Rozwiązania techniczne naśladujące naturę

Transkrypt

1 Rozwiązania techniczne naśladujące naturę

2 Wstęp Bionika, a właściwie biomimetyka (gr. bios - życie i mimesis naśladować) jest to nauka zajmująca się podpatrywaniem rozwiązań w naturze i adaptowaniem ich do potrzeb praktycznych. Badania biomimetyki nie zajmują się tylko obserwacją czy imitacją biologicznej struktury, ale raczej wdrażeniem jej rozwiązań do potrzeb człowieka. Termin ten został ukuty około 1950 roku przez Otto Schmitt a.

3 Geneza W 1941 roku szwajcarski inżynier George de Mestral, zmęczony ciągłym czyszczeniem po spacerach sierści swego ukochanego psa, zbadał pod mikroskopem tkwiące w niej nasiona rzepienia pospolitego (Xanthium strumarium) i wymyślił VELCRO - uniwersalne zapięcie zwane rzepem.

4 Geneza Stworzony z pierwszych sylab francuskich slow velour (aksamit, meszek) oraz crochet (haczyk) marka VELCRO od 1959 roku obejmuje szeroka gamę produktów używanych w codziennym życiu.

5 Natura Futro niedźwiedzia polarnego zainspirowało specjalistów firmy Malden Mills pracującej nad lekką i ciepłą tkaniną mogącą zastąpić wełnę.

6 Natura Niektóre stworzenia potrafią chodzić po gładkich powierzchniach, takich jak ściana czy szyba. Rekordzistami są gekony, które potrafią zawisnąć na czubku palca przyklejonego do podłoża.

7 Natura Wyniki pracy nad elektromagnetycznym oddziaływaniu włosków gekonów pozwoliły na wyprodukowanie pierwszego syntetycznego "kleju gekona" na University of California w Berkeley. Okazało się, że najważniejsze są wymiary włosków - im mniejsze, tym lepiej przylegają.

8

9 Natura Korzystając z podglądania żyjącej w Morzu Czerwonym ryby o nazwie boxfish Mercedes-Benz zaprojektował samochód uzyskujący rewelacyjne właściwości aerodynamiczne oraz użytkowe.

10 Natura

11 Natura Najnowocześniejszy superszybki pociąg Shinkansen również swój wygląd zawdzięcza naturze. Zimorodek był wzorem przy projektowaniu nosa pociągu, natomiast opierzenie sowy przy redukcji wytwarzanego hałasu.

12 Natura Egzoszkielet czyli zewnętrzny szkielet którego w naturze zobaczyć możemy wśród mięczaków i stawonogów.

13 Natura

14 Natura

15 Natura Na uniwersytecie stanu Michigan powstał sztuczny wąż, który ma ułatwiać poszukiwanie ofiar katastrof. Potrafi się przeciskać przez niedostępne dla ratowników zwały gruzu, bez oporu pełza po schodach, które grożą zawaleniem.

16 Natura Robota pająka mieszczącego się w dłoni chce wykorzystać amerykańska agencja kosmiczna NASA badania innych planet. do

17 Robot BigDog czteronożny - potrafi podnieść ciężar do 40 kg system aktywnego balansowania - utrzymuje równowagę na nierównym terenie i pod działaniem zewnętrznych sił zaprojektowany do celów militarnych

18

19 Natura Artificial Intelligence (AI), czyli sztuczna inteligencja, jest to autonomiczna prezentacja i generacja procedur rozwiązywania problemów, przynależnych pierwotnie człowiekowi.

20 Natura Również w architekturze możemy spotkać projekty wzorujące się na świecie flory i fauny.

21 Natura Człowiek również bezpośrednio korzysta z zaobserwowanych zachowań zwierząt.

22

23 Czym jest bionika? BIONIKA nauka zajmująca się badaniem, kopiowaniem i imitowaniem metod, rozwiązań i procesów zachodzących w naturze oraz tworzeniem ich odpowiedników w technice, socjologii i innych dziedzinach zajmujących się zwiększaniem komfortu życia. wirnik śmigłowca i nasionko klonu Crystal Palace i lilia wodna rzep i Welcro

24 Imitowanie i inspiracja Naturą fresk przedstawiający staroegipskiego, skrzydlatego boga Khensu i współczesna realizacja marzenia o lataniu liście mimozy biologiczny czujnik pułapki zastawiane przez mięsożerne rośliny

25 BIONIKA Kleszcze mrówkolwa są narzędziem o sześciu funkcjach; za pomocą wielofunkcyjnych kombinerek również można przytrzymywać, skręcać, odcinać i wbijać. Aby zapobiec zbyt szybkiemu opadaniu, nasiona mleczu wyposażone są w przypominający puch "parasol. Skoczek spadochronowy w tym samym celu używa cieniutkiego sztucznego jedwabiu. Przyssawki gęsto rozmieszczone na ramionach mątwy i mata kąpielowa z przyssawkami.

26 Materiały biologiczne w zastosowaniach inżynierskich Pajęczyna silne włókna Struktura typu komórkowego Skóra rekina efektywne pływanie Chrząszcza - zbieranie rosy Muszle kompozyt organiczno-nieorganiczny Nano-bruzdy

27 Struktura plastra miodu Płyta rezonansowa przykład konstrukcji przekładkowej Rdzeń o o strukturze plastra miodu Konstrukcja przekładkowa z rdzeniem o strukturze plastra miodu

28 Przykłady układu komórkowego w naturze: Struktura plastra miodu c) d)

29 Inżynieria Biomedyczna BIOMIMETYKA Naśladowanie struktur i procesów występujących w organizmach żywych istota zbita istota gąbczasta

30 BIOMIMETYKA - Materiały i procesy inspirowane przez organizmy żywe budowa struktur: - laminatowa, złożona na przemian z twardych i miękkich warstw wzorzec dla syntetycznych kompozytów warstwowych 1D - sieci wzajemnie przenikających się włókien wzorzec dla kompozytów włóknistych 2D MIĘSIEŃ (struktura włóknista) 3D

31 BIOMIMETYKA Naśladowanie struktur i procesów występujących w organizmach żywych Struktury gradientowe (gradient porowatości, modułu Younga, bioaktywności) Struktury inteligentne Procesy narastania hydroksyapatytu

32 Struktura plastra miodu Przykłady zastosowań układów komórkowych: a) aluminiowa struktura plastra miodu, b) pianka poliuretanowa o otwartych komórkach, c) pianka poliuretanowa o zamkniętych komórkach

33 Natura Tajemnica stroju pływackiego Speedo FastSkin tkwi w podobieństwie do... skóry rekina. Charakteryzuje się ona minimalnym oporem stawianym wodzie.

34 Natura

35 Biomateriały naturalne.. Efekt skóry rekina Efekt łuski rekina: Zmniejszenie turbulencji dzięki wzdłużnym mikro-rowkom

36 Biomateriały naturalne Efekt skóry rekina Rekiny nie posiadają hydrodynamicznych kształtów, są one jednak niesamowicie szybkie w wodzie. Ta ryba posiada wysoko rozwiniętą skórę, która pozwala na zminimalizowanie oporu i maksymalizowanie skuteczności pływania. Tajemnica skóry rekina tkwi w jej ząbkach z mikro-wżłobieniami. Przypominają one miniaturowe płetwy-łopatki z brzegami w kształcie litery V. Kiedy ciało człowieka porusza się wodzie stwarza zawirowania, których efektem jest opór.,,ząbki' z wżłobieniami pokrywające kombinezon zmniejszają ten niekorzystny rezultat i umożliwiają wodzie opływać człowieka bardziej efektywnie.

37 Biomateriały naturalne Efekt skóry rekina Zastosowanie: Zmniejszenie oporu na płaskich powierzchniach statków i samolotów. Materiały modelujące skórę rekina redukujący opory wody i powietrza. Skafandry do skrócenia czasu zejścia na duże głębokości. Wysoko wydajny i szybki system rur do dystrybucji wody.

38 Biomateriały naturalne Montowanie mikrożłobkowej powłoki na kadłuba Airbusa (1% zmniejszenie zużycia paliwa lotniczego)

39 Biomateriały naturalne Efekt kwiatu lotosu Święty kwiat lotosu jest symbolem czystości w religiach Wschodu

40 Natura Kolejnym przykładem jest hydrofobowa farba (warstwa). Pomysł jej utworzenia wyszedł od obserwacji liści kwiata lotosu, z którego nawet duże krople wody spływają nie zostawiając śladu.

41 Natura

42 Efekt lotosu Kropelki wody toczące się po liściu Lotosu Rozpuszczalny w wodzie klej UHU ścieka z liścia Lotosu Miód spływający z łyżeczki z Efektem Lotosu Kropla zabierająca brud w czasie spływania

43 Zdjęcia SEM powierzchni liścia lotosu z kroplami wody Efekt lotosu

44 Efekt lotosu Zbliżenie powierzchni liścia lotosu, która jest przykładem super-hydrofobowej rośliny. Chropowatość powierzchni liścia lotosu jest wynikiem współistnienia mikrowypukłości i nano-włosków pokrytych kryształami wosku o średnicy 1nm.

45 Efekt lotosu Brak efektu lotosu Z efektem lotosu Kąt kontaktu około 95 0 Kąt kontaktu >110 0 płaska kropla wody prawie okrągła kropla wody Na większości roślin cząsteczki cieczy i brudu gromadzą się na powierzchni, na liściach lotosu woda zabiera brud.

46 Powierzchnie liścia pokrywają 5 10 mikrometrowe wypustki (wysokość), które są pokryte przez cienką nanostrukturę wosku. Efekt lotosu Kropla wody na liściu azjatyckiej rośliny Colocasia esculenta absorbuje cząsteczki brudu w trakcie toczenia się po jej powierzchni.

47 Efekt lotosu Powierzchnia liścia lotosu 30 μm Rozwój farb z wykorzystaniem efektu lotosu (Lotus-Effect ) Samo oczyszczanie Produkt Bioniczny

48

49

50

51 Przyszłość Replika oka pszczoły - na powierzchni wielkości łebka od szpilki umieszczono 8,5 tys. sześciokątnych soczewek. Zbudowana minikamera ma ogromne pole widzenia. Latające miniroboty o rozmiarach insekta będą patrolować zaułki najbardziej narażonych na terrorystyczne zamachy miast. Komórki barwnikowe rozmieszczone pod skórą mątw tworzą lustrzane odbicie koloru dominującego w otoczeniu. Na tej podstawie opracowano żel, którym będzie można smarować sprzęt wojskowy wymagający kamuflażu. Wytrzymalsza od stali pajęcza sieć, niemal dokładnie odwzorowana przez kanadyjską firmę Nexia, posłuży do produkcji nowoczesnych kamizelek kuloodpornych. Prognozuje się, że w umieszczeniu stacji na Marsie czy Księżycu wiedzą mogą służyć umiejętności budowlane termitów. W ostatnich latach wykorzystali "zachowanie" sosnowej szyszki reagującej na wzrost temperatury otoczenia rozchylaniem łusek, a na spadek - ich zamykaniem. Wkrótce inspirowana szyszkami odzież pojawi się w sklepach. Badacze z Cornell University wymyślili samolot, który będzie lądował jak przysiadający na ziemi ptak. Pilot będzie mógł "posadzić" maszynę w dowolnym miejscu, np. na skale lub dachu wieżowca, wyłączyć silniki i zlustrować okolicę. Są już prototypy sztucznych pająków spacerujących po wodzie, jaszczurek wspinających się po ścianach oraz krabów, które NASA zamierza wysłać na Marsa

52 Podsumowanie Na szersze zastosowania w energetyce i ekologii potrzeba wyobraźni nanotechnologie mogą wzbogacać działalność człowieka, ale potrzebna jest także świadomość, że są one w naszym zasięgu. Na poziomie żywej komórki funkcjonują biologiczne nanomaszyny, umożliwiające proces jej samoodtwarzania. Rozwój współczesnej miniaturyzacji w elektronice uzasadnia tezę o możliwości zbudowania sztucznych, autoreprodukujących się nanoukładów. Jednej rzeczy nauczyłem się w moim długim życiu: że cała nasza nauka w konfrontacji z rzeczywistością wydaje się prymitywna i dziecinna. Albert Einstein

53 Biomimetyka Bibliografia: Benyus J.: Innovation inspired by nature. Biomimicry, Perennial, New York, 2002 Gislason H.: Design with Nature as Role Model Ayre M.: Biomimicry A Review, 2004, ESTEC Wprost nr 1155 (23 stycznia 2005), 1254 (24 grudnia 2006) Inne Internet: inne