Bioniikka

Bioniikka (myös biomimetiikka, bioinspiraatio ja biognosis; sivuaa myös bionisen luovuussuunnittelun käsitettä) on biologisten menetelmien ja luonnossa esiintyvien järjestelmien soveltamista tekniikan tutkimukseen ja kehittämiseen. Sanan bioninen keksi Jack E. Steele vuonna 1958. Sen alkuperä saattaa olla kreikankielinen sana βίον, bíon, joka tarkoittaa elämän yksikköä, yhdistettynä päätteeseen -ic, joka viittaa 'kaltaisuuteen', tarkoittaen siis 'elämän kaltaista'. Joidenkin sanakirjojen mukaan sana kuidenkin muodostuu biologian ja elektroniikan yhdistelmästä.

Bionisen teknologian kannattajien mukaan elämänmuotojen ja tuotantotekniikoiden välinen teknologiansiirto on tarkoituksenmukaista, sillä evolutiivinen paine saa eliöitä, sekä eläimistöä että kasvistoa, optimoitumaan ja tehostumaan. Klassinen esimerkki siitä on vettä- ja likaahylkivän maalin keksiminen lootuskukkaa tutkimalla. Tällöin huomattiin, että kasvin pinta hylkii käytännössä kaikkea. Tätä ilmiötä kutsutaan nimellä lootusilmiö.

Käsitettä ”biomimetiikka” käytetään, kun on tarkoitus viitata kemiallisiin reaktioihin. Biomimeettinen kemia viittaa reaktioihin, jotka luonnossa esiintyessään sisältävät biologisia makromolekyylejä (esimerkiksi entsyymit ja nukleiinihapot), joiden kemiallista rakennetta voidaan kopioida käyttämällä in vitro -menetelmällä huomattavasti pienempiä molekyylejä.

Insinööritieteessä bioniikkaa on käytetty muun muassa jäljittelemällä veneen rungon rakenteessa delfiinin paksua ihoa ja mallintamalla kaikuluotaimissa, tutkissa ja lääketieteen ultraäänimallinnuksessa lepakkojen kaikupaikannusmenetelmiä.

Tietojenkäsittelytieteen alalla bioniikan tutkimuksen avulla on tuotettu keinotekoisia hermosoluja, keinotekoisia hermoverkostoja ja parviälyjä. Bioniikka vaikutti myös evoluutiolaskennan syntyyn, mutta evoluutiolaskennan parissa ideaa laajennettiin simuloimalla evoluutiota digitaalisesti, tuottaen erittäin optimoituja ratkaisuja jollaisia luonnossa ei ole aiemmin esiintynyt.

Bathin yliopiston mekaanisen insinööritieteen osaston biomimetiikan professori Julian Vincentin mukaan ”tällä hetkellä vain noin kymmenessä prosentissa teknologiaa hyödynnetään biologian mekanismeja.”

Historia 
Termin ”biomimetiikka” keksi Otto Schmitt 1950-luvulla. Termin ”bioniikka” keksi Jack E. Steele vuonna 1958, Wright-Pattersonin ilmatukikohdassa Daytonissa, Ohiossa työskennellessään. Teknologian maailmassa suositaan käsitettä ”biomimiikka”, jotta vältettäisiin sekoittuminen lääketieteen bioniikka-termin kanssa. Martin Caidin käytti käsitettä sattumalta vuonna 1972 julkaistussa romaanissaan Cyborg, jonka innoittamana tuotettiin myös tv-sarja Kuuden miljoonan dollarin mies. Caidin työskenteli pitkään ilmailualalla teknisenä kirjoittajana ennen päätymistään täysipäiväiseksi fiktiokirjailijaksi.

Menetelmät 
Bioniikan tutkimuksessa korostetaan usein luonnosta löydettyjen toimintojen soveltamista, sen sijaan että vain matkittaisiin biologisia rakenteita. Esimerkiksi tietojenkäsittelytieteen kybernetiikka pyrkii mallintamaan älykkäälle käyttäytymiselle luontaisia palaute- ja kontrollimekanismeja, kun taas tekoälytutkimuksessa pyritään mallintamaan älyn toimintoja riippumatta niistä nimenomaisista tavoista, joilla kyseinen toiminta mahdollistuu.

Esimerkkien ja mekanismien tietoinen kopiointi luonnossa esiintyvistä eliöistä ja ekologioista on sovelletun tapauskohtaisen päättelyn muoto, jossa luonto mielletään toimivaksi todettujen ratkaisumallien tietokannaksi. Kannattajien mukaan kaikkiin luonnollisiin elämänmuotoihin kohdistuva valintapaine karsii epäonnistuneet muodot.

Vaikka lähes kaikkea insinööritiedettä voidaan pitää eräänlaisena biomimetiikan muotona, alan nykyaikaiseksi synnyttäjäksi on nimetty Buckminster Fuller, ja sen myöhempi kodifikaatio omaksi tutkimusalakseen Janine Benyusille.

Karkeasti voidaan erotella kolme eläimistön ja kasviston biologista tasoa, joiden mukaan teknologiaa voidaan mallintaa:
Luontaisten tuotantotekniikan menetelmien jäljittely
Luonnossa esiintyvien mekanismien imitointi (Tarranauha)
Järjestäytymisen periaatteiden tutkiminen. Eliöiden sosiaalisen käyttäytymisen, esimerkiksi lintujen parvikäyttäytymisen, muurahaisyhdyskuntien, mehiläispesien sekä kalaparvien parviälyyn perustuvan toiminnan tutkimusta.

Esimerkkejä 
Tarranauha on biomimetiikan esimerkeistä tunnetuin. Vuonna 1948, sveitsiläinen insinööri Georges de Mestral oli puhdistamassa takiaisia, jotka olivat tarttuneet hänen koiraansa ulkoilutuksen yhteydessä. Hän havaitsi, kuinka takiaisen hakaset tarrautuivat koiran turkkiin.

Percy Shaw keksi kissansilmäheijastimet vuonna 1935, tutkittuaan kissojen silmien mekanismeja. Hän oli havainnut, että kissoilla oli tapetum ludicumina tunnettu heijastavien solujen järjestelmä, joka kykeni heijastamaan pienimpiäkin valohiukkasia.

Leonardo da Vincin lentävät koneet ja alukset ovat varhaisia esimerkkejä luonnon mallintamisesta insinööritieteessä.

Resiliini on kumin korvike, joka on luotu tutkimalla niveljalkaisista löytyviä materiaaleja.

Julian Vincent ammensi männynkäpyjen tutkimuksesta suunnitellessaan vuonna 2004 ”älykkäitä” vaatteita, jotka mukautuvat lämpötilanvaihteluihin. ”Tahdoin elottoman järjestelmän, joka reagoisi kosteuden muutoksiin muuttamalla muotoaan. Kasvikunnassa on paljon tuollaisia järjestelmiä, mutta useimmat niistä ovat hyvin pienikokoisia – männynkäpy on suurin ja siten helpoin työstettävä.” Männynkävyt reagoivat ilmankosteuden lisääntymiseen avaamalla suomunsa levittääkseen siemeniään. ”Älykäs” kangas toimii samalla periaatteella, eli se avautuisi käyttäjänsä lämmentyessä ja hikoillessa ja sulkeutuisi tiukasti lämpötilan laskiessa.

 Penn Staten yliopiston biomimeetikot suunnittelivat vuonna 2004 ”muotoaan muuttavat lentokoneen siivet”, jotka muovautuvat lennon nopeuden ja keston mukaan. Muovautuviin siipiin haettiin mallia eri lintulajeilta, joilla on monenlaisia siipiä joiden malli riippuu lintujen lentonopeuksista. Jotta lentokoneen siivistä saatiin muuttuvat, oli tutkijoiden luotava myös pintakerrokselle kyky muovautua. Heidän keksinnössään siivet peitetään kalojen innoittamilla suomuilla, jotka liukuvat tarvittaessa toistensa päälle. Idea on jalostettu jossain määrin swing wing -mallista.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Biologia
Suunnittelu ja innovaatio