziva k razumni platformi simbiotičnega dialoga med človekom in strojem, ekološko naravo in tako imenovano umetno naravo. Bistvena orodja v vsakem procesu oblikovanja, ki zagotavljajo smernice, cilje in tehnične smernice za uspešen razvoj izdelkov ter oblikovne metodologije, morajo imeti pomembno vlogo pri vrednotenju, optimizaciji in širitvi pristopa in načel bioničnega oblikovanja. Doslej so bile predlagane številne metode, ki so namenjene oblikovalcem za usmerjanje razvoja biološko navdihnjenih modelov, vendar primerjalne analize ugotavljajo številne prednosti in slabosti vsake predlagane metode, kar pomeni, da bo treba poiskati še boljše in veliko bolj usklajene rešitve.

[ 103 ]

Infografika 41 Primer bionične interaktivne platforme

Uvajanje bioničnih principov v proces razvoja izdelka V tej knjigi so izpostavljeni le nekateri pristopi za reševanje procesnih rešitev pri uvajanju bioničnih principov. Izognil sem se poglobljenim teoretskim rešitvam in opisovanju razlik med enim in drugim pristopom. Čeprav se o uvajanju bioničnih principov v proces razvoja izdelka v literaturi že leta na široko razpravlja, je bilo doslej opravljenega malo dela, da bi inženirjem sistematično pomagali pri iskanju in prenosu bioloških arhetipov v tehnične izdelke. Ta situacija se bo v prihodnosti zagotovo spremenila in izboljšala, saj se oblikujejo velike podatkovne baze in učinkoviti načini iskanja potrebnih podatkov in informacij o bioloških modelih in sistemih. Na primer Ingo Rechenberg (eden od soustanoviteljev uporabe evolucijskih bioloških algoritmov v inženirstvu) je [ 104 ]

predlagal sedem miselnih korakov v sekvenčni sedemstopenjski postopek, ki posnema biološke arhetipe. Začne se z definicijo tehnične funkcije, za katero je treba najti analogno biološko funkcijo. Nato se primerjajo tehnični in biološki mejni pogoji, npr. s pomočjo razmerij podobnosti (npr. Reynoldsovo število, s katerim se v mehaniki označi tok tekočin). Če so mejni pogoji podobni, je treba primerjati nekakšen indeks učinkovitosti (npr. poraba energije) tehnične in biološke rešitve. Zadnji korak je celovito posnemanje biološkega arhetipa. Postopku manjkajo predvsem interakcijske zanke in pomoč pri iskanju ujemajočih se arhetipov. Vendar tak pristop vsebuje tudi dobre ideje za potrditev najdenih arhetipov. Na primer Hillov prenos bioloških arhetipov »Hill's criteria« je sestavljen iz dveh glavnih ciklov: »definicija ciljev« in »iskanje rešitev«. Prvi cikel vsebuje osnovne korake analize in opredelitev naborov zahtev. Iz naborov zahtev se identificirajo paradoksne zahteve in definira razvojna naloga. V drugem ciklu se sprva identificirajo tako imenovane biološke osnovne funkcije, ki ustrezajo prej najdenim paradoksnim zahtevam. Za te funkcije je mogoče biološke strukture najti v posebnih katalogih in so strukturirane v tabelah za realizacijo glavnih rešitev. Te rešitve se zaporedoma spreminjajo, kombinirajo in validirajo, kar ima za posledico uspešno tehnično rešitev problema. Hillov pristop je posebej obetaven, šibke točke so razmeroma visoka stopnja abstrakcije, delno nelogična struktura katalogov in nizka raven podrobnosti. Na primer, za potrditev in izbiro rešitev so potrebne tudi kvantitativne vrednosti. V strokovnih literaturah pa se pojavljajo tudi že novi pristopi, ki so še bolj orientirani na bionične principe in nekoliko drugačne pristope in metodologije.

[ 105 ]

Infografika 42 Nove metode bioničnega načrtovanja za skeletne strukture, ki temeljijo na analizi poti obremenitve

Gramannov bionični proceduralni model (Model Gramann’s approach) je na primer vgrajen v tipičen postopek razvoja sistemskega inženiringa, kjer je korak »analiza/sinteza« podrobno opisan v zvezi z bioniko. Začne se z izmenično identifikacijo bioloških arhetipov in iskanjem potrebnih informacij. Nato se analizira arhetip, potrdi možnost njegovega prenosa v tehnične rešitve in izpeljejo se načela potrebne rešitve. Na koncu se v tehničnem sistemu uporabljajo načela dokončne rešitve. Vse korake je treba vseskozi peljati interativno. Iskanje informacij je glavni porabnik časa v celotnem procesu. Znanstvenik Gramann sicer ponuja seznam povezav za prenos tehničnih funkcij v biološke funkcije. Tako se najdejo biološke funkcije, ki bi omogočile bolj ciljno usmerjeno iskanje v biološki domeni. Pomembne lastnosti se običajno dosežejo z razgradnjo kompleksnega

[ 106 ]

sistema na manjše, obvladljive dele. Nato se opredelijo tiste funkcionalne lastnosti, ki jih mora izpolnjevati izdelek. Za identifikacijo bioloških analogij je treba te lastnosti preoblikovati v abstraktno obliko, npr. z uporabo progresivne abstrakcije. Iskanje bioloških analogij je analogično reševanje problemov in ga lahko opišemo kot »obvoz«, da se izognemo oviram (npr. sinteza, dialektika, interpolacija) v hevrističnem procesu reševanja problemov. Postopek se začne z iskanjem izvornih problemov, ki so dovolj podobni ciljnemu problemu (naloga, ki jo je treba izpolniti). To pomeni, da je treba najti korelacijo, specifično znanje je treba razumeti in ga pripisati specifičnemu znanju določenega cilja. Nato je treba razpoložljivo znanje o izvornem problemu prenesti v znanje o ciljnem problemu.

Ključni korak je najti arhetipe, ki so si dovolj podobni, da so lahko uporabni. Kaj je dovolj podobno in kako lahko opredelimo podobnost, je o tem že veliko napisanega v različnih strokovnih literaturah.

Biološko navdihnjene strukture Splošno znano je, da je razpoložljivost lahkih struktur z odlično sposobnostjo absorpcije energije bistvena za številne inženirske aplikacije. Izkazalo se je, da so strukture, ki jih navdihujejo številne biološke strukture v naravi, bistveno izboljšale sposobnost absorpcije energije v primerjavi s konvencionalnimi strukturami. Zato se uporaba bioničnega in biomimetičnega pristopa za načrtovanje novih lahkih struktur z odlično zmogljivostjo absorpcije energije v zadnjih letih izjemno povečuje na različnih inženirskih področjih. Danes lahko opisujemo edinstvene lastnosti in izjemne mehanske lastnosti bioloških struktur, kot so rastline in živali, ki jih je mogoče posnemati za načrtovanje učinkovitih absorberjev energije. Prav tako se danes daje izjemno veliko poudarka na strukturne zasnove, pa tudi na značilnosti absorpcije energije sedanjih struktur, ki jih navdihuje bio, z različnimi konfiguracijami in strukturami, vključno z večceličnimi cevmi, sendvič ploščami, kompozitnimi ploščami, satjem, penami, gradbenimi strukturami in rešetkami. Ti materiali so danes uporabljeni za strukture, ki jih navdihuje bio, vključno s kovinami, polimeri, z vlakni ojačenimi kompoziti, betonom in steklom in drugimi materiali. Bionično in biološko navdihnjeno inženirstvo je uporaba bioloških metod in sistemov, ki jih najdemo v naravi, za proučevanje in načrtovanje inženirskih sistemov in sodobne tehnologije. Izdelava finih površinskih struktur, velikih le nekaj mikro- ali nanometrov, je velik izziv za industrijo. Oblika in struktura teh površin se nanaša na vzorce iz biološkega sveta. Fino struktu-

[ 107 ]

rirane površine omogočajo tako večjo drsnost in energetsko učinkovito premikanje kot povsem gladke površine, posredno to lahko pomeni večjo učinkovitost, nižjo porabo energije in nižjo raven hrupa. Vse to vodi do trajnostnega zmanjšanja ogljičnega odtisa. Fino bionično strukturirane površine se s pridom uporabljajo že danes v tehničnih aplikacijah na primer v letalstvu, športu ali vetrnih turbinah in tudi drugje.

Pajkova svila postane bionična z integracijo nanotehnologi‐ je in spodbudi velike možnosti aplikacij Vedno več je primerov bioničnih inovacij, še zlasti takšnih, ki so produkt povezovanja naravnega in umetnega. Primer: raziskovalci iz Združenega kraljestva (UK) in Italije so okrepili že tako impresivne lastnosti pajkove svile z dodajanjem nanomateriala, grafena. Tri različne vrste pajkov so izpostavili vodni disperziji, ki je vsebovala grafen oz. ogljikove nanocevke in nato preizkusili lastnosti izboljšane svile. Raziskovalni skupini, ki jo je vodil profesor Nicola Pugno z Univerze v Trentu v Italiji, je uspelo, da njihovi pajki proizvajajo svilo z do trikratno močjo in desetkratno žilavostjo običajnega materiala. Njihovo odkritje je objavljeno tudi v reviji »2D Materials« in bi lahko utrlo pot novemu razredu biokompozitov s široko paleto aplikacij. Bionična pajkova svila bi lahko bila uporabna tam, kjer so potrebni lahki, a zelo močni materiali. Znano je, da so v beljakovinskih matrikah in trdih tkivih žuželk prisotni biominerali, kar jim daje na primer visoko trdnost in trdoto. Študije kažejo, da je mogoče lastnosti pajkove svile še izboljšati z umetno vključitvijo različnih nanomaterialov v biološke beljakovinske strukture svile. Visoka žilavost in odpornost bioničnih svil na skrajne obremenitve bi lahko imela številne aplikacije, npr. za padala. Poleg tega bi lahko ta proces naravne integracije ojačitev v bioloških strukturnih materialih uporabili tudi za druge živali in rastline, kar bi vodilo do novega razreda biokompozitov in za povsem nove inovativne aplikacije. Raziskovalci na Univerzi Northwestern in San Diego State University (SDSU) so razkrili zapleten proces, kako pajki črne vdove pretvarjajo beljakovine v vlakna z neverjetno trdnostjo. To znanje obljublja pomoč znanstvenikom pri ustvarjanju enako močnih sintetičnih materialov. Znanstveniki že dolgo poznajo primarno zaporedje aminokislin, ki sestavljajo nekatere beljakovine pajkove svile, in razumejo strukturo vlaken in mrež, vendar jim je šele zdaj uspelo razkriti podrobnosti, ki bi lahko vodile do procesa ustvarjanja sintetičnih materialov z močmi lastnostmi, kot jo imajo naravna vlakna pajkove

[ 108 ]

svile. Takšne raziskave so bistvo bioničnega pristopa, da se s pomočjo razumevanja naravnih sistemov ustvarijo umetni sistemi in materiali s podobnimi ali še izboljšanimi lastnostmi. Bio-inspirirane pajkove mreže bodo v prihodnje predmet še intenzivnejših raziskav in iskanja rešitev, ki so pomembne za reševanje zahtevnih tehničnih problemov. Bio-inspirirane pajkove mreže bi se po mnenju raziskovalcev lahko v doglednem času uporabljale za učinkovito zbiranje vode iz megle z elektropredenimi polimernimi vlakni. Megla je danes žal še vedno podcenjen vir vode, zlasti v regijah, kjer so običajne metode pridobivanja vode nemogoče, neučinkovite ali zahtevne za nizkocenovne vodne vire. Zanimivo je, da številne nove metode in razvoj za učinkovito zbiranje vode navdihuje prav narava. Zato so se raziskovalci resno osredotočili razviti več oblik elektropredenih polimernih vlaken, ki bi lahko uspešno posnemale številne fascinantne naravne materiale, na primer pajkovo mrežo. Izkazalo se je, da lahko morfologija vlaken in vlažilne lastnosti povečajo stopnjo zbiranja megle. Prav tako so ugotovili, kakšen je vpliv parametrov zbiranja vode iz megle na testiranje njihove učinkovitosti. Trenutno stanje tehnike zbiranja vode z vlaknastimi mrežami ponuja dobre rešitve predvsem v laboratorijskih pogojih z razvrščanjem različnih parametrov.

[ 109 ]

Infografika 43 4D‐tiskanje različnih polimernih materialov z biološko navdihnjenimi struk‐ turami

Novi materiali v živih modelih Ljudje so že od prazgodovine uporabljali biološke materiale, kot so krzno, kože in les. V zadnjih letih so lastnosti kot mikroskopska in molekularna sestava teh materialov postali modeli za sintetične snovi. Krzno so v praktični uporabi v veliki meri nadomestili sintetični, vlakneni, izolacijski materiali, ki zadržujejo zrak. Na voljo so tudi sintetike, ki imajo poroznost in vzdržljivost usnja. Narava ponuja številne primere polifaznih struktur, to je tesno mešanje različnih vrst materialov, da se tvori kompleks, ki je veliko močnejši ali trajnejši od katere koli njegove komponente. Primer je les, tako kot bambus, na katerem so vzorci iz steklenih vlaken. Močna, trda vlakna so povezana z mehko, prožno matriko. Vla-

[ 110 ]

kna dajejo trdnost, medtem ko matrica enakomerno porazdeli obremenitve.

Usmeritev vlaken, je zapletena in določa, ali bodo steklena vlakna imela dobro prožnost ali ne. Lahki sendvič materiali, ki se uporabljajo v konstrukciji letal zaradi trdnosti in so še ena prilagoditev polifazne strukture. Industrija plastike danes temelji na kemičnih študijah polimernih ali dolgoverižnih organskih spojin v živih strukturah. Sintetična vlakna nastanejo s siljenjem tekočin skozi predilne mreže na enak način, kot številni pajki in žuželke predejo mreže ali kokone. S proučevanjem strukture živih bitij so se kemiki in biokemiki naučili tudi, kako razporediti molekule v kristalni ali amorfni obliki, da proizvedejo materiale, ki so trdi ali mehki, togi ali elastični. Strokovnjaki za materiale vedo tudi, kako okrepiti materiale, da jih raztegnejo, da poravnajo njihove molekule, in kako utrditi materiale s povečanjem števila kemičnih navzkrižnih povezav med njihovimi dolgimi molekulami. Naravne biološke oblike so navdihnile strukturne zasnove in številne materiale.

[ 111 ]

Slika 13 Bio inspirirane strukture na bazi rastlin in živali se danes že uporabljajo na različ‐ nih inženirskih področjih

Bionične nanostrukture in antibakterijski materiali V zadnjih letih so krila žuželk, kot so kačji pastirji in cikade, pritegnila veliko pozornosti kot vzorčni biološki sistemi zaradi svojih odličnih protibakterijskih in protiglivičnih lastnosti. Nekatere študije so pokazale prisotnost fizičnih nanoizboklin na površini kril žuželk. Njihove antibakterijske lastnosti so lahko posledica dejstva, da ob stiku mikrobnih celic z izrastki povečajo stres in deformacijo membranske strukture mikrobnih celic, kar vodi do njihovega uničenja. Sčasoma vodi do raztapljanja in smrti celic. Z raziskovanjem površinske zgradbe kril žuželk kot modela in priprave bioničnih struktur po njem so se pojavile nove [ 112 ]

ideje za pripravo sodobnih antibakterijskih titanovih zlitin. Pokazalo se je, da je mogoče s spremembo površinske morfologije materialov doseči antibakterijske učinke in zaviranje tvorbe biofilma. S spreminjanjem površinske morfologije brez dodajanja drugih kemičnih reagentov je mogoče doseči tudi antibakterijske lastnosti in tvorbo antibiotikov. Poleg tega ima morfologija površine majhen učinek na mehansko trdnost materiala. Trenutno je treba rešiti spreminjanje površinske morfologije za pripravo biomimetičnih struktur z mikronsko in površinsko morfologijo na nanolestvici ter raziskovanje vpliva površinske morfologije in velikosti titana ali njegovih zlitin, ki lahko učinkovito napadajo bakterije. V vsaki nanotopografiji celična aktivnost ni zavirana. Poleg tega se v nekaterih nanotopografijah poveča metabolična aktivnost celic.

Slika 14 SEM mikrofotografija različnih nanomorfologij na površini titanovega substrata

Obstaja več metod za izdelavo nanovzorcev, običajno pa se uporabljajo kemično jedkanje, reaktivno ionsko jedkanje, hidrotermalna sinteza in anodna oksidacija.

[ 113 ]

S temi metodami se pripravijo protibakterijski nanovzorci z različnimi protibakterijskimi učinki, vendar protibakterijski učinek takšnih vzorcev še vedno ni zadovoljiv, kar je lahko posledica dejstva, da je izdelava antibakterijskih površin na titanu in njegovih zlitinah težja od drugih materialov. Razvoj nanovzorcev z učinkovitimi protibakterijskimi lastnostmi lahko omogoči boljšo klinično uporabo medicinskih materialov, povezanih s titanom, in lahko reši problem bakterijske odpornosti, ki ga povzroča zloraba antibiotikov. Trenutno so bile razvite nekatere nove metode za nanopatterning, kot sta dvofotonska polimerizacija in odlaganje z elektronskim žarkom (EBID – Electron-beam-induced deposition).

Dvofotonska polimerizacija je nova tehnologija izdelave 3D-struktur, ki temelji na CAD (Computer-Aided Design) in CAM (Computer-Aided Manufacturing), ki natančno oblikuje 3D-geometrije z ločljivostjo do 100 nm. Zaradi visoke ločljivosti, prilagodljivosti širokemu spektru materialov in sposobnosti ustvarjanja resničnih 3D-struktur je zelo obetavna tehnologija za izdelavo medicinskih in bioničnih vsadkov. Veliko pozornosti pridobiva tudi tehnologija izdelave EBID, ki omogoča izdelavo 3D-struktur v desetinah nanometrov in odlaganje širokega spektra materialov (kovinskih, organskih, polprevodniških, magnetnih, superprevodnih itd.). V prihodnosti bo razvoj metod nanomorfologije 3D z visoko ločljivostjo, učinkovitih in nadzorovanih, kritičen izziv, ki ga je treba premagati.

Na površino materiala podlage so izdelane nanometrske strukture s posebnimi dimenzijami in z različnimi mehanizmi. Interakcije med nanovzorci in bakterijami so večplastne, natančen mehanizem baktericidnega delovanja in vloga različnih dejavnikov pri uravnavanju baktericidnega vedenja sta še vedno sporna.

Večina raziskovalcev se strinja, da so nanodelci z visokim razmerjem stranic ključni dejavniki pri mehanski deformaciji bakterijskih celičnih sten, kar posledično povzroči njihovo pretrganje in smrt. Danes so razvili matematične modele za razlago baktericidnih lastnosti nanovzorcev na površini kril cikade. Dokazano je, da gravitacija in nespecifične sile igrajo vlogo pri rupturi bakterijske celične stene. Poleg tega je bilo dokazano, da ima zunajcelična polimerna snov (EPS – Extracellular polymeric substances) pomembno vlogo pri uravnavanju baktericidnih učinkov nanovzorcev, znane so kot naravne biopolimerne mešanice beljakovin in polisaharidov, ki jih izločajo mikroorganizmi. EPS ima pomembno vlogo pri tvorbi bioloških membran, spodbuja tudi celično signalizacijo in ščiti bakterije pred škodljivimi vplivi okoljskih dejavnikov. Raziskovalci so ugotovili, da nekatere bakterije pod vplivom nanostebrov z adhezijo izločajo EPS. Mehanizem antibakterijskega učinka nanovzorcev še ni povsem pojasnjen, zato so raziskave antibakterijskih mehanizmov ključne za pripravo materialov z odličnim antibak-

[ 114 ]

terijskim učinkom. Titan in njegove zlitine imajo odlično biokompatibilnost, nizek modul elastičnosti in ugodno odpornost proti koroziji. Zaradi teh izjemnih lastnosti se široko uporablja kot material za medicinske in bionične vsadke. Sam titan nima antibakterijskih lastnosti, zato se lahko bakterije zbirajo in oprijemajo njegove površine (primer kolenskih in kolčnih sklepov), kar povzroči težave z okužbo. Okužba je med glavnimi razlogi za okvaro vsadkov pri ortopedskih operacijah. Nanomodifikacija, kot ena izmed dobrih možnosti, lahko povzroči različne stopnje antibakterijskega učinka na površini materialov za vsadke. Hkrati postopek nanomodifikacije in proizvedene nanostrukture ne bi smeli negativno vplivati na osteogeno aktivnost, hkrati pa bi morali voditi do ugodnih antibakterijskih lastnosti na površini vsadka. Vsi ti procesi in dejavniki so ključni pri razvoju bionične in medicinske protetike.

Bioinspirirani in bionični materiali bodo kot gradniki različ‐ nih najzahtevnejših naprav in sistemov Danes poznamo veliko različnih materialov, ki so produkt bioinspiriranih procesov, oz. poznamo materiale, ki jih uvrščamo v kategorijo bioničnih in biomimetičnih materialov. Bionavdihnjeni in bionični materiali na primer za izboljšano fotosintezo bodo uporabljali biomimetični pristop za raziskovanje in razumevanje temeljnih strategij upravljanja svetlobe v različnih morskih fototrofnih organizmih in sistemih. Fototrofni oz. fotoavtotrofni organizem je organizem, ki energijo sonca s pomočjo fotosinteze pretvarja v kemično energijo za svoje potrebe. To znanje bo uporabljeno pri načrtovanju in izdelavi hibridnih bioničnih in bionavdihnjenih sistemov za pospeševanje fotosinteze v živih organizmih in izdelavo novih biofotoreaktorjev, ki jih navdihuje bio. Razvoj znanosti o materialih in tovrstnega inženiringa se je doslej soočal s številnimi ozkimi grli. Na primer, težko je združiti nizko in visoko trdnost in visoko žilavost. Pogosto je treba narediti kompromis med lastnostmi in izbiro materiala. Še vedno je težko učinkovito povezati različne materiale (kot so kovine in razni polimeri). Bionični in bionavdihnjeni materiali nastajajo predvsem na osnovi spoznanj proučevanja različnih živih bitji, kompleksnih bioloških sistemov in rastlin. Danes obstajajo številne digitalne razvojne tehnološke platforme bioničnih materialov za razvoj inovativnih lahkih strukturnih materialov z odličnimi mehanskimi in drugimi mnogoštevilnimi lastnostmi, ki vključujejo večstopenjsko strukturno analizo, merjenje

[ 115 ]

mehanske kakovosti, simulacijo v več merilih, sistematično proučevanje različnih organizmov s posebnimi mehanskimi lastnostmi.

Infografika 44 Biološke in inženirske strukture, naravne in umetne lastnosti

Bionični materiali so danes produkt tudi procesov strojnega učenja, umetne inteligence, produkt uporabe genetskih algoritmov, na primer za ustvarjanje lahkih, močnih in trpežnih dvodimenzionalnih materialov. Danes se gradijo ogromne baze podatkov, v katerih so zajeti najrazličnejši bionični materiali (biološko inspirirani materiali) z vsemi podatki o lastnostih in o možnostih uporabe. Te baze podatkov so ključnega pomena za razvoj inovacij v industriji, medicini, zdravstvu, bioniki, energetiki, gradbeništvu in številnih drugih področjih. Pričakuje se, da bo integracija »biološkega navdiha«, »umetne inteligence« in »napre-

[ 116 ]

dne proizvodnje« prebila ozka grla in omejitve obstoječih konstrukcijskih materialov ter ustvarila neomejene možnosti razvoja in uporabe povsem novih materialov. Od bioničnih in biomimetičnih materialov se pričakuje, da bodo izpolnjevali visoke zahteve posameznih aplikacij, kot na primer biokompatibilnost materialov, fleksibilnost, visoko mehansko trdnost, žilavost, samočistilnost, samopopravljivost, odzivnost na različne zunanje stimulacije, npr. svetlobo, temperaturo, vlago, kemične in fizikalne učinke. Da bodo imeli želene lastnosti samooblikovanja, sposobnosti oblikovnega spomina, visoko električno prevodnost ali izolativnost, temperaturno stabilnost in drugo. Bionični materiali bodo postali osnovni gradniki številnih bioničnih naprav, na primer v medicini, kot vsadki, implantabilne naprave, umetni organi, naprave za umetno zaznavanje in drugo.

Izboljšani funkcionalizirani materiali svilenega fibroina (SF), dobri kandidati za bionične aplikacije Z novimi strategijami funkcionalizacije materialov se lahko razvijajo nove naprave. Lep primer sta funkcionalizacija materiala svilenega fibroina (SF – Silk Fibroin) in (BIF – Bionic Silk Fibroin), s katerim se dosežejo neverjetne lastnosti, predvsem z mezoskopsko rekonstrukcijo hierarhičnih struktur SF materialov. To temelji na preusmeritvi postopka ponovnega zlaganja SF molekul z vzorčenjem mezonukleacije. Tako pridobljeni funkcionalizirani SF materiali se lahko uporabijo za izdelavo biološko združljivih/razgradljivih fleksibilnih/vsadljivih mezooptičnih/elektronskih naprav različnih vrst. Posledično je mogoče funkcionalizirano SF izdelati v optične elemente, to je nelinearne fotonske in fluorescenčne komponente in omogočiti visokozmogljivo izdelavo svilene mezoelektronike. Ta napredek omogoča uporabo naprav na osnovi SF materiala na področjih fizičnega in biokemičnega zaznavanja, memristorjev, biomemristorjev, tranzistorjev, možganskih elektrod, bioničnih vsadkov in proizvodnje/shranjevanja energije, ki se uporabljajo za dolgoročno spremljanje fizioloških stanj na koži in zaznavanje v telesu, ter obdelavo in shranjevanje informacij.

[ 117 ]

Infografika 45 Izboljšane lastnosti svilenega fibroina in aplikacije

Materiali svilenega fibroina imajo edinstvene mehanske lastnosti. Predvsem v zadnjem desetletju se je zaradi velikega napredka v biologiji, biokemiji, genetiki, bioniki, biomimetiki njena uporaba razširila na povsem nova področja. Zaradi izjemnih mehanskih, optičnih in termičnih lastnostih jo uporabljajo pri razvoju visokotehnoloških izdelkov v optiki, elektroniki, bioniki, predvsem pa je zasedla pomembno mesto pri razvoju novih biomaterialov, tj. materialov, ki jih uporabljamo v regenerativni medicini za obnovo poškodovanih ali obolelih delov človeškega telesa. Materiali svile so v osnovi sestavljeni le iz proteinov, fibroina in sericina, ki ju iz svojih žlez izločajo nekatere žuželke, sviloprejke in pajki. Najbolj znana je sviloprejka (Bombyx mori), ki se uporablja v tekstilni industriji. Žuželke iz svojih žlez iztisnejo nit, ki ji fibroin daje mehansko stabilnost, sericin pa služi kot nekakšno lepilo, da se nit lažje oblikuje v kokon (zaščitni ovoj). Svilene niti so se v medicini že dolgo nazaj uporabljale za šivanje in celjenje ran, vendar je bila

[ 118 ]

zaradi občasnega negativnega imunskega odziva biokombatibilnost svile vse do pred kratkim nekoliko vprašljiva, dokler niso znanstveniki ugotovili, da je krivec za možen negativen imunski odziv le sericin. Če torej odstranimo sericin, dobimo biokompatibilen fibroin, ki ga telo ne zavrača in ki po svojih mehanskih lastnostnih prekaša številne druge naravne biomateriale, kot so kolagen, želatina, fibrin.

Fibroin je tudi biorazgradljiv, kar pomeni, da se v telesu sčasoma razgradi. Te lastnosti pa so posebnega pomena za medicino in zdravstvo, še zlasti pa za novodobni razvoj implantabilnih bioničnih vsadkov in drugih naprav.

Infografika 46 Izboljšana funkcionalnost svilenega fibroina in aplikacije

Zaradi vseh naštetih lastnosti se je uporaba fibroina iz svile razširila tudi na področje tkivnega inženirstva, ki omogoča obnovo močno poškodovanih tkiv s pomočjo matičnih celic. Pri tem pa igrajo biomateriali v obliki ogrodij oz. nosilcev

[ 119 ]

zelo pomembno vlogo. Celice za svoj razvoj in rast namreč potrebujejo podlago ali 3D-okolje, v katerem lahko med seboj komunicirajo in ki jim omogoča izmenjavo hranil. Ogrodje nudi ustrezno (ali vsaj začasno) mehansko oporo in se v telesu sčasoma, po obnovi lastnega tkiva, razgradi. Fibroin je tako postal eden izmed pomembnih materialov pri razvoju ogrodij za regeneracijo kosti, vezi, kit, hrustanca in žil. V obliki niti lahko služi tudi kot vodilo za regeneracijo živcev in ker tudi kožne celice lepo rastejo na njegovi podlagi, je primeren tudi za regeneracijo kožnega tkiva, npr. po opeklinah. V zadnjih letih pa se je zaradi prosojnosti fibroina in njegove odlične prepustnosti za kisik razvoj pomaknil celo k regenerativni medicini očesa. Fibroin v obliki umetne leče, napolnjene z zdravili, ki se z razgradnjo počasi sproščajo iz leče, lahko služi za regeneracijo poškodovane očesne mrežnice. Velik potencial pa je s tem povezan tudi z razvojem bioničnih očesnih protez naslednje generacije. Iz bistveno izboljšanega svilenega fibroina pa se lahko izdelujejo: optični elementi, nelinearne fotonske in fluorescenčne naprave. Svileni fibroin se uporablja na področjih: fizičnega zaznavanja, biokemičnega zaznavanja, mezo-memristorjev, biomemristorjev, tranzistorjev, možganskih elektrod, bioničnih vsadkov, shranjevalnikov energije, uporablja se za dolgoročno spremljanje fizioloških stanj na koži in v telesu in za obdelavo in za hranjenje Informacij. Inženirji v izboljšanem materialu svilenega fibroina vidijo izjemen potencial za tehnološko zahtevne bionične naprave, še zlasti povezane s človeško bioniko, medicino in zdravstvom.

Razvoj umetnega bioničnega barorefleksnega sistema Barorefleks ali baroreceptorski refleks je eden od telesnih homeostatskih mehanizmov, ki pomaga vzdrževati krvni tlak na skoraj konstantni ravni. Barorefleks zagotavlja hitro negativno povratno zanko, v kateri povišan krvni tlak povzroči zmanjšanje srčnega utripa. Znižani krvni tlak zmanjša aktivacijo barorefleksa in povzroči zvišanje srčnega utripa in povrnitev ravni krvnega tlaka. Njihova funkcija je zaznati spremembe tlaka tako, da se odzovejo na spremembo napetosti arterijske stene. Barorefleks lahko začne delovati manj kot v času trajanja srčnega cikla (delci sekunde), zato so prilagoditve barorefleksa ključni dejavniki.

Barorefleksni sistem je najhitrejši mehanizem v telesu za uravnavanje arterijskega tlaka. Ker živčni sistem deluje v zaprti zanki, so kvantitativne dinamične značilnosti barorefleksnega sistema do nedavnega ostale neznane, kljub dejstvu da je bilo izvedeno nešteto opazovalnih in kvalitativnih študij.

[ 120 ]

Infografika 47 Umetni bionični barorefleksni sistem

Za razvoj umetnega barorefleksnega sistema, torej bioničnega barorefleksnega sistema, so raziskovalci najprej anatomsko izolirali karotidne sinuse, da bi odprli barorefleksno zanko, in identificirali prenosno funkcijo odprte zanke barorefleksnega sistema z uporabo motenj tlaka belega šuma. Ugotovili so, da je sistem baroreflex v bistvu nizkoprepustni filter. Kot aktuator za implementacijo bioničnega barorefleksnega sistema so nato stimulirali eferentne živce na različnih delih barorefleksne zanke in identificirali prenosne funkcije od mest stimulacije do sistemskega arterijskega tlaka. Ugotovili so, da je odzive aktuatorja mogoče izjemno dobro opisati z linearnimi prenosnimi funkcijami. Ker so bile identificirane prenosne funkcije naravnega barorefleksa in aktuatorja, je krmilnik, ki je potreben za reprodukcijo izvorne prenosne funkcije barorefleksa, mogoče enostavno izpeljati iz prenosnih funkcij. Za proučitev delovanja bioničnega barorefleksnega sistema so raziskovalci implementirali živalske modele barorefleksa.

[ 121 ]

Bionični barorefleksni sistem je neverjetno hitro obnovil normalno regulacijo arterijskega tlaka in se izkazal bistveno boljše od naravnega barorefleksnega sistema. Vse te opisane inovacije izpostavljajo bioniko kot izjemno koristno za reševanje delovanja številnih funkcij v človeškem telesu. Razvoj je usmerjen v izdelavo posebnih bioničnih implantabilnih vsadkov, ki bodo reševali zahtevne hibe v delovanju naravnih sistemov v človeškem telesu. Razvoj tovrstnih sistemov pa pomeni tudi podporo sistemom, ki so potrebni za nemoteno delovanje v izjemnih razmerah (npr. sprememba gravitacije) in drugih vplivov, ki so spremljevalni proces potovanja v vesolje.

Organska bionika: nova dimenzija v nevronskih komunikacijah Vse se je nekako začelo pred desetletji z elektroniko in pozneje organsko bioelektroniko in danes z bioniko. Še vedno veliko ljudi sicer pripisuje področje implantabilnih vsadkov ter invivo senzorjev in drugih naprav v domeno medicinske elektronike, vendar so se stvari v zadnjih dvajsetih letih povsem spremenile. Razvoj novih materialov in posnemanje bioloških procesov je prineslo velike spremembe. Z razvojem organske bioelektronike so se pojavile neke vrste generične platforme z orodji za biološko snemanje signalov in regulacije v smeri različnih aplikacij, ki segajo od znanosti o življenju do klinične uporabe v medicini in zdravstvu. Razvoj vedno kompleksnejših naprav ob posnemanju človeških bioloških sistemov je ustvaril pogoje za razvoj tako imenovane organske in celo človeške bionike. Uporaba bioničnih naprav lahko namreč pomembno izboljša kakovost človeškega življenja. Danes poznamo vrsto bioničnih naprav, kot so: bionične slušne proteze in vsadki in bionične očesne proteze povezane z bioničnim vidom in drugo. Vse to pomeni pomoč pri ponovni vzpostavitvi pomembnih človeških senzoričnih organov. Bionika uporablja biološke entitete elektronskih in bioelektronskih naprav, za izdelavo zahtevnih bioničnih vsadkov ter sistemov.

Uporaba organskih prevodnikov v bionskih napravah je danes izjemno razburljivo področje raziskav. Organska bionika se obravnava v kontekstu integracije človeško zasnovanih naprav za izkoriščanje funkcionalnih mehanizmov in struktur v naravi. Znanstveno zanimanje je bila uporaba električnih prevodnikov za prenos signalov, iz bioloških sistemov za vplivanje na tehnološke procese. To je številne navdihnilo, da raziščejo možno uporabo električnih stimulacij pri spodbujanju pozitivnih zdravstvenih rezultatov. Napredek v človeški bioniki, za pot-

[ 122 ]

rebe medicine in zdravstva je odvisen predvsem od natančnega nadzora nad električno energijo za doseganje ugodnih zdravstvenih rezultatov. Pojav organskih prevodnikov na osnovi ogljika, še zlasti grafena (GOCM – graphene-organic composite materials), zdaj predstavlja platformo za izjemne možnosti, s katerimi se lahko električna energija uporabi za moduliranje delovanja različnih medicinskih pripomočkov. Obetavne so tudi raziskave, kako je mogoče organske polprevodnike uporabiti za boljšo obdelavo grafena in prilagajanje njegovih lastnosti za posebne aplikacije. Raziskuje se tudi uporaba različnih organskih prevodnikov, tudi visokoprevodnih polimerov z integriranimi nanocevkami, zlasti za medicinske potrebe in je povezana z razvojem naprav, ki omogočajo učinkovito integracijo biologije in elektronike za dosego ciljnega funkcionalnega izida. Odkrivanje in razvoj novih bioničnih materialov pomeni vsekakor izboljšanje obstoječih in razvoj novih bioničnih naprav, tudi takšnih, ki jih v preteklosti še nismo poznali.

Napredek v tehnologiji mikroproizvodnje in biomaterialov, ter nanomaterialov je omogočil rastoči razred naprav, ki lahko stimulirajo in snemajo bioelektronske signale. Številne od teh naprav so bile razvite za ljudi in tudi za živali, kjer miniaturizacija omogoča uspešno implantacijo v telo. Te naprave pa so pomembne tudi za področje bionike, kjer analizirajo dogajanja v živih organizmih za načrtovanje tehnološko naprednih naprav in sistemov. Biološki vmesniki so danes posebne platforme za razvoj novih terapij in boljše razumevanje osnovnih načel bioelektronske komunikacije, nevroznanosti in vedenja. Vendar pa obstaja še en razred bioelektronskih vmesnikov, ki izkoriščajo mikrofabrikacijo in nanoelektroniko za snemanje signalov iz ekstremno drobnih, organizmov. Vroča tema razvoja pa so tudi bionični umetni živci in to celo z lastnim napajanjem, ki temelji na triboelektričnem nanogeneratorju. Čutni in živčni sistemi igrajo pomembno vlogo pri posredovanju interakcij s svetom. Zasledovanje nevromorfnega računalništva je navdihnilo številne inovacije v umetnih senzoričnih in živčnih sistemih. Bil je na primer razvit način, imenovan »vse-v-enem« prenosni živec (APTN – Artificial perception, and transmission nerve), prilagojen za umetno zaznavanje in za posnemanje biološke senzorične in živčne sposobnosti za zaznavanje in prenos informacij o lokaciji mehanske stimulacije. APTN kaže odlično zanesljivost in uporabnost na primer v bionični protetični roki. APTN se koristi za biomimetično identifikacijo in prenos signala lokacije dražljaja za vzorec povratne informacije. APTN se predstavlja tudi kot obetaven umetni senzorični in živčni sistem za umetno inteligenco, vmesnik človek–stroj in za robotske aplikacije.

[ 123 ]

Bionični vid in tovrstna protetika Danes znanstveniki in raziskovalci ustvarjajo številne prototipe za bionične oči.

Pospešen razvoj na tem področju je zaznati že od zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja. Trenutno še ni na voljo bionične očesne proteze, s katero bi lahko zamenjali naravno oko in s tem dosegli odlične rezultate. Obstajajo pa namesto tega tako imenovani retinalni vsadki ali protetika mrežnice. Nekaj podjetij v svetu, vključno s podjetjem Second Sight s sedežem v ZDA in nemškim podjetjem Retinal Implant, je neutrudno preizkušalo kombinacije pametnih leč in možganskih vsadkov, da bi slepim pacientom vrnilo vid do različnih stopenj uspeha.

Najnovejši prodor Second Sighta v prostor bioničnega vida je sistem, imenovan Orion, ki je sestavljen iz miniaturne videokamere, nameščene na pacientovih očalih. Naprava nato pošilja slike prek serije električnih impulzov, ki se brezžično prenašajo na niz elektrod na površini pacientove vidne možganske skorje. Orion še ni dovolj predstavljen širši javnosti, vendar so zgodnja preskušanja pokazala obetavne rezultate, zaznavanja vzorcev svetlobe. Z obvodom mrežnice in vidnega živca lahko sistem povrne koristen vid bolnikom, ki so popolnoma slepi zaradi vzrokov, kot so rak, travma, glavkom ali diabetična retinopatija. V svetu poteka veliko razvojnih aktivnosti, še zlasti v Avstraliji, na področju razvoja bioničnega vida in tovrstne protetike. Uporabljajo se različni pristopi tudi v luči reševanja nekaterih očesnih bolezni in trajnostnih poškodb našega naravnega vidnega sistema.

[ 124 ]

Infografika 48 Primer bioničnega vidnega sistema

[ 125 ]

Infografika 49 Prikaz modela oz. konstrukcijske rešitve bioničnega vida.

Razvojni trendi – bioničnih oči, leč in razvoj novih naprav Bionične oči, povezane z internetom, bodo po mnenju strokovnjakov spremenile našo družbo. Ta trenutek gre sicer za špekulacijo o vrhunski nosljivi napravi, ki je korak stran od invazivnih nevronskih protez. Eksponentno rast pametnih telefonov danes dopolnjuje še bolj impresivna rast različnih nosljivih pripomočkov, kot so pametne ure, pametni tatuji in multifunkcijski nosljivi sistemi. Ker računalniška tehnologija postaja vse močnejša, cenejša in manjša, bodo tudi nosilne naprave v našem vsakdanjem življenju še bolj vseprisotne in vedno manj vidne.

Ni skrivnost, da je Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) že financirala številne raziskovalne projekte za ključne sestavne dele očesnih kontaktnih leč za razvoj bioničnih oči. Tu seveda ne gre za bionični vid, ki bi lahko služil pri primerih okvare normalnega vida, ampak gre za nadgradnjo sposo-

[ 126 ]

bnosti vida v različnih pogojih delovanja. Prototipi so že danes realnost. V številnih pogledih bodo pametne kontaktne leče le most do številnih bioničnih očesnih funkcij. Bionično oko bo imelo možnost večjega pretoka videopodatkov in neposredne povezave z internetom. Bionične oči bo mogoče obravnavati kot prehodno stopnjo v invazivne nevronske proteze. Podjetje »Halo Neurosciences« že danes uporablja rudimentalne oblike močnega električnega polja, natančneje za močno transkranialno stimulacijo in za tehnologije tDCS (Transcranial direct current stimulation) za kognitivno delovanje.

Bionične oči bodo več kot le »oči« za sprejemanje senzoričnih podatkov, ampak nam bodo v bistvu pomagale bolje razumeti, kako lahko spreminjanje čutnih organov, kot je oko, vpliva na možgane same. Kamere na bioničnem očesu bodo v prihodnosti precej izpopolnjene. Videokamere zagotavljajo vizualne podatke iz okolice v realnem času tako kot običajne oči, vendar imajo lahko dodatne zmogljivosti, ki jih običajne oči ne nudijo, in lahko omogočajo, da je razširjena resničnost veliko bolj poenostavljena kot v pametnih telefonih. Ljudje bi na primer lahko videli v infrardečem ali ultravijoličnem in ne le v vidnem spektru. Dodana resničnost bi bila videti veliko bolj bogata in veliko bolj resnična. Informacije o razširjeni resničnosti bi lahko vključevale tehnologijo na samem bioničnem očesu ali prikaz vseh podatkov iz interneta. Lahko bi obstajal čisti internetni način, saj vsi vizualni dražljaji, ki se pretakajo skozi optični živec, vključujejo samo pretakanje podatkov in ne vključujejo nobenih podatkov iz okoliškega prostora. Ker bodo bionične oči veliko večje od kontaktnih leč, je v njih mogoče zapakirati veliko dodatne strojne opreme, na primer napredne mikroprocesorje, termovizijske slike, telefoto leče, baterije, napajanje z mehanskim gibanjem ali sončno energijo, in celo kot skladiščenje in za ciljno dostavo različnih zdravil. Bionične oči bi lahko delovale kot samostojni sistem v povezavi z internetom prek povezav brezžične povezave, Bluetootha ali mobilnih sistemov ali v okviru interneta teles (IoB – Internet of bodies). Zasebni lokalni pomnilnik bi lahko bil vgrajen v samo očesno protezo. Dostop do interneta bi bil izjemno velik in preprečevalo bi se shranjevanje občutljivih in velikih podatkovnih datotek v oblaku. Ti podatki lahko izvirajo tudi iz dodatnih nosljivih naprav, kot so detektorji kemikalij, sevanja in sestave zraka in drugo. Vse nakazane aplikacije z razširjeno resničnostjo bi lahko bile naravni kandidat za obogateno resničnost, ki bo v prihodnosti zagotovo prisotna prav na bioničnih očeh.

[ 127 ]

Infografika 50 Razvojni trendi na področju bioničnih očesnih leč

Industrija bioničnih naprav in sistemov je v svetu v velikem porastu Poročilo o globalnem trgu Bionike (GBMR – Global Bionics Market report) je strokovno in poglobljeno raziskovalno poročilo o največjih regionalnih tržnih razmerah na svetu. Poročilo ponuja poglobljeno analizo velikosti trga (prihodkov), tržnega deleža, glavnih tržnih segmentov in različnih geografskih regij, ter napoved za prihodnjih sedem let. Predstavlja, kdo so ključni akterji na trgu in kakšni so trendi v industriji. Dejavniki, ki so odgovorni za rast trga, vključujejo staranje prebivalstva, povečano pojavnost invalidov in okvar organov, tehnološki napredek in visoko pogostost prometnih nesreč, ki vodijo do amputacij. Drugi glavni dejavniki so pomanjkanje organov darovalcev. Ko je govora o bioničnih napravah, to pomeni, [ 128 ]

da gre za naprave, ki jih razvija in ustvarja človek, te naprave pa je mogoče vsaditi ali integrirati v človeka ali nadomestiti določen naravni organ oziroma zagotoviti podporo za ponovno vzpostavitev določene funkcije ali skupino povezanih funkcij, ki pomagajo bolniku, da se vrne v normalno življenje. Raziskovalce na področju bionike združujejo skupni cilj po izpolnitvi obljub, da se lahko s pomočjo inovacij v bioniki: obnovijo ali izboljšajo človeške sposobnosti.

Geografsko se trg bionike lahko razdeli na Severno Ameriko, Evropo, azijskooceanski del in preostali svet. Severna Amerika močno spodbuja svetovni trg bionike in bo predvidoma v prihodnosti še bolj pomembno nadzorovala trg. Leta 2011 je avstralski inštitut za zdravje in dobro počutje poročal, da je ponavljajoče se srčno popuščanje prizadelo vsaj 300 tisoč Avstralcev in vsako leto zabeležilo 30 tisoč novih primerov. Zaradi tega je velika pogostost srčnih bolezni pomembna za trg bionične industrije. Na Japonskem je velika razširjenost očesnih bolezni in predstavlja idealen trg za področje očesne bionike (tudi področje bioničnega vida). Zaradi porasta ključnih gospodarstev, kot so Indija, Japonska in Kitajska, ki predstavljajo več kot 20 odstotkov svetovne industrije bionike, bi naj bila prav ta regija najhitreje razvijajoča. Evropski trg bioničnih vsadkov in umetnih organov naj bi v predvidenem obdobju 2018–2023 zabeležil 11,4 odstotka letne rasti (CAGR), svetovni 15,2 odstotka. Trenutno ima Nemčija največji tržni delež v evropski regiji. To se lahko pripiše ogromnemu tehnološkemu napredku zadnjih let in povečani stopnji zavedanja o potencialnih koristih bionike in umetnih organov v regiji. Združeno kraljestvo (UK) je drugi največji trg. Razvoj bioničnih naprav in sistemov ter njihov tržni delež v industriji se v svetu precej razlikuje glede na vlaganje v nove tehnologije, glede specifičnosti bolezni v določenih regijah, vladnih predpisov, ekonomskih dejavnikov in drugega. Zaostajanje Evrope na nekaterih področjih izhaja iz preteklih premajhnih vlaganj v razvoj, nove tehnologije in delno tudi ovir v zahtevni zakonodaji.

Pomembno področje je uporaba mikrofluidike za ustvarjanje hibridnih celičnih bioničnih sistemov Danes se področje bionike širi tudi na področje razvoja in ustvarjanja hibridnih bioničnih sistemov (HBS – Hybrid bionic systems). Spajanje umetnega z biološkim na celični ravni je že preseglo področje znanstvene fantastike in prešlo v laboratorije resničnosti, saj je skupina raziskovalcev na Imperial College London prvič zlila žive in nežive celice na način, ki jim omogoča »delati skupaj«. S tem se [ 129 ]

odpira še eno pomembno področje tudi za bioniko. Novi celični sistem kapsulira biološke celice v umetno celico. S tem lahko raziskovalci izkoristijo naravno sposobnost bioloških celic za predelavo kemikalij, hkrati pa jih ščitijo pred okoljem.

Ugotovitve nove študije in raziskav, objavljene v Scientific Reports, v članku z naslovom »Konstruiranje umetnih celic na osnovi mehurčkov z vgrajenimi živimi celicami kot moduli podobnimi organelom«, bi lahko vodile do aplikacij, kot so celične »baterije«, ki jih poganja fotosinteza, sinteza zdravila v telesu in biološki senzorji, ki lahko prenesejo ekstremne pogoje. Umetne celice, ki so jih ustvarili raziskovalci, vsebujejo tudi encime, ki delujejo skupaj z biološko celico za proizvodnjo novih kemikalij. V poskusu za dokaz koncepta so sistemi umetnih celic proizvedli fluorescentno kemikalijo, ki je raziskovalcem omogočila, da potrdijo, da vse deluje po pričakovanjih. Biološke celice lahko opravljajo izjemno zapletene funkcije, vendar jih je težko nadzorovati. Umetne celice je mogoče lažje programirati, vendar trenutni razvoj še ne dopušča zgradbe zapletenih konfiguracij.

Vsekakor pa novi sistem že premosti vrzel med tema dvema pristopoma tako, da lahko združi cele biološke celice z umetnimi in to na način, da stroji obeh delujejo usklajeno in proizvedejo tisto, kar se v osnovi potrebuje. To je vsekakor velik premik paradigme v razmišljanju o načinu oblikovanja umetnih celic, kar bo pomagalo pospešiti raziskave o aplikacijah v zdravstvu, bioniki, medicini in širše.

[ 130 ]

Infografika 51 Hibridni bionični celični sistem je mogoče zgraditi z združevanjem živih in neživih modulov

Za ustvarjanje novega celičnega sistema je raziskovalna skupina uporabila mikrofluidiko – usmerjanje tekočin skozi majhne kanale. Z uporabo vode in olja so znanstveniki lahko izdelali kapljice določene velikosti, ki so vsebovale biološke celice in encime. Nato so na kapljice nanesli umetno prevleko, da bi zagotovili zaščito in ustvarili umetno celično okolje. Poleg tega je ekipa Imperial testirala te umetne celice v raztopini z visoko vsebnostjo bakra, ki je običajno zelo strupena za biološke celice. Ekipa je še vedno lahko zaznala fluorescenčne kemikalije v večini umetnih celic, kar pomeni, da so biološke celice še vedno žive in delujejo v notranjosti. Ta sposobnost bi bila uporabna v človeškem telesu, kjer bi umetno celično ohišje zaščitilo tuje biološke celice pred napadom imunskega sistema telesa. Sistem, ki so ga zasnovali, je po dosegljivih podatkih nadzorovan in dobro prilagodljiv. Nadaljnji razvoj omogoča ustvarjanje umetnih celic različnih velikosti in to na ponovljiv način. Obstaja tudi možnost, da se dodajo vse vrste celičnih

[ 131 ]

strojev, kot so kloroplasti za izvajanje fotosinteze ali izdelani mikrobi, ki delujejo kot senzorji. Da bi izboljšali funkcionalnost teh sistemov umetnih celic, raziskovalci želijo oblikovati umetno prevleko, ki bo delovala bolj kot biološka membrana, vendar s posebnimi funkcijami. Na primer, če bi lahko membrano oblikovali tako, da odpira in sprošča kemikalije, ki se v njih proizvajajo samo kot odziv na določene signale, bi jih lahko uporabili za ciljno dostavo zdravil na določena področja v telesu. To bi bilo koristno, na primer, pri zdravljenju raka, da bi sproščali zdravila samo na mestu tumorja, s čimer bi zmanjšali številne neželene učinke. Čeprav je tak sistem morda še ta trenutek oddaljen, so raziskovalci prepričani, da je to prava in obetavna smer razvoja. Danes je intenziven tudi razvoj s karakterizacijo umetnega bioničnega celičnega sistema, ki temelji na razvoju sintetičnih receptorjev. Bionika je izjemno razvojno intenzivna na številnih področjih, še zlasti pri iskanju inovacij, ki so povezane z medicino, zdravstvom, farmacijo, razvojem umetnih organov, bioloških vmesnikov in drugih naprav. Pri razvoju bioničnih sistemov bionika uporablja tudi različna orodja in naprave, kot so na primer mikrofluidni sistemi, različne (BioMEMS) naprave, ki omogočajo razvoj umetnih celic. Gradnja umetnih celic iz neživih molekularnih gradnikov pa je eden od velikih izzivov našega časa in razvoj s tem bo še kako povezan tudi z bioniko.

BioMEMS tehnologije – bionika je vedno bolj povezana z medicino in zdravstvom Organi na čipih so znani tudi kot mikrofiziološki sistemi ali »tkivni čipi« (izrazi so sinonimi), v tehnološkem smislu pa so to BioMEMS-i. Organi na čipu v zadnjih letih vzbujajo izjemno zanimanje, ker so lahko informativni v več fazah postopka odkrivanja in razvoja zdravil in drugih procesov. Te inovativne naprave bi lahko omogočile vpogled v normalno delovanje človeških organov in patofiziologijo bolezni ter natančneje napovedale varnost in učinkovitost preiskovanih zdravil pri ljudeh. Prav zato bodo v bližnji prihodnosti postali zelo koristni sistemi tradicionalnim predkliničnim metodam in študijam in nadomestili bodo in vivo testiranja na živalih. V zadnjem desetletju je področje OoC (Organov na čipu) močno napredovalo pri izpopolnjevanju biologije in inženirstva, ter človeške bionike pri dokazovanju fiziološke pomembnosti na področju uporabe. Ta napredek je razkril tudi nove izzive in priložnosti, za popolno uresničitev obljube OoC za temelj-

[ 132 ]

ne in translacijske aplikacije pa bo seveda potrebno strokovno znanje z več biomedicinskih, bioničnih in drugih inženirskih področij.

Klinične študije običajno trajajo leta, testiranje ene same spojine pa lahko stane ogromne vsote denarja. Medtem se izgubi nešteto življenj, tudi živali in postopek pogosto ne more napovedati človekovih odzivov, ker tradicionalni živalski modeli pogosto ne posnemajo človeške patofiziologije. Iz teh razlogov obstaja široka potreba po alternativnih načinih modeliranja človeških bolezni in vitro, da bi pospešili razvoj novih zdravil in pospešili personalizirano medicino. Raziskovalci Wyssovega inštituta in ETH Zürich in številni drugi so prilagodili metode izdelave računalniških mikročipov za oblikovanje mikrofluidnih naprav, ki rekapitulirajo mikroarhitekturo in funkcije živih človeških organov, vključno s pljuči, črevesjem, ledvicami, kožo, kostnim mozgom in krvno-možgansko pregrado in drugo. Te mikronaprave, imenovane »organi na čipu« ponujajo potencialno alternativo tradicionalnim poskusom na živalih. Vsak organski čip je sestavljen iz prozornega fleksibilnega polimera približno velikosti računalniške pomnilniške kartice (lahko so tudi manjši), ki vsebuje votle mikrofluidne kanale, obložene z živimi človeškimi specifičnimi celicami, povezanimi z umetno vaskulaturo, obloženo s človeškimi endotelijskimi celicami, in mehanske sile lahko uporabimo za posnemanje fizičnega mikrookolja živih organov, vključno z gibi dihanja v pljučih in peristaltiki podobne deformacije v črevesju, so v bistvu živi, tridimenzionalni prerezi glavnih funkcionalnih enot celih živih organov. Ker so prosojni, omogočajo okno v notranjost delovanja človeških celic v živih tkivih v kontekstu, pomembnem za organe. Je pa seveda tovrsten razvoj usmerjen tudi v nekoliko drugačne sisteme, ki bi se vgrajevali v človeško telo v obliki inteligentne protetike za opravljanje številnih funkcij, tako analitičnih procesov, za diagnostične namene, za določene oblike zdravljenja in drugo.

[ 133 ]

Slika 15 Laboratorija na čipu, mikrofluidne črpalke, implantabilnega nevrostimulatorja in upravljalne enote (Foto J. Š.)

Organski čipi s svojo sposobnostjo, da gostijo in kombinirajo različne vrste celic in tkiv, ki sestavljajo človeške organe, predstavljajo idealno mikrookolje za proučevanje molekularnih in celičnih dejavnosti, ki temeljijo na delovanju človeških organov in posnemajo specifična človeška bolezenska stanja, pa tudi prepoznavanje nove terapevtske cilje in vitro. Obnavljajo terapevtsko pomembne vmesnike, kot sta alveolarno-kapilarni vmesnik in krvno-možganska pregrada, da bi raziskali dostavo zdravil in odkrili nove terapevtike. Organske sisteme lahko strokovnjaki uporabijo tudi za dolgotrajno gojenje živega mikrobioma v neposrednem stiku z živimi človeškimi črevesnimi celicami, da omogočimo vpogled v to, kako ti mikrobi vplivajo na zdravje in bolezni, ali za modeliranje pljučnih okužb z virusom gripe za prepoznavanje njegovih ranljivosti. Prav tako odpirajo nove možnosti za raziskavo, kako okoljski dejavniki, kot je cigaretni dim, vplivajo na zdravje in fiziologijo posameznih bolnikov. Da bi posnemali medsebojno povezanost organov v človeškem telesu, so raziskovalci Wyssovega inštituta razvili tudi avtomatiziran instrument za povezovanje več organskih sistemov s prenosom tekočine med skupne žilne kanale. Ta instrument je zasnovan tako, da

[ 134 ]

posnema fiziologijo celotnega telesa, nadzoruje pretok tekočine in sposobnost preživetja celic, hkrati pa omogoča opazovanje gojenih tkiv v realnem času in sposobnost analize kompleksnih medsebojno povezanih biokemičnih in fizioloških odzivov v desetih različnih organih. Ta celovit pristop »človeškega telesa na čipu« se že uporablja za napovedovanje farmakokinetičnih in farmakodinamičnih odzivov zdravil in vitro pri ljudeh. In vitro se nanaša na procese in poskuse, ki potekajo v nadzorovanem okolju. Danes imamo seveda že specializirana podjetja, ki tržijo tehnologije inštitutov, še zlasti sistemov »organov na čipu« in avtomatiziranih instrumentov, ki so pomembna orodja biotehnološkim, farmacevtskim, kozmetičnim, kemičnim podjetjem, pa tudi zdravstvenim ustanovam za tako imenovano fokusirano in personalizirano medicino.

Kot že izpostavljeno BioMEMS-i predstavljajo kompleksno področje, na katerem se MEMS-i uporabljajo za biomedicinske ali biološke aplikacije, tako za raziskave in razvoj kot za komercialno uporabo. BioMEMS se prekriva z drugimi področji mikrotehnologije, kot so laboratoriji na čipu (LOC – Lab-on-a-Chip), optofluidika z mikrofluidiko v povezavi z biosenzorji. BioMEMS najdejo svojo uporabo na primer v: Diagnostika, za pregled drog in zdravil po meri, Organ na čipu (OoC), Genomika, Mikromreže za sekvenciranje DNA, dostava zdravil, analize, gojenje celic, mikrokirurgija in endoskopija. Podjetje LioniX International razvija in izdeluje BioMEMS po meri, ki temeljijo na mikrotehnologiji stekla in silicija. Danes lahko v praksi srečamo veliko različnih LOC, tako z optičnimi biosenzorji, elektrokemijskimi senzorji, µTAS – Micro Total Analysis Systems, ki so namenjeni integraciji celotnega zaporedja laboratorijskih procesov za izvedbo kemične analize. Nadalje PCR čipi (polymerase chain reaction), Čipi za sekvenciranje DNA in števci celic. Biomedicinski ali biološki mikro-elektro-mehanski sistemi (BioMEMS) so nastali kot podskupina mikro-elektro-mehanskih sistemov (MEMS – micro-electro-mechanical systems) za uporabo v biomedicinskih raziskavah in medicinskih mikronapravah. BioMEMS so opredeljeni kot mikro naprave ali sistemi, ki se uporabljajo za obdelavo, dostavo, manipulacijo ali analizo bioloških in kemičnih entitet za biološke ali biomedicinske aplikacije. Kljub temu da so BioMEMS sistemi vroča razvojna tema, je izvor mikrosistemov, ki se uporabljajo v vedah o življenju, kot so biologija, bionika in nevrologija, že nekoliko stari.

BioMEMS-i so lahko izjemno koristni za bionične inovacije in razvoj bioničnih aplikacij in zelo pomembni so tudi za medicino in farmacijo. Vizija bionike je tudi uvesti konceptualno povsem nove metodologije nevronskega inženiringa za povezovanje umetnih sistemov z biološkimi organizmi v naslednjo generacijo bioničnih kibernetsko-fizičnih sistemov. Raziskovalna prizadevanja pa so osre-

[ 135 ]

dotočena na razvoj in uporabo biomedicinskih mikrosistemov za vsaditev in nošenje za različne in vivo ter in vitro aplikacije na različnih ravneh biološke kompleksnosti. Za bioniko so ključnega pomena tudi različni vmesniki možgani – stroji, ki temeljijo na biofotoniki, za fiziološko in vedenjsko zaznavanje prek omrežij in telesnih območij. Nadalje sistemi, ki niso povezani z ljudmi, ampak z živalmi za daljinski nadzor gibanja, na primer pri žuželkah, nevroelektronski vmesniki z tkivi in organizmi v razvoju. Kljub številnim izumom in raziskovanjem smo kot ljudje še vedno omejeni pri razumevanju in posnemanju razmeroma bolj zapletenih lastnosti bioloških strojev, kot so avtonomija, inteligenca in biokompleksnost ter drugo. Da bi premagali te omejitve, sledimo nekonvencionalni poti s spajanjem bioloških sistemov z umetnimi in z uporabo novih inženirskih pristopov, tudi z bioniko. Bionične sisteme, ki povezujejo biološke sisteme z računalniškimi ali robotskimi napravami prek vmesnikov možgani in stroji, je mogoče uporabiti na različne načine za odkrivanje in proučevanje bioloških mehanizmov, kar je seveda bistvenega pomena.

Biosenzorji in bionanosenzorji so pot uspešnega razvoja tehnologije organov na čipu Biosenzorji in bionanosenzorji danes omogočajo analizo kompleksnih bioloških medijev in odkrivanje velikega števila spojin in zelo pomembno je, ne le za znanstvene raziskave, ampak tudi za nadzor procesov v kemični in živilski industriji.

Nepogrešljivi so tudi na področju zdravstva za diagnosticiranje in zdravljenje bolezni ter spremljanje bolezni. Farmacevtska in biotehnološka industrija si zelo želita pogoste in stalne analize bioloških medijev. »Organi na čipu« (OoC – Organs-on-a-Chip) in tehnologije mikrofluidnih naprav, služijo predvsem za razvoj zdravil, modeliranje bolezni in za prilagojeno personalizirano medicino.

Tehnologija organov na čipu je nov alternativni način za odkrivanje učinkovitosti in toksičnosti snovi oz. učinkovin za zdravila v zelo zgodnji fazi. Tehnologija raziskovalcem omogoča, da v fizioloških pogojih gojijo človeške celice, ki predstavljajo organe. Na en čip je mogoče postaviti več organov, ki so med seboj povezani, da modelirajo dinamiko človeškega organizma. To je mogoče, ker 3D-celična kultura, mikrotekočine in tehnologije 3D-tiskanja omogočajo gojenje celic pri pacientih, ki na primer odražajo genotip ali fenotip bolezni. Prosojne naprave zato omogočajo okno v tkivne strukture, funkcije in mehanske gibe srca, pljuč, ledvic, arterij, črevesja in drugih organov. Organi na čipu (OoC) so na seznamu

[ 136 ]

desetih najboljših novih tehnologij, ki se nanašajo na fiziološki biomimetični sistem organov, zgrajen na mikrofluidnem čipu. S kombinacijo celične biologije, inženiringa in tehnologije biomaterialov in mikrookolja na čipu se simulira okolje organa v smislu tkivnih vmesnikov in mehanske stimulacije. To odraža strukturne in funkcionalne značilnosti človeškega tkiva in lahko napove odziv na vrsto dražljajev, vključno z odzivi zdravil in vplivi na okolje. OoC ima široko uporabo v strategijah natančne medicine in biološke obrambe. Seveda pa so vse te mikrofluidne naprave v spremenjeni obliki lahko koristno orodje tudi za bioniko in za proučevanje živih organizmov. Šele na podlagi spoznanj in poznavanja bioloških sistemov in organizmov lahko inženirji iščejo tehnološke in tehnične rešitve in ne nazadnje ustvarjajo tudi nove izdelke.

Infografika 52 Organi na čipu

[ 137 ]

Karakterizacija mikrofluidnih čipov, ki jih navdihuje listje Vloga bionike je vse bolj prisotna na številnih področjih, enkrat v vlogi posnemanja bioloških sistemov, naslednjič pa že ti novo razviti tehnični sistemi ali naprave lahko služijo za podporo eksperimentalnim procesom bionike ali proučevanju bioloških sistemov. Služijo pa seveda tudi medicini in zdravstvu. En tak primer je že povezan z mikrofluidnimi sistemi in razvojem biomimetičnega mikrofluidnega čipa. Mikrofluidna omrežja se danes obsežno uporabljajo v miniaturiziranih sistemih laboratorijev na čipu. Vendar pa je večina obstoječih mikrokanalov preprosto zasnovanih in ustrezni mikrofluidni sistemi običajno zahtevajo zunanje črpalke za doseganje učinkovitega transporta tekočine. Obstajajo pa tudi že tehnike mikrofabrikacije za repliciranje naravno optimiziranih listnih ven s sintetičnimi hidrogeli za izdelavo mikrofluidnih čipov brez črpalke. Takšne lastnosti mikrofluidnega omrežja so edinstvene, saj jih navdihuje listje oz. so bionavdihnjeni. Hitrost pretoka znotraj teh mikrofluidnih mrež se kvantitativno izmeri z velocimetrijo slike delcev (PIV – Particle Image Velocimetry). Študije in raziskave kažejo, da mikrofluidno omrežje, ki ga navdihuje listje (listi rastlin), lahko učinkovito prenaša tekočine brez uporabe zunanjih črpalk, lahko pa tudi olajša hitro difuzijo mase znotraj razsutih hidrogelnih čipov. Ta mikrofluidna omrežja, ki jih navdihujejo listi, bi se lahko potencialno uporabila za oblikovanje kompleksnih sistemov organov na čipu brez črpalke in za številne druge aplikacije. Črpalke v določenih primerih lahko poškodujejo tudi celice v mikrofluidnem sistemu.

[ 138 ]

Infografika 53 BioMEMS sistema, aplikacije in razvoj biomimetičnega mikrofluidnega čipa

Novi mikrofluidni čipi s šablono listov so posebni integrirani mikrofluidni čipi za visokozmogljive celične poskuse. Sestava slojev je biološko navdihnjena in izdelana, kot so izdelane žilice v naravnih rastlinskih listih. Pretok tekočine se ustvarja z mikro vdolbinicami, kjer se lahko nahajajo tudi celice. Analize dinamike in pretoka tekočin se izvajajo računalniško. Strokovnjaki so razvili tudi preproste metode mikroreplikacije, ki temelji na listnih žilicah, te pa temeljijo na posebnih kalupih. Plasti so sestavljene in uporabljene za perfuzijsko kulturo, kar je pokazalo, da mikrofluidni kanali s šablono z listi zagotavljajo zadosten medij za celice v vsaki mikrojamici. Ti rezultati kažejo na novo in učinkovito strategijo za ustvarjanje biomimetičnih mikrofluidnih čipov z učinkovitim žilnim transportnim sistemom za visokozmogljive eksperimente s celicami. Razvoj biomimetičnih mikrofluisnih čipov je usmerjen v podporo razvoju Inteligentni medicinski fluidiki IBM – Intelligent Biomedical Microfluidics). Napredek inteligentne biomedicinske mikrofluidike (IBM) pa predstavlja nastajajoče in hitro rastoče interdisci-

[ 139 ]

plinarno biomedicinsko raziskovalno področje, ki združuje biologijo, medicino, kemijo, bioniko, računalništvo, nove materiale in inženirska načela za hitro in natančno zaznavanje, odkrivanje, diagnosticiranje in zdravljenje bolezni. IBM ima prednosti v izjemni majhnosti oz. velikosti vzorca, visoke integracije, miniaturizacije, avtomatizacije, visoke prepustnosti, nizke porabe energije, manj onesnaževanja in več inteligence, ki vodi do manj človeškega posredovanja in neželenega zunanjega vpliva. Razvijajo se inovativne medicinske naprave, mikro/nanoplatforme, senzorični sistemi, biološki produkti in informacijske metode za napovedovanje, preprečevanje, diagnosticiranje, zdravljenje in spremljanje bolezni. IBM zato zagotavlja pomemben vpogled v natančno medicino in biomedicinski inženiring. IBM zajema širšo mikrofluidiko in biomedicinske laboratorije na čipu, mikrofluidno testiranje na mestu oskrbe (POCT – Point-of-care Testing) in vitro diagnostika (IVD – In Vitro Diagnostics), mikrofluidiko za biološke in kemične analize, mikrofluidiko za široko zaznavanje, mikrofluidiko za tekočo biopsijo in molekularno diagnozo, Inteligentno digitalno terapijo, mikrofluidiko za funkcionalne materiale in biomedicinske aplikacije za Organe na čipih in za konstrukcije novih modelov ter za ustvarjanje hibridnih bioničnih sistemov.

Projekti, v katerih je poudarek na bioniki Bioniko in njene razsežnosti je najlažje dojemati skozi uspešne projekte, kjer se znanje, izkušnje in nova spoznanja implementirajo v inovacijah in novih izdelkih.

Projekt Symbionica je eden od projektov, ki razvija novo generacijo strojev za izdelavo aditivov in nabor storitev za podporo biomedicinskemu sektorju eksoin endoprotez v titanovih zlitinah in kompozitnih materialih, ki so popolnoma prilagodljivi. Symbionica je v bistvu rekonfigurabilni stroj za novo aditivno in subtraktivno proizvodnjo naslednje generacije popolnoma personalizirane bionike in pametne protetike. Tehnologija, ki so jo zasnovali raziskovalci, bo omogočila popoln pregled načina oblikovanja protez. Najprej bo mogoče izdelati proteze izredno zapletene oblike in strukture, ki vključujejo več različnih materialov. V zvezi z notranjimi protezami bo mogoče vgraditi pametne naprave za nadzorovano sproščanje protivnetnih in antibiotičnih zdravil, ki omogočajo drastično pospešitev pooperativnih obnovitvenih časov. V primeru bioničnih protez, ki nadomeščajo manjkajoče okončine, bo razpoložljivost posebnih senzorjev in prilagodljivih materialov omogočila spreminjanje značilnosti proteze glede na način njihove uporabe. Nadalje glede na posebne potrebe osebe, na primer s

[ 140 ]

povečanjem njihove togosti in opora v primeru trajnega gibanja in teka. Projekt Symbionica se osredotoča na proizvodnjo personalizirane bionike, pametne endoprotetike in eksoprotetike, ki zahtevajo izjemne geometrijske in funkcionalne prilagoditve. Koncept Symbionica vključuje tudi inovativen stroj, ki izvaja nanašanje naprednih materialov in subtraktivne procese, za napredno oblikovanje in popolno personalizacijo. Rešitev za proizvodnjo Symbionica je zasnovana kot večmaterialni stroj za nanašanje in odstranjevanje materiala, prilagodljiv in rekonfigurabilen v delovni kocki, obdelavi materialov, tehnologiji in proizvodni strategiji, z napredno metodologijo nadzora zaprtega kroga za spremljanje kakovosti izdelkov in procesov. Tako se izdelki Symbionica izdelujejo v enem koraku obdelave, kompleksne oblike, strukturirani v 3D in 4D brez spojev. Platforma za zadružno načrtovanje bo zagotovila nemoteno integracijo podatkov, obratno inženirstvo od pacienta in parametrično zasnovo, da bosta bolnika povezala s standardnimi deli. Na koncu bo (BTLSS – Bionic Through-life Sensing System) pacientu pomagal pristopiti in se postopoma prilagoditi protezi, tako da mu bo pomagal pri načrtu vadbe, platformi za spremljanje fiziologije in spletnem zbiranju podatkov o protezah. V konzorciju Symbionica sodelujejo partnerji držav EU, ki zajemajo vrednostno verigo Medtech od pacienta in protetike do ponudnikov tehnologije mehatronskih in biomehatronskih ter bionskih modulov, IT-rešitev in nadzornih platform.

Umetni elektronski, bioelektronski in bionični nos Tehnologije elektronskega in bionskega nosu se hitro premikajo v smeri hibridnih bioelektronskih sistemov, kjer se elementi biološkega prepoznavanja vonja in vohalnih poti vretenčarjev in žuželk uporabljajo za izdelavo bioničnih nosov, ki se lahko uporabljajo tudi v industrijskih aplikacijah. Prav tako se razvijajo druga bionična čutila, za zaznavanje okusa, dotika, celo zaznavanje določenih oblik raka itd. Kot nova bionična analitična tehnika je bioelektronski nos, ki ga navdihuje mehanizem bioloških vohalnih sistemov, integriran s sodobno tehnologijo zaznavanja in elektronsko tehnologijo za prepoznavanje vzorcev, široko uporabljen na številnih področjih.

[ 141 ]

Infografika 54 Aplikacije bioelektronskih in bioničnih nosov in zaznavanja vonjav

Poleg tega najnovejše temeljne raziskave biološkega vonja v kombinaciji z računalniško nevroznanostjo spodbujajo njen razvoj tako v metodologiji kot v praktični uporabi. V današnjem času je bionika z inovacijami uspešna že na številnih področjih. Spekter bioničnih inovacij se uspešno širi s področja umetnih bioničnih okončin, do vidnih in slušnih protez, do najrazličnejših vsadkov in umetnih organov. Razvojni inženirji so razvili na primer nosu podoben hibrid, ki zaznava vonj, sestavljata ga robustna struktura, podobna hrustancu in biokompatibilna platforma za biološko zaznavanje. Danes je torej mogoče ustvariti hibridne nosne organe v nekem določenem tehnološkem obsegu. Bioobdelava in aditivna proizvodnja sta omogočili izjemne bionične inovacije, pri ustvarjanju umetnega nosu, pa sta potrebna vsaj dva ključna izziva, potreba po robustni rekonstrukciji nosnega hrustanca z visoko natančnostjo in replikaciji funkcionalnosti nosu, to je zaznavanju vonja. S 3D-bio-natisnjenim hrustančnim tkivom in elektrokemijskim

[ 142 ]

biosenzitivnim sistemom za ustvarjanje vohalnih občutkov je mogoče izdelati umetni nos, ki deluje preko funkcionalnega bioničnega vmesnika.

Velik napredek v bioelektronskih nosovih za zaznavanje različnih vonjav Bioelektronski nos je inteligentni sistem kemičnih senzorjev, skupaj z bioreceptorji za prepoznavanje plinov in hlapov, in je podoben vonju sesalcev, s katerim lahko številni vretenčarji občutljivo in specifično zavohajo hlapne organske spojine (VOC – volatile organic compounds) tudi pri zelo nizkih koncentracijah. Vonj izvaja olfaktorni sistem, ki zazna dišave, ki se vdihnejo skozi nos, kjer pridejo v stik z vohalnim epitelijem, ki vsebuje vohalne receptorje (OR). Zaradi svoje sposobnosti posnemanja biološkega vonja je bil bioelektronski nos, ki ga navdihuje bio, uporabljen za odkrivanje različnih pomembnih spojin v zapletenih okoljih.

Pred kratkim so bili predstavljeni biosenzorski sistemi, ki združujejo nanoelektronsko tehnologijo in same vohalne receptorje kot vir zajemanja elementov za biosenzorsko zaznavanje. Tehnologije bioelektronskih in bionskih nosov se hitro razvijajo v smeri proti hibridnim bioelektronskim sistemom, kjer se biološki elementi za prepoznavanje vonja iz vohalnih poti vretenčarjev in žuželk uporabljajo za izdelavo novih »bioničnih nosov«. Takšni nosovi pa se lahko uporabljajo tudi v industrijskih aplikacijah, kar je bistvenega pomena. Digitalna dišavna tehnologija (DST– Digital and bionic Scent Technology) je še ena zanimivost, ki je danes vezana na uporabo e-nosu. Z digitalno aroma tehnologijo je mogoče razumeti, komunicirati in sprejemati vonj tudi preko interneta. Za to obstajajo programske in strojne rešitve. Ko se uporablja za komunikacijo, postane aroma nov informacijski kanal. To nam omogoča, da razumemo izdelke in čustveno ter produktno zanesljivost prejšnje slike oz. vzorca. Arome razširijo nešteto širitev multimedijske možnosti na povsem novo raven. Aroma komunikacija bo v prihodnosti eno najpomembnejših informacijskih orodij. Bionika s čutnimi senzorji in zaznavanji pa bo infrastruktura novodobnih naprav in sistemov.

[ 143 ]

Infografika 55 Naravni sistem vonja in umetni sistem s pomočjo bioelektričnih in bioničnih nosov in zaznavnih sistemov

Ekipa strokovnjakov Univerze Notre Dame je razvila prototip bioelektronskega nosu z uporabo nanoinženirskih materialov za prilagoditev občutljivosti in selektivnosti za posnemanje zmogljivosti človeškega nosu. To je seveda velika naloga, saj lahko človeški nos s svojimi približno 400 dišavnimi receptorji razlikuje na milijone različnih vonjev. Z manipuliranjem velikosti in oblike nanoinženirskih materialov je ekipa izdelala natančnejše senzorje, ki delujejo bolj učinkovito in ekonomično. Bioelektronski nos se lahko uporablja za različne aplikacije. Zazna lahko na primer onesnaževanje zraka ali toplogredne pline. Lahko pa ga uporabijo tudi za odkrivanje zdravil in bomb, za vohanje določenih oblik raka in bakterijskih okužb, pa tudi za prepoznavanje uhajanja zemeljskega plina in oceno kakovosti hrane. Danes v svetu poznajo tudi napredno bioanalitično meroslovje za kompleksne sisteme analitične tehnologije za pametne procese in za sprem-

[ 144 ]

ljanje kemičnih/biokemijskih reakcij v industrijskih in laboratorijskih aplikacijah in obdelave podatkov. Razvijajo se tudi kompleksni nosljivi sistemi s pametnimi senzorji, tudi (bionanosenzorji) za vojaške potrebe, kjer se lahko zaznajo bojna sredstva, plini, biološke in druge nevarnosti. Cilj razvojnih timov v svetu je, razviti vsestransko uporaben bionični nos in bionične vohalne naprave, ki bodo prestopile meje normalnega zaznavanja različnih vonjav. Bionika ima veliko prednost, da za razvoj novih inovacij lahko koristi tudi biološke modele različnih živali, ki imajo bistveno bolje razvit vonj kot človek. V današnjem času se razvijajo tudi bionični vohalni sistemi za robote in druge inteligentne naprave.

Bionični algoritmi in možnosti aplikacij Danes poznamo veliko različnih algoritmov, bionični so še posebej zanimivi in vedno bolj učinkoviti. Algoritem je v matematiki in računalništvu končno zaporedje natančno določenih, računalniško izvedljivih navodil, običajno namenjenih reševanju težav ali za izvajanje določenega izračuna. Kako podrobno se razdelajo koraki navodila, je odvisno od tega, kdo izvaja algoritem (človek, računalnik ali inteligentna naprava). Če algoritem izvaja računalnik, potem se običajno govori o računalniškem programu (ni pa nujno). Algoritmi so vedno nedvoumni in se uporabljajo kot natančne specifikacije za izvajanje točno določenih izračunov in procesov, obdelave podatkov, avtomatiziranega sklepanja in drugih posebnih nalog. Učinkovita metoda za izračun funkcije je, da algoritem lahko izrazimo v končni količini prostora in časa in v natančno določenem formalnem jeziku.

Navodila opisujejo izračun, ko se začne proces od začetnega stanja in začetnega vnosa skozi končno število natančno določenih zaporednih stanj in sčasoma proizvede rezultat in se zaključi v nekem končnem jasno definiranem stanju.

Prehod iz enega stanja v naslednje pa ni nujno, da je determinističen; nekateri algoritmi, znani kot naključni algoritmi, vključujejo tudi povsem naključne vnose.

Danes poznamo tudi različne bionične inteligentne algoritme, tudi hibridne bionične algoritme za reševanje problemov parametrične narave, nadalje namenske algoritme, na primer bionično razporejanje sistema za porazdeljeno proizvodnjo električne energije. Zanimivi in kompleksni so algoritmi, ki imajo integrirano umetno inteligenco. V ilustracijo izpostavljam le nekaj primerov, na primer algoritem samouravnoteženega robota za večdimenzionalno vrednotenje odločanja (SRMDE – self-balancing robot multi-dimensional decision-making evaluation).

To je povsem nov bionični inteligentni algoritem, ki za rešitev sprejme splošno

[ 145 ]

strategijo ocenjevanja in posodabljanja. V interativnem procesu izboljšanega algoritma se za rešitev sprejme posodobitev strategije vrednotenja po dimenzionalnosti. Združuje posodobljeno vrednost vsake dimenzije z vrednostjo drugih dimenzij, da oblikuje novo rešitev in sprejme posodobljeno vrednost, ki lahko učinkovito izboljša kakovost rešitve. Izmed številnih danes učinkovitih algoritmov je na primer bionično-inteligentni algoritem odličen za razporejanje sistema za porazdeljeno proizvodnjo energije. Z uvedbo novega koncepta elektroenergetskega sistema razpršeni porazdeljeni sistemi za proizvodnjo električne energije, kot so vetrna energija, fotovoltaika indrugo, predstavljajo vse večji delež na strani oskrbe z energijo. Soočanje z objektivnimi težavami, kot sta decentralizacija porazdeljene energije in oddaljena lokacija, je raziskovanje, kakšen algoritem uporabiti za oddajanje porazdeljene energije v bližini, postalo izjemno pomembno vprašanje v trenutnem elektroenergetskem področju. Glede na trenutno situacijo se pogosto omenja in predlaga algoritem bioničnega inteligentnega razporejanja za porazdeljene sisteme za proizvodnjo električne energije imenovan (DWMFO – Bionic-Intelligent Scheduling Algorithm for Distributed Power Generation System).

[ 146 ]

Infografika 56 Postopek ustvarjanja novega bioničnega algoritma

Pregled in klasifikacija algoritmov, ki so bio‐inspirirani Raziskovalci že dolgo opazujejo in proučujejo naravo in biologijo, da bi razumeli in modelirali rešitve za kompleksne probleme v resničnem svetu. Študij bionike lahko premosti funkcije, biološke strukture in druge funkcije ter organizacijske principe, ki jih najdemo v naravi. S sodobnimi tehnologijami pa so se razvili številni matematični in metahevristični algoritmi skupaj s procesom prenosa znanja iz življenjskih oblik. Študija bionike vključuje ne le fizične produkte, temveč tudi različne optimizacijske računalniške metode, ki jih je mogoče uporabiti na različnih področjih. Sorodne algoritme lahko na splošno razdelimo v štiri skupine: algoritmi, ki temeljijo na evoluciji, bio-navdihnjeni algoritmi, algoritmi, ki temeljijo na inteligenci roja, algoritmi, ki temeljijo na ekologiji, in algoritmi, ki temeljijo

[ 147 ]

na več ciljih. Bio-navdihnjeni algoritmi, kot so nevronske mreže, algoritmi mravljinčnih kolonij, optimizacija rojev delcev, algoritem značilnosti rasti dreves in drugi, so bili že uporabljeni na skoraj vseh področjih znanosti, inženiringa in poslovnega upravljanja dramatičnega porasta števila ustreznih publikacij. Danes se srečamo tudi z genetskimi algoritmi in genetskim programiranjem. V zadnjih letih je bilo oblikovanje globokih nevronskih mrež, algoritmov, ki iščejo rešitve s prilagajanjem številskih parametrov, avtomatizirano s posebno programsko opremo. Algoritmi, izraženi v kodi, v programskem jeziku na visoki ravni, pa imajo sposobnost prenosa znanja med različnimi nalogami in okolji. Danes srečamo tudi Izboljšan algoritem za inteligentno bionično optimizacijo, ki temelji na značilnostih rasti drevesnih vej. Gre za izjemno zanimiv in napreden algoritem.

Celotni rastni sistem drevesa je natančno preslikan v kodiranje algoritma rasti drevesa »inteligentni bionični optimizacijski algoritem« (IBOA – Intelligent Bionic Optimization Algorithm). V ta algoritem je zajeto rastoče drevo, raven poganjkov in individualno kodiranje poganjkov in drugo. Rezultati raziskovalcev so bili primerjani z rezultati optimizacije genetskega algoritma in algoritma kolonije mravelj z uporabo klasične optimizacijske funkcije in pokazalo se je, da ima ta algoritem manj ponovitev, hitrejšo konvergenčno hitrost, večjo natančnost in boljšo sposobnost optimizacije kot genetski algoritem in algoritem kolonije mravelj. Danes so bionični algoritmi izjemnega pomena pri krmiljenju bioničnih okončin, delovanja kompleksnih inteligentnih naprav, možganskih in bioloških vmesnikov in drugo.

Gradnja bioničnih oskrbovalnih verig Gradnja bionične dobavne verige zahteva celovito digitalno preobrazbo, kjer imajo zaposleni in vodje ključno vlogo. Bionične dobavne verige vodijo do bistvenih izboljšav in večje učinkovitosti. O teh razvojnih konceptih in prednostih v svojih strategijah in portfeljih veliko izpostavlja ena največjih svetovalnih družb na svetu (BCG – Boston Consulting Group) iz ZDA. Bionična dobavna veriga kot organizacijski model lahko poveča prihodke tudi za 10 odstotkov, poleg tega ima bionična dobavna veriga potencial za zmanjšanje stroškov proizvodnje, skladiščenja in distribucije vse do 30 odstotkov. Ti podatki so odvisni tudi od digitalne zrelosti podjetjij oz. njihovega digitalnega indeksa uspešnosti podjetij. Bionična dobavna veriga se po izpostavljenih razvojnih projekcijah veliko hitreje odzove na nenadne spremembe povpraševanja, ponudbenih cen, trgovinske politike itd,

[ 148 ]

kar je morda najpomembnejše v trenutnem poslovnem okolju. V zadnjem desetletju je digitalizacija pripomogla k izboljšanju številnih funkcij dobavnih verig.

Podjetja so uvedla avtomatizacijo, napredno analitiko in umetno inteligenco (AI), da bi optimizirala vrednosti operacij dobavne verige za posebne primere uporabe, vključno z napovedovanjem povpraševanja in načrtovanjem proizvodnje.

Danes so funkcije dobavne verige, kot so načrtovanje, proizvodnja in distribucija, v številnih podjetjih le polavtonomne. Da bi podjetja pridobila največjo vrednost iz svojih dobavnih verig od konca do konca (E2E), morajo podjetja sprejeti bionični model delovanja. S pomočjo prilagodljivih ključnih kazalnikov uspešnosti (KPI – Key Performance Indicators), ki se osredotočajo na optimizacijo splošne uspešnosti v vsaki situaciji organizacije platform, ki delujejo medfunkcijsko, ter podatkovne in digitalne platforme (DDP – Digital data platform), ki omogočajo sodelovanje. Bionična dobavna veriga izkorišča najboljše, kar lahko ponudijo tako stroji kot ljudje. Toda tudi današnje najbolj digitalno razvite dobavne verige še zdaleč niso uresničile svojih obljubljenih koristi. Na poti stojijo različni med seboj povezani izzivi. Za začetek je organizacijski model še vedno ločen. Načrtovalci povpraševanja, vodje logistike, načrtovalci in drugi zaposleni so po navadi bolj osredotočeni na optimizacijo delovanja lastne podfunkcije kot dobavne verige E2E. Organizacijske strukture in sistemi spodbud, ki se osredotočajo na funkcionalno uspešnost, te ovire še zaostrijo. In odpor do sprememb ni koristen in ne pomaga pri nobenem napredku. Zaradi tega sodelovanje med ljudmi ostaja še vedno premalo razvito. Podatki so močno izboljšali vidnost v dobavni verigi E2E, organizacije platform pa so olajšale sprejemanje odločitev med različnimi funkcijami. Toda KPI, ki usmerjajo odločitve, so si pogosto v nasprotju med seboj. Na primer meritve proizvodnje ciljajo na nizke proizvodne stroške z velikimi serijami in malo menjavami, medtem ko dobavna veriga strank zahteva visoko fleksibilnost in s tem majhne serije in pogoste menjave. Posledično je težko sprejemati odločitve, ki bodo optimizirale splošno učinkovitost dobavne verige. Ena izmed ključnih prednosti bionične dobavne verige (in natančneje z uporabo »digitalnega dvojčka«) je njena sposobnost simulacije obnašanja celotnega sistema v različnih scenarijih in zagotavljanja natančnejših napovedi. Opremljeni s temi informacijami bi lahko vodilni delavci sprejemali boljše odločitve ob nenadnih in nepredvidljivih dogodkih. Podjetja, ki bodo uspela uporabiti bionična načela za pridobitev obvladovanja njihovih oskrbovalnih verig, bodo v boljšem položaju in lažje bodo razvijala načine za hiter in učinkovit odziv na zapletenost procesov in na negotovost poslovnih situacij. Po projekcijah (BCG) nove analitične rešitve lahko bistveno izboljšajo hitrost in kakovost odločanja. Toda spreje-

[ 149 ]

manje je še vedno počasno, ker se nekatere od teh rešitev obravnavajo kot črne škatle (Black box), katerih notranje delovanje je težko razumeti in posledično še vedno niso vredne polnega zaupanja. Zato ni presenetljivo, da se številni operaterji dobavnih verig ne počutijo suvereni pri uporabi teh tehnologij. Organizacije se morajo najprej seveda realno soočiti tudi s težavami in s podatki. V številnih podjetjih so podatki ujeti v osrednjih sistemih, kot so (ERP – enterprise resource planning). To omejuje dostopnost podatkov in s tem vrednost, ki jo je mogoče pridobiti iz njih. Medtem ko so podatkovne platforme zadevo nekoliko ublažile, imajo podjetja še vedno težave pri skaliranju in razvoju svojih podatkovnih baz in sredstev. Po mnenju BCG je prihodnost prav v gradnji bioničnih dobavnih verig in v učinkovitem razvoju vseh podpornih sistemov.

Infografika 57 Bionične oskrbovalne verige in bionične rešitve

[ 150 ]

Digitalne zmožnosti na višji ravni in operativni model bionične dobavne verige Operativni model bionične dobavne verige je še en velik korak naprej od digitalne dobavne verige in že resno obravnava vsa pomembna organizacijska vprašanja. Digitalne zmogljivosti so v celoti razvite kot E2E. Organizacija platforme, ki jo sestavljajo strokovne ekipe z zmogljivostmi digitalne in dobavne verige, že oblikuje nove avtomatizirane procese E2E. Podjetja uporabljajo KPI za usmerjanje procesov dobavne verige E2E, hkrati pa uravnotežijo kompromise za najboljšo podporo poslovni strategiji. Ena izmed ključnih prednosti nove bionične dobavne verige so (bionični digitalni dvojčki) in sposobnost simulacije obnašanja celotnega sistema v različnih scenarijih in zagotavljanja natančnejših napovedi. Oboroženi s temi informacijami bi lahko vodilni delavci sprejemali še boljše odločitve ob nenadnih dogodkih. Lahko bi se tak model uporabil tudi za razvoj zanesljivejših kazalnikov za izpostavljenosti tveganju in času okrevanja. Znak bionične dobavne verige je sposobnost ljudi in tehnologij, kar je bilo že izpostavljeno in to v sodelovanju v brezhibno organiziranem delovnem toku. Ljudje in stroji sprejemajo odločitve, za katere so najbolj primerni, kar poveča odzivnost in okretnost dobavne verige. Gre za tri vrste sodelovanja: od stroja do stroja in se ocenjuje, da bodo približno 80 odstotkov vsakodnevnih odločitev sprejemali stroji, ki bodo sodelovali z drugimi stroji. Ta vrsta sodelovanja uporablja inteligentne senzorje in priključke za popolno vidljivost (vidni nadzor procesov) in AI za napredno odločanje. Človeški strokovnjaki morajo skrbno oblikovati temeljne mehanizme odločanja in jasna pravila. Drugih 10 odstotkov odločitev bo verjetno zahtevalo, da ljudje tesno sodelujejo s stroji. Tu pridejo v poštev intuitivni algoritmi, modeliranje scenarijev in analiza vpliva od človeka do človeka. Preostalih 10 odstotkov odločitev pa bo odvisnih od ljudi, ki tesno sodelujejo med seboj. Tovrstno sodelovanje je potrebno za reševanje nujnih in nepričakovanih situacij, ki jih je težko drugače obravnavati ali napovedati.

Poti v bionični svet tudi skozi organizacijo nastajanja pravih bioničnih podjetij Ne glede na to, ali se stvari dogajajo na individualni ali družbeni ravni, naše biološke funkcije vedno bolj podpira, če ne nadomešča, tehnologija. Včasih za ublažitev fizičnih ali senzoričnih pomanjkljivosti s pripomočki za večjo gibljivost ali [ 151 ]

izboljšanje slušnih in vidnih zmogljivosti. V drugih primerih bionika ponuja priložnosti, ki jih naša biološka konfiguracija ne more v celoti izpolniti, vsaj za zdaj ne. Ves ta razvoj prenaša človeške procese iz biološkega ali fizičnega sveta v neki drugi elektronski ali virtualni svet.

Infografika 58 Inovacijski proces in prenos tehnologije za razvoj novega bioničnega izdelka

V to bionično mutacijo družbe je vpleten tudi poslovni svet. Vsakič, ko tehnologija ponudi izboljšave učinkovitosti, jo podjetja poskušajo integrirati. Konec koncev je končna motivacija preživeti, kot preživi vsak drug živi organizem. Pravila evolucije veljajo tudi za posel: prilagodi se ali poslovno propadi. Danes pa, če si priznamo ali ne, ko gradimo podjetja, pravzaprav ustvarjamo tudi bionične organizme. Kako upravljati bionično podjetje? Vsa ta evolucija nas ljudi sili, da izva-

[ 152 ]

jamo dejavnosti z več dodane vrednosti, ki temeljijo na izmenjavi znanja, ustvarjalnih spretnosti, učnih zmožnosti ali čustveni inteligenci. Tradicionalno avtoritarno upravljanje dosega svoje meje in ga je treba dopolniti, če ne nadomestiti, z novimi veščinami poslovnega upravljanja, ki temeljijo na vodstvenih, trenerskih in komunikacijskih sposobnostih. Danes se v svetu že veliko piše o nastajanju pravih bioničnih podjetij, kot že omenjeno npr. (BCG – Boston consulting group).

Najdemo tudi orodja, kot je npr. BPM – Business Process Management oz. orodja za bionična podjetja (Toolbox for a Bionic Enterprise). Gre predvsem za to, kako uravnotežiti biološko in elektronsko komponento (ljudi in tehnologije), če predpostavimo bionično naravo podjetja, da bi izkoristili to eksplozivno kombinacijo v skupno dobro. Bolj kot strojna in programska oprema je tudi vprašanje upravljanja inteligentne opreme, ki potrebuje drugačne veščine, tudi psihološke. Povečanje zanimanja za upravljanje poslovnih procesov ni le naključje. BPM že ponuja orodja za upravljanje interakcije med ljudmi in tehnologijo v korist podjetja in njegovih deležnikov. Preveč pobud za upravljanje poslovnih procesov (BPM) ne uspe, če jih uvedemo po tradicionalnih tehnoloških kanalih in pustimo ob strani psihološko razsežnost. Ne samo, da mora BPM upoštevati te tri razsežnosti (ljudje, informacijski sistemi in poslovne potrebe), ampak mora biti tudi njihov integrator, če želimo, da je pričakovana sprememba učinkovita.

Smernice za biološko transformacijo in biološki modeli za ekonomijo prihodnosti Mogoče bomo zelo kmalu poleg digitalizacije in digitalne transformacije, ter ustvarjanja industrijske vrednosti, deležni velikega preobrata tudi na področju biološke preobrazbe oz. biološke transformacije, za katero je značilna biološka in bionična integracija. Gre v bistvu za hiter razvoj biotehnologije, sintetične biologije, bionike in informacijske tehnologije. V svetu že napovedujejo vse večje možnosti na teh področjih in drzno vizijo biološke transformacije.

[ 153 ]

Infografika 59 Biološka in bionična transformacija proizvodnje in organizacije

Ena od teh študij je na primer BIOTRAIN, ki razkriva oskrbo in shranjevanje energije kot eno izmed glavnih področij delovanja, saj je to temeljni predpogoj za konkurenčno in trajnostno ustvarjanje vrednosti. Na tem področju biološka preobrazba vključuje tudi rešitve v smeri trajnostnega sistema ustvarjanja energetske vrednosti. Združene biološka raven (sintetična biologija, bionika, biomimetika, mikrobiologija in encimska tehnologija), tehnična raven (inženiring obratov, procesni inženiring, bionični inženiring in tehnologije avtomatizacije) in informacijska raven (evolucijski algoritmi in koncepti inteligentnega krmiljenja) zagotavljajo bistvene osnove za ta razvoj. Preobrazba gospodarstva v trajnostne proizvodne metode z zaprtimi cikli in trajnostnimi tehnologijami se zdi danes bolj nujna kot kadar koli prej. V projektu BIOTRAIN je šest Fraunhoferjevih inštitutov raziskalo potencial in zahteve »biološke transformacije ustvarjanja visoke industrijske vrednosti«, zlasti glede trajnostnega načina poslovanja. Za prihodnost

[ 154 ]

svetovnega gospodarstva je preobrazba v smeri trajnostnih proizvodnih metod zelo pomembna.

Infografika 60 Industrijska robotika z bioniko na poti v v inteligentno proizvodnjo

Naši trenutni proizvodni sistemi, tudi če jih dopolnjuje daljnosežna digitalizacija, ne zagotavljajo dolgoročno zadostnih rezultatov. Z omejenimi viri in našimi trenutno znanimi proizvodnimi sistemi, ne bomo zadovoljevali vseh materialnih potreb in virov prihodnjih generacij. Prav tako vseh rešitev ne bo mogoče zagotoviti niti z daljnosežno digitalizacijo. Preobrazba v trajnostne proizvodne metode z novimi materiali, zaprtimi cikli in uporabo trajnostnih tehnologij se zdi danes bolj nujna kot kadar koli prej. Hkrati naraščajoče znanje o bioloških procesih, bioničnih sistemih in novih možnostih digitalizacije ponuja nove potenciale za povezovanje biološke, tehnične in informacijske sfere. »Biološka transformacija ustvarjanja industrijske dodane vrednosti«, torej jo razumemo

[ 155 ]

predvsem kot sistematično uporabo znanja o bioloških procesih z namenom celostne optimizacije proizvodnih sistemov. Fraunhoferjevi inštituti so v projektu BIOTRAIN že zdaj identificirali prednosti, slabosti, priložnosti in tveganja biološke transformacije ustvarjanja nove industrijske vrednosti. Takšnih projektov je danes v svetu že precej in izkazujejo prihod biološke preobrazbe oz. tovrstne transformacije. V prihodnosti bo prav bionika krmilila industrijsko avtomatizacijo. Gibanje in vedenje živali v naravi namreč navdihuje interaktivno, inteligentno tehnologijo in stroje, ki raztezajo meje avtomatizacije in se usmerjajo v gradnjo tovarn prihodnosti. Če samo izpostavimo koncept mreže BLN – Bionic Learning Network, ki vključuje najboljše prakse narave v tehnologijo prihodnosti, s poudarkom na energetski učinkovitosti, umetni inteligenci, bioničnih algoritmih, strojnem učenju in tesnem sodelovanju med strojem in človekom, bo prihodnost še kako bionična.

Biokonvergenčna paradigma, združitev različnih znanosti Ves svet je sestavljen iz bioloških sistemov, ki presegajo naše najboljše dosedanje inženirske dosežke. Biokonvergenca pa pomeni velik korak naprej za napredne industrije, kot so biotehnologija, znanosti o življenju, bionični sistemi in celo robotika. Biokonvergenca preoblikuje raziskovalno in razvojno infrastrukturo, ki je odgovorna za številne inovacije zdravstvenega varstva, medicine in drugih področij. V današnjem svetu, ki temelji na podatkih, pa se je pojavila nova možnost: zakaj posnemati, ko se pa lahko integriramo? Biokonvergenca je prihodnost zdravstvenega varstva, prihodnost, ki obljublja ciljno prilagojeno zdravljenje, zdravila za bolezni in upanje na boljšo in dostopnejšo oskrbo po vsem svetu. Čeprav je biokonvergenca že nekaj časa naša realnost, ji sledi še bolj prodorna in agresivna biodigitalna konvergenca, ki se navezuje tudi že na prihajajoče NBIC tehnologije.

[ 156 ]

Infografika 61 Biokonvergenca in prikaz sinergije med biologijo in tehničnim inženiringom

Biodigitalna konvergenca na poti do NBIC Biodigitalna konvergenca je povsem novo področje raziskav, ki na neki način nadgrajuje biokonvergenco in celovito raziskuje interakcijo med digitalnimi in biološkimi tehnologijami in sistemi. Danes se veliko pozornosti namenja predvsem digitalizaciji in digitalni transformaciji, ter digitalni preobrazbi podjetij in industrije ter družbe. V svetu pa se že resno ukvarjajo z biodigitalno prihodnostjo in kako bi ta konvergenca lahko vplivala na vse sektorje industrije ter kako bi se lahko razvijali naši odnosi s tehnologijo, naravo in celo življenjem samim.

[ 157 ]

Infografika 62 Ponazoritev razvojnega koncepta Biodigitalne konvergence

V prihodnjih letih bi se lahko biodigitalne tehnologije direktno ali indirektno vtikale v naša življenja na način, kot se digitalne tehnologije danes vtikajo v industrijo in družbo. Biološki in digitalni sistemi se zbližujejo in bi lahko spremenili naš način dela, življenja in celo razvoj. V tem kontekstu bo treba upoštevati tudi razvoj bionike, biomimetike, biomimikrije in sorodnih področij. Biodigitalna konvergenca lahko močno vpliva na naše gospodarstvo, naše ekosisteme in našo širšo družbo. Biodigitalna konvergenca je vsekakor interaktivna kombinacija, do točke združitve, digitalnih in bioloških tehnologij in sistemov. V svetu se proučujejo trije načini, na katere se to zbliževanje dogaja. En način bi naj pomenil popolno fizično integracijo bioloških in digitalnih entitet. Digitalna tehnologija bi lahko bila vgrajena direktno v organizme, biološke komponente, ali pa bi lahko obstajali kot deli digitalnih tehnologij. Fizično povezovanje, manipulacija in združevanje biološkega in digitalnega, ustvarja nove hibridne oblike življenja in tehnologije, od katerih vsaka deluje v otipljivem svetu, pogosto z večjimi zmogljivostmi. Roboti z biološkimi možgani in biološka telesa z digitalnimi možgani že [ 158 ]

obstajajo, prav tako vmesniki človek–računalnik in možgani–stroj. Uporaba digitalnih tehnologij v zdravstvu in v napravah za ljudi je že v polnem porastu. Manj je znano digitalno manipuliranje žuželk (kot so kačji pastirji in nadzorovalne kobilice), kjer se že uporablja kombiniranje digitalne tehnologije z biološkimi entitetami. Z dotikom v živčni sistem in manipulacijo nevronov lahko organizmu dodamo tehnologijo, da spremenimo njegovo funkcijo, vedenje in tudi namen.

Lahko se ustvarjajo celo novi občutki identitete. Nastaja tudi že koevolucija bioloških in digitalnih tehnologij. Ta vrsta biodigitalne konvergence se pojavi, ko napredek na enem področju povzroči velik napredek na drugem.

Infografika 63 Izpostavljeni trije izraziti načini biodigitalne konvergence

Koevolucija bioloških in digitalnih znanosti in tehnologij omogoča napredek na vsakem področju, ki bi sicer bil nemogoč. To bi lahko vodilo do bioloških in digitalnih tehnologij, ki so razvite kot integrirani ali komplementarni sistemi. Kom-

[ 159 ]

pleksni živi sistemi – bakterije, glive, rastline in živali, vključno z ljudmi, so vse bolj predmet proučevanja in razumevanja z digitalnimi orodji in aplikacijami, kot je na primer strojno učenje. To globlje razumevanje, ki ga omogočajo digitalne tehnologije, pomeni, da je biologija podvržena vplivom in manipulacijam, ki še pred nekaj leti niso bile možne. Na primer, sekvenciranje genov v kombinaciji z umetno inteligenco (AI) vodi do razumevanja genetskega izražanja, ki se nato uporablja za spreminjanje obstoječih organizmov za ustvarjanje organskih spojin na nove načine ali celo povsem sintetičnih organizmov. Pristopi novih tehnik urejanja genov bi bili nemogoči brez razvoja digitalne tehnologije in bioinformatike. Napredek digitalnih tehnologij je pripomogel k napredku biodigitalnih tehnologij. Vidimo tudi boljše razumevanje biologije, ki spodbuja napredek na področju biološkega računalništva. Nevronske mreže, računalniški sistemi, zasnovani na podlagi bioloških možganov, so primer, kako biološko razumevanje oblikuje digitalno tehnologijo. Obstaja tudi zamegljenost med tem, kar velja za naravno ali organsko, in tem, kar je digitalno, inženirsko ali sintetično. Izjemno pomembno vlogo na področju razvoja biodigitalne konvergence bo imela tudi bionika, biomimetika in biomimikrija. Če strnemo zaključek predstavitve tega osupljivega področja, lahko izpostavimo: biodigitalna konvergenca je, na kratko povedano, interaktivna kombinacija točke združitve, digitalnih in bioloških tehnologij in sistemov. Znanstveno ozadje: biodigitalna konvergenca je zapletena mešanica novih konceptualnih in praktičnih rekonfiguracij med biologijo, fiziko (nanotehnologijo in bionanotehnologijo) in informacijsko znanostjo. Te rekonfiguracije so dialektično prepletene z močno tehnologizacijo današnje znanosti in tudi vede o življenju. Biotiskalniki, s katerimi se danes proizvaja organsko tkivo, medicinska uporaba digitalnih naprav pri ljudeh in avtomatizirane biolivarne (posebne tovarne) za preoblikovanje živih organizmov, so le nekateri primeri novih tehnoloških dosežkov. Standardi imajo danes ključno vlogo pri ocenjevanju dolgoročnega vpliva, koristi in izzivov tega novega področja. Ameriška nacionalna znanstvena fundacija že govori o »tehnologijah NBIC« (nano-bio-info-cogno). O revolucionarnih tehnologijah, ki bodo izboljšale človeške zmogljivosti. Vsaka vrsta tehnologije, vključena v NBIC, igra vlogo pri širši sliki: nanotehnologija je pomembna, ker se organske strukture razvijajo iz nanomerila. Biotehnologija vključuje uporabo napredne tehnologije za biološke organizme. Informacijska tehnologija predstavlja poseben sektor tovrstnih aplikacij. Kognitivna znanost se na različne načine uporablja za raziskave, povezane z IT, in iskanje tehnologij, ki preslikavajo možgane in drugo. Zagovorniki tovrstnega razvoja trdijo, da lahko uporaba

[ 160 ]

konvergenčnih tehnologij ali načel NBIC omogoči človeški populaciji prihodnosti, da bo na splošno močnejša, bolj zdrava in sposobnejša.

Infografika 64 Prikaz prihajajočih konvergenčnih tehnologij NBIC

Napredek v znanosti in tehnologiji je vse bolj integriran v discipline, sektorje aplikacij in družbene cilje. Jedro tega procesa v prvi polovici enaindvajsetega stoletja je zbliževanje in nastanek štirih temeljnih in transformacijskih področij znanosti in tehnologije, ki jih na kratko imenujemo: nano-, bio-, informacijske in kognitivne (NBIC) tehnologije. Vsako od teh štirih temeljnih področij ima osnovni gradnik, to je atom, gen, informacijski bit ali nevronsko sinapso in sodeluje z drugimi področji znotraj sistema NBIC na vseh dolžinskih in časovnih skalah ter ravneh kompleksnosti. Ima podobno zgradbo računalniške arhitekture od posameznih elementov do makroskopskih sistemov in vodi do konceptualno novih priložnosti za znanje, tehnologijo in družbenoekonomski napredek. Poenotenje

[ 161 ]

konceptov NBIC, ki sta jih leta 2001 prvič predstavila Roco in Bainbridge (2002), je namenjeno doseganju boljšega razumevanja narave, izkoriščanju novih rezultatov raziskav in razvoja za ustvarjanje novih platform, ustvarjanje novih izdelkov in storitev ter izboljšanje človeškega potenciala v dejavnostih, kot so delo, učenje in staranje. Konvergenčni koncept NBIC združuje kognitivne znanosti skupaj s fizikalnimi, kemijskimi in biološkimi znanostmi v sistem temeljnih transformativnih intelektualnih in tehničnih orodij. Nekatere države biodigitalno konvergenco umeščajo v svoje nacionalne strategije, začeli so tudi ustvarjati standarde za področje biodigitalne konvergence. Danes živimo v dobi tehnoznanosti, kjer je tehnološki razvoj prevzel vodilno vlogo pri znanstvenih raziskavah.

Na podlagi povečanih tehnoloških zmogljivosti imajo obstoječe in nove znanstvene teorije zdaj več praktičnih uporab kot kadar koli prej. Biodigitalna konvergenca bo več kot le tehnološka sprememba, lahko bo spremenila ekonomske in trgovinske modele ter industrije, kot so proizvodnja, medicina, zdravstvo, kmetijstvo in drugo. Lahko bo spremenila tudi način razumevanja človeka v povezavi s tehnologijo in digitalizacijo v luči kompleksne biodigitalne prihodnosti.

Bionični inženiring, dosedanji dosežki in razvojne usmeritve za prihodnost Napredek na področju bioničnega inženiringa že danes zagotavlja potencial za povečanje zmogljivosti človeškega telesa, popravila poškodb okončin in celo zamenjavo celotnih delov človeškega telesa. Področje bioničnega inženiringa, ki proučuje in razvija tehnološke sisteme na nekaterih področjih že zdaj precej dobro posnema funkcije ali dele posameznih živih organizmov. Biološke strukture, metode in sistemi se vedno bolj uporabljajo pri načrtovanju inženirskih sistemov in sodobnih tehnologij. Navdih za bionično inženirstvo prihaja predvsem iz dobrega opazovanja, da evolucijski pritiski prisilijo biološke organizme, da se prilagodijo in razvijejo strukture in procese, ki imajo optimalno učinkovitost za preživetje. Bionika kot interdisciplinarno področje združuje inženirstvo in znanosti o življenju. Sorodna interdisciplinarna področja vključujejo biofiziko, biomehaniko, kibernetiko, biokibernetiko, teorijo informacij, biomedicinski inženiring in bioinženiring ter drugo. Med temi področji obstaja veliko prekrivanje, kar pogosto otežuje izrazito razlikovanje tematskih področij, saj se za razumevanje pogosto zahtevajo enake osnovne informacije, vendar se te razlikujejo predvsem po bistvu inovacij in njihovih aplikacij. Danes bionika in bionično inženirstvo

[ 162 ]

premikata meje biologije in inženiringa z razvojem številnih biomimetičnih naprav, ki spreminjajo prihodnost področij, kot so fizioterapija, robotika in medicinska znanost, zdravstvo in drugo. Ob predstavitvi bioničnega inženiringa seveda ne moremo spregledati dosedanjih dosežkov, ki so vsekakor na področju bionike evidentni in izstopajoči ter so tesno povezani s človeško bioniko, medicino, zdravstvom in nekaterimi drugimi področji.

V tem kontekstu je treba posebej izpostaviti pomembne prebojne tehnologije, kot so bionični vid, razvoj bioničnih očesnih protez, še zlasti takšnih, ki obetajo izboljšave vida, in rešitve za popolno slepoto. Bionični vsadki lahko že danes do določene mere interpretirajo vizualne podatke posredno celicam v vidni možganski skorji. Pri tej tehnologiji obstajata dva glavna izziva: zapletenost posnemanja funkcije mrežnice ter preference in omejitve potrošnikov za miniaturne naprave za vsaditev. Kljub izzivom pri oblikovanju in izpolnjevanju zahtev potrošnikov trg bioničnega vida vsebuje številne prototipe in komercialne izdelke.

Pomemben primer je Argus II, ki ga je razvilo podjetje Second Sight Medical Products, ki je protetična naprava, sestavljena iz mikroelektronskega sistema implantiranega v mrežnico, nosljive kamere in enote za obdelavo slik. Slike, zajete s kamero, ki jih je mogoče integrirati v nosljiva očala, se prenašajo v procesno enoto, ki brezžično prenaša signale v implantiran mikroelektronski sistem. Ti impulzi stimulirajo celice mrežnice s pretvarjanjem signalov v električne impulze, ki delujejo kot vitalna vez med predmetom in optičnim živcem, ter z načinom, da zaobidejo poškodovane fotoreceptorje. Danes so pomembne in uspešne tudi naprave na področju umetnega sluha. Do sedaj razvite tovrstne bionične naprave lahko pomagajo ljudem tudi na področju z delno ali globoko izgubo sluha. Kohlearni vsadki, slušni vsadki in slušni vsadki možganskega debla so trije glavni razredi te tehnologije. Umetna povezava med možgani in slušnim virom je ustvarjena prek mikroelektronskega sistema, implantiranega v možgansko deblo ali v slušnega polža. V primerjavi z bioničnimi napravami, ki pomagajo pri vidu, je slušna bionika bolj zrelo komercialno tehnološko področje. Trg ima večjo globalno sprejetost, večji inovativni ekosistem in več izdelkov, ki so že trenutno na trgu.

Bionične okončine po podatkih Svetovne zdravstvene organizacije zajemajo približno 15 odstotkov svetovnega prebivalstva, ki živi z neko obliko telesne invalidnosti, ne glede na to, ali je dedna ali izhaja iz poškodb in nesreč. Približno 200 milijonov ljudi po vsem svetu ima resne funkcionalne težave. Približno sto let so bili protetični udi norma za zagotavljanje določene stopnje funkcionalne neodvi-

[ 163 ]

snosti pacientov. V zadnjih dvajsetih letih so bionični udi začeli izrazito nadomeščati klasične protetične ude, ki so lažji, izdelani iz naprednih materialov, vendar še vedno podvrženi določenim omejitev. Bionične okončine so danes vse pogosteje učinkovito povezane z živčno-mišičnim sistemom bolnikov. To omogoča izboljšan nadzor okončin, ki posnemajo biološke funkcije. Oprijemanje, upogibanje in druge funkcije nadzirajo možgani. Gibanje je nadzorovano preko elektronske poti, ki obide poškodovane periferne živce, ki povezujejo možgane in bionično okončino. Poleg medicinskih naprav ima bionično inženirstvo ogromen potencial tudi za več različnih industrij, vključno z robotiko, široko uporabo eksoskeletov in drugih inteligentnih naprav. Področje bioničnega inženiringa hitro napreduje, integracija tehnologij, kot sta umetna inteligenca in razvoj naprednih materialov, pa potiskata tehnologijo naprej v 21. stoletje. Prihodnost bioničnega inženiringa bo po prepričanju raziskovalcev vznemirljiva in ima ogromen potencial še zlasti za medicino in industrijo prihodnosti.

PASMA je le ena od metodologij bioničnega oblikovanja za reševanje problemov Danes poznamo že veliko različnih pristopov in metodologij bioničnega oblikovanja in dizajniranja. Eden od primerov je metodologija bioničnega oblikovanja za reševanje problemov bioničnega dizajna, ki se imenuje (BREED – Bionic representation, Relation, Emulation, Engineering specifications and Design), ki je razvit iz časovno preizkušenih strategij narave. Vir navdiha je za oblikovalce pri reševanju problemov lepota in dovršenost oblik narave, ki izhaja iz učinkovite evolucije in robustnosti njenih naravnih funkcij. Trenutne metode bioničnega oblikovanja so analogne in zato niso v skladu s potekom dela pri klasičnem digitalnem načrtovanju. Izpostavljena in predlagana metodologija (BRED) predlaga drugačen pristop in ustrezne bionične strukture za dani prostor oblikovanja.

Metodologija je sestavljena iz naslednjih stopenj, kot so: bionična predstavitev, relacija, emulacija, inženirske specifikacije, preverjanje in optimizacija načrta in končno realizacija. Cilj te metodologije je delovati s sistematičnim pristopom k reševanju problemov za pridobivanje strukturnih navdihov iz narave in posnemanja naravnih oblik. Metodologija vključuje tudi biološke vložke v kontekst problema inženirskega načrtovanja. Faze navdiha in validacije bionične strukture so predstavljene kot V-model. Oblikovalec lahko ta okvir izkoristi, da pripravi nove koncepte bioničnega oblikovanja. Strukture rastlin in živali se uporabljajo

[ 164 ]

kot študije primerov in za prikaz postopka metodologije BREED. Biološke oblike se pridobijo na več načinov, tudi s pridobljeno tehniko spektralnega ujemanja.

Bionična zasnova je potrjena ob uporabi ustreznih mejnih pogojev in z uporabo preizkušenih inženirskih metod.

3D‐tiskane bionične nanonaprave Zmožnost tridimenzionalnega prepletanja bioloških in funkcionalnih materialov bi lahko omogočila ustvarjanje povsem novih bioničnih naprav z edinstveno in prepričljivo geometrijo, lastnostmi in funkcionalnostmi. Dejansko bi povezovanje visokozmogljivih aktivnih naprav z biologijo lahko vplivalo na različna področja, vključno z regenerativnimi bioelektronskimi zdravili, pametno protetiko, medicinsko robotiko in vmesniki človek–stroj. Biologija, od molekularne lestvice DNK in beljakovin do makroskopske lestvice tkiv in organov, je tridimenzionalna, pogosto mehka in raztegljiva ter temperaturno občutljiva. Zaradi tega je večina bioloških platform nezdružljiva z metodami izdelave in obdelave materialov, ki so bile razvite in optimizirane za funkcionalno elektroniko, ki je običajno zelo krhka. Za premagovanje teh dihotomij so bile razvite številne strategije. Eden od posebej novih pristopov je uporaba 3D-tiskanja z več materiali, ki temelji na ekstruziji, ki je tehnologija aditivne proizvodnje, ki ponuja strategijo izdelave v prosti obliki. Ta pristop obravnava dihotomije, predstavljene z uporabo 3Dtiskanja in slikanja za prilagojene, hierarhične in prepletene arhitekture naprav; uporaba nanotehnologije kot poti, ki omogoča uvajanje visokozmogljivih materialov z možnostjo izkazovanja lastnosti, ki jih ne najdemo v razsutem stanju, in 3D-tiskanje vrste mehkih in nanomaterialov, ki omogočajo integracijo raznolike palete visokokakovostnih funkcionalnih nanomaterialov z biologijo. Poleg tega je 3D-tiskanje platforma v več merilih, ki omogoča vgradnjo funkcionalnih snovi v nano smeri, tiskanje značilnosti na mikroskali in na koncu ustvarjanje naprav v makro merilu. Ta mešanica 3D-tiskanja, novih lastnosti nanomaterialov in »živih« platform lahko omogoči revolucionarne bionične sisteme naslednje generacije. Prihajajo torej sinergistične oblike integracije edinstvenih lastnosti nanomaterialov z vsestranskostjo tehnologij 3D-tiska, ki temeljijo na ekstruziji, za prepletanje nanomaterialov in izdelavo povsem novih ekstremno miniaturnih bioničnih naprav.

[ 165 ]

Infografika 65 Simbolični učni model bioničnega oblikovanja različnih struktur

Razvija se tudi izjemna strategija 4D-tiskanja in integriran dizajn za programabilne dvoodzivne bionične funkcije z dvojno odzivnostjo oblike in barve. Potencial 4D-tiskanja v zvezi s spreminjanjem oblike in spreminjanjem lastnosti ter spreminjanjem funkcionalnosti se bo lahko široko uporabljal na področju biomedicine, bionike, zdravstva, letalstva, robotike in drugod. 4D-tisk z dvojno odzivnostjo širi možnosti integracije spreminjanja oblike in vizualnega spreminjanja, s čimer zagotavlja nove ideje in metode za aktualizacijo aktivnih funkcij. Sedanja dvojna odzivna 4D-tiskanja oblike in barve uporablja zunanji vir toplote, kar je precejšnja omejitev za udejanjanje programabilne funkcije dvojnega odziva. Da bi odpravili to težavo, je razvit tiskalnik z dvojno šobo in uporablja se lahko več različnih materialov in to elektroaktivni materiali, ki spreminjajo lastnosti. Po pripravi materialov se programirljivi elektrotermični učinki v različnih regijah [ 166 ]

aktualizirajo z nadzorom njihovih lastnosti. Poleg tega tiskanje z več materiali omogoča, da se elektroaktivni materiali, ki spreminjajo obliko, vgradijo v toplotno barvne materiale z dvojnim odzivom. Ta genialni koncept oblikovanja in vključeni visokozmogljivi materiali so prikazani s posnemanjem bioloških funkcij, kot so zapiranje listov mimoze, pisane morske zvezde in krila, ki se spreminjajo v obliki različnih barv. Ti razvojni trendi prinašajo možnosti številnih aplikacij povezanih z bioniko in drugimi področji.

Povečanje učinkovitosti letalskih virov z uporabo tehnolo‐ gije ALM in bioničnega oblikovanja Lep primer pomembnosti in vključenosti bionike je mogoče zaslediti v okviru EU programa Obzorje 2020. Gre za povečanje učinkovitosti letalskih virov z uporabo tehnologije (ALM – Additive Layer Manufacturing) in bioničnega oblikovanja v vseh fazah življenjskega cikla letala. Procesi aditivnega sloja proizvodnje (ALM) lahko pomembno prispevajo k zahtevni nalogi v okviru Strateške raziskovalne in inovacijske agende (SRIA – Strategic Research and Innovation Agenda) za zmanjšanje vpliva letalstva na okolje. Edinstven proizvodni proces s tehnologij ALM obljublja velik potencial za prihranek teže, zaradi možnosti izdelave biološko optimiziranih lahkih struktur visoke kompleksnosti na način, ki je učinkovit z viri in z izkoriščanjem materiala. Airbus predvideva popolnoma nove tipe letal, ki jih navdihuje bionika in biomimetika in ki jih bo mogoče izdelati le s široko uporabo ALM. Na žalost je proces oblikovanja in tudi sam proizvodni proces dolgotrajen in drag, kar omejuje uporabnost v vesoljski industriji. Da bi premagali te ovire in da bi lahko izkoristili potencial, ki ga ponuja ALM za zmanjšanje emisij v celotnem življenjskem ciklu zrakoplova, je načrtovan naslednji razvoj: avtomatiziran proces oblikovanja ALM za znatno zmanjšanje časa in stroškov. Za bionično lahko zasnovo, energetsko učinkovit in visoko produktiven postopek ALM. Nadalje z inovativno optiko za oblikovanje žarka za nižje stroške proizvodnje in zmanjšanje emisij med proizvodnjo. Nov bo visoko trdni aluminij ALM material za povečanje lahkega potenciala ALM struktur. Nadalje sistem integritete za kompleksne dele ALM za preverjanje integritete in izogibanje pomanjkljivim delom. Uvedene bodo vrhunske inovativne metode (NDT – Non-destructive testing) in popravila za zelo kompleksne dele ALM in za podaljšanje življenjske dobe. Uvedla se bo posebna metoda recikliranja delov ALM, da se bodo izognili odlaganju. Uvedla se bo inovativna poprodajna dobavna veriga, ki temelji na ALM

[ 167 ]

za zmanjšanje emisij za proizvodnjo rezervnih delov in logistiko. S tem razvojem bo projekt povečal potencial ALM-tehnologije in metodologij bioničnega in biomimetičnega oblikovanja ter zmanjšal vpliv letalstva na okolje v celotnem življenjskem ciklu letala (načrtovanje in razvoj izdelkov; proizvodnja; delovanje; vzdrževanje), popravilo, remont, recikliranje in odstranjevanje.

Sistemi za letenje, ki jih navdihujeta bio in bionična aerodinamika Odlične zmogljivosti letečih živali bodo neizogibno postale vir navdiha za številne raziskovalce. Izpostavljeni prispevek pa le še potrjuje dejstvo, da se je razvoj bioničnih inovacij šele dobro začel. Sistemi letenja, navdihnjeni z bio, so postali danes ena izmed najbolj vznemirljivih letalskih tehnologij doslej. Današnji razvoj je predvsem osredotočen na nedavni napredek v sistemih letenja, ki jih navdihujeta bio in bionična aerodinamika. Razvojna pot se strmo vzpenja z razvojem biomimetičnih zračnih vozil (BAV – Biomimetic Air Vehicles) za sisteme letenja, ki jih navdihuje biološko okolje, in najnovejši napredek biomimetike. Predstavljeni so številni napredki principov letenja več naravnih bitij z vidika bionske aerodinamike. Končno je predlaganih tudi več novih izzivov bionske aerodinamike za avtonomijo inteligentnih letal, ki bodo konceptualno povsem bionavdihnjena. Govorimo torej o novi generaciji mikrozračnih vozil. Študija bioničnih letal se izvaja pri razvoju mikrozračnega vozila (MAV – Micro Air Vehicle). V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA v ZDA) prvič predlagala koncept MAV. Zaradi svoje močne taktične praktičnosti ima MAV edinstvene možnosti uporabe tako na vojaškem kot na civilnem področju in je postopoma postalo mejno in pomembno vprašanje na področju mednarodnega letalstva. Pozneje so različne države razvile različne vrste MAV za izpolnjevanje zahtev različnih misij. Trenutni MAV so večinoma razvrščeni v tri kategorije: mikrozračno vozilo s fiksnim krilom (FMAV), mikrozračno vozilo z rotacijskimi krili (RMAV) in mikrozračno vozilo z biomimetičnimi krili (BMAV), glede na njihovo načelo letenja in aerodinamiko postavitev. Pravzaprav mikro zračno vozilo z zamahnjenimi krili spremlja uporaba bioničnega koncepta. Ves čas razvoja MAV so bili zgodovinski izvori sistemov za letenje, bionavdihnjeni. Z vidika miniaturizacije pa se šteje, da se lahko razvoj MAV v grobem razdeli na tri časovne in konceptne stopnje. Te tri stopnje ustrezajo tudi

[ 168 ]

spremembam ključnih tehničnih kazalnikov in zasnov MAV. Uporaba bioničnega koncepta pa je spodbudila že drugo stopnjo razvoja MAV.

Infografika 66 Razvoj od mikrozračnih vozil (MAV) do bioničnih zračnih vozil (BAV)

Druga faza se nanaša na obdobje od leta 2003 do začetka tega stoletja, ki je v bistvu faza transformacije prvega koncepta zasnove MAV. Na tej stopnji so ZDA naredile preboj v raziskavah in razvoju MAV in novega MAV-a (NAV – Nano Air Vehicle) z velikostjo znotraj 7,5 cm, maso približno 10 g ter nizkohitrostnim letenjem in lebdenjem. Zmožnosti so bile v središču raziskav DARPA. Ugotovljeno je bilo, da je način letenja ptic in žuželk, ki uporabljajo mahajoča krila, bolj primeren za manjše predmete, kot so NAV, da letijo pri nizkem Reynoldsovem številu. Zato se je na tej stopnji raziskovalni fokus MAV začel spreminjati od FMAV in RMAV v biomimetična mikrozračna vozila (BMAV). Reprezentativno mikrozračno vozilo z zamahnjenimi krili vključuje več različnih verzij. Bionični

[ 169 ]

koncept na tej stopnji pa bi naj zagotavljal nove oblikovalske ideje za razvoj novih MAV. Tretja faza je aktivna od leta 2010 do danes in še vedno zasleduje realizacijo letenja BMAV. Kolibrijevi s krili mahajočimi MAV je razvil DAPAR in je dosegel zahtevani standard za opremljanje vojske. Na tej stopnji je raziskavam MAV koristil hiter razvoj tehnologije naprednih materialov, tehnologije mikroelektronike, nanotehnologije in učinkovite energetske tehnologije ter se razvija v smeri miniaturizacije, avtomatizacije in umetne inteligence. Trenutno reprezentativni uporabljeni MAV vključujejo Dragonfly robota, ki tehta manj kot 3 g in ki ga je razvila Tehnološka univerza Delft na Nizozemskem, ter najmanjši in najlažji robot čebelo na svetu, ki ga je razvila Univerza Harvard. Različni novi koncepti MAV-jev so bili predlagani zlasti s prebojem umetne inteligence in mikrosistemske tehnologije, vendar je koncept bionike potekal ves čas skozi razvoj MAV. V vsakem obdobju zgodovine človeške civilizacije je bilo veliko truda vloženega v izume in načrtovanje pticam podobnih letal ali izboljšanje teorije mahanja kril.

Raziskave na področju bionike bodo vedno bolj pomembne za ključne tehnologije, ki jih navdihuje biologija, velike korake na področju razvoja tovrstnih tehnologij je moč pripisati podjetju Festo.

Podvodna bionična kamuflažna komunikacija Vedno so bili izzivi, da se razvijejo prikriti sistemi podvodne komunikacije, ki bi zagotavljali učinkovito, vendar koristno prikrito komunikacijo. Iskale so se najrazličnejše metode na podlagi posnemanja podvodnih živali, žal tudi velikokrat neuspešno. To področje prikritega komuniciranja je še zlasti zanimivo za vojaški in raziskovalni sektor. Predlagana je povsem nova podvodno prikrita akustična komunikacijska metoda, razvita na Kitajski Univerzi Tianjin (Tianjin University), ki temelji na strategiji bionske kamuflaže, ki posnema klice posebnih kitov. Takšne raziskave potekajo tudi drugod po svetu. Trenutno sistemi za prepoznavanje in razvrščanje podvodnih akustičnih signalov – klice kitov/delfinov skoraj vedno razvrstijo v oceanske zvoke in jih nato ustrezno filtrirajo. Na podlagi tega dejstva je prvič predlagana nova prikrita natančna komunikacijska metoda za pridobivanje klicnih impulzov kita. Nato se na podlagi pogojev omejitev, kot so samodejna korelacija, navzkrižna korelacija in korelacijski pragi ekstrahiranih klicnih impulzov, iz podatkovne baze klicnih impulzov izbere veliko število komunikacijskih kod, ki izpolnjujejo zahteve kodiranja diferencialnih vzorcev. Nato se v skladu z zakoni in značilnostmi klicnega zapo-

[ 170 ]

redja kitov, razvija izboljšana metoda kodiranja diferencialnih vzorcev s tehnologijo frekvenčnega skoka. Komunikacijsko zaporedje ima močno maskirno in prikrito sposobnost in lahko prenaša komunikacijske informacije z visoko prikrito zmožnostjo, kar je bilo dokazano s poskusi in klasifikatorjem signalov nevronske mreže. Metodo je mogoče razširiti tudi na druge morske sesalce in jo je mogoče uspešno uporabljati v podvodni skriti komunikaciji. Izjemno zanimiva je tudi biološko navdihnjena prikrita podvodna akustična komunikacija z uporabo visokofrekvenčnih klikov delfinov. Za izpolnjevanje zahtev prikrite podvodne akustične komunikacije je predlagana posebna bionična kamuflažna shema. Zvoke morskih sesalcev uporabljajo kot komunikacijski signal, da zavedejo nenamernega sprejemnika in dosežemo prikrito komunikacijo. Kot nosilec informacij je sprejet ultrakratkotrajen impulz s široko pasovno širino, ki posnema visokofrekvenčne klike delfina. Za izboljšanje sposobnosti preprečevanja motenj uporabljajo tehniko večimpulzne modulacije. Vsak posamezen impulz v nizu okvirjev, ki vsebuje eno bitno informacijo, je moduliran s kodo s časovnim skokom (TH – time hopping) v časovni domeni. Serija okvirjev je kot celota modulirana s tehniko impulzne pozicijske modulacije (PPM – pulse position modulation). Prenesena referenčna shema je sprejeta za ublažitev prejetega signala, na katerega vpliva močan podvodni zvočni kanal. Rezultati teoretične analize in simulacije, pridobljeni z uporabo odziva kanala, izmerjenega na morju, kažejo, da lahko doseže prikrito podvodno akustično komunikacijo kratkega dosega, ki ima koristi od biološko navdihnjene kamuflaže komunikacijskega signala. Danes potekajo obsežne raziskave podvodnih komunikacij in sonarnih tehnik, ki bazirajo na bionavdihnjenih tehnoloških rešitvah. Posebno vlogo na tem področju dobiva še zlasti bionika, tako pri razvoju strojne opreme kot oblik komunikacije in uporabe posebnih bioničnih algoritmov.

[ 171 ]

Infografika 67 Prikaz nekaterih razvojnih konceptov podvodne bionične kamuflažne komunikacije

Bionika in zelena tehnologija v pomorskem ladijskem prometu Za varčevanje z energijo in zmanjšanje vplivov na okolje so potrebne nove tehnologije za razvoj trajnostnega »bolj zelenega« gospodarstva. Pomembna priložnost za izboljšanje trajnosti z zmanjšanjem emisij je v prometnem sektorju, ki se ponuja tudi z bioniko. Več kot 90 odstotkov vsega blaga po vsem svetu se prevaža z ladjami. Zlasti pomorske ladje, ki uporabljajo težko kurilno olje in pomorsko plinsko olje. Skupna poraba goriva v ladijskem prometu gre v ekstremne količine. Velik del porabe energije ladje je potreba po premagovanju upora med trupom ladje in vodo, odvisno od oblike plovila in njegove velikosti. To pomeni, da zmanjšanje upora pomaga pri varčevanju z gorivom in v veliki meri zmanjša

[ 172 ]

emisije ogljika ter onesnaževanja. Znane so različne tehnike za zmanjšanje upora, ena od teh je tehnika mikromehurčkov ali čebulasti lok. Gre za nov pristop za bioinspiriran navdih tehnike od leta 2002 naprej. Uvaja se uporaba biomimetičnih površin z dolgotrajno stabilno plastjo zraka na trupih ladij, ki služijo kot sredstvo za zdrs. Ta tehnologija temelji na učinku salvinije, ki omogoča trajno stabilizacijo zračnih plasti pod vodo. Raziskave in študije prinašajo relevantne analize možnih prihrankov, ki bi jih lahko kombinirali tudi z modificiranimi tehnologijami mikromehurčkov. Na podlagi izbire petih tipov ladij, ki predstavljajo 75 odstotkov svetovne flote, so strokovnjaki izračunali, da bi lahko premazi plasti privedli do ocenjenih prihrankov 32,5 milijona ton goriva (kar pomeni 13,0 odstotka svetovne porabe goriva v ladijskem prometu). Pozitivni vplivi na globalno temperaturo in druge toplogredne pline so izračunani in bi lahko prispevali k doseganju ciljev trajnostnega razvoja ZN in Pariškega sporazuma k Okvirni konvenciji ZN o podnebnih spremembah. Študije so direktno usmerjene k izboljšanju znanja o potencialnih gospodarskih in ekoloških koristih bionike in biomimetičnih tehnologij.

[ 173 ]

Infografika 68 Vključitve bionike v pomorskem ladijskem prometu (vir: The Royal Society UK in Univerza v Bonnu)

Od začetka industrijske revolucije sta se proizvodnja blaga in potreba po energiji nenehno povečevali, tudi kot posledica rasti prebivalstva in globalizacije. Potrebni so bili hitrejši in učinkovitejši načini za prevoz blaga. Prišel je čas, da se na novo premisli uveljavljene paradigme in spremembe ter izboljšave za prihodnost. Trenutne stopnje gospodarskih dejavnosti in življenjskega standarda zahtevajo energijo, ki običajno še vedno temelji na fosilnih gorivih. Povečanje emisij naj bi bilo glavno gonilo globalnega segrevanja. Potrebne so nove paradigme oziroma »družbena transformacija« v smeri bolj trajnostnega gospodarskega sistema z integracijo družbenih, kulturnih, ekoloških in ekonomskih vidikov.

Uvedeni so bili prvi pristopi k »zelenemu gospodarstvu«, npr. globalno naraščajoče število vetrnih turbin in sončnih panelov ter drugih oblik ustvarjanja električne energije. Obetaven pristop je danes tudi biološko navdihnjeno »učenje iz

[ 174 ]

narave«, torej bionika ali biomimetika. Bionske tehnologije bi lahko bile pomemben sestavni del, ki bo prispeval k 17 ciljem trajnostnega razvoja ZN (SDG) iz Agende 2030. Upor premikajočih se trdnih snovi v tekočini (npr. ladje v vodi) je mogoče zmanjšati z različnimi fizikalnimi mehanizmi. Pokazali so se razvojni rezultati, da je obstojna zračna plast Salvinia efekta (SE – Salvinia Effect) med trupom ladje in vodo najbolj učinkovita pri zmanjševanju trenja in upora. Bionika in biomimetika imata tu zelo pomembno vlogo v raziskavah, gospodarstvu in ozaveščanju javnosti. Je pa žal na voljo zelo malo podatkov o dejanskih gospodarskih potencialih in ekoloških koristih na tem področju. Glede na vse večje svetovne prometne dejavnosti, ki povzročajo vse večje emisije, je varstvo okolja ključni dejavnik tudi v logistiki.

Učinek premazov ladijskega trupa, ki ustvarja zračne plasti in zmanjša upor ter potrošnjo goriva V Nemškem razvojnem centru za ladijsko tehnologijo so že leta 2007 izvajali zanimive meritve s prototipnim hidrofobnim tekstilom. Izmerjeno je bilo zmanjšanje upora do 10 odstotkov. V naslednjih poskusih so na Inštitutu za mehaniko tekočin na Univerzi v Rostocku dosegli zmanjšanje trenja za več kot 30 odstotkov na pretočni profil, ki je prekrit z bolj dovršeno površino, ki zadržuje zrak. Ti impresivni rezultati kažejo na potencial površin, ki zadržujejo zrak. Obstojne zračne plasti pod vodo so se razvile v številnih vodnih in podvodnih organizmih kot evolucijska prilagoditev zmanjšanju upora ali dihanju pod vodo. Optimizirani primeri so lebdeča praprot Salvinia z najbolj izpopolnjeno »tehnologijo« z uporabo hidrofilnih kemičnih heterogenosti na superhidrofobni površini. Za dolgotrajno zadrževanje zraka pod vodo so po prepričanju strokovnjakov pomembni vsaj štirje kriteriji: lasu podobne strukture, hidrofobna kemija, pogrezi plovil in elastičnost struktur. Poleg tega se lahko pojavijo hidrofilni zatiči kot (Salvinia Paradox). Za lažjo in stroškovno učinkovitejšo izdelavo zračnih zadrževalnih površin so strokovnjaki razvili »ARG – Air Retaining Grids«. V tem primeru zračno plast zadržijo hidrofobne mrežne strukture, nameščene na določeni razdalji na površini ladijskega trupa. Ta tehnika omogoča kombinacijo z dobro uveljavljeno tehniko mikromehurčkov. Mikromehurčki se lahko uporabijo za ponovno polnjenje zračne plasti v primeru izgube zraka. Ker pa se zrak zadrži na površini Air Grid, je potrebna le zmanjšana količina dovoda in dodatna energija, potrebna za črpalke, ki proizvajajo mehurčke, se bistveno zmanjša. Študije prispevajo k

[ 175 ]

razširitvi nezadostnega in neenakomernega znanja o potencialnih ekonomskih in ekoloških koristih bioničnih in biomimetičnih tehnologij. Pomorski promet je eden glavnih porabnikov fosilnih goriv in s tem močan oddajalec toplogrednih plinov. Mednarodna pomorska organizacija (IMO) je že ukrepala v smeri trajnostnega tako imenovanega »modrega gospodarstva« na morju in je leta 2013 uvedla več konkretnih omejitev. Relevantne študije so pokazale možne prihranke pri gorivu, stroških in emisijah z bioničnimi in biomimetičnimi premazi za zmanjšanje upora ladij, ki temeljijo na dolgoročno stabilnih zračnih plasteh med ladjo in vodo. Odlične rezultate se da doseči s premazi (SFC – Salvinia Effect Coatings).

Poleg lastnosti zmanjšanja upora površin, ki zadržujejo zrak, lahko od takih premazov pričakujemo tudi učinek proti obraščanju, ki danes predstavlja pravo zlo v ladjarstvu in pomorstvu. Bionika in biomimetika bosta nedvomno pomembni za razvoj novih tehnologij, zmanjševanja energetske potrošnje in povečanja pozitivnih ekoloških učinkov na morske eko-sisteme.

Bionično integriran mehanizem za določanje položaja Razvoj bionike se danes usmerja na zelo različna področja in šele konkretne inovacije razkrijejo bistvo vloge bionike v neki inovaciji ali izdelku oz. napravi.

Bionično integriran mehanizem za določanje položaja, ki temelji na bioinspiriranem polarizacijskem kompasu in inercialnem navigacijskem sistemu je le en primer od številnih. Bionični avtonomni pozicionirni mehanizem integrira Inercialni navigacijski sistem (INS – inertial navigation system) skupaj z bioinspiriranim polarizacijskim kompasom. Za to je potrebna posebna strojna oprema sistema za pozicioniranje, ki ga navdihuje bio, in posebni integracijski model.

Raziskave v svetu kažejo, da je tehnično vprašanje natančnosti in okoljske prilagodljivosti sistema pozicioniranja zgrajeno na metodi izračuna višine sonca in na podlagi stopnje polarizacije. Poleg tega je za kompenzacijo napak v zemljepisni širini in dolžini INS vzpostavljen model sistema za določanje položaja, ki združuje polarizacijski kompas in INS. Učinkovitost pozicioniranja predlaganega modela navdihuje prav bioinspiracija. Avtonomno pozicioniranje v realnem času je bistveno za vozila v oddaljenih krajih, še zlasti v neznanih in zapletenih okoljih.

Trenutno so za globalni navigacijski satelitski sistem (GNSS – global navigation satellite system), vizualni navigacijski sistem (VNS – visual navigation system) in inercijski navigacijski sistem (INS – inertial navigation system) pogosto uporabljene metode pozicioniranja. Vendar se lahko zmogljivost pozicioniranja GNSS

[ 176 ]

poslabša, če so signali GNSS moteni zaradi elektromagnetnih motenj. VNS se zanaša na koristne informacije, pridobljene iz strukturiranega okolja. Danes je pomembno razviti učinkoviti globalni sistem pozicioniranja, ki ni odvisen od GNSS in VNS za navigacijo na velike razdalje. V zadnjem desetletju so raziskovalci ugotovili, da lahko številne živali zaznajo polarizirano svetlobo, razporejeno po nebu, za odlično orientacijo. Ptice pevke selivke lahko na primer celo uporabljajo polarizirano svetlobo za umerjanje, ko se selijo z enega gnezdišča na drugo s potovanji do tisoč in več kilometrov. V zadnjih letih je dokazano, da polarizacijski vzorec vsebuje informacije o geografski lokaciji, ki jih je mogoče uporabiti za dolgotrajno pozicioniranje vozil v povsem neznanih okoljih. Zaradi neakumulativnih napak in odpornosti na elektromagnetne motnje je metoda polarizacijskega pozicioniranja, ki jo navdihuje bio, pritegnila veliko pozornosti na področju avtonomne navigacije.

Infografika 69 Bionično integriran mehanizem za določanje položaja, ki temelji na bioin‐ spiriranem polarizacijskem kompasu in inercialnem navigacijskem sistemu

[ 177 ]

Bionični pristop po navdihu mehanizma polarizacijske navigacije živali je bila predlagana metoda za določanje položaja, ki temeljijo na kompasu polarizirane svetlobe. Za reševanje izziva pozicioniranja vozila na podlagi polarizacijskega vzorca so strokovnjaki predlagali bioinspirirano metodo pozicioniranja, ki temelji na tako imenovanem polarizirani svetlobi neba (PSL – polarized skylight). S kombiniranjem polarizirane svetlobe neba in informacijami o horizontalni smeri, ki jih zagotavlja elektronski kompas, bi lahko geografsko lego (zemljepisno širino in dolžino) uporabnikov določili z merjenjem smeri polarizacije (E-vektor) pri dveh neodvisnih opazovanjih. Po navdihu starodavnih navigacijskih veščin ptic so strokovnjaki predlagali še eno novo metodo pozicioniranja v realnem času, ki temelji na polarizirani svetlobi neba in geomagnetnem polju. Sistem za določanje položaja je sestavljen iz dveh polariziranih senzorjev polarizirane svetlobe neba, magnetnega kompasa in merilnika nivoja. Višina sonca je pridobljena na podlagi E-vektorja in vodoravnega položaja, sončni azimut pa se izračuna z uporabo Evektorja in geomagnetnega polja. Nato je mogoče geografsko lego določiti v kombinaciji s sončnimi efemeridami (s podatki o legi nebesnih teles). Da bi izboljšali robustnost in natančnost polarizacijskega položaja v zapletenih okoljih, v katerih je polarizacijski vzorec šibek in lokalno degradiran, so uporabili impulzno sklopljeno bionično nevronsko mrežo za izboljšanje učinkovitosti polarizacijskega pozicioniranja. Pokazalo se je, da je predlagana metoda bistveno boljša od prej omenjene in od drugih predlaganih metod. Ob upoštevanju podvodnega okolja je zasnovan tudi polarizacijsko občutljiv slikovni sprejemnik, ki ga navdihuje biološka slika za določanje položaja na podlagi radialnih podvodnih polarizacijskih vzorcev. Za še večjo izboljšanje natančnosti polarizacijskega položaja v pogojih magnetnih motenj, so strokovnjaki predlagali globalni sistem pozicioniranja, ki temelji na vzorcu stopnje polarizacije (DoP) in algoritmu razlike v višini sonca. Razvoj bionike torej prinaša veliko rešitev tudi za področja, ki jih običajno v osnovnem pojmovanju bionike ne prepoznamo.

Inovacija na področju izboljšanja vrtalnih tekočin s pomoč‐ jo bionike (koristne inovacije) Bionika vstopa na različna področja, še zlasti se izkazuje koristna na področjih, ki so pomembna za zaščito okolja. En tak primer izkazuje vključitev bionike v področje iskanja primernih tekočin za procese zemeljskega vrtanja. Ta pristop posnema značilnosti, funkcije, strukture in načela školjk in deževnikov, ter ustvarja

[ 178 ]

bionično sredstvo za fiksacijo sten s stranskimi materialnimi verigami, ki vsebujejo kateholne (organske) spojine za krepitev vrtine. Bionično vezno mazivo pri izdelavi, trenje neposredno spremeni v drsenje med membranama, svedrom, zemljino ali kamnino. V primerjavi s klasično tehnologijo se nova bionična izkaže bistveno bolj učinkovita, na primer pri vrtanju skale. Stopnja trenja se bistveno izboljša. Njihov mehanizem delovanja in vplivni dejavniki so razkriti iz makro in mikro zornega kota. V kombinaciji s klasičnimi načini vrtanja, bionični koncept deluje na vodni osnovi z visoko stopnjo mazljivosti s primerljivo inhibicijo, kjer se kot vrtalna tekočina uporablja posebno olje. Z bioničnim pristopom se bistveno zmanjša propadanje vrtine, stopnja nesreč zaradi zagozdene cevi, zaplet zagozdenega bloka in seveda stroški procesa vrtanja. Bionični pristop je bolj varen, učinkovit, ekonomičen in okolju veliko bolj prijazen kot tehnologija vrtanja s posebnimi olji.

Ekstremna bionika in izzivi za bolj oddaljeno prihodnost Napoveduje se svetla prihodnost zunaj meja evolucije in razvoj ekstremnih bioničnih sistemov in naprav, kakršnih danes še ne poznamo. Nekatere razvojne projekcije so že napravljene in so kar malo srhljive in mogoče tudi že skrb vzbujajoče, zato jih bom v tej knjigi izpostavil »le kot izziv za bolj oddaljeno prihodnost«. Spreminjanje in povečevanje živih organizmov (njihovih zmogljivosti) lahko pomaga odgovoriti na temeljna filozofska vprašanja o izvoru življenja in ima potencial za revolucijo na področjih, kot so energija, okolje, zdravje, medicina in novodobna industrija. Trenutni pristopi za povečanje nečloveških organizmov so močni, vendar na koncu omejeni na evolucijske meje biologije. Druga možnost je, da bi tako imenovano »bionično življenje« uporabljalo nebiološke supermateriale (npr. grafen ali druge posebne pametne materiale), ki bi novim organizmom dale nastajajoče lastnosti zunaj obsega evolucije. Supermateriali lahko že danes v številnih primerih zaščitijo organizem pred ostrimi in strupenimi okolji ter jim omogočijo, da živijo od običajno neprebavljivih molekul z novimi biokemičnimi reakcijami. Bionično življenje ima torej potencial za revolucijo na področjih, kot so farmacevtska industrija, sanacija strupenih odpadkov in potencialno celo potovanja daleč v vesolje in v ekstremnih povezavah človeka in strojev. Bionično življenje odpira tudi edinstvena filozofska in pravna vprašanja v zvezi z življenjem in evolucijo ter kako je treba regulirati in zaščititi negenetsko povečanje sistemov. Od nekdaj so ljudje izboljševali svoje pogoje za preživet-

[ 179 ]

je, tudi z zunanjimi izboljšavami. Na primer z uporabo oblačil, obutve, hiš, orožja in v zadnjem času, mobilnih telefonov, interneta, računalnikov, pametnih naprav, avtomobilov, vse do ekstremnih eksoskeletov. Prišli smo celo do točke, ko so notranje izboljšave, kot so bionično uho, bionične okončine, srčni spodbujevalniki in najrazličnejši implantabilni vsadki in umetni sklepi, razmeroma običajni za obnovitev funkcije in izboljšanje vsakdanjega življenja. Vendar pa je bilo človeško prizadevanje za povečanje zmogljivosti v prvi vrsti osredotočeno nase in zelo malo drugih organizmov je imelo koristi od negenetskega povečevanja zmogljivosti. Človeštvo pa je kljub temu že oblikovalo organizme s selektivno vzrejo, v zadnjem času pa z neposredno gensko modifikacijo. To je lahko zato, ker je tehnologija napredovala in postajala vse bolj izpopolnjena, s tem se tudi Iščejo številni novi globalni izzivi z vedno bolj kompleksnimi rešitvami. Na primer, zajemanje ogljika se raziskuje z uporabo dragih in pogosto strupenih poroznih materialov, ko lahko drevesa opravljajo podobno funkcijo in dajo tudi trajnostni material (les). Drug razlog za počasno razširitev na druge organizme je, da je bilo do nedavnega izdelava naprednih materialov drag in zelo zapleten proces, ki se je pogosto zanašal na eksperimentalne pogoje, ki so sovražni večini življenjskih oblik. Na srečo smo zdaj v tem času dosegli točko, ko se lahko nestrupeni supermateriali hitro oblikujejo v pogojih, ki so primerni za življenje. Zaradi tega se je nedavno začelo pojavljati povečanje in izboljšanje organizmov z uporabo supermaterialov za oblikovanje »bioničnega življenja«.

[ 180 ]

Infografika 70 Ekstremna bionika se hitreje uresničuje, zaradi novih materialov in boljšega poznavanja bioloških sistemov

Nanobionika nove naprave za kognitivno izboljšanje in nastajajoča etična vprašanja uporabe Nanobionika se razumeva predvsem kot novo ožje specialno področje bionike, ki je povezano predvsem z nanotehnologijo, ki se uporablja v možganskih nanovsadkih, vmesnikih, nanoelektrodah in drugih tovrstnih napravah. Vpliv nanotehnologije na vsadljive (implantabilne) medicinske bionične naprave ali katere koli druge bionične naprave je mogoče najti na vmesnikih elektroda–celica. Splošno učinkovitost določa zmožnost prenosa elektronskih informacij prek takšnega vmesnika. Nanostruktura, prenesena na elektrode, igra ključno vlogo pri nadzoru [ 181 ]

kaskade dogodkov, ki določajo sestavo in strukturo takšnega vmesnika. Pri pogosto uporabljenih prevodnikih: kovinah, ogljiku (npr. grafenu in ogljikovih nanocevkah) ter organskih prevodnih polimerih so se v zadnjih letih pojavili številni novi pristopi, ki spodbujajo nadzor nad strukturo v nanodomeni, z naknadnimi študijami, ki so razkrile kritično odvisnost med nanostrukturo in celičnim vedenjem. Ker se še naprej razvija naše razumevanje, kako ustvariti in karakterizirati elektromateriale v nanodomeni, se pričakuje, da bo to močno vplivalo na razvoj bioničnih naprav naslednje generacije. Pojavlja se osredotočen napredek pri izdelavi nanostrukturiranih elektrod inelektrodnih matric, ki predstavljajo nove priložnosti na področju medicinske bionike. Strokovnjaki ocenjujejo tudi interakcije živih celic z nanostrukturiranimi elektromateriali, poleg tega pa poudarjajo nastajajoča orodja, ki se uporabljajo za nanofabrikacijo in nanokarakterizacijo izjemno pomembnih vmesnikov med elektrodo in celico. Nanobionske naprave za kognitivno izboljšanje funkcij so danes podvržene proučevanju etičnih izzivov, ki jih povzroča implementacija nanotehnologije v možganske naprave za izboljšanje lastnosti pri osebah z zdravimi možgani. To poglavje odpira razprave v petih korakih. Prvo predstavlja možganske vsadke in razpravlja o tem, kako lahko nanotehnologije spremenijo njihov status za namene izboljšanja.

Drugi korak raziskuje, ali bi lahko etiko nanobionskih naprav za namene izboljšanja kognitivnih sposobnosti pri zdravih (dovolj informiranih) osebah pomagalo s sklicevanjem na razlikovanje med zdravljenjem in izboljšanjem. Takšno razlikovanje bi lahko služilo za osvetlitev nadaljnjih smernic in politik. Tretji korak proučuje, ali načrti za nanobionske naprave za kognitivno izboljšanje povzročajo številne bistveno nove etične probleme, če jih uporabimo pri zdravih osebah. Četrti korak obravnava, ali nanobionske naprave, ki se uporabljajo za izboljšanje, vnašajo nove etične težave pri informirani privolitvi zdravih in ozaveščenih oseb.

Peti korak povzema predhodno etiko, ki jo je treba vzpostaviti, preden bo zdrav posameznik lahko podvržen procesu informirane privolitve za invazivno nanobionično možgansko intervencijo.

Metode za napajanje bioelektronskih in bioničnih naprav in razvojni izzivi na tem področju Pomembno področje in velik tehnološki izziv danes predstavlja učinkovito in varno ter zanesljivo napajanje vsadljivih, implantabilnih bioelektronskih in bioničnih naprav. Ker je vedno več naprav, ki se vgrajujejo v človeško telo, je tudi

[ 182 ]

vedno več potreb po zagotavljanju stabilnih virov električnega napajanja. Razvojne usmeritve pomenijo napajanje z baterijami, super kondenzatorji, brezžičnimi oblikami induktivnega napajanja in iskanja bioničnih pristopov generiranja električne energije znotraj telesa. Danes govorimo predvsem o zbiranju, shranjevanju in prenosu energije. Nadaljnja miniaturizacija bioelektronike in bionike s trenutne lestvice nekaj centimetrov se seli na mikroskalo in nanoskalo in obeta veliko razširitev vloge bioelektronike in bionike v medicini in sodobnem zdravstvu. Zlasti gre tu za naprave, ki lahko delujejo samostojno na lestvici enega milimetra ali manj, imenovane »mikronaprave in nanonaprave«, ki bi lahko v prihodnosti zagotavljale edinstvene zmogljivosti, ki danes še niso na voljo z obstoječimi tehnologijami. Predvsem je pomemben natančen dostop do fizioloških struktur v telesu, združljivost z minimalno invazivnimi tehnikami implantacije in izogibanje negativnemu odzivu telesa na tujek. Doslej so bile raziskane mnogoštevilne metode za uporabo pri napajanju biomedicinskih in bioničnih naprav, vendar sedanje tehnologije, ki temeljijo na doslej znanih pristopih, še ne izpolnjujejo vseh nujnih zahtev za avtonomno napajanje vseh mikronaprav in nanonaprav. Lahko pa dopolnjujejo vire energije za že obstoječe naprave z nenehnim napredkom. Nabiranje energije pod razumevanjem (EH – Energy harvesting) iz fizioloških procesov človeškega telesa postaja še eno pomembno področje. Fiziološki procesi, kot so presnova, dihanje, gibanje in cirkulacija, ustvarjajo različne oblike energije lokalno in globalno v človeškem telesu. Metode pridobivanja energije pretvarjajo mehanske, toplotne, bioelektrične in biokemične vire energije v električno energijo. Čeprav je bil v zadnjem desetletju dosežen pomemben napredek, te energetske metode na splošno dosegajo nizko proizvedeno energijo in jih bo treba še bistveno izboljšati, da bi izpolnili osnovne zahteve napajanja mikronaprav.

V procese izboljšanja se vedno bolj vključuje tudi bionika. Bionika se pojavlja v dveh različnih vlogah, prvič pri generiranju in zbiranju energije in drugič v vlogi bioničnih implantabilnih naprav, ki se vgrajujejo v človeško telo ali pa so povezani z mrežo telesnih senzorjev (bodyNET), ki ponuja možnosti za prihodnje diagnosticiranje bolezni, preventivno zdravstveno oskrbo, rehabilitacijo in zdravljenje. Kljub temu lahko danes zmožnost metod zbiranja energije za ustvarjanje energije v odsotnosti zunanjega vira, le dopolnjuje trenutne pristope prenosa in shranjevanja energije, da se podaljša življenjska doba in poveča zanesljivost napajanja mikronaprav. Sposobnost mikronaprav in nanonaprav je, da se integrirajo s telesom in ciljajo na natančne regije, ki bi lahko bile ključne za uresničitev glavnih ciljev v biomedicini, vključno z obsežnim kartiranjem možganske

[ 183 ]

funkcije, terapevtskim nadzorom funkcij organov z modulacijo perifernih živcev in lokalizirano dostavo zdravil s prostorsko in časovno natančnostjo. Napajanje predstavlja najbolj pereč tehnološki izziv, ki ovira realizacijo in klinično uporabo bioelektronskih mikronaprav. Čeprav je nedavni napredek v mikro- in nanotehnologiji omogočil izdelavo mikronaprav s sofisticiranimi zmožnostmi zaznavanja, aktiviranja in obdelave signalov, njihova sposobnost zanesljivega delovanja v telesu ostaja omejena z omejitvami obstoječe tehnologije napajanja, ki običajno vključuje še vedno arhitekture v centimetrskem merilu. Za omogočanje uporabe mikronaprav in nanonaprav v človeškem telesu je potreben razvoj novih metod za prenos, in zbiranje ter shranjevanje energije v kompleksnem in dinamičnem okolju človeškega telesa. Metode je mogoče razvrstiti glede na to, ali hranijo, zbirajo ali prenašajo energijo v napravo. Mikronaprave se trenutno lahko napajajo z metodami prenosa energije v določenih fizioloških regijah in z metodami shranjevanja energije v kratkem oz. omejenem času. Metode pridobivanja energije zahtevajo izboljšano zmogljivost, da bi bile povsem združljive s sodobnimi mikronapravami. Zahteva za moč bioelektronskih mikronaprav je sestavljena iz različnih funkcionalnih blokov za zaznavanje, obdelavo signalov, komunikacijo, aktiviranje in upravljanje energije. Poraba energije vsakega bloka se lahko razlikuje odvisno od omejitev, ki jih določi aplikacija.

[ 184 ]

Infografika 71 Različni pristopi pridobivanja el. energije za napajanje mikro‐ in nanonap‐ rav v medicini in bioniki

Za napajanje vsadkov se torej uporabljajo različne metode in pristopi ter viri energije. Ustvarjanje s termoelektriko pomeni, da so toplotni gradienti, ki nastanejo z normalnim metabolizmom, izkoriščeni za napajanje naprav. Pretvorba je odvisna od termoelektričnega učinka, zmogljivosti naprav in od temperaturnega gradienta, lastnosti materialov in konfiguracije energetskih modulov. V telesu se napajajo tudi zaznavalne naprave (najrazličnejši senzorji), ki pretvarjajo fiziološke aktivnosti v električne signale. V sklop naprav, ki se vgrajujejo v človeško telo in se napajajo z različnimi električnimi viri, sodijo tudi sistemi za brezžično komunikacijo. Gre za različne sisteme, ki so ključnega pomena za prenos senzorskih podatkov ali nadzornih navodil. Prav tako gre v kontekst vseh teh sistemov vključiti tudi metode prenosa energije. Ti prenosi temeljijo na prenosu elektromagnetne ali mehanske energije skozi nedotaknjeno biološko tkivo. Količina moči, ki jo je mogoče prenesti, je omejena s fizikalnimi lastnostmi tkiva, kar lahko povzroči segrevanje, nespecifično stimulacijo ali druge škodljive učinke nad varnostnimi pragovi. Svetloba lahko prav tako neposredno dovaja energijo v človeš-

[ 185 ]

ko telo z vsestransko nastavljivostjo in se prek fotovoltaičnega učinka pretvori v električno energijo. Akustične metode na splošno delujejo pri ultrazvočnih frekvencah zaradi svoje varnosti, zmožnosti osredotočanja in klinične razširjenosti slikanja. Elektromagnetne metode za prenos energije segajo od kvazistatičnih do mikrovalovnih frekvenc, ki sodelujejo s tkivom in napravo prek različnih mehanizmov. Čeprav obstajajo pomembni izzivi, ki ostajajo pri učinkovitosti, robustnosti in dosegu, so se te metode prenosa energije uspešno uporabljale za napajanje in delovanje mikronaprav v številnih konfiguracijah in aplikacijah. Nadalje, sevalni pristopi uporabljajo elektromagnetne valove za prenos energije. Valovna narava elektromagnetnih polj postane pomembna, ko je valovna dolžina manjša od obsega človeškega telesa, na splošno, ko delovna frekvenca presega približno 500 MHz. Tako električna kot magnetna komponenta sevalnega polja sta pomembni z razmerjem, ki ga določa medij širjenja, neodvisno od zasnove vira.

Naprave, ki so implantirane blizu površine telesa, se lahko napajajo z radiofrekvenčnimi valovi celo na daljavo. Kljub številnim različnim načinom napajanja, ki se razvijajo, je trenutno mogoče bioelektronske in implantabilne bionične mikronaprave napajati le v omejenih okoliščinah. Kratkotrajno aktivno delovanje je možno z baterijami, superkondenzatorji in v specifičnem okolju želodca z galvanskimi celicami. Dolgoročno delovanje mikronaprav je trenutno mogoče doseči v določenih konfiguracijah z uporabo ustreznih pristopov prenosa energije. Na nekaj milimetrih pod kožo lahko skoraj infrardeča svetloba in magnetna indukcija preneseta uporabne ravni moči na mikronaprave. Obseg se lahko varno razširi na približno 5 cm globoko z uporabo sevalnih pristopov, ki osredotočajo elektromagnetno polje znotraj telesa. Ultrazvočni prenos energije obljublja zmožnost zagotavljanja višje gostote moči, vendar bo napredek demonstracije v človeškem merilu zahteval premagovanje izzivov pri razprševanju in zanesljivosti sistemov.

Razvoj sistemov, ki lahko prilagodljivo preoblikujejo porazdelitev polja v telesu kot odziv na fiziološke spremembe in jih je mogoče udobno nositi na telesu, predstavlja pomembno raziskovalno smer za izboljšanje učinkovitosti prenosa energije in robustnosti. Združevanje vseh pristopov prenosa energije s tehnologijami zbiranja in shranjevanja zagotavlja obetavno smer za zanesljivo napajanje mikronaprav in nanonaprav po celotnem človeškem telesu.

[ 186 ]

Ali na dolgi rok pomeni nanobionično življenje realnost?

Nanobionično življenje (nano-bionic life), ali svetla prihodnost zunaj evolucije, kot so ga poimenovali nekateri raziskovalci Univerze v Melbornu v Avstraliji, vsekakor to v osnovi pomeni izboljšanje preprostih organizmov s pametnimi materiali in to tako, da lahko dosežejo napredek zunaj področja, kar sicer biologija dopušča. Ključna točka inženirskega bioničnega življenja je, da se bionične prevleke lahko nanašajo tudi na sintetično biologijo in gensko spremenjene organizme, kar pomeni, da bionično življenje dopolnjuje obstoječe metodologije in organizme. Rezultat je lahko bolj splošen ali razširjen pristop k reševanju številnih problemov. Bionične življenjske oblike primerjajo z ljudmi tako v vesoljskih oblekah kot v posebnih zaščitnih oblekah za ekstremne pogoje delovanja.

Vesoljska obleka na primer nima neposrednega biološkega ali evolucijskega ekvivalenta in hkrati opravlja dve neverjetni funkciji: ščiti uporabnika pred težkimi razmerami v vesolju (npr. mraz, vakuum, sevanje) in uporabniku zagotavlja novo funkcionalnost (npr. pogon, hidracija, odpadki, odstranjevanje, kroženje zraka, čiščenje CO₂ itd.). Poleg tega je vesoljske obleke razmeroma enostavno obleči in sleči in so celo primerne za druga živa bitja. V bolj abstraktnem smislu integracija supermaterialov s preprostimi organizmi razteza naše trenutne definicije o tem, kaj vse sestavlja naše življenje. Seveda pa se s hitrim tehnološkim razvojem odpirajo številna nova vprašanja, ali na primer virusi postanejo »živi«, če se uporabijo supermateriali, da postanejo presnovno bolj aktivni in sposobni razmnoževanja v odsotnosti celic? Kljub temu pa je že danes jasno, da spreminjanje konceptualnih izboljšav z uporabo supermaterialov in nanomaterialov izboljšuje številne lastnosti in na neki način omogoča razvoj tako imenovanega bioničnega življenja. Prvi korak pri ustvarjanju tega je lahko izdelava reverzibilnih zaščitnih premazov okoli celic in organizmov, kar se v naravi običajno doseže s sporulacijo. Sporulacija je proces, kjer nekatere bakterije in glive ustvarijo zaščitne obloge, ko so okoljske razmere preveč ekstremne (suša, sevanje itd.). Te prevleke se nato razgradijo, ko se okoljske razmere normalizirajo, potem pa organizem ponovno začne normalno delovati. Reverzibilna zaščita celic s sintetičnimi materiali (polimeri, grafen, kovinsko-organski sistemi itd.) za izdelavo umetnih spor se v zadnjem desetletju vse bolj uveljavlja na področju inženiringa nanomaterialov. Vsekakor se pričakuje, da bo razvoj bionike v nekoliko oddaljeni prihodnosti prinesel pomembne rešitve za probleme, ki jih danes še ne znamo dovolj učinkovito reševati.

[ 187 ]

Infografika 72 Bionika postaja konvergenca različnih entitet

Kognitivna tehnologija in področje kognitivne biotehnologije To področje, ki bo na kratko opisano v nadaljevanju, odpira številna aktualna vprašanja, ki bi jih morali poznati ali o njih biti vsaj dovolj dobro obveščeni oz. informirani. Kognitivna biotehnologija prinaša priložnosti, izzive in premisleke tudi za Natovo zavezništvo, kar izkazujejo njihovi javno dostopni dokumenti. Ker je Slovenija del zavezništva, so ti podatki pomembni tudi za nas in za razumevanje tehnološkega razvoja, ki je povezan s področjem kognitivne biotehnologije in v njej integrirane bionike. Napredek v biofizikalnih, biokemičnih in vedenjskih

[ 188 ]

tehnologijah in bioničnih, začenja spreminjati našo percepcijo v današnjo resničnost. Razvoj namreč ponuja razburljive možnosti, obenem pa sproža vprašanja v zvezi z etiko in odgovorno uporabo tehnologij. Zavezništvo (NATO) se sooča z vrsto pomembnih priložnosti v nastajajočih in revolucionarnih tehnologijah.

Področje kognitivne biotehnologije (CBT – Cognitive Biotechnology) je namreč nastajajoče področje s širokimi vplivi za gospodarsko in vojaško konkurenčnost članic zavezništva. Danes je vedno bolj izpostavljena umetna inteligenca in razvoj na tem področju bo pospešil in ustvaril zahteve za dinamično sprejemanje novih tehnologij kot osredotočenost na njihovo odgovorno upravljanje. CBT je sposobnost tehnologije, da izboljša človeško razmišljanje, zaznavanje, usklajevanje in delovanje v fizičnem in družbenem okolju. S CBT lahko našo učinkovitost, običajno omejeno z mejami človeške fiziologije, zdaj celo razširimo in povečamo z biofizikalnimi, biokemičnimi ali bioinženirskimi in bioničnimi sredstvi. Področje CBT je sicer še precej v povojih, vendar so njegove posledice lahko obsežne in daljnosežne. Na primer, v zadnjem desetletju so znanstveniki precej natančno združili možganske signale s strojnimi vmesniki, da bi ustvarili protetiko, ki jo nadzoruje um, in že omogočili miselni vpliv na delovanje pametnih naprav in strojev. Pred kratkim so ta tok informacij naredili dvosmernega in ustvarili protetiko, ki lahko zdaj občuti občutke in te občutke pošlje nazaj v možgane. Če ljudje lahko z mislimi preko vmesnika sprožijo neko napravo v gibanje ali z njo miselno upravljajo, smo se že premaknili čez meje lastne fiziologije. Poleg tega, če so ti stroji mobilni in lahko komunicirajo z našimi umi na daljavo, potem smo svoj doseg razširili preko lastnih fizičnih meja. Če je CBT sposoben motivirati, omogočiti in celo nadzorovati človeško odločanje in delovanje, kje se konča individualna odgovornost? Ali so vojaki odgovorni za svoja dejanja, ko so pod vplivom napredne CBT, in pod kakšnimi pogoji? V zvezi s tem, kako zavezništvo zagotavlja zadostno soglasje za uporabo CBT za posameznike, ki so zadolženi za uporabo tehnologije? Te tehnologije so lahko invazivne, tako fiziološko kot mentalno, in lahko povzročijo škodo, zlasti ker ne razumemo v celoti njihovih nenamernih kognitivnih in bioloških posledic. Poleg tega se bodo pojavili pomembni pomisleki glede zasebnosti, ko bodo te tehnologije lahko vstopile v naše misli in videle naše najbolj zasebne misli in spomine. Kakšne so meje takšnih idej in iskanj? In kakšna je zaščita za fiziološke in kognitivne podatke in kdo lahko shranjuje in nadzoruje njihovo razširjanje ali povzroči njihovo brisanje? Na splošno, kakšno zaščito bomo imeli pred potencialnim nadzorom uma, kognitivnega izbrisa in reprogramiranja? Uspeh zavezništva s CBT bo odvisen od dobro zasnovanih načel in praks v zvezi s temi etičnimi premisleki,

[ 189 ]

saj bosta sprejetje in integracija teh tehnologij temeljila na soglasju in sprejemanju zavezniških vlad in njihovih družb na splošno. Tako kot v primeru umetne inteligence bodo morale zavezništvo in vlade članic razviti načela odgovorne uporabe, ki bodo obravnavala vprašanja, kot so zasebnost, privolitev, zakonitost, odgovornost in možnost upravljanja.

Ko se danes že razmišlja o možnosti široke uporabe CBT, bi nam naj pri tem pomagal razlikovati med tremi širokimi področji uporabe tako imenovani »3R«, ki definira: obnovi, dvigni in zamenjaj. Okrevanje vključuje popravilo ali rehabilitacijo kognitivnih in bioloških okvar, ki preprečujejo učinkovito delovanje tako duha kot telesa. Cilj je vrniti sposobnosti na osnovno funkcionalnost. Aplikacije vključujejo pomoč poškodovanim vojakom, da si opomorejo fizične sposobnosti; zdravljenje travmatske poškodbe možganov; zdravljenje posttravmatske stresne motnje (PTSD); okrevanje ali (v primerih travmatskega stresa) zatiranje spominov; ter ponovno vzpostavitev funkcij odločanja in izvrševanja. Novi pristop vključuje povečanje in izboljšanje kognitivnih in fizioloških funkcij mimo posameznikovega naravnega izhodišča, s čimer vpliva na dramatične spremembe operativne učinkovitosti, pripravljenosti in usposabljanja. Aplikacije vključujejo izboljšanje čutov (kot je daljše videnje ali bolj oster sluh); hitrejša obdelava informacij; hitrejše in učinkovitejše odločanje; učinkovitejše učenje in usvajanje jezika; ter večji fizični napor in vzdržljivost. Kar velja za posamezne sposobnosti, bi lahko podobno veljalo tudi za skupine. CBT bi lahko uporabili za dvig zmogljivosti enot s pomočjo porazdeljene inteligence, to pa pomeni, da vsi člani enote vidijo in vedo, kaj vidi in ve vsak posamezni član, s čimer se zmanjša, kot pravijo, »vojna megla« in izboljšalo bi se hitro odločanje ter omogočilo hitrejše pridobivanje in asimilacijo novih tehnik in tehnologij boja. Zamenjava vključuje izboljšanje (in po možnosti zamenjavo) duševnih in fizičnih funkcij, ki presegajo meje človeškega potenciala. Senzorične povezave bi lahko nadomestili z računalniškimi vmesniki, zaradi česar bi bile človeške zmogljivosti neodvisne od njegovih petih naravnih čutil. Verbalno komunikacijo bi lahko nadomestila računalniško podprta telepatija ali poseben prenos podatkov. Fizično akcijo bi lahko nadomestili oddaljeni roboti ali brezpilotna letala, ki jih usmerja um operaterja. To je morda najbolj futuristična oblika izboljšave, saj večina raziskav in razvoja nastaja v naravi. Pomembno je omeniti, da ta oblika izboljšanja ne odstrani popolnoma človeške interakcije, sicer bi bila to preprosto še ena oblika avtomatizacije; v resnici gre za združitev človeške biologije, nevrobionike in mehanske aktivacije.

Seveda pa razvoj CBT ni namenjen samo vojaškemu področju, ampak vključuje tudi civilno sfero, zdravstvo, medicino in novodobno industrijo. Izpostavljene

[ 190 ]

razvojne možnosti so še kako povezane z bioniko. Mogoče je nedolžna oblika razvoja pametne bionične protetike, vsadkov in vmesnikov omogočila razvoj novih tehnologij, o katerih se v preteklosti ni veliko razmišljalo. Seveda razvoj novih tehnologij in vključenosti bionike ne pomeni nujno nekaj slabega, vsekakor pa se ob tem razvoju odpirajo številna vprašanja, tako življenjska, pravna, etična in druga.

Ali smo sploh pripravljeni, da bi nam tehnologije, tudi s pomočjo bionike, spreminjale življenje? Čeprav je v vsebini knjige o bioniki veliko povedanega, je treba v zaključku te knjige nekatere stvari še dodatno osvetliti. Bionika kot rečeno v grobem vključuje različne sisteme, in sicer: biomorfno (npr. nevromorfno) in biološko navdihnjene elektronske/optične naprave in avtonomne umetne (senzorskoprocesorske-aktivatorske) proteze in različne naprave, vgrajene v človeško telo in živo umetne interaktivne simbioze, npr. naprave ali roboti, ki jih nadzorujejo možgani. Kljub omejevalni uporabi izraza »bionika« v popularni kulturi, pa tudi neizpolnjene vse obljube na področju nevronskih mrež, umetna inteligenca, mehko računalništvo in drugo, je bilo dogovorjeno, da ima bionika svojo posebno in pomembno vlogo, ki jo vsi opredeljujejo tudi kot biološko navdihnjeno informacijsko tehnologijo in v nekaterih publikacijah se predlaga tudi info-bionika. Ni tudi skrivnost, da se prav s pomočjo bionike razvijajo tudi posebni bionični čipi, ki bi lahko v prihodnosti pomembno vplivali na medicino, zdravstvo, še zlasti na področju nevrodegenerativnih bolezni. Bionski čip z izjemno nizko porabo energije je kandidat za zdravljenje Alzheimerjeve bolezni. Alzheimerjeva bolezen je nevrodegenerativna bolezen, ki vključuje progresivno odmiranje nevronov s kognitivnimi, vedenjskimi in motoričnimi posledicami; je kot odvzem duše prizadetemu, uničujoče ne le za bolnike, ampak tudi njihove družine. Alzheimerjevo bolezen je še vedno težko zdraviti, vendar raziskovalci raziskujejo nove nanotehnološke rešitve v kombinaciji z nevrobioniko, ki bi lahko pomagale izboljšati kakovost življenja obolelih. Mednarodna raziskovalna skupina pod vodstvom znanstvenikov z britanske Univerze Bath v Združenem kraljestvu (UK) je ustvarila prve umetne nevrone v laboratoriju, miniaturne naprave, namenjene popravljanju živčnih vezij in obnavljanju izgubljenih funkcij. Znanstveniki nameravajo uporabiti takšne bionične čipe za zdravljenje srčnih in nevrodegenerativnih bolezni. Glede na študijo iz leta 2016, ki jo je izvedel Trust Source, nekdo razvije

[ 191 ]

Alzheimerjevo bolezen vsakih 66 sekund. Skupno analitiki ugotavljajo, da približno 5,4 milijona odraslih živi s to boleznijo. Zanjo je značilna progresivna izguba spomina in degradacija drugih kognitivnih funkcij, ki poslabšajo opravljanje vsakodnevnih dejavnosti. Trenutno ni zdravila, čeprav obstajajo klinična zdravljenja, ki lahko podaljšajo čas, ko so posamezniki sposobni opravljati vsakodnevne dejavnosti. Električne lastnosti bioloških celic so že dolgo proučevane za razumevanje znotrajcelične dinamike. Težave pri merjenju mikroskopskih parametrov, ki nadzorujejo dinamiko ionskih tokov, in nelinearnost ionske prevodnosti so doslej ovirali prizadevanja za izgradnjo kvantitativnih računskih modelov. To otežuje ustvarjanje nevromorfnih naprav, ki bi lahko ponovile natančen odziv biološkega nevrona. Vse večja pozornost bioelektroniki, ki se vsadi kot implantant, za zdravljenje kroničnih bolezni usmerja tehnologijo k nizko zmogljivim polprevodniškim analognim napravam, ki natančno posnemajo bio-vezja. Analogna asinhrona elektronika je najbolj obetaven način za takojšnjo integracijo surovih živčnih dražljajev, ne glede na velikost in kompleksnost sistema. Poleg tega so se nedavna prizadevanja za izgradnjo kvantitativnih nevronskih računalniških modelov osredotočila na posplošitev modela Hodgkin-Huxley (HH) na večkanalne modele. Ekipa znanstvenikov z Univerze v Bathu je tesno sodelovala s kolegi s švicarske univerze v Zürichu, Univerze v Aucklandu na Novi Zelandiji in z nekaterimi italijanskimi raziskovalci. Skupaj so zasnovali prve umetne nevrone, namenjene obnavljanju funkcij, ogroženih zaradi različnih nevrodegenerativnih bolezni, kot sta Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen. Študija je bila objavljena v reviji Nature Communications. Na katerem koli območju, kjer je prisotna kakšna oblika degenerativne bolezni, kot je Alzheimerjeva bolezen, ali kjer nevroni prenehajo delovati pravilno zaradi starosti, bolezni ali poškodbe, bi teoretično lahko zamenjali biološko vezje s sintetičnim vezjem. Čipi, ki jih je izdelala ekipa na Univerzi v Bathu, so miniaturne naprave na osnovi silicija, oblikovane po bioloških ionskih kanalih, ki posnemajo »funkcije« resničnih nevronov. Cilj je, da ti čipi popravijo škodo, ki jo povzročijo degenerativne bolezni, in obnovijo glavne vitalne funkcije živčnih vezij. V praksi predstavljajo povezovalne mostove tam, kjer je prekinjen živčni kanal. Ti vsadki kot čip porabijo ekstremno malo energije, le pribl. 140 nanovatov. Izjemno nizka poraba energije je pomembna, ker pomeni, da lahko čip deluje brez baterije in se v celoti zanaša na pridobivanje energije. Naslednji cilj znanstvenikov bo proučiti manj invazivne in nekirurške metode za uporabo globoke možganske stimulacije, da bi ljudem z Alzheimerjevo boleznijo olajšali dostop do tega zdravljenja, kar bo olajšalo podporo izvajanju umetne inteligence. Nevroni v trdnem stanju ali bolje

[ 192 ]

rečeno kot tok elektronov, se odzivajo skoraj identično na biološke nevrone pod stimulacijo s širokim naborom trenutnih algoritmov, ki simulirajo možgansko okolje. Prihodnji izzivi bodo zagotovo zadevali učinkovitost odziva in izboljšanje modela z orodji globokega učenja. Prvi silicijevi nevroni so primer tako imenovane bioelektronske medicine oz. nevromedicinske bionike, ki z umetnimi materiali posnema naravna vezja in procese. Izpostavljena tematika povezana z razvojem umetnih čipov pomeni tehnološki preskok za implementacijo v medicini.

Poleg tega obstaja možnost namestitve GPS in drugih krmilnih rešitev za več pomembnih parametrov. Vse to omogočajo prednosti mikroelektronike in ultranizke energetske rešitve. Čipi lahko ob določenem času aktivirajo različne signale in merijo srčni utrip, merijo krvni tlak, raven glukoze v krvi in drugo. Skratka, pot do popolnega zdravljenja najhujše bolezni vseh časov postaja vse bolj učinkovita. Napredek bionike, nanoelektronike nas spreminja v digitalna človeška bitja, pa če se tega zavedamo ali ne. Možnosti uporabe naravnih in konvergenčnih tehnologij, preko nano-, bio-, informacijske, kogno in družbene (NBICS) tehnologije spreminjajo naš pogled na svet in na našo prihodnost.

Bionika in izobraževanje v okviru držav EU V EU se izobraževalni programi bionike nekaterih držav med seboj precej razlikujejo, še zlasti visoko strokovni študiji od univerzitetnih študijev. Skupen cilj jim je predvsem izobraževanje iz procesov, sistemov in funkcij, ki jih najdemo v naravi, da bi navdihnili nove naprave in našli inženirske rešitve. Skozi desetletja sta se poudarek in zagon raziskav bionike premaknila z materialov na razvoj tehnologije, še zlasti v zadnjih desetih letih. V bližnji prihodnosti se bo bionika razvijala tako, da bo brezhibno povezovala žive organizme z inženirskimi napravami za izboljšanje kakovosti življenja in funkcionalnosti živih organizmov izkazuje npr. izobraževalni program Univerze Radboud Nijmegen na Nizozemskem.

Ker je program zanimiv, povzemam del njihovih izobraževalnih tem in usmeritev. Izobraževanje na področju bionike se bo moralo prilagoditi spreminjajočim se potrebam družbe, industrije, gospodarstva, zdravstva, medicine, energetike in drugega. Po mnenju omenjene univerze se bodo diplomanti morali odlikovati v opazovanju in poseganju v biološke organizme za razvoj bioničnih tehnologij naslednje generacije. Ker je bionika v svojem bistvu uporabna znanost, bodo morali biti tudi njeni diplomanti dobro usposobljeni za prenos in implementacijo rezultatov svojih raziskav v ekonomsko izvedljive izdelke. Raziskovalne teme

[ 193 ]

podiplomski program omenjene univerze ponujajo raziskovalne možnosti v štirih komplementarnih temah: bioelektronika, biomimetika, nevrobionika in optoelektronika. Raziskave v bioelektroniki zajemajo uporabo elektronike v bioloških procesih. Ključni vidik te interakcije je uporaba mikro- in nanoelektronike za povezavo z biološkimi materiali. Praktična uporaba bioelektronskih raziskav vključuje (vendar ni omejena samo na bionične proteze) biokompatibilno mikroelektroniko, bionične aktuatorje, bionične senzorje in razna hibridna vezja.

Vemo, da je biomimetika navdihnjena iz narave in njena organizacijska in operativna načela se prenašajo v sisteme in naprave. Vse pogosteje se biomimetika navezuje na bioniko in uporablja podobna načela za optimizacijo sistemov pri upravljanju. Zaradi svojega pristopa, usmerjenega v aplikacije, so raziskave v biomimetiki idealno primerne za razvoj novih (pametnih) biosenzorjev, pametnih površin, avtonomnih navigacijskih robotov in naprav za daljinsko zaznavanje in drugo. Cilj novonastajajočega področja nevrobionike je ponoviti procesiranje informacij, komunikacijo in shranjevanje funkcij živčnega sistema v umetnih napravah in v programski opremi. Nastali mikrosistemi se lahko integrirajo z biološkimi organizmi, da nadomestijo okvarjene ali poškodovane dele živčnega sistema, ali jih drugače uporabijo kot napravo za napredno obdelavo informacij.

Nevrobionika je tesno povezana z bioelektroniko, biomimetiko in vse bolj z optoelektroniko, zlasti pri razvoju in implementaciji novih senzorjev z vsadljivimi mikrosistemi, pa tudi s svetlobno posredovanim nadzorom nevronske aktivnosti, ki bo nekoč služila kot edinstven način za nadzor možganskih funkcij. Druge izobraževalne institucije v izobraževalne programe vključujejo tudi področja bioničnih vsadkov, mikro- in nanofluidne sisteme, razvoj novih vezji, npr. memristorskih, biomemristorskih, nadalje povezanost bionike z robotiko, pametnimi napravami, biološkimi vmesniki in drugim. Skupno pri vseh izobraževalnih programih bionike v tujini je povezljivost s sorodnimi področji in izobraževanje za razvoj novih izdelkov in inovacij. Vsekakor pa se izobraževalni programi nekaterih izobraževalnih institucij že zdaj usmerjajo v NBIC tehnologije.

V bioniki raziskave v glavnem niso usmerjene v smeri »Blue skies research« oz. v raziskave modrega neba. Raziskave modrega neba (imenovane tudi znanost o modrem nebu) so znanstvene raziskave na področjih, kjer aplikacije v »resničnem svetu« niso takoj vidne. Včasih se uporablja zamenljivo z izrazom »temeljne raziskave«. Zagovorniki tega načina znanosti trdijo, da so nepričakovani znanstveni preboji včasih bolj dragoceni od rezultatov raziskav, ki temeljijo na agendi, ki napovedujejo napredek v genetiki in biologiji, kot primera nepredvidenih koristi raziskav, ki so bile prvotno obravnavane kot zgolj teoretične. Zaradi same

[ 194 ]

po sebi negotove donosnosti naložb so projekti modrega neba včasih politično in komercialno nepriljubljeni in nagnjeni k izgubi sredstev zaradi raziskav, ki veljajo za bolj zanesljive, donosne ali praktične. Bioniko uvrščajo sicer na področje, ki bi moralo biti precej aplikativno, polno inovacij in izjemno koristno za zdravstvo, medicino in industrijo.

Infografika 73 Kompleksna in celovita grafična predstavitev bionike in bioničnih naprav ter sistemov

Spretnosti in veščine v bioniki so ključnega pomena, to potrjujejo tudi mednarodni izobraževalni programi. Strokovnjak za bioniko mora znati iz naslova bioetičnih načel analizirati strukture, funkcije, spremembe in medsebojno povezanost z biološkimi sistemi iz naslova interdisciplinarnih osnov, še zlasti med biomedicinskim in tehnološkim razvojnim področjem. Mora znati natančno identificirati, meriti in definirati spremenljivke, medtem ko analizira biološke sisteme, da bi oblikoval matematične modele. Uporabiti mora znati dinamične analogije za [ 195 ]

preoblikovanje matematičnih modelov, ki nastanejo med poglobljenim raziskovanjem bioloških spremenljivk v inženirskih modelih, ki so dovzetni za nadzor in simulacijo. Uporabiti mora znati orodja za načrtovanje, simulacijo in analizo za ustvarjanje bioničnih in biomimetičnih materialov z uporabo naprednih proizvodnih tehnologij. Prav tako mora poznati bionične in biomimetične materiale in primerjave z njihovo prenosno funkcijo in z biološkim analogom, iz katerega je bil ustvarjen. Uporabiti mora znati bionične in biomimetične sisteme za iskanje rešitev za inženirske probleme, da bi zadovoljili tehnološke zahteve družbe, s čimer bi vzpostavili harmonijo in trajnostni razvoj kot temeljne premise. Strokovnjak bionike mora imeti raziskovalno sposobnost, morajo ga zanimati nove raziskovalne metode in tehnike povezane s proučevanjem bioničnih in biomimetičnih modelov. Vsekakor pa mora imeti pozitivni odnos do zaščite narave, naravnih virov in širšega okolja. Od inženirja se v mednarodnih učnih programih pričakuje, da bo znal načrtovati, razviti in izdelovati tehnološke izdelke, podobne biološkim sistemom, podobne umetne naprave z morfološkim ali funkcionalnim obnašanjem in razvojem. Inženiring v bioniki se torej obravnava kot skupina interdisciplinarnih znanj, katerih cilj je ustvariti umetne sisteme, ki reproducirajo značilnosti in strukture živih organizmov.

[ 196 ]

Zaključek Knjiga je namenjena širšemu razumevanju bionike, razvoju na tem področju in izobraževalnim smernicam. Knjiga ilustrira bioniko kot vedo, ki prinaša velike spremembe na področju industrije, medicine, zdravstva in drugih področij. Izpostavlja bistvo, da bionika človeka vrača k naravi. Za zaključek lahko strnem misli, da biološka bionika res proučuje procese, ki se pojavljajo v bioloških sistemih, teoretična bionika gradi matematične modele teh procesov, tehnična bionika pa uporablja modele teoretične bionike za reševanje inženirskih rešitev. Za bioniko verjetno ne bo nikoli obstajal univerzalni učbenik, ampak bo treba to znanje pridobiti skozi proces vseživljenjskega izobraževanja in učenja, še zlasti iz bogate zakladnice narave. Vsekakor je v bioniki v središču dogajanja človek in tehnologije, ki so z njim povezane, tehnologije, ki vplivajo na področje zdravstva, medicine in drugih področij. Ter seveda interakcije človeka z okoljem, tako naravnim kot umetnim. Knjiga bralcu odpira možnost dojemanja celovitosti bionike in njenih povezav s sorodnimi vedami. V knjigi sem namerno izpustil splošne razlage o bioniki in preproste primere iz narave, ki jih običajno številni raziskovalci predstavljajo v svojih predstavitvah. Bionika je veliko več kot le preprosto posnemanje in kopiranje narave, predvsem pa je bionika pomembna kot veda, ki spreminja naše poglede na industrijo prihodnosti, na medicino in zdravstvo, ter še na številna druga področja. Danes je povsem jasno, da se nas tehnologija dotakne v vseh pogledih in je bistveno spremenila naše navade glede tega, kako komuniciramo s svetom. Ta vidik ni bil enostranski. Povratni tok informacij je zdaj postal tako velik, da preveč podatkov včasih postane ovira pri odločanju. Bionika skuša tudi na tem področju najti rešitve, predvsem z razvojem bioničnih algoritmov in v iskanju konvergence entitet: človek, družba, narava in tehnologija.

[ 197 ]

Priznanja

Priznanje Institut "Jožef Stefan"

Priznanje dekana FERI-UM

[ 198 ]

Priznanje Univerze v Mariboru

Priznanje OZS

[ 199 ]

Priznanje Kemijskega inštituta v Ljubljani

[ 200 ]

Priznanja Janezu Škrlecu za povezovanje gospodarstva in znanosti

[ 201 ]

Priznanje Univerze v Ljubljani - FE

Slika 16 Priznanja podeljena za prenos novih tehnologij in raziskovalnih dosežkov iz akademsko‐znanstvene sfere v gospodarstvo in za uspešno povezovanje gospodarstva in znanosti.

[ 202 ]

Uporabljene kratice ACO

Ant Colony Optimization

AD

Additive Maufacturing

AGI

Artificial general intelligence

AGV

Automatic guided vehicle

AI

Artificial intelligence

ALM

Additive Layer Manufacturing

ANN

Artificial neural networks

APTN

Artificial perception, and transmission nerve

ARG

Air Retaining Grids

ATA

Artificial Tribe Algorithm

ATD

Anthropomorphic test devices

BAS

Bionic Assembly System

BB

Bionic Brain

BBCE

Bionic Brain Classified Engineering

BCBB

Born-Child Bionic Brain

BCG

Boston Consulting Group

BCG

Boston Consulting Group

BCI

Brain-computer interfaces

BDTH

Bionic Design Thinking Model

BIMS

Bio-Inspired Manufacturing System

BioARS

Bionic Assembly Robotic System

BioMEMS

BioMicro Electro Mechanical System

BIOS

Bionic Intelligent Optimization Algorithm

BLN

Bionic Learning Network

BMA

Bionic Mobile Asistent

BMAV

Biomimetic Air Vehicles

BMI

Brain-machine interfaces

BMI

Brain–machine interfaces

BPM

Business Process Management

[ 203 ]

BSF

Bionic representation, Relation, Emulation, Engineering specifications and Design Bionic Silk Fibroin

BT

Bionic technology

BTLSS

Bionic Through-life Sensing System

CAB

Computer-Aided Biomimetics

CAD

Computer-Aided Design

CAM

Computer-Aided Manufacturing

CBT

Cognitive Biotechnology

CNS

Central neural system

DARPA

Defense Advanced Research Projects Agency.

DDP

Digital data platform

DNA

Deoxyribonucleic acid

DST

Digital and bionic Scent Technology

DT

Digital Twins

DTB

E2E

Digital Twin Bionics Bionic-Intelligent Scheduling Algorithm for Distributed Power Generation System End to End (concepts in Supply Chain Management)

EBID

Electron-beam-induced deposition

EH

Energy harvesting

EMG

Electromyography

EPS

xtracellular polymeric substances

ERP

Enterprise resource planning

FEA

Finite element analysis

GBMR

Global Bionics Market report

GNSS

Global navigation satellite system

GOCM

Graphene-organic composite materials

HB

Human bionics

HBS

Hybrid Bionic System

HBS

Hybrid bionic systems

BREED

DWMFO

[ 204 ]

HCPS

Human-cyber-physical systems

HI

Hippocampus implant

HMI

Human-Machine Interfaces

HRC

Human-robot collaboration

IAM

Intelligent Adviser Module

IB‐GA

Intelligent bionic genetic algorithm

IBM

Intelligent Biomedical Microfluidics

IBOA

Intelligent Bionic Optimization Algorithm

IC

Internal clock

iHMI

Intelligent Human Machine Interface

IIoT

Industrial internet of things

INS

Inertial navigation system

IoB

Internet of bodies

IVD

In Vitro Diagnostics

KPI

Key Performance Indicators

LHS

Latent heat storage

LOC

Lab-on-a-Chip

LTE

Long Term Evolution

M2M

Machine-to-machine

MAC

Media Access Control

MAV

Micro Air Vehicle

MBB

Mimic Bionic Brain

MEMS

Micro-electro-mechanical systems

MIT

Massachusetts Institute of Technology

MMAS

Multi modulus algorithm swarm

MMG

Mechanomyography

NAV

Nano Air Vehicle

NBIC

Nano-bio-info-cogno

NDT

Non-destructive testing

NED

Neuro Embodied Design

[ 205 ]

NEMS

Nanoelectromechanical systems

OER

Oxygen-evolution reaction

OoC

Organs-on-Chips

OR

Olfactory receptors

PCM

Phase change material

PCO

Pulse-coupled oscillators

PCR

Polymerase chain reaction

PIV

Particle Image Velocimetry

PNS

Peripheral neural system

POCT

Point-of-care Testing

PSL

Polarized skylight

RAS

Robotics and Automation Society

RIA

Robotic Industries Association

RMIT

Royal Melbourne Institute of Technology

SE

Salvinia Effect

SF

Silk Fibroin

SLS

Selective laser sintering

SON

Self-organized networking

SRIA

Strategic Research and Innovation Agenda

SRMDE

Self-balancing robot multi-dimensional decision-making evaluation

tDCS

Transcranial direct current stimulation

µTAS

Micro Total Analysis Systems

VDI

Verein Deutscher Ingenieure

VNS

Visual navigation system

VOC

Volatile organic compounds

[ 206 ]

Seznam slik Slika 1 Razvojni ekponatov – bionični kolenski in kolčni sklep s senzorji in elektronskim vezjem ....................................................................................................................... 23 Slika 2 Razvoj in izdelava bionične lutke .............................................................................. 56 Slika 3 Predstavitev bionične lutke v TV ooddaji RTV Slovenije »Ugrizni znanost« ................................................................................................................................................ 57 Slika 4 Predstavitev bionične lutke v okviru »Stičišča znanosti in gospodarstva« kot projekta MIZŠ ............................................................................................................................. 58 Slika 5 Prikaz ekstremnih obremenitev novodobnih bioničnih protez .................. 65 Slika 6 Prikaz bionike v gradbeništvu, arhitekturi in sodobni interieri .................. 68 Slika 7 Primeri bioničnih inovacij v gradbeništvu ............................................................ 69 Slika 8 Primeri bionično oblikovanih vozil in karoserij ................................................. 79 Slika 9 Dva prototipa montažnih robotov pri delu, ki sestavljata serijo majhnih enot, znanih kot voksli (voxels), v večjo strukturo ............................................................ 87 Slika 10 Bionično oblikovanje izdelkov v aditivni obliki proizvodnje ..................... 89 Slika 11 Bionični nadvodni roboti............................................................................................ 96 Slika 12 Različna bionična podvodna plovila...................................................................... 96 Slika 13 Bio inspirirane strukture na bazi rastlin in živali se danes že uporabljajo na različnih inženirskih področjih ......................................................................................... 112 Slika 14 SEM mikrofotografija različnih nanomorfologij na površini titanovega substrata ............................................................................................................................................ 113 Slika 15 Laboratorija na čipu, mikrofluidne črpalke, implantabilnega nevrostimulatorja in upravljalne enote (Foto J. Š.)......................................................... 134 Slika 16 Priznanja podeljena za prenos novih tehnologij in raziskovalnih dosežkov iz akademsko-znanstvene sfere v gospodarstvo in za uspešno povezovanje gospodarstva in znanosti. ............................................................................... 202

[ 207 ]

Seznam infografik Infografika 1 Povezave med bioniko, biomimetiko, biomimikrijo .............................. 1 Infografika 2 Bionika – njena glavna razvojna in raziskovalna področja in možnosti uporabe................................................................................................................................ 4 Infografika 3 Razumevanje biološkega sistema ..................................................................... 5 Infografika 4 Bionične in biomimetične strategije za inovacije in trajnostni razvoj......................................................................................................................................................... 7 Infografika 5 Izpostavljena dva bionična pristopa k reševanju tehniških problemov s pomočjo bionike........................................................................................................ 8 Infografika 6 Metodologija integriranega sistema bioničnega načrtovanja z BioTRIZ, TOPISIS in TAGUCHI .................................................................................................... 10 Infografika 7 Pristopi biomimikrije........................................................................................ 11 Infografika 8 Pristop k razvoju bioničnih in biomimetičnih senzorskih sistemov ................................................................................................................................................................... 16 Infografika 9 Računalniško modeliranje za proučevanje kompleksnih bioloških sistemov (več ravni biološkega sistema) ............................................................................... 19 Infografika 10 Človek in razvoj humanoidnih in bioničnih robotov ....................... 22 Infografika 11 Bionični vsadki, stimulatorji, bionične okončine in umetni organi ................................................................................................................................................................... 24 Infografika 12 Primer krmiljenja in simulacije bionične ročne proteze (prvi primer) .................................................................................................................................................. 25 Infografika 13 Bionična roka, senzorji in krmiljenje (drugi primer) ...................... 27 Infografika 14 Krmiljenje bioničnih protez (tretji primer) ......................................... 28 Infografika 15 Nevrorobotska fuzija protetičnega dotika, kinestezije in gibanja bioničnih okončin ............................................................................................................................. 30 Infografika 16 Implantabilne bionično-fotonične naprave in njihove lastnosti 32 Infografika 17 Bionični možgani (BMM).............................................................................. 34 Infografika 18 Razvojne smeri razvoja bioničnih možganov ..................................... 35 Infografika 19 Biološko nevronski sistemi za zaznavanje in okvir informacij v nevromorfnem nevronskem sistemu ...................................................................................... 37 Infografika 20 Biološko navdihnjeni memristorji ........................................................... 39 Infografika 21 Živčni vmesniki, različne elektrode in komunikacije ...................... 42 Infografika 22 Sodelovanje in povezovanje človeka in robota skozi razvojni čas ................................................................................................................................................................... 43 Infografika 23 Skozi področja človeške bionike ............................................................... 49

[ 208 ]

Infografika 24 Predstavitev projekta bionične lutke in opis bioničnih vsadkov in sistemov ................................................................................................................................................ 55 Infografika 25 Primer postopka biomimetičnega načrtovanja .................................. 59 Infografika 26 Razvoj bioničnih eksoskeletov in razvoj bioničnega človeka za potrebe medicine .............................................................................................................................. 62 Infografika 27 Nevrorobotska razvojna bionična platforma ...................................... 63 Infografika 28 Eksoskeleti se danes uporabljajo v industriji, zdravstvu, medicini, za vojaške namene in drugje … ................................................................................................... 64 Infografika 29 Digitalni dvojčki se integrirajo v personalizirano medicino ........ 66 Infografika 30 Primer pametne zgradbe in njene umestitve v prostor ................. 74 Infografika 31 Prikaz bioničnih lopatic vetrne elektrarne .......................................... 78 Infografika 32 Preprosta primera življenjskega cikla bioničnega izdelka ............ 82 Infografika 33 Bionično projektiranje, dizajniranje in izdelava prototipov ........ 84 Infografika 34 Ilustrativni prikaz treh osnovnih paradigem inteligentne proizvodnje.......................................................................................................................................... 86 Infografika 35 Primer razvoja strojnega orodja in različne ravni možnosti bioničnih izboljšav ........................................................................................................................... 90 Infografika 36 Posnemanje naravnih sistemov in ustvarjanje bioničnih tehnoloških inovacij in izdelkov................................................................................................. 92 Infografika 37 Siemensove vodilne industrijske rešitve IoT (MindSphere) ........ 93 Infografika 38 Procesi v biološko navdihnjeni proizvodnji......................................... 94 Infografika 39 Gasilski humanoidni roboti, razviti za posebne namene gašenja in reševanja na ladjah ..................................................................................................................... 98 Infografika 40 Merilna znanost za razvoj in proizvodnjo na področju humanoidne robotike .................................................................................................................. 102 Infografika 41 Primer bionične interaktivne platforme ............................................ 104 Infografika 42 Nove metode bioničnega načrtovanja za skeletne strukture, ki temeljijo na analizi poti obremenitve ................................................................................... 106 Infografika 43 4D-tiskanje različnih polimernih materialov z biološko navdihnjenimi strukturami ....................................................................................................... 110 Infografika 44 Biološke in inženirske strukture, naravne in umetne lastnosti 116 Infografika 45 Izboljšane lastnosti svilenega fibroina in aplikacije...................... 118 Infografika 46 Izboljšana funkcionalnost svilenega fibroina in aplikacije ........ 119 Infografika 47 Umetni bionični barorefleksni sistem ................................................. 121 Infografika 48 Primer bioničnega vidnega sistema ..................................................... 125 Infografika 49 Prikaz modela oz. konstrukcijske rešitve bioničnega vida. ....... 126 Infografika 50 Razvojni trendi na področju bioničnih očesnih leč........................ 128

[ 209 ]

Infografika 51 Hibridni bionični celični sistem je mogoče zgraditi z združevanjem živih in neživih modulov.............................................................................. 131 Infografika 52 Organi na čipu ................................................................................................ 137 Infografika 53 BioMEMS sistema, aplikacije in razvoj biomimetičnega mikrofluidnega čipa ...................................................................................................................... 139 Infografika 54 Aplikacije bioelektronskih in bioničnih nosov in zaznavanja vonjav.................................................................................................................................................. 142 Infografika 55 Naravni sistem vonja in umetni sistem s pomočjo bioelektričnih in bioničnih nosov in zaznavnih sistemov .......................................................................... 144 Infografika 56 Postopek ustvarjanja novega bioničnega algoritma ..................... 147 Infografika 57 Bionične oskrbovalne verige in bionične rešitve ........................... 150 Infografika 58 Inovacijski proces in prenos tehnologije za razvoj novega bioničnega izdelka ......................................................................................................................... 152 Infografika 59 Biološka in bionična transformacija proizvodnje in organizacije ................................................................................................................................................................ 154 Infografika 60 Industrijska robotika z bioniko na poti v v inteligentno proizvodnjo ...................................................................................................................................... 155 Infografika 61 Biokonvergenca in prikaz sinergije med biologijo in tehničnim inženiringom.................................................................................................................................... 157 Infografika 62 Ponazoritev razvojnega koncepta Biodigitalne konvergence... 158 Infografika 63 Izpostavljeni trije izraziti načini biodigitalne konvergence ...... 159 Infografika 64 Prikaz prihajajočih konvergenčnih tehnologij NBIC ..................... 161 Infografika 65 Simbolični učni model bioničnega oblikovanja različnih struktur ................................................................................................................................................................ 166 Infografika 66 Razvoj od mikrozračnih vozil (MAV) do bioničnih zračnih vozil (BAV) ................................................................................................................................................... 169 Infografika 67 Prikaz nekaterih razvojnih konceptov podvodne bionične kamuflažne komunikacije .......................................................................................................... 172 Infografika 68 Vključitve bionike v pomorskem ladijskem prometu (vir: The Royal Society UK in Univerza v Bonnu) ............................................................................... 174 Infografika 69 Bionično integriran mehanizem za določanje položaja, ki temelji na bioinspiriranem polarizacijskem kompasu in inercialnem navigacijskem sistemu ............................................................................................................................................... 177 Infografika 70 Ekstremna bionika se hitreje uresničuje, zaradi novih materialov in boljšega poznavanja bioloških sistemov ........................................................................ 181 Infografika 71 Različni pristopi pridobivanja el. energije za napajanje mikro- in nanonaprav v medicini in bioniki ........................................................................................... 185

[ 210 ]

Infografika 72 Bionika postaja konvergenca različnih entitet ................................ 188 Infografika 73 Kompleksna in celovita grafična predstavitev bionike in bioničnih naprav ter sistemov ................................................................................................. 195

Viri Literatura: Biomimicry and bionics (svetovni splet) http://www.energy-bionics.com/about-energy-bionics.html https://researchfeatures.com/future-bionic-limbs/ https://www.discovermagazine.com/technology/the-bionic-man-who-buildsbionic-people https://eksobionics.com/ https://rdabrisbane.org.au/industries/human-bionics https://news.usc.edu/trojan-family/usc-bionics-technology-neuroscienceparalyzed-robotic-exoskeleton/ https://digital.thecatcompanyinc.com/g20magazine/september-2016/humanbionics/ https://ece.ubc.ca/the-next-generation-of-bionic-devices/ https://edition.cnn.com/2013/04/24/opinion/bionic-superhumans-rameznaam/index.html https://www.jst.go.jp/impact/bionichumanoids/en/index.html https://www.cbc.ca/news/science/ekso-bionics-eksovest-ford-assembly-line1.4645523 https://www.livescience.com/bionic-eye https://www.monash.edu/industry/why-work-with-us/success-stories/bioniceye

[ 211 ]

https://scitechdaily.com/bionic-eyes-developing-the-next-generation-ofartificial-vision-aids/ https://www.csiro.au/en/research/technology-space/ai/vision-processing-forthe-bionic-eye https://go.gale.com/ps/i.do?p=AONE&u=googlescholar&id=GALE|A509682961 &v=2.1&it=r&sid=AONE&asid=25c6a3ec http://ras.papercept.net/images/temp/IROS/files/0073.pdf https://www.festo.com/gb/en/e/about-festo/research-anddevelopment/bionic-learning-network/bionicmobileassistant-id_326923/ http://en.people.cn/n3/2017/1122/c90000-9295831.html https://cordis.europa.eu/project/id/678144 https://researchfeatures.com https://spectrum.ieee.org/nanotube-bionic-muscles-are-10-timesstronger#toggle-gdpr https://medium.com/swlh/bionic-eyes-connected-to-the-internet-will-changesociety-42e822e7309a https://spectrum.ieee.org/realistic-retina-make-better-bionic-eyes https://www.teachengineering.org/activities/view/nyu_bioniceye_activity1 https://www.theengineer.co.uk/future-prosthetic/ https://ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr202107fa6.html https://www.freethink.com/technology/hugh-herr-future-of-bionics https://circuitdigest.com/article/how-bionics-are-redefining-the-future-ofprosthetics https://qz.com/2141719/prosthetics-of-the-future-are-focused-on-boostingthe-able-bodied/ https://aabme.asme.org/posts/bionics-a-step-into-the-future https://www.fabricatingandmetalworking.com/2016/01/bionics-and-thefuture-of-flight/

[ 212 ]

https://biorosinfo.ru/upload/file/industry-5-0-the-relevance-and-implicationsof-bionics-and-synthetic-biology.pdf https://arstechnica.com/information-technology/2015/07/why-you-might-beseeing-mechanical-exoskeletons-on-construction-sites-soon/ https://www.industrialautomationindia.in/robotitm/3110/Applying-Bionicsto-Robotics/industrial-robots https://www.thejakartapost.com/news/2019/12/02/analysis-organizationsfuture-will-be-bionic.html https://ece.ubc.ca/the-next-generation-of-bionic-devices/ https://ieeexplore.ieee.org/document/9523744 https://tectales.com/bionics-robotics/ https://www.spotlightmetal.com/how-to-integrate-bionics-in-lightweightdesign-a-786157/ https://www.researchgate.net/publication/303501318_Development_of_an_int egrated_bionic_design_system https://eksobionics.com/what-is-an-exoskeleton-suit/ https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100047 https://www.bcg.com/publications/2020/building-bionic-supply-chain https://gs1pt.org/wp-content/uploads/2021/04/Building-the-Bionic-SupplyChain_BCG.pdf https://www.igb.fraunhofer.de/en/reference-projects/biotrain.html https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf3368 https://www.news-medical.net/news/20130114/Bionic-devices-an-interviewwith-Dr-Rylie-Green.aspx https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032117303246 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S014296121830766X https://tectales.com/bionics-robotics/ https://www.bpminstitute.org/resources/articles/bpm-toolbox-bionicenterprise

[ 213 ]

https://www.hindawi.com/journals/abb/2019/8750413/ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6341236/ https://www.bbvaopenmind.com/en/technology/robotics/5-milestonesbionics/ https://www.wareable.com/health-and-wellbeing/building-bionic-bodies-5992 https://www.researchgate.net/publication/2998097_Hybrid_Bionic_Systems_fo r_the_Replacement_of_Hand_Function https://innovationsgesellschaft.ch/en/bionics-steel-strength-from-spider-websas-inspiration-for-materials/ https://www.scc.ca/en/news-events/news/2021/canada-forefront-exploringbiodigital-convergence https://www.researchgate.net/publication/346219211_Research_and_Applicati on_of_New_Technology_of_Bionic_Enhanced_Wellbore_and_Strong_Lubrication_ Water-Based_Drilling_Fluid https://digital.thecatcompanyinc.com/g7magazine/france-2019/artificial-andhuman-intelligence-partners-in-bionic-healthcare-innovation/ https://www.hindawi.com/journals/abb/2020/8865841/ https://www.azorobotics.com/Article.aspx?ArticleID=477 https://www.azocleantech.com/news.aspx?newsID=31414 http://hit.alljournals.cn/html/jhit_cn/2021/4/20210402.html https://cordis.europa.eu/project/id/690689 https://www.airbus.com/en/newsroom/news/2016-03-pioneering-bionic-3dprinting https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21097259/ https://www.journal.riverpublishers.com/index.php/DGAEJ/article/view/2929 https://www.researchgate.net/figure/Morphological-study-of-the-PitcherPlant-a-and-bananas-leaf-stalks-b_fig4_332762036 https://www.academia.edu/472764/An_approach_to_validation_of_technologic al_industrial_design_concepts_with_a_bionic_character

[ 214 ]

https://www.umsicht.fraunhofer.de/en/projects/bionic-manufacturing.html https://www.linkedin.com/pulse/ingenuity-inspired-biology-how-bionicapproach-industrie-jan-mrosik https://www.bionicsqueensland.com.au/creating-a-bionic-nose/ https://www.mdpi.com/1424-8220/18/1/103/htm https://www.technologynetworks.com/analysis/news/prototype-electronicnose-developed-353282 https://www.mdpi.com/1424-8220/18/1/103/htm https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2018.0263 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1000936120302466 https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2021.690950/full https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7913815/ https://ieeexplore.ieee.org/document/6741138 https://kids.britannica.com/students/article/bionics/273221 http://www.tju.edu.cn/english/info/1011/3979.htm https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/eom2.12209 https://www.researchgate.net/publication/270393532_A_New_Bionic_Develop ment_Approach_used_to_Improve_Machine_Elements_for_Robotic_Applications http://eprints.nottingham.ac.uk/63018/ https://www.researchgate.net/publication/329432224_A_bionic_approach_for_ heat_generation_and_latent_heat_storage_inspired_by_the_polar_bear https://www.nato.int/docu/review/articles/2021/02/26/cognitivebiotechnology-opportunities-and-considerations-for-the-natoalliance/index.html https://www.researchgate.net/publication/248475022_Biological_Materials_Str ucture_and_Mechanical_Properties https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1672652914600251

[ 215 ]

https://www.nato.int/docu/review/articles/2021/12/16/why-our-valuesshould-drive-our-technology-choices/index.html https://innovationsgesellschaft.ch/en/bionics-steel-strength-from-spider-websas-inspiration-for-materials/ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.6b00146 https://www.eurekalert.org/news-releases/500454 https://www.futuremedicine.com/doi/10.2217/bem-2018-0005 https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fvets.2022.836043/full https://www.researchgate.net/publication/340413216_A_selfcharging_device_with_bionic_self-cleaning_interface_for_energy_harvesting https://www.newswise.com/articles/editorial-bionic-devices-offer-benefitsbut-pose-health-ethical-concerns https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y https://www.ru.nl/science/dcn/research/neurophysiology/graduate-schoolbionics/motivation/

[ 216 ]