بیونیک- معرفی و مبانی 1

امروزه بشر برای حل بسیاری از مسائل خود در زمینه‎های مختلف پزشکی، مهندسی و علوم پایه به طبیعت رجوع‎کرده ‎است. ارتباط بین علوم مختلف و طبیعت، در زیرمجموعه علمی موسوم به «بیونیک» مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این علم با الهام و یا تقلید از قوانین و ساختارهای مختلف طبیعت و یا استفاده مستقیم از مواد موجود در آن، به طراحی و ساخت تجهیزات مختلف و حل مشکلات آنها می‎پردازد. از منظر واژه‌شناسی، علم بیونیک به معنای «زیستار شناختی» است؛ یعنی علمی است که می‌خواهد با شناخت طبیعت و پرده برداشتن از راز و رمز‌های آن، به پیشرفت علوم دیگر کمک کند. «بیومیمتیک» واژه دیگری است که در این حوزه علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به نوعی زیرمجموعه‌ای از علم گسترده بیونیک محسوب می‎شود. در واقع، بیومیمتیک به آن بخش از علم بیونیک گفته می‎شود که تقلید صرف (و نه الهام) از طبیعت مد نظر باشد. در این مقاله، با ارائه مثال‎های جذاب، به معرفی این حوزه نوپای علمی و انواع آن پرداخته می‌شود تا زمینه برای ورود به بحث کاربردهای نانوالکترونیک بیونیکی و بیومیمتیکی فراهم شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- تعریف
3- انواع تقسیم‎بندی
1-3- تقسیم‌بندی بر اساس سازوکار
2-3- تقسیم‎بندی بر مبنای کاربرد
1-2-3- بیونیک معماری
2-2-3- بیونیک در حوزه کامپیوتری
3-2-3- بیونیک پزشکی و نانوپزشکی
نتیجه‌گیری

1- مقدمه

بیونیک یکی از شاخه‌های علمی است که با توجه به علاقه شدید دانشمندان و مهندسان به مطالعه طبیعت و ساختار‎های آن، مورد توجه قرار گرفته است. این علم با الهام از طبیعت و قوانین آن و یا با تقلید مستقیم از طبیعت، به ساخت و افزایش بهره‎وری در علوم مختلف مهندسی مانند الکترونیک و نانوالکترونیک، کامپیوتر، مکانیک، معماری و علوم مدیریتی و فناوری زیستی کمک می‎کند. در واقع، علم بیونیک به مجموعه‎ای از علوم گفته می‎شود که در آنها، موجودات زنده و قوانین طبیعت، با هدف ساخت و توسعه انواع فناوری‎ها در علوم مختلف امروزی، مورد مطالعه قرار می‎گیرند. بیونیک را می‎توان هنر استفاده از دانش به‎دست آمده از طبیعت در حل مسائل و مشکلات فنی در علوم مختلف دانست.
در علم بیونیک ادواتی ساخته می‎شوند که براساس مواد و یا سازوکار سیستم‎های موجود در طبیعت کار می‎کنند. این در حالی است که دانشمندان به دنبال ابداع و توسعه فناوری، روش‌ها و سازوکارهای مختلف هستند. از این رو، بیونیک به دنبال ایجاد پیوند و پل ارتباطی بین دانش نشات گرفته از طبیعت و فناوری‌‎های مختلف است. این پیوند تنها کپی‌برداری و تقلید صرف نیست، بلکه الهام از سازوکارها و روش‎ها را نیز در برمی‎گیرد.
الهام از سیستم‎های زنده برای بررسی و ساخت ماشین‎ها‎، از اولین کاربردهای علم بیونیک بوده است. اولین نمونه از این خلاقیت را می‎توان ماشین پرنده‌ای دانست که توسط نقاش معروف لئوناردو داوینچی و با الهام از ساختار بدنی خفاش ساخته شده بود. او استدلال کرده بود که پوستی پرده مانند که بال‎های خفاش را پوشانده است و هوا را از خود عبور نمی‎دهد، قابلیت پرواز را به خفاش می‎دهد.
می‎توان علم بیونیک را براساس سازوکار و یا براساس کاربرد آن تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به معرفی انواع دسته‌بندی‌های ارائه شده در این زمینه پرداخته خواهد شد.

2- تعریف

از منظر واژه‌شناسی، بیونیک به معنای «زیستارشناختی» یا شناخت سازه‌ها و ساختارهای موجود در طبیعت و بکارگیری آنها در علوم مختلف است. این کلمه از دو بخش بیو (bio) به معنای زندگی و پسوند ایک (ic) به معنای شباهت تشکیل شده است. «بیومیمتیک» (Biomimetics) واژه دیگری است که در حوزه بیونیک به طور عمومی مورد استفاده قرار می‌گیرد و برخی آن را با واژه بیونیک هم‌معنی می‌دانند. این کلمه از دو بخش بیو و میمتیک (برگرفته از واژه تقلید (imitation)) تشکیل شده و معنای آن، تقلید از زندگی (طبیعت) است. در واقع، بیومیمتیک شاخه‌ای از بیونیک است که فقط به تقلید از اجزای زنده و غیرزنده طبیعت می‎پردازد. تاکنون تعاریف گوناگونی برای علم بیونیک بیان شده است. جدول 1 فهرستی از مهم‌ترین این تعاریف را ارائه می‌دهد.

جدول 1- تعاریف ارائه شده برای علم بیونیک در بستر تاریخ

«بیوانفورماتیک» (Bioinformatics) علم دیگری است که در کنار بیونیک، به عنوان یکی از شاخه‌های علم نانوالکترونیک زیستی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این علم با توجه به داده‎های زیست‎شناسی، الگوریتم‎های بسیار گرانبهایی برای توسعه سیستم‎های مهندسی و پزشکی ارائه می‎کند. این علم از بخش‌های دیگری مانند توسعه نرم‌افزارها برای ارتباط بین داده‎های مختلف زیستی و مدیریت آنها تشکیل شده است. آن بخش از بیوانفورماتیک که به طور مستقیم به طبیعت مربوط است و الگوریتم‎های برگرفته از آن را تولید و توسعه می‎دهد، شاخه‌ای از علم بیونیک محسوب می‎شود.

3- انواع تقسیم‎بندی

1-3- تقسیم‌بندی بر اساس سازوکار

می‌توان علم بیونیک را براساس نحوه عملکرد و ارتباط بین «محصول تولید شده و طبیعت مورد مطالعه»، به چندین حوزه زیر تقسیم‎بندی نمود:

بیونیک فرآیندی: این شاخه از علم بیونیک، به ساخت و طراحی فناوری‌‎های مختلف با الهام از طبیعت، فرآیندها و قوانین آن می‌پردازد. از زیرشاخه‎های این حوزه می‎توان به بیونیک معماری، حسگرهای بیونیکی و  انرژی بیونیکی اشاره کرد.
بیونیک سازه‎ای: این شاخه از علم بیونیک، به توسعه فناوری‎های مختلف و ساخت قطعاتی مانند انواع ربات‎ها، ایمپلنت‎ها و تجهیزات نانوالکترونیکی براساس مواد موجود در طبیعت می‌پردازد.
بیونیک اطلاعاتی: در این شاخه از بیونیک، الگوریتم‌ها و داده‎های طبیعی مورد مطالعه قرار می‎گیرند تا در طراحی و ساخت تجهیزات مختلف الکتریکی و کامپیوتری مورد استفاده قرار گیرند. الگوریتم کرم شب‎تاب، الگوریتم زنبور عسل، الگوریتم مورچه‎ای و الگوریتم ژنتیک از جمله الگوریتم‎هایی هستند که در این حوزه توسعه یافته‎اند.
شکل 1 برخی از زمینه‎های فعال حوزه بیونیک و زیرشاخه‌های آن را معرفی می‌کند.

2-3- تقسیم‎بندی بر مبنای کاربرد

علم بیونیک در حوزه‎های مختلفی کاربرد دارد که در ادامه به معرفی تعدادی از آنها پرداخته می‌شود.

1-2-3- بیونیک معماری

امروزه معماری یکی از حوزه‌هایی است که از بیونیک برای پیشبرد اهداف خود استفاده می‎کند. با توجه به جمعیت امروز بشر، کمبود منابع طبیعی، افزایش سطح توقع افراد و به‎وجود آمدن فناوری‌های جدید، مهندسین علم معماری به دنبال استفاده از قوانین طبیعت برای بهره‌وری بیشتر ساختمان‎های امروزی هستند. معماری بیونیکی مسیر خوش‌آتیه‌ای را برای حل مشکلات معماری با الهام از موجودات زنده و معماری سازه‌های طبیعت ارائه می‎دهد تا ساختمان‎های امروزی استفاده بهتر و پربازده‎تری از منابع طبیعی مانند زمین و نور خورشید داشته باشند. به عنوان مثال می‌توان به استفاده از نور خورشید برای فراهم کردن انرژی الکتریکی و حرارتی مورد نیاز ساختمان‎ها اشاره کرد. با الهام از حرکت گیاهانی مانند گل آفتاب‌گردان که در طول روز حرکت خورشید را دنبال می‎کنند، می‎توان پنل‌های خورشیدی ساختمان‎ها را به‌گونه‌ای طراحی ‎کرد که خورشید را دنبال کرده و همیشه از نور مستقیم در طول روز استفاده کنند. همچنین با الهام از حرکت گل‎ها، می‎توان ساختمان‎های متحرکی (چرخشی) ساخت که در آن، اتاق‎های نشیمن و اتاق‎های خواب با پنجره‎های شیشه‎ای بزرگ در یک سمت باشد. اتاق‎های این ساختمان‎ها می‎توانند در طول تابستان پشت به خورشید و در زمستان رو به خورشید قرار گیرند. در واقع، چرخش ساختمان باعث افزایش دریافت انرژی در زمستان و کاهش دریافت گرما در تابستان می‎شود. به عنوان مثال می‌توان به ساختمان گل آفتاب‎پرست در شهر فریبورگ آلمان اشاره کرد .

از دیگر مثال‎های معماری بیونیکی می‎توان به تقلید از تپه‎های موریانه (شکل 2-ب و پ) برای ساخت ساختمان‎هایی با سیستم خنک‌کننده غیرفعال (passive cooling) اشاره کرد. این تپه‎های بزرگ 3 تا 8 متری که توسط موریانه‌ها برای زندگی ساخته‎ می‎شوند، قابلیت نگهداری دما بر روی 29 درجه سانتی‎گراد را دارند. در حالی که دمای خارجی در طول شبانه روز بین 1 تا 40 درجه سانتی‌گراد تغییر می‎کند، دمای داخل تپه ثابت می‎ماند. از این ساختار می‎توان برای ساخت ساختمان‎ها و مراکز خریدی که به طور خودکار دمای خود را در طول روز پایین نگه می‌دارند، استفاده کرد. دیوارهایی با ضخامت‎های مختلف، ساخت هود در وسط ساختمان و دیوارهای رنگی خارجی برای جذب انرژی کمتر می‎تواند به بازدهی سیستم خنک‎سازی غیرفعال کمک کند.

2-2-3- بیونیک در حوزه کامپیوتری

امروزه الگوریتم‌های مختلفی مانند الگوریتم مورچه‎ و زنبور عسل،‎ در نرم‌افزار‎های کامپیوتری به‌کار می‌روند. این الگوریتم‌ها برای حل بسیاری از مسائلی که در حالت عادی چندین هزار ساعت زمان نیاز دارند، استفاده می‎شود. یکی از ساده‎ترین ‎الگوریتم‌های برگرفته از داده‎های طبیعت، الگوریتم مورچه‎ای است که از حرکت مورچه‎ها بین کلونی خود و محل استقرار غذا الهام گرفته شده است.
در طبیعت، اغلب مورچه‎ها در ابتدا به صورت اتفاقی به دنبال غذا می‎گردند و هنگامی که آن را یافتند، به کلونی خود بازمی‌گردند و در راه برگشت، یک ماده شیمیایی خاص که سایر مورچه‌ها می‌توانند آن را تشخیص دهند برجای می‎گذارند. اگر مورچه‎های دیگر این مسیر را پیدا کنند، به احتمال زیاد آن را دنبال می‌کنند و دیگر به صورت اتفاقی دنبال غذا نمی‎گردند. حال مورچه‎های دیگر با دنبال کردن مسیر اولیه باعث ترشح مواد بیشتر و در نتیجه، قوی‎تر شدن موادشیمیایی به جای‌‌مانده بر مسیر می‎شوند. اما با گذشت زمان، این مواد شیمیایی تبخیر شده و از بین می‎روند و مسیر مربوطه قدرت پیگیری خود را از دست می‎دهد. زمانی که مسیر رفت و برگشت مورچه طولانی باشد، احتمال این تبخیر بیشتر است. بنابراین در مسیرهای کوچک، احتمال تبخیر کمتر است و با گذشت زمان، حرکت مورچه‎های بیشتر باعث افزایش چگالی ماده شیمیایی در آن مسیر می‎شود. تبخیر ماده شیمیایی بسیار حائز اهمیت است. اگر همچین اتفاقی نمی‎افتاد، مسیر اتفاقی پیدا شده توسط مورچه اول توسط تمام مورچه‎های بعدی طی می‎شد و هیچگاه بهترین مسیر پیدا و استفاده نمی‎شد. تأثیر تبخیر در دنیای طبیعی بر روی مورچه‎ها هنوز مشخص نیست، اما در نرم‎افزارهای کامپیوتری امری بسیار مهم برای پیداکردن بهترین جواب است.
نتیجه این نوع حرکت این است که هرگاه مورچه‌ای مسیر بهتر (کوتاه‌تر) را به سمت غذا پیدا کند، احتمال پیگیری آن مسیر توسط مورچه‎های دیگر بیشتر است و دیگر مورچه‎ها بازخورد مثبت به آن مسیر می‎دهند. این اتفاقات تکرار می‎شود تا زمانی‌که منجر به انتخاب یک مسیر بهینه (کوتاه‌ترین مسیر) شود. پس از دستیابی به این مسیر، تمام مورچه‎ها آن را انتخاب می‎کنند. ایده الگوریتم‎ مورچه‎ای این است که رایانه، با یک سری مورچه شبیه‌سازی شده، این پدیده را تقلید و با حرکت بر روی یک گراف، مسئله مورد نظر را حل می‌کند.
امروزه از این گونه الگوریتم‎ها در حل مسائل مختلفی از جمله مسائل سیستم‎های حمل و نقل درون‌شهری و برون‌شهری استفاده می‎شود. اولین الگوریتم، به حل مشکل مرد مسافر (travelling salesman problem) اختصاص داده شد. هدف این مسئله، انتخاب کوتاه‌ترین مسیر بین یک سری شهر از پیش تعیین‌شده است. الگوریتم اصلی اختصاص یافته به این مسئله بسیار ساده است و بر مبنای تعدادی مورچه که هر کدام مسیرهای ممکن بین شهرها را با تبعیت از یک سری قوانین مشخص طی می‌کنند کار می‌کند. شکل 3 نحوه انتخاب شدن کوتاه‌ترین مسیر را با استفاده از الگوریتم مورچه‎ای نشان می‎دهد.

شکل 3- (الف) حرکت مورچه‌ها بین محل غذا و کلونی خود که الهامی برای حل مسائل واقعی است. (ب) شمایی از نحوه حل مسئله مرد مسافر توسط الگوریتم مورچه‎ای: (1) یکی از مورچه‌ها مسیری را انتخاب می‎کند و بر روی آن، ماده شیمیایی خود را ترشح می‎کند؛ (2) تمام مورچه‎ها مسیرهایی را طی می‎کنند که باعث قرار گرفتن ماده شیمیایی بر روی مسیرها بر اساس کیفیت مسیر می شود؛ (3) هر بخش از مسیر که کوتاه‌ترین است و بیشترین مورچه از آن عبور کرده است ماده بیشتری بر روی آن قرار دارد؛ و (4) تبخیر باعث پاک شدن مسیرهای (راه‌حل)‌ نامناسب می‎شود [3].

3-2-3- بیونیک پزشکی و نانوپزشکی

امروزه تجهیزات و دستگاه‎های بسیاری مانند ایمپلنت‎های مصنوعی تولید شده‎اند که یا از بدن موجودات زنده الهام گرفته شده یا به طور مستقیم از مواد طبیعی ساخته‎شده‌اند. با پیشرفت‎های قابل توجهی که در زمینه تلفیق مواد مختلف طبیعی و سنتز شده به‌دست آمده است، امروزه بشر توانایی ساخت تجهیزاتی را دارد که قادر به تقلید از اندام‎های مختلف زیستی هستند. نکته‎ای که در مورد این تجهیزات حائز اهمیت است این است که باید با بدن انسان و هر موجود زنده دیگر، سازگاری بالایی داشته باشد تا از هرگونه عوارض جانبی مانند بیماری یا پس‎زده شدن توسط بدن جلوگیری شود. دستگاه‎ها و تجهیزات نانوبیوالکترونیکی با سه چالش عمده روبروهستند که باید مورد توجه قرار گیرند:

1. خواص مکانیکی نانومواد الکترونی باکیفیت معمولاً متفاوت از خواص مکانیکی مواد زیستی است. به طور مثال، مدول یانگ مواد الکترونیکی غیرطبیعی (سنتزی) معمولاً بین 1 تا 100 گیگاپاسکال است، در حالی که مدول یانگ پوست بین 1/0 تا 1 مگا پاسکال است. همچنین نانومواد الکترونیکی غیرطبیعی، کرنش شکستی حدوداً 30 برابر کمتر از پوست انسان دارند. این تفاوت‎های مشهود در خواص مکانیکی نه تنها مانعی بر سر راه سازگاری تجهیزات پزشکی زیستی با بدن موجودات زنده است، بلکه ممکن است باعث ناراحتی، تحریک کردن، پس‌زدن و جراحات و بیماری‎ نیز شوند.

1. شرایط ساخت تجهیزات نانوالکترونیکی باکیفیت معمولاً با شرایط ساخت و سنتز مواد زیستی ناسازگار است. در حالی که تجهیزات میکرو و نانوالکترونیکی، با روش‎های «بالا به پایین» و تحت شرایط محیطی خشن مانند دمای بالا و اسیدهای قوی ساخته می‎شوند، مواد زیستی مانند اندامها و پوست اغلب با روش‎های «پایین به بالا» تولید می‎شوند.

1. ویفرهای الکترونیکی معمولاً ساختارهای صفحه‎ای و دوبعدی دارند، درحالی که مواد زیستی دارای ساختارهای پیچیده سه‎بعدی هستند. این ناسازگاری‌ها موانع بزرگی بر سر راه ساخت و استفاده از تجهیزات زیست‌پزشکی به وجود می‌آورند که تا به امروز برای تعداد محدودی از تجهیزات رفع شده‎اند. در شکل 4 تعدادی از این تجهیزات که با الهام از نوع طبیعی خود ساخته شده‎اند و در بدن انسان استفاده می‎شوند آورده شده ‎است.

از سایر مثال‌ها در این زمینه می‎توان به نانوربات‎های پزشکی اشاره کرد. در بدن انسان و سایر موجودات زنده، موتورهای مولکولی زیادی هستند که وظیفه انتقال و جابجایی مواد مورد نیاز سلول‎ها را دارند. این موتورها برای انجام حرکات مکانیکی (خروجی) در اثر یک تحریک خارجی مناسب (ورودی) طراحی شده‎اند. این نوع موتورها از لحاظ عملکرد، بسیار شبیه موتورهای معمولی (مقیاس بزرگ) هستند. ورودی موتورهای مولکولی نیز مانند موتورهای معمولی می‎تواند انرژی شیمیایی، نور و یا موارد دیگر که باعث تحریک ‎آنها می‌شوند، باشد. در بین این موتور‌ها، موتور مولکولی کینسین، توانایی حرکت بر روی یک مسیر مشخص را دارد (شکل 5-الف). با الهام از این موتورها می‎توان نانوربات‎هایی ساخت که وظیفه حمل دارو را برعهده دارند (شکل 5- ب و پ). لازم به ذکر است که موتورهای ملکولی طبیعی هیچ‎گونه محصول بی‎مصرف (مواد زائد) ندارند و همین عامل موجب افزایش کارایی آنها می‌شود. از طرف دیگر، برخلاف موتورهای گرمایی، موتورهای مولکولی طبیعی، در طول عملکرد خود، گرمایی آزاد نمی‎کنند و واکنش‎های انجام شده، از نوع گرماگیر هستند. همچنین از دیگر کاربردهای بیونیک در زیست‌پزشکی و نانوالکترونیک می‎توان به نانومدارهای ساخته شده از ترانزیستورهای پایه‌گرافن و نانولوله کربنی اشاره کرد. این تجهیزات که می‎توانند در سیستم اعصاب انسان استفاده ‎شوند به تقلید از اعصاب طبیعی انسان ساخته می‎شوند.

نتیجه‌گیری

علم بیونیک پلی بین طبیعت و سایر علوم بشری مانند علوم پایه، پزشکی و مهندسی است. این علم با تقلید و یا الهام از قوانین و ساختارهای مختلف طبیعت، به طراحی، ساخت و بهبود سیستم‎ها و تجهیزات علوم مختلف کمک می‎کند. کلمه بیومیمتیک که گاهی به جای بیونیک استفاده می‎شود، شاخه‌ای از این علم است که به تقلید از طبیعت می‎پردازد. علم بیونیک را می‎توان به سه شاخه کلی (1) بیونیک فرآیندی (که اساس آن، الهام از قوانین و فرایندهای طبیعت است)، (2) بیونیک سازه‎ای (که مبنای آن، تقلید از سازه‎ها و ساختارهای طبیعت است)، و (3) بیونیک اطلاعاتی (که به طراحی و توسعه الگوریتم‎های الهام گرفته از داده‎ها و الگوریتم‎های طبیعی می‌پردازد) تقسیم‎بندی کرد. همچنین این علم را می‎توان براساس کاربردهای آن تقسیم‎بندی کرد که در زمینه‎های مختلفی از جمله، پزشکی، کامپیوتر، معماری و نانوالکترونیک کاربرد دارد.

منابـــع و مراجــــع

۱ – Yuan, Y., et al., Bionic building energy efficiencybionic green architecture: A review. RenewableSustainable Energy Reviews, 2017. 74: p. 771-787.

۲ – Benyus, J.M., Biomimicry: Innovation inspired by nature. 2002, Perennial New York.

۳ – Bianchi, L., L.M. Gambardella,M. Dorigo. An ant colony optimization approach to the probabilistic traveling salesman problem. in PPSN. 2002. Springer.

۴ – Kong, Y.L., et al., 3D printed bionic nanodevices. Nano today, 2016. 11(3): p. 330-350.

۵ – Agarwal, A.H. Hess, Biomolecular motors at the intersection of nanotechnologypolymer science. Progress in Polymer Science, 2010. 35(1): p. 252-277.

۶ – Bar-Cohen, Y., Biomimetics: biologically inspired technologies. 2005: CRC Press.

۷ – Hsu, C.-C.A.C. Parker. A biomimetic nanoelectronic neuron with enhanced spike timing. in CircuitsSystems (ISCAS), 2014 IEEE International Symposium on. 2014. IEEE.

۸ – Gruber, P., et al., BiomimeticsMaterials, StructuresProcesses: Examples, IdeasCase Studies. 2011: Springer Berlin/New York.

۹ – عبدالرضا سیم چی، حمیدرضا سیم چی، ابوالفضل آذرنیا، امیر قاسمی، آزاده رنجبر، پرهام سهندی، فریبرز زاهدی، آریا اصلانی، نانوبیوالکترونیک: مبانی و کاربردها، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، سال 95