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biònica

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Descrizione generale

sf. [sec. XX; da bio-+(tec)nica]. Scienza che studia gli organismi viventi allo scopo di costruire dei modelli teorici e pratici che ne simulino le funzioni tipiche. Le origini di questa scienza si possono far risalire agli studi di W. S. McCulloch e W. H. Pitts, presentati in un loro articolo apparso sul Bulletin of Mathematics and Biophysics del 1943. Tali studi avevano come scopo la realizzazione di modelli di reti neuroniche che avessero le proprietà del sistema nervoso umano e ne riproducessero il comportamento. Il termine bionico, nel significato di modelli biologici riprodotti elettronicamente, è stato introdotto nel 1960 dall'americano J. Steele. La bionica può essere vista come una parte della cibernetica: infatti, mentre la cibernetica si occupa dello studio e della realizzazione più generale dei sistemi artificiali, la bionica cerca di migliorarli oppure di crearne di nuovi, ispirandosi ai sistemi naturali già esistenti. § La metodologia usata in bionica nell'affrontare un determinato problema si può schematizzare negli stadi seguenti: A) studio del sistema naturale (biologia); B) creazione di un modello matematico (matematica); C) realizzazione del sistema artificiale (ingegneria). La bionica, quindi, al pari della cibernetica, si avvale di una metodologia spiccatamente interdisciplinare. È difficile stabilire una netta delimitazione fra la bionica e il resto della cibernetica, essendo le fasi B e C caratteristiche della metodologia seguita dal cibernetico. Quello che differenzia le due scienze è però il fatto che mentre la bionica parte da un sistema biologico per la realizzazione di modelli che imitino il comportamento di tale sistema, la cibernetica tende alla progettazione e realizzazione di sistemi artificiali senza necessariamente partire da un sistema biologico, pur restando fisso, per entrambe le discipline, l'obiettivo finale di realizzare sistemi artificiali. Il modo di procedere del ricercatore di bionica si può sintetizzare come segue. Partendo dal sistema naturale, dopo un accurato studio, si realizza un modello teorico a cui fa seguito la realizzazione di un primo sistema artificiale. A questo punto si sottopongono i due sistemi, artificiale e naturale, a una medesima serie di esperimenti e si confrontano i risultati; eventuali discrepanze di comportamento porteranno a un approfondimento dello studio del sistema naturale e quindi a una modifica del modello teorico e del sistema artificiale. Questo ciclo verrà ripetuto fino a quando il sistema artificiale mostrerà una soddisfacente somiglianza di comportamento con il sistema naturale. Avremo quindi, come risultato, oltre a un sistema sempre più perfezionato, una comprensione sempre maggiore del sistema naturale.

La ricerca

Due tipici esempi di studi inerenti a questa scienza sono lo studio del sistema nervoso e lo studio degli organi sensoriali. Uno dei temi più affascinanti affrontati è quello di una comprensione tale del cervello umano che suggerisca il modo di costruire dei meccanismi aventi alcune delle sue proprietà. Il punto di partenza di questi studi è stato l'indagine di un componente fondamentale del cervello, il neurone, e del modo di propagarsi delle perturbazioni fra un neurone e un altro. Un importante risultato cui hanno portato queste ricerche è stato la creazione da parte di H. D. Crane nel 1960 di un dispositivo, da lui chiamato neuristore, in grado di simulare il comportamento di un neurone. La bionica indirizza le sue ricerche sia verso la comprensione dei principi tramite i quali una rete neuronica riesce, evolvendosi, ad adattarsi, cioè a compiere operazioni inizialmente impossibili per essa, oppure a riparare alcuni danni derivanti dalla distruzione dei suoi elementi sia allo studio degli organi sensoriali, in particolare udito e vista, in vari animali e nell'uomo. Da questo studio si possono trarre preziose idee per la realizzazione di analoghi sistemi artificiali che abbiano le stesse funzioni. In natura si possono osservare vari tipi di organi sensoriali o recettori ognuno dei quali è adatto a un particolare scopo: recettori di sensazioni meccaniche, ottiche, chimiche, termiche, elettriche o, come si dice comunemente, meccanorecettori, fotorecettori, chemiorecettori, termorecettori, elettrorecettori (recettore). Uno dei primi esempi di ricerche in tale direzione è stato lo studio del metodo usato dai pipistrelli per rivelare gli ostacoli che incontrano durante il volo notturno. Il principio su cui si basano tali animali è quello di far riflettere le onde ultrasoniche, da essi emesse, sugli ostacoli nella traiettoria del volo. È questo lo stesso principio in base al quale è stato possibile realizzare i rivelatori (sonar) usati nei sottomarini e gli analoghi rivelatori (radar) che fanno uso di onde elettromagnetiche. Molto interessante è risultato lo studio del delfino dal "naso a bottiglia" ai fini della progettazione di un sonar in grado di rivelare ostacoli, sia vicini sia lontani, mediante l'emissione di un unico segnale acustico. Attualmente, invece, è necessario un sonar a bassa frequenza e alta potenza per rivelare ostacoli lontani e un sonar ad alta frequenza per gli ostacoli vicini. Spesso lo studio di un particolare organo sensoriale può portare alla progettazione e alla realizzazione di un organo artificiale che ne conservi le caratteristiche peculiari. I Sovietici, per esempio, prendendo spunto dal modo in cui alcuni animali riescono a ricevere segnali di bassa frequenza (da 1 Hz a qualche decina di Hz), hanno costruito un orecchio artificiale, tramite il quale è possibile prevedere con ca. 15 ore di anticipo l'arrivo di una tempesta. La realizzazione di un naso sintetico che riesca a distinguere le varie sostanze si presenta, invece, molto più difficile: lo studio dei chemiorecettori naturali potrebbe fornire un notevole impulso alla realizzazione di un organo di questo tipo. Un interessante dispositivo, che simula il comportamento dell'occhio della rana, è stato invece realizzato nei laboratori della RCA. La caratteristica essenziale dell'occhio della rana è quella di non poter distinguere le sue prede se esse non sono in movimento. L'occhio elettronico costruito secondo questo modello potrebbe fornire un utile strumento nelle ricerche riguardanti il riconoscimento di forme. Inoltre, tale dispositivo costituisce il primo passo verso la realizzazione di un'apparecchiatura per la sorveglianza, il riconoscimento e la guida dei veicoli. Altri esempi di studi affrontati dalla bionica sono lo studio dei sistemi di propulsione di alcuni animali, particolarmente uccelli e pesci, e lo studio degli organi effettori, cioè degli organi che eseguono gli ordini impartiti dal cervello. Nel primo caso lo studio del moto dei delfini ha permesso di accertare che la notevole velocità che essi possono raggiungere dipende dal fatto che la loro pelle è costituita da due strati che permettono di ammortizzare gli effetti della turbolenza dell'acqua durante il movimento. Tale principio è stato applicato alla realizzazione di particolari siluri che raggiungono velocità molto più elevate di quelle dei siluri ordinari. Lo studio e l'imitazione dei meccanismi tramite i quali il cervello riesce a impartire ordini agli organi effettori è di grande utilità per la progettazione e realizzazione di apparecchiature in grado di sostituire l'uomo in certi suoi compiti e di arti artificiali utili a persone fisicamente menomate. I tentativi di formalizzare, mediante modelli, gli organismi viventi hanno condotto alla creazione di teorie matematiche, fra le quali possiamo annoverare la teoria degli automi (cibernetica); la teoria del riconoscimento di forme; la teoria delle macchine che apprendono (perceptrone). Però, il fine più ambizioso che si prefigge questa scienza è quello di costruire dei sistemi che abbiano le caratteristiche peculiari di un organismo vivente, ossia: capacità di utilizzare informazioni acquisite dall'ambiente circostante per apprendere nuovi moduli di comportamento; capacità di reagire a una grande varietà di situazioni esterne e di decidere come comportarsi per raggiungere un determinato scopo.

Bibliografia

F. Rosenblatt, Principles of Neurodynamics Perceptrons and the Theory of Brain Mechanisms, Buffalo, 1961; L. B. Krayzmar, Bionics, Relazione OTS 63-2/47 U. S. Department of Commerce, Washington, 1963; N. Wiener, Progress in Biocybernetics, Amsterdam, 1964; R. Boucart, Bionique biologique, in “Rev. des corps de santé des armées”, 7-3-1966; L. Gérardin, La bionica, Milano, 1968; Y. Coineau, B. Kreshing, Le invenzioni della natura e la bionica, Cinisello Balsamo, 1989.

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