Aprende sobre biónica y entiende la dureza de la seda producida por varios animales como la mariposa Morpho y el gusano de seda, también un estudio sobre el brillante e iridiscente color azul de la mariposa Morpho

Investigadores de biónica estudiando polillas y mariposas del gusano de seda.

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Biónica, ciencia de construir sistemas artificiales que tienen algunas de las características de los sistemas vivos. La biónica no es una ciencia especializada sino una disciplina intercientífica; puede compararse con la cibernética. Se ha dicho que la biónica y la cibernética son las dos caras de una misma moneda. Ambas utilizan modelos de sistemas vivos, la biónica para encontrar nuevas ideas de máquinas y sistemas artificiales útiles, la cibernética para buscar la explicación del comportamiento de los seres vivos.

La biónica es, por tanto, distinta de la bioingeniería (o biotecnología), que es el uso de seres vivos para realizar ciertas tareas industriales, como el cultivo de levaduras en el petróleo para proporcionar proteínas alimentarias, el uso de microorganismos capaces de concentrar metales a partir de minerales de baja calidad y la digestión de residuos por bacterias en baterías bioquímicas para suministrar energía eléctrica.

La imitación de la naturaleza es una idea antigua. A lo largo de los siglos, muchos inventores han modelado máquinas a partir de animales. Copiar de la naturaleza tiene claras ventajas. La mayoría de los seres vivos que hay ahora en la Tierra son el producto de dos mil millones de años de evolución, y la construcción de máquinas para trabajar en un entorno parecido al de los seres vivos puede beneficiarse de esta enorme experiencia. Aunque se pueda pensar que el camino más fácil es la imitación directa de la naturaleza, esto suele ser difícil, si no imposible, entre otras razones por la diferencia de escala. Los investigadores de la biónica han descubierto que es más ventajoso comprender los principios de por qué funcionan las cosas en la naturaleza que copiar servilmente los detalles.

El siguiente paso es la búsqueda generalizada de inspiración en la naturaleza. Los seres vivos pueden ser estudiados desde varios puntos de vista. El músculo animal es un motor mecánico eficiente; la energía solar es almacenada en forma química por las plantas con una eficiencia de casi el 100%; la transmisión de información dentro del sistema nervioso es más compleja que las mayores centrales telefónicas; la resolución de problemas por parte de un cerebro humano supera con creces la capacidad de los superordenadores más potentes. Todo ello ejemplifica los dos campos principales de la investigación biónica: el procesamiento de la información y la transformación y el almacenamiento de la energía.

El patrón general de la red de información de los organismos vivos es el siguiente: las sensaciones ambientales son recibidas por los órganos de los sentidos y luego codificadas en señales que son transmitidas por los nervios a los centros de procesamiento y memorización del cerebro. Las víboras de fosetas de la subfamilia Crotalinae (que incluye a las serpientes de cascabel), por ejemplo, tienen un mecanismo sensor de calor situado en una fosa entre las fosas nasales y los ojos. Este órgano es tan sensible que puede detectar un ratón a varios metros de distancia. Aunque existen detectores infrarrojos mucho más sensibles fabricados por el hombre, la biónica puede beneficiarse del estudio de las víboras. En primer lugar, sería interesante y de valor potencial comprender el principio de transformación de la energía que se produce en la fosa de infrarrojos de la serpiente de cascabel, así como el proceso por el que se estimulan los nervios en ausencia de un mecanismo de amplificación. Otro ejemplo sorprendente es el órgano sensor de olores de la polilla de la seda, Bombyx mori. El macho puede detectar la sustancia química segregada por la hembra en una cantidad tan pequeña como unas pocas moléculas.

En un conductor como un cable telefónico, la señal se atenúa a medida que viaja por el cable, y hay que colocar amplificadores a intervalos para reforzarla. Este no es el caso del axón del nervio animal: el impulso neural emitido por los órganos de los sentidos no se debilita al viajar a lo largo del axón. Este impulso sólo puede viajar en una dirección. Estas propiedades hacen que el axón nervioso sea capaz de realizar operaciones lógicas. En 1960 se ideó un dispositivo semiconductor llamado neuristor, capaz de propagar una señal en una dirección sin atenuación y de realizar operaciones numéricas y lógicas. El ordenador neuristor, inspirado en un modelo natural, imita el comportamiento dinámico de las redes naturales de información neuronal; cada circuito puede servir secuencialmente para diferentes operaciones de forma similar a la del sistema nervioso.

Otra cuestión de interés para la biónica es cómo un sistema vivo hace uso de la información. En circunstancias cambiantes, los seres humanos evalúan cursos de acción alternativos. Cada situación se asemeja de alguna manera a una situación experimentada anteriormente. El «reconocimiento de patrones», un elemento importante en la acción humana, tiene implicaciones para la biónica. Una forma de diseñar una máquina artificial capaz de reconocer patrones es utilizar procesos de aprendizaje. Se han desarrollado versiones experimentales de este tipo de máquinas, que aprenden estableciendo y modificando conexiones entre un gran número de posibles rutas alternativas en una red de caminos. Este aprendizaje, sin embargo, es todavía rudimentario y dista mucho de ser humano.

La primera diferencia esencial entre los ordenadores electrónicos existentes y el cerebro humano radica en la forma en que se organiza su memoria. Tanto en la memoria de un ser vivo como en la de una máquina, el principal problema radica en recuperar la información una vez almacenada. El método que utilizan los ordenadores se llama «direccionamiento». La memoria de un ordenador puede compararse con un gran estante de casilleros, cada uno de los cuales tiene un número o dirección (ubicación) particular. Es posible encontrar una determinada información si se conoce la dirección, es decir, el número del casillero. La memoria humana funciona de manera muy diferente, utilizando la asociación de datos. La información se recupera según su contenido, no según una dirección externa añadida artificialmente. Esa diferencia es tanto cualitativa como cuantitativa. Los dispositivos de memoria fabricados por el hombre se construyen ahora utilizando principios asociativos, y existe un gran potencial en este campo.

La segunda diferencia principal entre los ordenadores electrónicos y el cerebro humano reside en la forma de tratar la información. Un ordenador procesa datos precisos. Los humanos aceptan datos difusos y realizan operaciones que no son estrictamente rigurosas. Además, los ordenadores sólo realizan operaciones elementales muy sencillas, produciendo resultados complejos al realizar un gran número de esas operaciones sencillas a muy alta velocidad. Por el contrario, el cerebro humano realiza operaciones a baja velocidad pero en paralelo y no en secuencia, produciendo varios resultados simultáneos que pueden ser comparados (véase también inteligencia artificial).

En el mundo vivo, la energía se almacena en forma de compuestos químicos; su uso siempre va acompañado de reacciones químicas. La energía solar es almacenada por las plantas mediante complejos procesos químicos. La energía del movimiento muscular se deriva de los cambios químicos. La luz producida por organismos vivos como los hongos, las luciérnagas y ciertos peces es de origen químico. En todos los casos, la transformación de la energía es notablemente eficiente en comparación con los motores térmicos.

Se está empezando a comprender cómo se producen estas transformaciones en la materia viva y la naturaleza del complejo papel que desempeñan las membranas vivas. Tal vez algunas de las limitaciones de la complejidad y la fragilidad molecular puedan superarse en las máquinas de energía artificial fabricadas por el hombre y se consigan mejores resultados que en las membranas naturales.